煤礦井下生產可視化動態優化決策系統的研發

馮夕文，王 岳，馮玉振，孫 劍，馮 倩

(礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

1 問題的提出

煤礦生產系統是一個復雜的系統工程，采場生產的不斷變化使得煤礦生產物流系統各環節整體的均衡性、連續性，具有不確定性和隨機性，導致煤礦生產物流的瓶頸和潛在的瓶頸具有漂移性[1]，進而使得煤礦生產物流瓶頸的識別和優化十分困難。

本文結合煤礦生產物流的實際情況，將物流瓶頸診斷、預警理論和WITNESS計算機仿真技術應用于煤礦生產系統當中，構建了煤礦井下生產可視化動態優化決策系統(VDODSMUP)。該系統為優化煤礦井下生產物流過程，提高煤礦生產管理的科學性和預見性，降低煤礦物流成本提供決策支持。

2 (VDODSMUP)系統開發的理論依據與軟件基礎

2.1 理論依據

2.1.1 生產物流瓶頸診斷理論與方法

本文界定的煤礦生產物流的瓶頸通常是指對整個生產系統的產能造成影響最大的工序和裝備[2]。即將長時間占用設備利用率最高和影響產量最大的工序或設備作為生產物流瓶頸。

目前較常用的生產物流瓶頸診斷方法可以大體分為定性識別方法，數學建模方法和計算機仿真三類診斷方法[3]。

煤礦生產物流系統屬于人造的復雜離散事件系統，所含元素眾多，各元素之間關系復雜。計算機仿真方法是在定量的統計分析實際系統的基礎上，通過建立計算機仿真模型反映現實系統，該方法不僅可以很好的解決建模元素之間復雜的邏輯關系，并且受容量限制很小，可以效果更好，使用范圍更廣的反映真實系統；而且具有可視化和統計分析的功能。因此計算機仿真是對煤礦生產物流系統仿真的絕佳工具。

2.1.2 生產物流系統瓶頸預警理論與方法

隨著井下采場的不斷推進和轉移，采掘巷道的布置和物流設施的配置也隨之變化，從而形成新的煤礦生產物流系統。本文界定的煤礦生產物流系統瓶頸預警主要是預警新形成的煤礦生產物流系統，在未來運行過程中可能出現的瓶頸，從而為采掘巷道的布置及物流設施的選型和運行提供決策依據。本文主要采用統計預警的理論和方法進行煤礦生產物流瓶頸的預警。統計預警方法的一般步驟為[4]：①設置預警指標。②設置警限和警度。③對比統計值與警限。④確定警報。⑤預報警度。

2.2 軟件基礎

本文利用WITNESS仿真軟件作為(VDODSMUP)系統的研發平臺，WITNESS仿真軟件是由英國lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統。它可以用于離散事件系統的仿真，同時又可以用于連續流體系統的仿真。WITNESS軟件具有直接面向對象建模；執行策略相對靈活；工程兼容性強；可視化的動態顯示；報告輸出直觀快捷；建模、仿真運行過程可交叉進行；一體化的統計分析和靈活的輸入界面等特點[5]。目前已成功運用于國際數千家知名企業的解決方案項目，如機場設施布局優化、機場物流規劃、電氣公司的流程改善、化學公司的供應鏈物流系統規劃、工廠布局優化和分銷物流系統規劃等。

煤礦井下生產物流是一個由煤炭流、矸石流、材料流、風流、水流、動力流、人流等物流構成的復合物流系統，具有作業場所變化頻繁、物流節點多、物流路線長、環境惡劣、科學交叉性高等特點。針對煤礦生產物流的特點，基于計算機仿真相比于其它方法在生產系統瓶頸診斷方面獨特的優勢及WITNESS仿真軟件在生產物流系統仿真方面的優勢，本文探索將WITNESS仿真軟件用于解決煤礦生產物流系統的優化和決策支持。

3 煤礦井下生產可視化動態優化決策系統(VDODSMUP)的研發邏輯過程和特點

3.1 (VDODSMUP)系統的研發邏輯過程

本系統首先要根據具體煤礦的實際情況，建立起煤礦井下可視化生產系統仿真模型，在模型得到驗證和確認之后，進行仿真運行，在仿真運行過程中不僅可直觀、動態的看到煤礦的井下生產過程，而且可實時分析煤礦生物流系統各環節的運行狀態。煤礦井下生產可視化動態優化決策系統(VDODSMUP)的研發邏輯過程如下所示。

1) 針對具體煤礦，收集煤礦生產系統相關資料。包括巷道布置系統相關參數，如采煤、掘進、通風、運輸、排水等生產系統的物流過程、生產能力及相關設備的技術參數和能力等。

