Kilka uwag o symulacjach komputerowych i ich zastosowaniach w górnictwie
W niniejszym artykule podjęto próbę przybliżenia problematyki związanej z szeroko rozumianą symulacją oraz modelowaniem. Podano definicję symulacji oraz modelu symulacyjnego, a także kilka przykładów zastosowań symulacji komputerowych dla przemysłu górniczego, w tym także metody obliczania symulacyjnego. Ponadto został położony nacisk na opis struktury i zasad budowy modeli symulacyjnych oraz oceny modelu symulacyjnego, a także podano najistotniejsze zalety i wady symulacji.
Ciągle rosnące wymagania w sferze jakości produkcji, a także stała presja na obniżanie kosztów wymuszają stosowanie przez kopalnie, także odkrywkowe, coraz bardziej zaawansowanych narzędzi matematycznych, również takich, które pozwalają na wirtualne planowanie wydobycia. Bardzo użytecznym narzędziem w tym zakresie jest symulacja.
Obecnie symulacja jest specyficzną techniką poznawczą służącą do rozwiązywania problemów, polegającą na użyciu odpowiednich modeli wirtualnych. Metodę modelowania i symulacji stosuje się wtedy, gdy uzyskanie rozwiązania nie jest możliwe na drodze zastosowania metod analitycznych lub też na drodze bezpośredniego eksperymentu na rzeczywistym systemie.
Do niedawna zastosowanie symulacji komputerowej ograniczało się do tych jednostek przemysłowych, które, po pierwsze, widziały potrzebę jej aplikacji, a po drugie, mogły sobie pozwolić na zakup zarówno sprzętu komputerowego, jak i oprogramowania. W ciągu kilku ostatnich lat doszło do gwałtownego rozwoju zarówno samego sprzętu, jak i oprogramowania, co sprawiło, że stały się one bardziej dostępne. Nastąpił też znaczący rozwój oprogramowania do modelowania i symulacji. Pakiety symulacyjne stały się bardziej rozbudowane, kompleksowe i uniwersalne. Obecnie na rynku dostępne są różne programy symulacyjne: od najprostszych, stworzonych wyłącznie na bazie matematycznych modeli, do najbardziej rozbudowanych, które umożliwiają dopasowanie właściwego rozkładu do danych wejściowych czy symulowanie procesów zmiany stanów rozbudowanych systemów. Zaawansowane programy symulacyjne posiadają obecnie własne rozbudowane biblioteki ze środowiskiem do tworzenia animacji, grafiki 3D oraz bogate narzędzia do prezentacji danych wyjściowych z symulacji. Są one zróżnicowane cenowo – od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy euro. Wybór narzędzia, przy pomocy którego realizuje się eksperyment symulacyjny, jest bardzo istotny i zależy od wielu czynników, takich jak między innymi doświadczenie modelującego, specyfika problemu, wymagany poziom dokładności itp., co opisują w swojej pracy Zdanowicz i Świder [9].
Rozwój komputerowego modelowania i symulacji przebiegał równolegle z ewolucją sprzętu, kolejnych generacji komputerów. Podstawowe elementy modelowania i symulacji komputerowej pozostały niezmienione, np. w każdym procesie symulacji występują obliczenia matematyczne, schematy logiczne, elementy deterministyczne i losowe albo elementy obu tych rodzajów.
Symulacja jest dobrym narzędziem w sytuacjach, gdy trzeba w przybliżeniu oszacować przyszłe korzyści płynące z realizacji nowych projektów oraz gdy należy przeanalizować dalsze funkcjonowanie istniejącego systemu. Zastosowanie metody modelowania i symulacji daje więc możliwość zaprojektowania systemu zbliżonego do optymalnego pod względem przyjętych kryteriów, takich jak np. wydajność systemu, jego efektywność, skuteczność czy koszt realizacji zadania.
Przy posługiwaniu się narzędziami modelowania i symulacji należy mieć na uwadze to, aby korzyści osiągnięte z zastosowania powyższych narzędzi były większe niż nakłady poniesione na jej realizację. I z reguły tak jest. Aby symulacja dała najlepszy efekt, musi być przeprowadzona w odpowiednim czasie, np. już w początkowej fazie opracowywania projektu, ponieważ dzięki niej na początku można proponować odpowiednie wartości parametrów projektowanego systemu. Koszty realizacji zmian zaproponowanych na podstawie prowadzonych symulacji na początku realizacji projektu są najmniejsze. W późniejszej fazie pozostanie mniej swobody na dokonywanie zmian, a przy ich realizacji pojawiają się dodatkowe koszty, które mogą spowodować, że poniesione nakłady nawet przewyższą przyszłe zyski.
