基于混合Petri网的矿井生产主物流系统建模与仿真
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摘要
煤炭在我国一次能源消费结构中的地位决定了煤炭工业的发展在国民经济建设中具有举足轻重的作用。目前我国煤炭企业的物流成本高,效率低,安全可靠性差。而煤炭生产物流是煤炭企业物流的重要组成部分,是矿井生产的大动脉,煤炭生产物流在很大程度上决定了煤炭成本、产量以及生产效率。其中主物流是从井下采煤工作面至地面的整个过程的煤流,其物流量大,安全要求高,是煤炭生产物流的核心和关键,并且具有相对独立的运输和贮存系统,在矿井生产物流管理活动中具有极为重要的地位。因此,应用现代物流管理理论与计算机模拟技术,研究矿井生产主物流系统的动态行为,辨识系统中的瓶颈环节,规划或优化矿井生产主物流系统,对降低矿井生产成本、提高矿井生产能力和生产效率、保障矿井安全生产,提升企业综合竞争力有着极其重要的实际意义。
根据矿井生产系统分析,界定了矿井生产物流系统的内涵,将矿井生产物流系统分为主物流系统和辅助物流系统,提出了矿井生产主物流是将井下开采出的煤炭从工作面经采区、大巷等运至地面煤仓的过程,主物流系统由工作面生产系统、采区运输系统、大巷运输系统及主井运输系统和井下煤仓等构成。根据煤矿生产工作方式和环境条件得出了矿井生产主物流系统是一个混杂的物流系统,其混杂性主要表现在：物流设施设备的多样性与混杂性、物流过程混杂性、物流系统环节结构的混杂性、物流系统空间的混杂性、物流作业的混杂性。根据分层递阶建模思想和矿井生产主物流系统网络构成,按照混杂递阶型结构把矿井生产主物流系统分为整体结构层、功能层、过程层和设备层。根据矿井生产主物流系统连续动态行为和离散动态行为方式及系统作业流程,提出了矿井生产主物流系统层次结构模型及其混合Petri网表示方法。
根据矿井生产主物流系统的组成及结构关系,将矿井生产主物流系统划分为工作面生产系统、井下煤仓贮运系统、间断性运输系统和连续性运输系统四大功能模块,并由此构建了矿井生产主物流系统流程全结构HPN模型。矿井生产主物流流程全结构HPN模型由工作面生产过程HPN模型、连续运输系统HPN模型、采区轨道运输系统HPN模型、箕斗提升系统HPN模型和井下煤仓贮运系统的HPN模型构成。工作面生产过程HPN模型包括无故障状态综采面主物流HPN模型和综采面随机状态HPN模型；连续运输系统HPN模型包括单台输送机输送煤流的HPN模型、多机串联的连续运输系统HPN模型、多支汇流的连续运输系统HPN模型；采区轨道运输系统HPN模型包括单采区轨道运输系统HPN模型、基于多采区轨道资源竞争关系与派车原则的多采区服务的矿车轨道运输系统模型；井下煤仓贮运系统的HPN模型包括“连续运输+煤仓+连续运输”、“连续运输+煤仓+间断运输”、“间断运输+煤仓+连续运输”、“间断运输+煤仓+间断运输”四种煤仓贮运系统的混合Petri网模型。
提出了矿井生产主物流系统环节内部结构和系统环节间安全高效运行机制。根据无故障状态综采面生产过程HPN模型得出单位时间内产生的煤流q(t)是一个连续与间断交替分布、兼有离散一连续的变化；根据综采面随机工作状态HPN模型得出了生产系统状态转变过程及系统有效度、稳态故障率；根据单台输送机运输系统HPN模型得出了单台运输系统的有效度及运输能力,根据多机串联运输系统HPN模型得出了串联运输系统的日产能力Q=g低Ast,根据多支汇流的连续运输系统HPN模型,得出了煤流关系第i段的进煤量等于两支流的煤流量之和,即qi(t+1)=gi-1(t)+q(t)；根据单采区轨道运输系统HPN模型、多采区服务的轨道运输系统HPN模型和箕斗提升系统HPN模型,得出了矿车调度与箕斗提升过程中系统变量的使能激发规则；根据井下煤仓贮运系统HPN模型,得出了煤仓与仓前、仓后运输系统的关联关系及煤仓煤量动态变化过程。
结合平煤十矿矿井生产主物流系统实例进行了HPN模型仿真应用,辨识了其瓶颈环节为戊组东翼采区大巷运输系统、戊组煤主井井底煤仓缓冲运输系统、己组煤大斜井胶带运输系统。针对瓶颈环节提出了针对性的解决措施,对改善系统效果进行了仿真分析,结果表明：井下大巷运输系统环节简化,井下主物流系统运输能力由270万t／a提升到310万t／a,系统环节匹配更加合理,煤仓空仓率和满仓率进一步降低,胶带利用率进一步均衡,主井提运效率得到提升。
通过矿井生产主物流系统建模与仿真研究,模拟矿井生产主物流的动态行为过程与安全高效运行机制,找出矿井生产主物流系统中的瓶颈环节,优化矿井生产主物流系统,提高矿井生产能力和生产效率,降低矿井生产物流成本、保障矿井安全生产,为煤矿生产提供了重要的理论指导和实践参考。
Coal industry plays a great role in economy development according to the position of coal in primary energy consumption structure. Nowdays high cost,low efficiency and poor reliability are some characteristics of coal mining enterprise logistics. But coal production logistics is one of the key part of coal enterprise logistics, and its condition can decide coal cost, production and efficiency. Main logistics is coal flow transporting from coal face to groud which is the key and core of coal production logistics, has a very important position in the mine production management activities.Accordingly it is essential to apply modern logistics management theory and computer simulatioin techniques to identify system bottleneck,plan or optimize the mine production main logistics by simulating dynamic behavior of mine production main logistics.In short mine production logistics study can low production cost, improve mine production capacity and efficiency,guarantee production safety and enhance enterprise competitiveness.