2) 統計分析、整合上述收集的煤礦生產物流系統相關資料。

3) 分析煤礦生產的各影響要素，界定煤礦物流系統的邊界，并根據煤礦物流流程功能的不同，劃分出子系統。

4) 在大量實地調研和統計分析工作的基礎上，對煤礦系統各子系統各環節的統計規律和參數進行確定。

5) 根據所建的煤礦巷道布置系統和生產系統，找出煤礦生產各子系統之間的聯系和轉換關系，確立煤礦生產系統和物流系統各設備的匹配能力，建立完整的可視化的煤礦生產物流系統模型。

6) 借助WITNESS仿真軟件，將煤礦生產物流系統模型合理轉化為計算機仿真模型。

7) 進行仿真模型可靠性仿真檢驗，排除隨機因素的干擾，統計分析仿真結果，找出系統中的不合理因素。

8) 對模型進行改進，使之更加附合于實際的煤礦生產系統。

9) 根據實際生產煤礦，進行煤礦物流系統的仿真運行，根據仿真結果，合理優化和匹配煤礦物流系統，將改進方案應用于煤礦生產實踐，并將改進后的模型運行結果與實際煤礦的生產實踐效果相比對，從而對改進的效果進行評價。

其中VDODSMUP系統開發的關鍵問題如下所示。

1) 首先針對具體煤礦，收集真實的煤礦生產系統相關資料。包括巷道布置系統相關參數，采煤、掘進、通風、運輸、排水等生產系統的物流過程、生產能力及相關設備的技術參數和能力等。

2) 將煤礦開拓工程圖(圖1)、采掘工程圖等圖導入WITNESS系統，在導入的工程圖上，把事先構建的系統模塊(表1)，按照實際的生產物流工藝流程(圖2所示的煤炭生產物流流程)導入仿真系統，構建煤礦井下可視化生產系統仿真模型。

圖1 煤礦開拓工程圖(局部)

圖2 煤炭生產物流流程

3) 煤礦井下可視化生產系統仿真模型有效性檢驗。將現場調研統計分析的參數(包括井下物流設備的能力等技術指標、故障率、維修率等可靠性指標)轉化為計算機仿真模型，進行仿真運行，并與實際物流系統的運行狀況進行比較分析和有效性檢驗，確保仿真系統的有效性。

3.2 (VDODSMUP)系統的特點

在研發過程中主要體現如下幾個方面的特點。

實驗結果表明,添加無機肥和添加菌渣都能改善土壤還原狀況,增加土壤中的養分,從而使土壤的氧化還原電位增強.與無機肥添加組相比,菌渣的添加能夠更好地增強土壤氧化還原電位,通過改善土壤結構,維持土壤含水量,提高土壤透氣程度,緩解植物生長的限制因素,使得植物更易分解土壤中的有機質,并利用土壤中的養料更好地進行代謝作用,從而有利于提高植物的光合作用和進行物質的同化積累.

1) 為了便于開發和使用的方便，本系統采用模塊化設計理念，構建了井下常用的生產物流系統及其相關設備的模塊，其主要模塊如表1所示。利用該模塊結構，可以滿足不同煤礦構建不同煤礦生產物流仿真決策系統的需求。

2) 仿真系統模型的物流過程和工藝流程可以在導入的煤礦開拓、采掘平面圖等實際煤礦生產系統的CAD工程圖上進行布置和構建，使仿真系統的結構布局完全符合實際系統。

3) 仿真參數的設定和輸入快捷方便。WITNESS仿真軟件強大的交互性使其可以與OFFICE套件中EXCEL軟件產生交互。運用XLReadArray函數和XLWriteArray 函數可以將WITNESS中不同類型的參數變量，如整型(integer)、實數型(real)、名稱型(name)和字符串型(string)讀入WITNESS系統內或寫入EXCEL內，這樣就方便模擬數據在WITNESS仿真軟件仿真模型系統外修改參數，并且可以將仿真數據實時的顯示在EXCEL中。因此，系統參數可以根據煤礦的具體要求和實現目標，設定輸入的參數，通過對EXCEL中參數的控制可以達到干預系統仿真而不需要對仿真軟件的操作，降低了操作難度。

表1 VDODSMUP系統的模塊結構

4 VDODSMUP的基本功能及其創新性

VDODSMUP系統的創新性主要體現在如下幾個方面。

4.1 實現井下生產物流可視化和同步仿真

井下生產物流可視化仿真包括兩個方面的功能，一是依據系統的既定目標和經驗數據，對未實施設計的系統進行可視化仿真，作為實際系統設計的依據；二是主要結合煤礦的實際生產系統，在現場調研、獲得有效井下生產相關物流數據的基礎上，對井下采煤、掘進、排水、通風等實際的生產物流系統實現同步仿真。

