Пособие_ПШ_САПР

8 МЕТОДИФОРМУВАННЯКОНКУРЕНТО-

СПРОМОЖНИХВАРІАНТІВ ПРОЕКТНИХ РІШЕНЬ

8.1 Методи формування ідей проекту

Під час розгляду методу техніко-економічного порівняння варі-

антів було звернуто увагу на те, що основним етапом його застосуван-

ня є конструювання вихідної множини варіантів та виділення з неї конкурентоспроможних.

У практиці проектування ця задача розв’язується шляхом пошу-

ку найбільш раціональних для конкретних умов варіантів технічних рі-

шень по кожному елементу технологічної схеми, а також їх комбінацій на всіх елементах разом. При цьому враховуються відповідні обмеження на ці комбінації [13]. Наприклад, поверхова підготовка несумісна з відп-

рацюванням лав по падінню (підняттю) на пологих пластах та інше.

Характерною особливістю такого розв'язку задачі є те, що він базується на досвіді проектування й практиці експлуатації шахт, а та-

кож результатах науково-дослідних робіт. При цьому ще до конструю-

вання варіантів формуються основні вимоги до них. Ці вимоги мають конкретний технічний, виробничий та економічний зміст: наприклад,

виймання механізованими комплексами, рівень втрат вугілля, потуж-

ність шахти й т.п. [13].

У більшій своїй частині такий спосіб конструювання й оціню-

вання варіантів не є формалізованим. Він виконується переважно з урахуванням досвіду та інтуїції проектувальників. Тому вихідна кіль-

кість переважних варіантів розглядається на науково-технічних радах проектних організацій. У наслідок чого обираються найкращі варіанти,

які потім погоджуються із зацікавленими установами й затверджуються.

221

Такий спосіб конструювання й оцінювання варіантів проектних рішень має один суттєвий недолік – він не гарантує знаходження дійс-

но найкращого варіанта, оскільки на підставі звичайного інженерного аналізу неможливо в принципі розглянути всі варіанти проектних рі-

шень, які можна реалізувати в конкретних умовах [45]. У зв’язку з цим в останні часи запропонована методика конструювання варіантів прое-

ктних рішень з використанням основних положень методики функціо-

нально-структурного проектування (ФСП)технічних систем [51, 52].

Ця методика передбачає перш за все обґрунтування мінімально необхідного переліку функцій, які повинна виконувати технічна сис-

тема, і на цій підставі генерування принципових проектних рішень.

Досягнення цієї мети необхідно з точки зору мінімізації витрат на фу-

нкціонування системи, бо чим менше функцій виконує система, тим менші витрати на їх здійснення.

Найбільш ефективно поставлена задача розв’язується шляхом побудови й аналізу функціональної моделі (ФМ) технічної системи,

яку можна наочно зобразити в графічному вигляді [50, 52].

Як приклад на рисунку 8.1 подано ФМ мережі гірничих виробок

(МГВ) вугільної шахти. Ця модель найбільш повно відбиває техноло-

гічну схему шахти. Вона містить у собі декілька рівнів. На I-му зобра-

жена головна функція МГВ, на II-му - основні функції й на III та IV –

допоміжні. Порядок розташування функцій і їх взаємозв’язок установ-

лені, виходячи з умов забезпечення нижчими функціями виконання вищих. Кількість рівнів допоміжних функцій обмежується ситуацією,

коли вже неможливо їх сформулювати без прив’язки до конкретного матеріального носія.

222

Рівні

I

F1

II

F2

F3

III

F21

F22

F23

F31

F32

F33

F34

F35

F36

F37

F38

F39

F310

IV

f211

f214

f221

f223

f231

f232

f233

f311

f312

f361

f362

f371

f374

f391

f392

f212

f213

f222

f372

f373

Рисунок 8.1 – Узагальнена функціональна модель мережі гірничих виробок

ФМ містить у собі наступні функції: F1 – забезпечити видобуток вугілля; F2 – забезпечити доступ з поверхні до місця видобутку корис-

ної копалини; F3 – забезпечити діставання корисної копалини на пове-

рхню; F21, F22, F23 – забезпечити розкриття, підготовку й формування очисних вибоїв; F31, F32, F33, F34, F35, F36, F37, F38, F39, F310 – забезпечи-