Symulacja
Słowo „symulacja” pochodzi od łacińskiego słowa simulatio, co odpowiada polskiemu słowu „udawanie”. Symulacją, według Encyklopedii Powszechnej PWN [3], nazywa się sztuczne odtwarzanie właściwości danego zjawiska lub przestrzeni, występujących w naturze, lecz trudnych do obserwowania, zbadania, powtórzenia itp. Umożliwia ona prowadzenie pomiarów, badań w wybranym miejscu i czasie. Według Zdanowicza i Świdra [9], wychodząc wprost z łacińskiego źródłosłowu, symulacją można by było, w obszarze techniki, nazwać wszelkiego rodzaju modelowanie. Jednak przyjęto, aby słowo to stosować tylko do modelowania dynamicznego, uwzględniającego zmiany w czasie.
Według American Heritage Dictionary [1] symulacja to akt lub proces symulacji, imitacja, udawanie. W trakcie tej czynności przedstawia się imitację lub reprezentację potencjalnych sytuacji lub eksperymentalnego testu. Jest to także reprezentacja działania lub imitacja właściwości procesu albo systemu poprzez użycie innego procesu lub systemu.
Symulacja komputerowa polega na utworzeniu modelu symulowanego obiektu w postaci matematyczno-logicznego zapisu komputerowego i przedstawieniu w tym programie wybranych zależności opisujących symulowany obiekt rzeczywisty oraz jego otoczenie w taki sposób, że zależności te można badać poprzez zmiany wartości sygnałów wejściowych i parametrów modelu. Jedną ze zmiennych w tym procesie jest z reguły czas, na co wskazują w swoich pracach Chlebus [2] i Gordon [5].
Coraz większy zakres stosowania symulacji komputerowych w technice i przemyśle jest spowodowany z jednej strony istotnymi zaletami takiej metody modelowania oraz potrzebami wynikającymi z rozwoju gospodarki, z drugiej strony znacznymi możliwościami, jakie w tym zakresie uzyskały nawet stosunkowo proste i niedrogie nowoczesne komputery.
Mogą zainteresować Cię również
Wywiady
Piotr Litwa: Działalność człowieka spowodowała znaczny wzrost zapotrzebowania na wiele surowców oraz energię
Piotr Litwa, Prezes Wyższego Urzędu Górniczego, w rozmowie z redakcją czasopisma „Kruszywa” porusza temat nadzoru i regulacji górnictwa odkrywkowego w Polsce, ze szczególnym uwzględnieniem problemów związanych z przestrzeganiem przepisów, oceną ryzyka oraz współpracą z instytucjami i samorządami. Omawia najczęstsze naruszenia przepisów, procedur...
Drogi dla opon, opony dla dróg!
Według Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Samochodów (www.acea.auto) flota pojazdów silnikowych w Unii Europejskiej w 2021 r. liczy 249,6 mln samochodów osobowych oraz ponad 36,7 mln pojazdów użytkowych i autobusów. W 2021 r. flota samochodów osobowych w UE wzrosła o 1,2% w porównaniu z 2020 r. Taki wzrost obciążeń transportowych ma znaczący wpływ na zmniejszenie trwałości konstrukcji drogowych. Obecnie najpopularniejszym materiałem do budowy nawierzchni dróg są mieszanki asfaltowe. Wie...
Stan techniczny urządzeń obcych w kontekście trwałości konstrukcji mostowych – na podstawie własnych doświadczeń z przeglądów i diagnostyki
Artykuł omawia wpływ „urządzeń obcych” na mosty stalowe. Autorzy analizują kwestie techniczne problematyki oraz konflikty interesów z zarządcami urządzeń. Przedstawiono też nowe wytyczne WR-M-72 zalecające m.in. umieszczanie urządzeń na niezależnych konstrukcjach i spełnianie standardów. Urządzenia, które są przeprowadzane nad różnego rodzaju przeszkodami z wykorzystaniem istniejących eksploatowanych obiektów mostowych, są przedmiotem wyzwań technicznych współczesnego mostownictwa. Jak sugeru...
Utrzymanie ruchu w kopalni odkrywkowej na podstawie analizy systemu maszynowego koparka-wywrotka
W artykule opisano system koparki-wywrotki powszechnie stosowany w kopalniach odkrywkowych. Autor skupia się na jego strukturze i organizacji na przykładzie kopalni „El Cerrejón” w Kolumbii. Wspomina również o kosztach sprzętu, które mogą być znaczne, oraz omawia kluczowe aspekty techniczne i operacyjne związane z użytkowaniem tych maszyn w górnictwie odkrywkowym. Jednym z najpowszechniej stosowanych systemów maszynowych w górnictwie odkrywkowym jest system maszyny ładujące − dyskretne środki...
