книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

2. Разработан адаптационный механизм поддержания го­ меостазиса выемочного участка как целостной совокупности горно-технологических процессов.

При разработке модели горнотехнологических процессов выемочного участка авторы исходили из очевидно наблю­ даемого факта: горно-технологические процессы иницииру­ ются деятельностью человека, но реализация этих процес­ сов, их пространственно-временная структура предопределя­ ется основными параметрами взаимодействующих горнотех­ нических элементов выемочного участка. Более того, сами пространственно-временные характеристики горнотехниче­ ских элементов участка возникают вследствие реализации горнотехнологических процессов. Иначе говоря, взаимодей­ ствие горнотехнических элементов порождает горно­ технологические процессы, но реализация горнотехнологи­ ческих процессов приводит к возникновению все новых и новых горнотехнических элементов.

Возникает вложенность горнотехнологических процессов друг в друга или их стратификация. Согласно теории иерар­ хических систем, горно-технологические процессы в рамках каждого слоя стратификации согласованы между собой.

В качестве интегральных характеристик сложной системы авторы выделяют следующие:

• показатель добротности системы:

где:

CDpi. сЭр2 " соответственно, наибольшая резонансная час­ тота 1-го и 2-го слоя в спектре сигнала;

Q ,, Q2 - соответственно, добротность 1-го и 2-го стра­ тифицированного слоя системы;

W i, и W 2 " соответственно, мощность потерь энергии в этих слоях;

где:

3j - приведенные затраты на компенсацию параметра Xj

способом;

Ржу, коэффициент корреляции между регулируемой и

регулирующей величинами.

Для способов, реализующих метод координации, вид кри­ терия упрощается:

3j -> min

где:

3j - приведенные затраты на реализацию одного акта ко­

ординации J способом.

Однако для сохранения своего гомеостазиса диссипатив­ ная система не всегда использует самые наилучшие способы. Это связано с тем, что она вынуждена поддерживать свое состояние в области гомеостазиса не по одному, а сразу по нескольким параметрам. Поэтому способы, имеющие высо­ кий приоритет, начинают кооперироваться между собой. И в этой борьбе "сообществ" выживают те, которые вновь наилучшим образом реализуют принцип минимума диссипации.

Применительно к способам компенсации формализован­ ная запись указанного явления имеет вид:

где:

N - количество компенсируемых параметров;

ак - весовой коэффициент компенсируемого параметра

*к; 3к1 - приведенные затраты на компенсацию параметра

*к способом с наивысшим приоритетом (j=l);

Величины указанных отношений отражают приращение организованности в диссипативной системе за счет реали­ зуемых ею затрат. Общность затрат в используемых спосо­ бах регулирования, компенсирующих N регламентируемых параметров, является причиной их кооперирования.

Применительно к способам координации явление коопе­

где:

3kj - приведенные затраты на j способ координации (j=l); 3l(i,N;j)" приведенные затраты на ликвидацию N - анома­

лий N - способами координации.

Сравнивая компенсационный и координационный методы реализации адаптационного механизма гомеостазиса рас­ сматриваемой системы, авторы констатируют следующее.

Во-первых, координация всегда имеет приоритет перед компенсацией. Этот приоритет распространяется с уровня агрегирования, на котором обнаружена аномалия, на все нижележащие уровни. Физическая причина такого приори­ тета заключается в следующем. Метод компенсаций основан на линейных моделях, предполагающих относительную изо­ тропность среды рассматриваемого уровня агрегации, а об­ наружение аномалии свидетельствует ofr обратном. Крупно­ масштабные аномальные процессы на выемочном участке акцентируют появление анизотропии свойств на более мел­ комасштабном уровне, поэтому компенсация на нижележа­ щих уровнях агрегации становится неэффективной и пере­ стает играть какую-либо существенную роль в обеспечении

гомеостазиса системы. Последнее хорошо подтверждается, например, имеющимся опытом отработки выбросоопасных пластов, наглядно демонстрирующим практическую невоз­ можность предотвращения в зонах мелкоамплитудной нарушенности пласта газодинамических явлений путем использо­ вания компенсационных режимов выемки угля. Технические последствия указанного приоритета заключаются в том, что при обнаружении аномалий все процессы компенсации на данном и нижележащих уровнях стратификации блокируют­ ся.