ти переміщення людей, розміщення устаткування, транспортування вугілля, матеріалів, енергопостачання, транспортування породи, прові-

трювання шахт, водопостачання, водовідлив, безпека відпрацювання викидонебезпечних пластів; f211, f212, f213, f214 – забезпечити доступ з поверхні до транспортного, вентиляційного й дренажного горизонтів,

доступ до вугільних пластів; f221, f222, f223 – розділити шахтне поле на частини, згрупувати пласти, підготувати пласти; f231, f232, f233 – сформу-

вати виїмкові поля, ділянки (стовпи), задати напрямок ведення очис-

них робіт; f311, f312 – забезпечити транспортування людей і запасний вихід; f361, f362 – перемістити породу до БСД, видати її на поверхню;

223

f371, f372, f373 – подати свіжий струмінь повітря, підсвіжити вихідний струмінь повітря, видалити вихідний струмінь повітря; f374 – забезпе-

чити дегазацію вуглепородного масиву; f391, f392 – перемістити воду до головного водозбірника, відкачати її на поверхню.

Після побудови ФМ виконується її аналіз, який передбачає ви-

лучення з неї тих функцій, виконувати які в конкретних умовах недо-

цільно. Наприклад, якщо метановість вугільних пластів не перевищує

II-гу категорію, а самі пласти викидобезпечні, то можна вилучити фу-

нкції f372, f374 і F310. Якщо відсутні зближені пласти, то треба вилучити функцію f222 і т.д.

Наведені приклади показують, що чим більш сприятливі умови залягання вугільних пластів, тим простіша ФМ і тим менш потрібно витрат на реалізацію та функціонування відповідної технічної системи.

У зв’язку з цим потрібно продовжити спрощення ФМ. При цьо-

му треба визначити доцільність виконання кожної з допоміжних функ-

цій за умови, коли вже виконана суміжна з нею.

Реалізація цієї процедури передбачає пошук відповіді на запитан-

ня: чи необхідно виконувати технічною системою аналізовану функцію,

якщо вже виконана суміжна з нею? Якщо відповідь негативна, то аналі-

зована функція вилучається з ФМ, якщо відповідь позитивна, то залиша-

ється. Такий аналіз проводиться окремо по всіх групах допоміжних фу-

нкцій, які забезпечують виконання основних функцій F1 і F2.

Як приклад розглянемо процедуру вилучення допоміжних фун-

кцій, що забезпечують функцію F21. Перше запитання ставиться таким чином: чи необхідно виконувати функцію f212, якщо виконана функція f211? Негативна відповідь може бути отримана в разі, коли йдеться про розробку пологих пластів з невеликими розмірами шахтного поля за

224

падінням. Така ж відповідь може мати місце й щодо функції f213, коли в доповнення до вказаного не очікується великого водоприпливу в шахту.

Негативна відповідь може бути й щодо функції f214, якщо намі-

чено відпрацювання тільки одного пласта, оскільки в цьому випадку за наявності вказаних вище умов пласт найчастіше розкривається без додаткових розкривних виробок.

Таким чином, у певних умовах з чотирьох функцій, які забезпе-

чують виконання F21, може бути залишена тільки одна - f211. Аналогіч-

ним чином аналізуються функції, що забезпечують F31, F36 і т.д.

Наступний етап спрощення вихідної ФМ пов'язаний з пошуком технічних рішень, які дозволяють вилучати нижчі допоміжні функції за збереження вищих. Розв'язання цієї задачі здійснюється шляхом пошуку відповіді на запитання: яким чином буде забезпечено вико-

нання вищої функції, якщо вилучити нижчу?

Такий підхід до питання нерідко веде до виникнення технічного протиріччя, подолання якого можливе за допомогою методів теорії розв'язку винахідницьких задач (ТРВЗ) [54-56]. Згідно з цією теорією технічні протиріччя ділять на дві групи – внутрішні й зовнішні. Внут-

рішні – це протиріччя між елементами технічної системи, а зовнішні – між елементами й зовнішнім середовищем. Стосовно ФМ мережі гірни-

чих виробок та технології видобутку вугілля друга група протиріч пов'я-

зана перш за все з впливом гірничих робіт на довкілля.

