淺談礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的應(yīng)用及發(fā)展

1、<p>　　淺談礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的應(yīng)用及發(fā)展</p><p>　　【摘　要】 礦業(yè)系統(tǒng)工程是近40年來礦業(yè)工程學(xué)科與系統(tǒng)工程學(xué)科相結(jié)合而形成的一個新的學(xué)科分支。本文討論了礦業(yè)系統(tǒng)工程在國內(nèi)的歷史發(fā)展,以及近年研究領(lǐng)域的拓展現(xiàn)狀。對國內(nèi)外礦業(yè)系統(tǒng)工程研究的理論基礎(chǔ)及采用的方法做了歸納分析。介紹了若干重要領(lǐng)域的新發(fā)展。最后對礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展前景做一展望。</p><p>　　【關(guān)

2、鍵詞】 礦業(yè)系統(tǒng)工程 計算機網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展方向 灰色馬爾科夫鏈預(yù)測 專家系統(tǒng)</p><p><b>　　0 導(dǎo)言</b></p><p>　　礦業(yè)系統(tǒng)工程是礦業(yè)工程學(xué)科與系統(tǒng)工程學(xué)科相結(jié)合而形成的一個新的學(xué)科分支。礦業(yè)工程與系統(tǒng)工程的結(jié)合，是從50年代將運籌學(xué)應(yīng)用于采礦業(yè)的研究起始的。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，60年代將運籌學(xué)原理與計算機技術(shù)綜合應(yīng)用于礦業(yè)研究，涌現(xiàn)出一

3、批重要的研究成果，使礦業(yè)系統(tǒng)工程作為一個新的學(xué)科分支逐漸形成。經(jīng)歷近40多年的蓬勃發(fā)展，礦業(yè)系統(tǒng)工程已成為系統(tǒng)工程在各行各業(yè)中開展較為充分的一大分支。</p><p>　　1 礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1 礦業(yè)系統(tǒng)工程在國內(nèi)外的現(xiàn)狀</p><p>　　國際計算機與運籌學(xué)在礦業(yè)中應(yīng)用學(xué)術(shù)會議 ( Application of computers

4、 and OR in the Mineral Industry,簡稱 APCOM)是國際上礦業(yè)系統(tǒng)工程發(fā)展的一個縮影。APCOM系由美國礦業(yè)界4個學(xué)術(shù)單位(賓西法尼亞州立大學(xué),亞利桑那大學(xué),克羅拉多礦業(yè)學(xué)院及美國采礦工程師學(xué)會)聯(lián)合發(fā)起,1961年于亞利桑那大學(xué)舉行首屆會議,其后逐漸發(fā)展成為世界性學(xué)術(shù)會議組織,至今已舉行過30屆APCOM會議。其中2001年4月在北京召開的第29屆 APCOM會議,系由中國礦業(yè)大學(xué)承辦；這是該會議首次在

5、亞洲和發(fā)展中國家召開,有來自28個國家和地區(qū)的250多名專家學(xué)者及國際著名礦業(yè)軟件公司代表出席。會議收到論文500余篇,其中183 篇入選論文集,從論文的數(shù)量及質(zhì)量上看,是歷屆APCOM會議中很成功的一次。 </p><p>　　在我國,將運籌學(xué)應(yīng)用于采礦工程始于20世紀(jì)50年代末期,60年代前期有若干初步研究成果出現(xiàn)。其間由于歷史原因,我國在這方面的研究工作中斷多年,直到70年代后期,才乘改革開放的春風(fēng)，跟蹤國

6、際趨勢，開展采礦系統(tǒng)工程研究。進(jìn)入80年代后,研究工作更加深入廣泛,研究成果紛紛涌現(xiàn)。由中國煤炭學(xué)會、中國金屬學(xué)會及中國有色金屬學(xué)會下屬的礦山系統(tǒng)工程專業(yè)委員會聯(lián)合主辦的礦業(yè)系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會議成為全國性跨行業(yè)的學(xué)術(shù)活動，至今已開過8屆學(xué)術(shù)會議。20世紀(jì)80、90年代,我國礦業(yè)系統(tǒng)工程研究成果紛紛在APCOM等國際會議上發(fā)表,標(biāo)志著我國礦業(yè)系統(tǒng)工程研究已經(jīng)步入世界,在國際上占有一席之地。</p><p>　　從歷屆A