It has defined content of mine production logistics which can be divided into main logistics and supporting logistics according to mine production system analysis. Main logistics system is a process which the mining coal of underground is transported from the face through the mining area, roadway and other transportation to the ground coal bunker. Main logistics system is made up of coal face production system, district transport system, main haulage roadway transport, main shaft transport, and shaft coal pocket. It has draw a conclusion that main logistics is a hybrid system according to the coal production methods and environmental conditions. Its hybrid is mainly reflected in the diversity and hybrid of the logistics facilities and equipment, the hybrid of the logistics process, the hybrid of the logistics structure, the hybrid of the logistics space, the hybrid of the logistics operations. The mine production main logistics system is divided into the overall structure layer, function layer, process layer and device layer in accordance with hybrid hierarchical structure, According to hierarchical modeling idea and network of the main logistics system. It has draw hierarchical modeling and method for hierarchical model of mine production main logistics system according to its dynamic behaviors of continuous and discrete and its processes.
The mine production main logistics system is divided into four functional modules which are mine production system of the face, underground coal bunker storage and transportation system, intermittent transportation system and continuous transportation system according to composition of it and its structural relationship. And the whole structure HPN model of mine production main logistics system is built. the whole structure HPN model of mine production main logistics system includes the HPN model of production process in the mine face, the HPN model of continuous transportation system, the HPN model of district rail transport system, the HPN model of hoisting system and the HPN model of coal pocket system. the HPN model of production process in the mine face includes fully-mechanized coal winning face HPN model in no-fault state and the random state mine face HPN model. the HPN model of continuous transportation system includes the HPN models of single-conveyor series, multi-conveyor series and multi-branch convergence system. the HPN model of district rail transport system includes single district rail transport system HPN model, muti-district rail transport system basing on rail resource competition. the HPN model of coal pocket system includes continuous transport-coal pocket-continuous transport, continuous transport-coal pocket-discrete transport, discrete transport-coal pocket-continuous transport and discrete transport-coal pocket-discrete transport.
Practical application has been given of HPN model simulation basing on Pingmei Shikuang mine production main logistics.System bottle neck has been identified as main haulageway of east side district in E group coal, buffer system of main shaft coal pocket for E group coal,main inclined shaft transport system for F coal group.Solutions has been put forward to system bottleneck and improvement effect has been brought out by simulation.As a result of simulation and improvement show that transport system has been simplified, transport capacity has been enhanced from2.7million to about3.1million, system link match rationally, probability of full and empty coal pocket futher to low. utilization of tape further to balance and efficiency of the main shaft upgraded.