Аналіз великої кількості винаходів у галузі технології видобут-

ку вугілля показав, що найчастіше під час їх розробки використовують наступні евристичні прийоми ТРВЗ: інверсії (навпаки), дроблення,

винесення, місцевої якості, об'єднання й універсальності.

225

Принцип інверсії застосовується за зміни напряму ведення гір-

ничих робіт (падіння, підняття, прямий і зворотній хід, спадний або висхідний порядок відпрацювання пластів, залишення породи в шахті замість її видачі на поверхню і т.п.).

Принцип дроблення використовується за поділушахтногополя на частини (блоки із секційним провітрюванням, панелі, горизонти й т.п.).

Принцип винесення передбачає відокремлення частин, що зава-

жають, або виділення тільки потрібних. Він застосовується за обґрун-

тування оптимально необхідної кількості функції, які виконуються технічною системою.

Принцип місцевої якості передбачає перехід від однорідної структури об’єкта до неоднорідної. Він використовується за форму-

вання варіантів технічних систем з урахуванням неоднорідності умов їх функціонування.

Принцип об'єднання передбачає синтез системи з раціональних підсистем.

Принцип універсальності відбиває прагнення до створення ба-

гатофункціональних систем з метою зменшення кількості їх елементів.

Використання вказаних вище евристичних прийомів дозволяє генерувати нестандартні ідеї проекту, які потребують попереднього оцінювання з точки зору їх ефективності. Така оцінка найчастіше отримується за допомогою експертних висновків. У той же час мето-

дика функціонально-вартісного проектування технічних систем пе-

редбачає використання спеціальних функціональних критеріїв [51, 52]: концентрації функцій kкf, негативних наслідків виконання функ-

цій kнн та їх нейтралізації kнf.

226

	1		n 1	F
kкf				i	,	(8.1)
	п 1			F
			i 1	i 1

де Fi – кількість функцій на i-му рівні, які забезпечуються фун-

кціями Fi 1 , розташованими на i+1 рівні;

п – кількість рівнів функціональної моделі.

kн.н	1	Fн.н	,	(8.2)
		Fg

де Fн.н – кількість функцій, виконання яких породжує негативні наслідки,

Fg – кількість допоміжних функцій.

k	нf		Nнн		,	(8.3)
			F N
				з.н
			н

де Nнн – кількість нейтралізованих негативних наслідків;

Fн – кількість функцій, виконання яких необхідно для нейтралізації негативних наслідків;

Nз.п – загальна кількість негативних наслідків.

Аналіз цих критеріїв показує, що в тому випадку, коли ФМ міс-

тить одну головну й одну основну функцію, яка забезпечує виконання головної, то kкf буде дорівнювати 1 (ідеальна функціональна модель).

Чим більше рівнів ФМ і допоміжних функцій на кожному з них, тим менше значення kкf. Теоретично воно прагне до нуля.

227

При Fн.н = 0 kнн = 1, тобто функціонування технічної системи не породжує негативних наслідків. Якщо Fн.н = Fg, то кожна допоміжна функція породжує один негативний наслідок. Тоді kнн = 0.

При Nн.н = 0 kнf також дорівнює нулю. Це свідчить про те, що ні жоден з негативних наслідків не нейтралізований. При Nн.н = Nз.н і Fн = 0 kнf = 1, що відповідає ідеальній ситуації, коли всі негативні наслідки нейтралізовані без виконання будь-яких додаткових функцій.

Таким чином, усі вказані критерії є безрозмірними, нормовани-

ми (змінюються від 0 до 1) односпрямованими й незалежними. Це до-

зволяє для інтегрального оцінювання ФМ найпростішу формулу, осно-

вану на адитивній властивості частинних критеріїв

k		1	k		k		k		.	(8.4)
і	3			кf		н.н		нf

Для ФМ, що показана на рисунку 8.1 величина kкf=[1/(4- -1)·(1/2+2/13+7/20)]=0,335, величина kнн =1-3/26=0,885 і величина kнf=0.