7、PCOM國際會議及全國礦業(yè)系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會議論文集及其它渠道發(fā)表的論文來看,我國學(xué)者在此領(lǐng)域起步較國外遲,但發(fā)展迅速,目前研究范圍較為廣泛。對于傳統(tǒng)領(lǐng)域如礦床模型、礦山優(yōu)化設(shè)計、礦山生產(chǎn)過程優(yōu)化控制等方面均有大量研究成果。對于一些新興學(xué)科及技術(shù)的應(yīng)用,如人工智能方法應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)研究等,也能跟蹤國際前沿迅速發(fā)展。但總體看來,我國在本領(lǐng)域的研究力量仍然較為分散,理論成果轉(zhuǎn)化生產(chǎn)實踐程度還不高。 </p><p>

8、　　1.2 礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展歷程 </p><p>　　礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展主要經(jīng)歷的三個階段：</p><p>　　（1）萌芽期（50年代到70年代初）。50年代主要是利用線性規(guī)劃中的運輸問題來解決礦石調(diào)配問題。60年代將運籌方法和優(yōu)化法應(yīng)用到礦山。70年代初期，通過排隊論及計算機模擬來處理露天卡車調(diào)配問題。這個階段只是膚淺地將運籌學(xué)的理論與采礦實際問題結(jié)合，理論尚未成熟。&

9、lt;/p><p>　?。?）發(fā)展期（70年代中到80年代中）。這個時期主要是通過吸收國外先進(jìn)技術(shù)來與我國礦山具體實際情況結(jié)合，主要是通過計算機模擬來實現(xiàn)。同時，國內(nèi)也舉辦了相應(yīng)的會議來共同探討礦山系統(tǒng)，各大高校也相繼開設(shè)了這方面的課程，并招收研究生。 </p><p>　　（3）壯大期（80年代末至今）。此時期通過繼續(xù)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我國具體現(xiàn)狀大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)了礦業(yè)系統(tǒng)工程的相關(guān)軟件，

10、來解決國內(nèi)的實際問題，已經(jīng)發(fā)展成為有我國特色的和風(fēng)格的礦業(yè)系統(tǒng)工程。 </p><p>　　2 礦業(yè)系統(tǒng)工程研究</p><p>　　2.1礦業(yè)系統(tǒng)工程基礎(chǔ)理論與技術(shù)</p><p>　　礦業(yè)系統(tǒng)工程所依賴的現(xiàn)代科學(xué)理論與技術(shù)，大部分屬于技術(shù)科學(xué)層次及工程技術(shù)層次。采用較多的基礎(chǔ)理論及有關(guān)技術(shù)可歸納如下：</p><p>　　運籌學(xué)諸學(xué)科分支

11、，常用者如下：①線性規(guī)劃；②整數(shù)規(guī)劃；③非線性規(guī)劃；④目標(biāo)規(guī)劃；⑤動態(tài)規(guī)劃；⑥圖論及網(wǎng)絡(luò)分析；⑦排隊論；⑧存儲論；⑨決策論。 </p><p>　　現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)若干學(xué)科分支，往往與研究隨機現(xiàn)象及模糊現(xiàn)象相關(guān)，如：①概率論與數(shù)理統(tǒng)計；②隨機過程；③地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)；④可靠性理論；⑤模糊數(shù)學(xué)；⑥灰色系統(tǒng)理論。 </p><p>　　與計算機技術(shù)密切結(jié)合的交叉學(xué)科分支，如：①系統(tǒng)模擬；②系統(tǒng)動態(tài)學(xué)；

12、③人工智能學(xué)；④決策支持系統(tǒng)；⑤管理信息系統(tǒng)；⑥計算機輔助設(shè)計；⑦數(shù)值方法； ⑧信息技術(shù)及可視化技術(shù)；⑨遙感、全球定位系統(tǒng)及地理信息系統(tǒng)、國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　2.2 礦業(yè)系統(tǒng)工程研究領(lǐng)域的拓展 </p><p>　　隨著新興學(xué)科及高新技術(shù)的迅速發(fā)展，礦業(yè)系統(tǒng)工程的研究領(lǐng)域也在不斷拓展。除了傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探、礦床建模與資源評價，礦山設(shè)計規(guī)劃優(yōu)化決策，礦山生產(chǎn)計劃及優(yōu)化控制，

