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.

Galeria