In conclusion,it states that mine production main logistcs system simulation study can simulate dynamic production process, identify bottleneck,optimize system,enhace capacity and efficiency,low logistcs cost, guarantee safe production,and provide theory direction and practice reference for coal production consequently.
根据矿井生产系统分析,界定了矿井生产物流系统的内涵,将矿井生产物流系统分为主物流系统和辅助物流系统,提出了矿井生产主物流是将井下开采出的煤炭从工作面经采区、大巷等运至地面煤仓的过程,主物流系统由工作面生产系统、采区运输系统、大巷运输系统及主井运输系统和井下煤仓等构成。根据煤矿生产工作方式和环境条件得出了矿井生产主物流系统是一个混杂的物流系统,其混杂性主要表现在：物流设施设备的多样性与混杂性、物流过程混杂性、物流系统环节结构的混杂性、物流系统空间的混杂性、物流作业的混杂性。根据分层递阶建模思想和矿井生产主物流系统网络构成,按照混杂递阶型结构把矿井生产主物流系统分为整体结构层、功能层、过程层和设备层。根据矿井生产主物流系统连续动态行为和离散动态行为方式及系统作业流程,提出了矿井生产主物流系统层次结构模型及其混合Petri网表示方法。
根据矿井生产主物流系统的组成及结构关系,将矿井生产主物流系统划分为工作面生产系统、井下煤仓贮运系统、间断性运输系统和连续性运输系统四大功能模块,并由此构建了矿井生产主物流系统流程全结构HPN模型。矿井生产主物流流程全结构HPN模型由工作面生产过程HPN模型、连续运输系统HPN模型、采区轨道运输系统HPN模型、箕斗提升系统HPN模型和井下煤仓贮运系统的HPN模型构成。工作面生产过程HPN模型包括无故障状态综采面主物流HPN模型和综采面随机状态HPN模型；连续运输系统HPN模型包括单台输送机输送煤流的HPN模型、多机串联的连续运输系统HPN模型、多支汇流的连续运输系统HPN模型；采区轨道运输系统HPN模型包括单采区轨道运输系统HPN模型、基于多采区轨道资源竞争关系与派车原则的多采区服务的矿车轨道运输系统模型；井下煤仓贮运系统的HPN模型包括“连续运输+煤仓+连续运输”、“连续运输+煤仓+间断运输”、“间断运输+煤仓+连续运输”、“间断运输+煤仓+间断运输”四种煤仓贮运系统的混合Petri网模型。
提出了矿井生产主物流系统环节内部结构和系统环节间安全高效运行机制。根据无故障状态综采面生产过程HPN模型得出单位时间内产生的煤流q(t)是一个连续与间断交替分布、兼有离散一连续的变化；根据综采面随机工作状态HPN模型得出了生产系统状态转变过程及系统有效度、稳态故障率；根据单台输送机运输系统HPN模型得出了单台运输系统的有效度及运输能力,根据多机串联运输系统HPN模型得出了串联运输系统的日产能力Q=g低Ast,根据多支汇流的连续运输系统HPN模型,得出了煤流关系第i段的进煤量等于两支流的煤流量之和,即qi(t+1)=gi-1(t)+q(t)；根据单采区轨道运输系统HPN模型、多采区服务的轨道运输系统HPN模型和箕斗提升系统HPN模型,得出了矿车调度与箕斗提升过程中系统变量的使能激发规则；根据井下煤仓贮运系统HPN模型,得出了煤仓与仓前、仓后运输系统的关联关系及煤仓煤量动态变化过程。
结合平煤十矿矿井生产主物流系统实例进行了HPN模型仿真应用,辨识了其瓶颈环节为戊组东翼采区大巷运输系统、戊组煤主井井底煤仓缓冲运输系统、己组煤大斜井胶带运输系统。针对瓶颈环节提出了针对性的解决措施,对改善系统效果进行了仿真分析,结果表明：井下大巷运输系统环节简化,井下主物流系统运输能力由270万t／a提升到310万t／a,系统环节匹配更加合理,煤仓空仓率和满仓率进一步降低,胶带利用率进一步均衡,主井提运效率得到提升。
通过矿井生产主物流系统建模与仿真研究,模拟矿井生产主物流的动态行为过程与安全高效运行机制,找出矿井生产主物流系统中的瓶颈环节,优化矿井生产主物流系统,提高矿井生产能力和生产效率,降低矿井生产物流成本、保障矿井安全生产,为煤矿生产提供了重要的理论指导和实践参考。
Coal industry plays a great role in economy development according to the position of coal in primary energy consumption structure. Nowdays high cost,low efficiency and poor reliability are some characteristics of coal mining enterprise logistics. But coal production logistics is one of the key part of coal enterprise logistics, and its condition can decide coal cost, production and efficiency. Main logistics is coal flow transporting from coal face to groud which is the key and core of coal production logistics, has a very important position in the mine production management activities.Accordingly it is essential to apply modern logistics management theory and computer simulatioin techniques to identify system bottleneck,plan or optimize the mine production main logistics by simulating dynamic behavior of mine production main logistics.In short mine production logistics study can low production cost, improve mine production capacity and efficiency,guarantee production safety and enhance enterprise competitiveness.
It has defined content of mine production logistics which can be divided into main logistics and supporting logistics according to mine production system analysis. Main logistics system is a process which the mining coal of underground is transported from the face through the mining area, roadway and other transportation to the ground coal bunker. Main logistics system is made up of coal face production system, district transport system, main haulage roadway transport, main shaft transport, and shaft coal pocket. It has draw a conclusion