13、通風(fēng)安全系統(tǒng)優(yōu)化，礦物加工優(yōu)化控制，項目管理等傳統(tǒng)領(lǐng)域外，近年新擴展的研究領(lǐng)域有：地質(zhì)儲量分類的研究、礦山壓力與邊坡穩(wěn)定分析與優(yōu)化、爆破工程建模與優(yōu)化、礦業(yè)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)重建、礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展、礦業(yè)信息化與可視化系統(tǒng)、人工智能方法在礦業(yè)中的應(yīng)用、3S(RS,GPS,GIS)在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用、國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。</p><p>　　地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與礦床建模。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在礦業(yè)工程中的應(yīng)用近年來主要是向?qū)嵱没较虬l(fā)展。較

14、集中的研究成果及發(fā)展方向如下：①從局部地質(zhì)參數(shù)估值向礦床儲量及平均品位的確定方面擴展。②不同邊界品位下礦床可采儲量的分析與確定，礦床儲量經(jīng)濟分析與風(fēng)險分析。③不確定性分析，例如礦石品位與可采儲量的可信度區(qū)間分析。④將地質(zhì)控制與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)計算結(jié)合起來進(jìn)行估值及建模。在許多礦床埋藏 條件下，能否解決好地質(zhì)控制問題是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法估值能否符合實際的關(guān)鍵。⑤條件模擬方法有廣泛的應(yīng)用研究成果，并向其“下游”應(yīng)用領(lǐng)域擴展，例如擴及采礦生產(chǎn)計劃的制訂

15、。⑥將地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)與地理信息系統(tǒng)(GIS)結(jié)合起來，提供了一種空間性、隨機性工具,用于儲量估值及環(huán)境影響評價。 </p><p>　　礦山設(shè)計優(yōu)化。主要包括：設(shè)計軟件實用化商業(yè)化、露天礦與礦井優(yōu)化設(shè)計研究、系統(tǒng)模擬技術(shù)、人工智能方法和可視化技術(shù)。</p><p>　　3 礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展趨勢 </p><p>　　礦業(yè)系統(tǒng)工程作為采礦學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)相結(jié)合的一個學(xué)科，

16、一方面，它必須遵循采礦工程的內(nèi)在規(guī)律，努力解決采礦系統(tǒng)的一系列優(yōu)化課題；另一方面，它必須緊跟現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的進(jìn)展，不斷地改進(jìn)優(yōu)化理論與技術(shù)。 </p><p>　　3 .1 跨學(xué)科配合：多方法研究礦業(yè)系統(tǒng)的決策,若僅僅依靠單一學(xué)科的某一種方法，往往很難取得理想的效果。以露天礦的電鏟－卡車調(diào)度為例，它的硬件涉及到GPS、無線通訊、計算機，它的軟件則包括測量平差、線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理等[2]。采用綜合性

17、研究方法以解決綜合性工程課題，這正反映了現(xiàn)代系統(tǒng)工程的特點。 </p><p>　　3.2 多項目合作：大系統(tǒng)開發(fā)礦業(yè)工程在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有多層次和多環(huán)節(jié)，需要從總體上進(jìn)行全局優(yōu)化。在過去單項優(yōu)化的基礎(chǔ)上，人們已擴大視野，著力于研究更廣、更大的對象。尤其是礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)的開發(fā)，更要求在更高的層次上展開。近年來，大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)等宏觀研究手段,已日益受采礦工作者的重視。 </p><p

18、>　　3.3 優(yōu)化技術(shù)：趨于使用在礦業(yè)系統(tǒng)工程的早期,人們利用運籌學(xué)得出采礦問題的最優(yōu)解,然而它們常常偏離采礦的工藝技術(shù)要求。CAD技術(shù)的出現(xiàn),又促使人們將傳統(tǒng)的設(shè)計方法轉(zhuǎn)用計算機實現(xiàn)，但卻忽視了優(yōu)化的目標(biāo)。目前的趨勢是在人—機的交互作用下實現(xiàn)決策的優(yōu)化，并盡可能提高作業(yè)的自動化程度。以采剝計劃編制為例，可先用數(shù)學(xué)規(guī)劃安排礦山的長期采剝計劃，然后在長期計劃指導(dǎo)下用CAD技術(shù)編制短期采剝計劃。這樣不僅能保證決策的總體優(yōu)化，又能提高具