4.2 動態分析井下生產物流系統及設備的運行可靠性，診斷和預警井下生產物流瓶頸

VDODSMUP系統的可靠性分析主要是分析煤礦井下物流系統中各設備及井下物流系統本身的可靠性，即依據仿真系統仿真過程中，由系統仿真計算的上述可靠性指標與井下生產物流系統各子系統和設備的額定可靠性指標進行對比分析，動態的反映生產物流系統中各工序設備利用率，同時設備的運行情況和可靠性指標在EXCEL中得到實時顯示，比對生產物流瓶頸評價指標，對設備占用率高的設備進行特殊顯示，并與警限進行對比，如有警情，及時作出警報，并預報警度。診斷影響井下生產、運輸等生產系統的物流瓶頸，為設備的選型和維護人員的配置、改善井下生產物流系統，及時采取有效的整改措施和維護措施提供決策依據，實施生產物流系統、設備和維護人員等資源的整合和整改，避免物流系統和設備的故障，實現生產物流系統和設備的安全、高效運轉。

4.3 核定和預測煤礦生產能力，制定合理的生產計劃

根據井下生產物流系統仿真統計分析和系統、設備的可靠性分析結果，通過進一步的仿真分析，實現對煤礦生產能力的核定和預測分析，在綜合考慮煤礦生產能力的預測結果、井下生產系統中各子系統(生產、運輸，通風、排水等)的能力以及煤炭營銷能力的基礎上，綜合確立煤礦計劃生產能力，為制定煤礦生產計劃提供決策依據。

4.4 預規劃采掘接續，實現采掘平衡

在滿足煤礦計劃生產能力和采掘生產接續合理的基礎上，依據煤礦實際煤礦采掘進程，仿真分析采取不同的采煤進尺、掘進頭個數、掘進進尺情況下的采掘接續情況，為確保采掘平衡，預規劃煤礦的采掘接續方案提供決策支持。

4.5 預測煤礦生產物流成本，合理規劃生產物流、降低生產成本

在系統的仿真過程中，將煤礦實際統計分析或調研的單位作業成本等經濟指標設定為仿真參數，在設定的仿真運行周期內，仿真預測煤礦井下生產的物流成本，并與煤礦井下的實際物流成本進行對比，通過仿真結果，綜合分析煤礦井下生產系統的物流狀況和制約煤礦井下正常生產的影響因素，從而為提出改善煤礦正常生產的必要方案和措施、實現對未來煤礦生產物流成本的預測、合理規劃井下物流、降低物流成本提供決策依據。

5 結論

1) 將煤礦生產物流瓶頸診斷和預警理論與WITNESS仿真軟件相結合，構建的煤礦井下生產可視化動態優化決策系統，為煤炭企業生產物流優化提供一種新的思路和方法，實現了從技術與管理相結合的角度對煤礦生產物流系統進行優化改善的目標。

2) 利用WITNESS仿真軟件強大的交互性使其可以與OFFICE套件中EXCEL軟件產生交互，方便模擬數據在WITNESS仿真軟件仿真模型系統外修改參數，并且可以將仿真數據實時的顯示在EXCEL中。

3) 將煤礦井下常用的生產物流系統及其相關設備模塊化，可以滿足不同煤礦構建不同煤礦生產物流仿真決策系統需求，豐富了WITNESS仿真軟件模塊化的內涵。

4) 將CAD技術與WITNESS相結合，可以直接將CAD繪制的采掘工程圖等煤礦開拓圖導入WINTESS系統，為VDODSMUP系統的開發提供了方便。

5) VDODSMUP系統不僅可以可視化仿真煤礦生產過程；而且可以對現有的物流系統的運行狀況進行診斷和分析，快捷的識別出生產物流中的瓶頸節點，預測、預警物流系統的瓶頸，保證各節點的平衡，為煤礦井下生產物流系統的動態優化提供決策支持。

[1]Feng Xiwen.Study on inventory management system dynamics model of successive manufacturing enterprises[J].Source:Advanced Materials Research,2012,(433-440):2730-2736.

[2]Feng Xiwen.Establish of Coal Production Logistics Simulation System Base on WITNESS[C].Source:Proceedings-International Conference on Electrical and Control Engineering,2010:p 915-918.

[3]肖田元.離散事件系統仿真[M].北京：機械工業出版社,2007：124-125.

[4]戴行演.預警的數學理論研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2002(2):50-53.

[5]王亞超,馬漢武.生產物流系統建模與仿真-Witness系統及應用[M].北京:科學出版社,2006:20-80.