Betonowy tunel TS-04. Technologia i materiały
W artykule omówiono kwestie związane z ułożeniem nawierzchni z betonu cementowego klasy C35/45 w tunelu TS-04. Prace te są częścią większego zadania pod nazwą „Zaprojektowanie i budowa drogi ekspresowej S52, odcinek Północna Obwodnica Krakowa: węzeł Modlnica – węzeł Kraków Mistrzejowice (bez węzła)”. Betonowy tunel pod Zielonkami TS-04, będący częścią Północnej Obwodnicy Krakowa (S52), jest jednym z kluczowych elementów infrastrukturalnych tej drogi ekspresowej. Tunel o długości 653 m, ...
Zagrożenia naturalne w budowie i eksploatacji tuneli
Artykuł analizuje zagrożenia związane z budową i eksploatacją tuneli, zwracając uwagę na nowe ryzyka geologiczne, które nie są w pełni uwzględniane w tradycyjnych analizach opartych na danych statystycznych i modelach ruchu. Dane statystyczne wskazują, że zdarzenia w ruchu drogowym są powodowane przede wszystkim przez jego uczestników. W dotychczasowym modelu ruchu głównym sprawcą większości z nich jest człowiek. Niedostosowanie prędkości do warunków na drodze, niezachowanie ostrożności przez...
Nowoczesne programy wspomagające projektowanie mostów. Skrócona analiza
W artykule opisano programy komputerowe, które są obecnie używane do wspomagania procesu projektowania mostów. Projektowanie mostów to zadanie o ogromnym znaczeniu dla bezpieczeństwa i funkcjonalności infrastruktury krajowej. Aby zapewnić nośność, trwałość i spełnienie wszystkich wymagań formalnych zawartych w prawie budowlanym i normach projektowych, inżynierowie korzystają z zaawansowanych programów komputerowych. Te nowoczesne narzędzia umożliwiają precyzyjne analizy, symulacje oraz optyma...
Betonowy tunel TS-04. Technologia i materiały
W artykule omówiono kwestie związane z ułożeniem nawierzchni z betonu cementowego klasy C35/45 w tunelu TS-04. Prace te są częścią większego zadania pod nazwą „Zaprojektowanie i budowa drogi ekspresowej S52, odcinek Północna Obwodnica Krakowa: węzeł Modlnica – węzeł Kraków Mistrzejowice (bez węzła)”. Betonowy tunel pod Zielonkami TS-04, będący częścią Północnej Obwodnicy Krakowa (S52), jest jednym z kluczowych elementów infrastrukturalnych tej drogi ekspresowej. Tunel o długości 653 m, ...
Diagnostyka nawierzchni. Metodologia badań i technika pomiarowa
Aby sprostać stale rosnącemu obciążeniu oraz zachować wysoką jakość dróg, konieczne jest regularne monitorowanie ich stanu, w tym ocena nośności. Dzięki nowoczesnym metodom pomiarowym, takim jak ugięciomierze typu FWD i TSD, zarządcy dróg mogą dokładnie monitorować nośność nawierzchni, co przekłada się na lepsze zarządzanie infrastrukturą drogową. Nośność nawierzchni, czyli jej zdolność do przenoszenia obciążeń, jest kluczowym wskaźnikiem stanu technicznego drogi. Aby ocenić nośność oraz trwa...
Wartość rynku betonu towarowego w Polsce to już ponad 7 mld zł
W wyniku znaczącego wzrostu kosztów produkcji (kruszywa, cement, domieszki do betonu, siła robocza, logistyka i transport) w latach 2017-2022 rynek betonu towarowego w Polsce odnotował skokowy wzrost wartości, osiągając 7,5 mld zł. Pomimo przejściowego schłodzenia koniunktury w budownictwie długoterminowe prognozy dla rynku betonu towarowego prezentują się dość stabilnie. Na potrzeby raportu jako rynek betonu towarowego zdefiniowano działalność produkcyjną w zakresie wytwarzania betonu zarówn...
Kalendarium
Relacje
Jubileusz XX-lecia Stowarzyszenia Przemysłu Wapienniczego
Stowarzyszenie Przemysłu Wapienniczego (SPW) obchodziło jubileusz XX-lecia swojej działalności, u...
Podsumowanie jubileuszowej 15. edycji Targów SYMAS® MAINTENANCE
- Targi SYMAS® MAINTENANCE z roku na rok są coraz lepsze, mamy coraz więcej klientów. Naprawd...
Seminarium „Droga do neutralności klimatycznej Cemex”
Blisko 200 uczestników pojawiło się na cyklicznym seminarium „Droga do neutralności klima...
Konwent Dyrektorów Zarządów Dróg Wojewódzkich w Poznaniu
Konwent to forum dyskusji, wypracowania rozwiązań i wymiany doświadczeń. Podczas kilkudni...