19、體作業(yè)的可操作性。</p><p>　　3.4 運用新科學(xué)：采用新技術(shù)礦業(yè)系統(tǒng)工程不斷從其它學(xué)科的發(fā)展中汲取營養(yǎng)。前一階段，人工智能、模糊數(shù)學(xué)在采礦系統(tǒng)工程中頗受青睞。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)、 全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)也在礦山迅速應(yīng)用。借助這些新學(xué)科、新技術(shù)，采礦系統(tǒng)工程正在邁上一個新臺階。 </p><p>　　4 礦業(yè)系統(tǒng)工程的應(yīng)用</p&g

20、t;<p>　　4.1專家系統(tǒng)在采礦行業(yè)的應(yīng)用</p><p>　　隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，使得專家系統(tǒng)能夠真正滲透到采礦行業(yè)，為煤炭工業(yè)的信息化建設(shè)注入新鮮血液。采礦專家系統(tǒng)是計算機技術(shù)在采礦工業(yè)應(yīng)用的一種表現(xiàn)形式，它集合采礦專家的知識、經(jīng)驗與先進(jìn)的計算機技術(shù)為一體。專家系統(tǒng)在采礦行業(yè)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為以采礦理論為基礎(chǔ)，采用分層設(shè)計原理、模糊數(shù)學(xué)推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理等方法，結(jié)合人工智能技

21、術(shù)來進(jìn)行采礦專家系統(tǒng)軟件的開發(fā)。采礦工程是一個極其復(fù)雜的大系統(tǒng)，其中許多問題沒有規(guī)則結(jié)構(gòu)，這類問題的求解無法用簡單的數(shù)據(jù)流動或精確的邏輯判斷做確定的解答。專家系統(tǒng)技術(shù)為解決這類問題提供了有力的工具。近年來采礦專家系統(tǒng)的研究取得了很大的進(jìn)展，并研制出一批優(yōu)秀的采礦專家系統(tǒng)。 </p><p>　　（1）煤礦采掘。近年來，隨著礦山理論和機械設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，由礦山壓力引起的煤礦安全問題得到了很大改善，但隨著開采深度的增

22、加，采掘機械化程度的提高，巷道斷面和工作面控頂距不斷增大，回采巷道和工作面礦山壓力顯現(xiàn)日趨強烈，煤層頂?shù)装鍘r性發(fā)生了很大變化。針對工作面和回采巷道的特點，提出了很多支護(hù)選型設(shè)計的方法，并應(yīng)用專家系統(tǒng)進(jìn)行巷道和頂板控制設(shè)計。開發(fā)的較為典型的專家系統(tǒng)有 Arizona University Daemen等開發(fā)的煤礦頂板錨桿支護(hù)專家系統(tǒng)；英國煤炭公司開發(fā)的巷道支護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)；重慶建筑大學(xué)開發(fā)的錨噴網(wǎng)支護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)；中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的基于松

23、動圈理論的噴錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)；東北大學(xué)開發(fā)的面向?qū)ο蟮木铩㈨鲜抑ёo(hù)設(shè)計智能專家系統(tǒng)；安徽理工大學(xué)開發(fā)的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計專家決策系統(tǒng)；山東科技大學(xué)開發(fā)的基于Web的頂板控制設(shè)計決策支持系統(tǒng)；貴州工業(yè)大學(xué)開發(fā)的工作面液壓支架選擇模糊專家系統(tǒng)等。這些軟件在系統(tǒng) 的體系、知識庫構(gòu)成、推理機制方面已經(jīng)逐步健全和統(tǒng)一。 </p><p>　?。?）安全生產(chǎn)。煤礦安全成為煤炭企業(yè)生產(chǎn)的第一要務(wù)，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)和計算