Во-вторых, компенсация и координация реализуются на основе разных моделей. Компенсация базируется на относи­ тельной изотропности свойств элементов агрегируемого уровня, поэтому все ее модели линейны. Координация имеет своей целью устранить обнаруженную анизотропию элемен­ тов агрегируемого уровня, поэтому ее модели существенно нелинейны. Более того, вероятностно-статистические харак­ теристики модели при координации приобретают повышен­ ную неустойчивость, поэтому причинно-следственные связи между управляемой и управляющей величинами становится все менее достоверными. Последнее, например, хорошо под­ тверждается накопленным опытом реализации противовыбросных мероприятий в особо высокоопасных зонах угольных пластов.

В-третьих, область применения компенсации и координа­ ции объективно ориентирована на специфику горно­ геологических, горнотехнических условий, в рамках которых выемочный участок функционирует как система. Эта ориен­ тированность состоит в следующем. С увеличением геологи­ ческой неоднородности условий отрабатываемого пласта, а также при применении проектно-технических решений, ак­ центирующих появление этой неоднородности, т.е. способствущих росту изменчивости реакций горного массива на ведение работ по выемке угля, компенсация как метод обес­ печения гомеостазиса выемочного участка утрачивает свою эффективность. Поэтому повсеместно в таких условиях ис­ пользуется координация. И, наоборот, с улучшением условий залегания угольных пластов необходимость в частном при­ менении координации, чрезвычайно трудно поддающейся

автоматизации, отпадает. Основную нагрузку по обеспече­ нию гомеостазиса системы в таких условиях несет компен­ сация.

Именно по этой причине автоматизированное управление горно-технологическими процессами, базирующееся по на­ стоящее время, в основном, на компенсационной основе, "приживается", прежде всего, в наиболее благоприятных ус­ ловиях обработки угольных пластов.

Опираясь на достижения в области теории принятия сложных решений на метод многокритериальной оптимиза­ ции по норме векторов, АС. Малкиным и Е.Н. Тучковым разработан метод интегральной оценки качества выполнен­ ных проектов угольных шахт, который авторы назвали «ме­ тодом суммарных среднеквадратичных отклонений». С уче­ том неодинаковой народнохозяйственной значимости част­ ных показателей оценки все показатели проектов шахт раз­ делены на три группы: горно-геологические, производствен­ но-технические и экономические. В конечном счете, получе­ ны следующие математические формулы для вычисления интегральных функционалов по группам показателей:

K>BTj —

эффективности проекта;

Y,<P\ • среднее значение функции полезности по всем ц0_

казателям эффективности проекта;

ш - число дифференцированных показателей эффектив­ ности проекта;

— относительный вес функции полезности i-ro пока-

Фсрл

зателя по сравнению со средней полезностью одного из по­ казателей.

Приведение показателей к однородности осуществляется с помощью вычисления величины относительного отклоне­ ния:

где:

соответственно, эталонные и фактические зна­

чения эффективности выполнения проектов;

j!"ax»j7lIn соответственно, максимальные и минималь­

ные значения показателей эффективности выполненных проектов шахт.

Достоинством данного метода является возможность включать для сравниваемых объектов любое их количество, от объектов сравнения не требуется полной аналогии горно­ геологическим условиям.

Недостатками метода являются: к сравнительной оценке не привлекаются показатели социального уровня; производ­ ственно-техническая сторона деятельности будущих шахт не подразделяется на уровень производственно-технических условий и особенно производственно-технический уровень

при поэтапном проектировании, легла в основу метода по­ следовательной оптимизации, разработанного А.С. Малки­ ным [69].

Необходимость применения этого метода вызвана, кроме логических, трудностями вычисления алгоритма оптимиза­ ции.

ства возможных. Иными словами, имеем следующее соот­ ношение:

Вероятно, абсолютно оптимальная последовательность со­ стояний с соответствующими управлениями будет возможна лишь при некоторых значениях постоянных и переменных параметров, характеризующих состояние шахты и состав­ ляющих условия ее существования в этих состояниях. Неко­ торые значения параметров, которые автор называет опти­ мальными, следует выделить из множества возможных, т.е.:

Однако сами параметры и характеристики состояний в значительной степени зависят от порядка смены состояний горных работ в шахте, от их чередования. Поэтому получа­ ется, что необходимо выделить оптимальную последователь­ ность состояний (оптимальный путь развития шахты), яв­ ляющуюся функцией оптимальных параметров, которые за­ висят от оптимального пути развития шахты:

S‘—►... s W ... -> S‘m= f({X‘nocT; X‘„eP; Х‘пост.пер});

Кроме того, для перевода системы из одного оптимально­ го состояния в другое необходимо применить оптимальное управление, значение и вид которого выделяют также из множества U*j £ {Ut}.