that main logistics is a hybrid system according to the coal production methods and environmental conditions. Its hybrid is mainly reflected in the diversity and hybrid of the logistics facilities and equipment, the hybrid of the logistics process, the hybrid of the logistics structure, the hybrid of the logistics space, the hybrid of the logistics operations. The mine production main logistics system is divided into the overall structure layer, function layer, process layer and device layer in accordance with hybrid hierarchical structure, According to hierarchical modeling idea and network of the main logistics system. It has draw hierarchical modeling and method for hierarchical model of mine production main logistics system according to its dynamic behaviors of continuous and discrete and its processes.
The mine production main logistics system is divided into four functional modules which are mine production system of the face, underground coal bunker storage and transportation system, intermittent transportation system and continuous transportation system according to composition of it and its structural relationship. And the whole structure HPN model of mine production main logistics system is built. the whole structure HPN model of mine production main logistics system includes the HPN model of production process in the mine face, the HPN model of continuous transportation system, the HPN model of district rail transport system, the HPN model of hoisting system and the HPN model of coal pocket system. the HPN model of production process in the mine face includes fully-mechanized coal winning face HPN model in no-fault state and the random state mine face HPN model. the HPN model of continuous transportation system includes the HPN models of single-conveyor series, multi-conveyor series and multi-branch convergence system. the HPN model of district rail transport system includes single district rail transport system HPN model, muti-district rail transport system basing on rail resource competition. the HPN model of coal pocket system includes continuous transport-coal pocket-continuous transport, continuous transport-coal pocket-discrete transport, discrete transport-coal pocket-continuous transport and discrete transport-coal pocket-discrete transport.
Practical application has been given of HPN model simulation basing on Pingmei Shikuang mine production main logistics.System bottle neck has been identified as main haulageway of east side district in E group coal, buffer system of main shaft coal pocket for E group coal,main inclined shaft transport system for F coal group.Solutions has been put forward to system bottleneck and improvement effect has been brought out by simulation.As a result of simulation and improvement show that transport system has been simplified, transport capacity has been enhanced from2.7million to about3.1million, system link match rationally, probability of full and empty coal pocket futher to low. utilization of tape further to balance and efficiency of the main shaft upgraded.
In conclusion,it states that mine production main logistcs system simulation study can simulate dynamic production process, identify bottleneck,optimize system,enhace capacity and efficiency,low logistcs cost, guarantee safe production,and provide theory direction and practice reference for coal production consequently.
引文
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