Тоді kі буде дорівнювати 0,4.

Розглянемо функціональну модель для таких умов: розробля-

ється один вугільний пласт, який має вихід на поверхню землі, кут па-

діння до 18о, пласт негазовий та викидобезпечний, розмір шахтного поля по падінню 3000 м.

У цих умовах відпадає необхідність у виконанні функцій f212, f213, f214, f222, f232, f372, f374 і F310.Тоді kкf=[1/3·(1/2+2/12+7/13)]=0,402, а

kі = 0,429.

Тепер передбачимо нейтралізацію негативних наслідків від фун-

кцій f362, f373 і f392. Для функції f362 ці наслідки пов’язані з розміщенням

228

породних відвалів на поверхні землі й долучають відчуження земель,

загазування й запилення повітря, небезпечність вибуху териконів.

Для f373 негативні наслідки пов’язані з викидом пилу й високою шумністю роботи вентиляторів. Для функції f392 негативні наслідки пов'язані із забрудненням водоймищ. Таким чином, загальна кількість негативних наслідків становить 6. Їх нейтралізація може здійснювати-

ся різними засобами, які передбачають виконання різної кількості до-

даткових функцій.

Якщо передбачати залишення породи в шахті, то можна нейтра-

лізувати всі негативні наслідки функції f362, а якщо застосувати освіт-

лення та знезараження шахтної води, то нейтралізуються негативні наслідки функції f392. У такому випадку величина коефіцієнта kнf ста-

новитиме 4·(3+6)=0,444, а інтегральний критерій зросте до 0,577.

Наведені приклади показують, що зміна структури ФМ для різ-

них технічних систем відбиваються на значеннях kі. Це підтверджує можливість оцінювання ефективності технічних рішень за допомогою критерію kі.

8.2 Конструювання вихідної множини варіантів проектних

рішень

Після визначення раціональної функціональної моделі технічної системи виконується пошук матеріальних носіїв усіх залучених у ФМ функцій. Ця задача розв’язується шляхом побудови й оцінювання варі-

антів функціонально-структурних моделей, які являють собою сумі-

щення функцій зі структурними елементами системи [51-53]. Оскільки для реалізації однієї й тієї ж функції можна запропонувати декілька варіантів структурних елементів, то ця задача переходить у розряд

229

комбінаторних і для її розв'язку рекомендується застосовувати морфо-

логічний аналіз [51-53].

Для розглянутої в попередньому підрозділі функціональної мо-

делі гірничих виробок (рис. 8.1) спочатку було визначено, що за еле-

менти системи слід узяти окремі виробки, що дозволяє отримати най-

більш детальні варіанти їх мереж. Оскільки в цьому випадку занадто збільшується кількість варіантів цих мереж, то з метою зменшення гост-

роти цієї проблеми вся система гірничих виробок була розбита на три підсистеми: розкривальні, підготовлювальні й підготовчі виробки.

Для кожної з цих підсистем згідно з методологією ФСП здійс-

нюється формування варіантів функціонально-структурних моделей

(ФСМ), з яких і виділяється в подальшому підмножина конкуренто-

спроможних варіантів.

Як приклад розглянемо процедуру формування вихідної мно-

жини ФСМ для розкривальних виробок у наступних геологічних і тех-

нологічних умовах розробки вугільних пластів. Припустимо, що треба розкрити два вугільні пласти, які залягають під кутом 16о (α), товщина наносів 40 м (Нн), глибина нижньої позначки шахтного поля 600 м (Нг),

відстань між пластами за нормаллю (М) 100 м, відносна метаноємність

12 м3/т (q), водоприплив в очисний вибій 1 м3/год. (ω), бокові породи стійкі, пласти викидобезпечні й не схильні до самозаймання, річна по-

тужність шахти повинна бути 1500000 т (Аш.р), розмір шахтного поля за простяганням 6000 м (S), за падінням 2000 м (Н), схеми підготовки – панельна, система розробки стовпова.

Указані умови записують у першу колонку таблиці 8.1.

В інших колонках цієї таблиці записують можливі в заданих умовах ознаки розкриваних виробок. При цьому використовують іс-

230