24、機技術(shù)來為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航成為了人們的研究重點，在煤礦安全生產(chǎn)方面出現(xiàn)了一大批專家系統(tǒng)軟件。中國煤炭科學(xué)研究院撫順分院研制開發(fā)了礦井瓦斯防治專家系統(tǒng)，簡稱WSZJ系統(tǒng)，該系統(tǒng)在沈陽、鄭州等煤炭企業(yè)得到了應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟和社會效益；中國礦業(yè)大學(xué)研制的礦井火災(zāi)救災(zāi)專家系統(tǒng)，為礦井火災(zāi)的防治與救援提供技術(shù)支持；東北大學(xué)開發(fā)的礦山傷亡事故 原因分析專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于礦山的幾大類事故，如豎井提升傷亡事故、井下外因火災(zāi)傷亡事故、采掘

25、生產(chǎn)過程中的傷亡事故等，研究編制了相應(yīng)的事故原因分析專家系統(tǒng)；王文銘等設(shè)計的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦山企業(yè)智能診斷專家系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極強的學(xué)習(xí)能力,進(jìn)行診斷知識的獲取和診斷推理。這些安全專家系統(tǒng)的建立為礦井的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持和安全保障。</p><p>　　4.2 馬爾科夫模型對鉆孔瓦斯流量的預(yù)測</p><p>　　目前，對鉆孔瓦斯流量預(yù)測主要是采用灰色系統(tǒng)理論建模的方法。鉆孔瓦斯流量

26、是一個隨煤層厚度、煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽放負(fù)壓，鉆孔直徑變化的多元函數(shù)，涉及因素眾多，鉆場中各鉆孔瓦斯流量與影響因素之間是灰色的非線性關(guān)系，故可以用灰色理論進(jìn)行預(yù)測。</p><p>　　灰色理論與馬爾科夫鏈預(yù)測結(jié)合起來，利用灰色預(yù)測的“小樣本、貧信息”的不確定性特點和馬爾科夫鏈預(yù)測確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，具有隨機動態(tài)變化的特點，通過Matlab 分析軟件解算，建立灰色馬爾科夫模型，并首次運用于鉆孔瓦斯

27、流量的預(yù)測中，以提高鉆孔瓦斯流量的預(yù)測精度。 </p><p>　　1) 依據(jù)灰色系統(tǒng)理論的原理和方法，結(jié)合馬爾科夫鏈預(yù)測，從礦山生產(chǎn)實際出發(fā)，考慮煤礦瓦斯抽采過程中的各種復(fù)雜因素，構(gòu)建鉆孔瓦斯流量灰色馬爾科夫預(yù)測模型。</p><p>　　2) 灰色馬爾科夫預(yù)測模型充分挖掘各單獨模型的有用信息，有效的提高模型的預(yù)測精度，其預(yù)測結(jié)果和實測值的擬合度比灰色預(yù)測模型更高，能客觀反映鉆孔瓦斯流量

28、的發(fā)展變化趨勢，更適合用于波動性較大的非穩(wěn)定性的瓦斯流量的預(yù)測。 </p><p>　　3）應(yīng)用灰色馬爾科夫模型預(yù)測鉆孔瓦斯流量，得出實際瓦斯流量與預(yù)測瓦斯流量平均相對誤差只有2.16 %，最大相對誤差也只有5.40%，均方差比值為0．29，小誤差概率為1，結(jié)果滿足精度要求。 </p><p>　　4) 采用灰色馬爾科夫模型對抽放鉆孔瓦斯流量進(jìn)行預(yù)測，所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，預(yù)測精度較高，能更有

29、利于對抽放效果的評價，指導(dǎo)瓦斯抽采工作。利用該模型還能進(jìn)行瓦斯流量的動態(tài)預(yù)測以及涌出量的相關(guān)預(yù)測，為煤礦瓦斯防治工作提供技術(shù)支持。</p><p><b>　　5 結(jié)語 </b></p><p>　　礦業(yè)系統(tǒng)工程作為一門較為新興的學(xué)科對于礦業(yè)工程的發(fā)展已起到了重要的作用。在今后，通過進(jìn)一步的研究與發(fā)展，相信礦業(yè)系統(tǒng)工 程與實際工程將結(jié)合得更加緊密，為提高我國礦山經(jīng)濟效

30、益做出更大的貢獻(xiàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1］張幼蒂.礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展與展望［J］.金屬礦山，2003.1</p><p>　　[2］云慶夏.采礦系統(tǒng)工程的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國礦業(yè)，2004.2</p><p>　　[3］廖建朝，謝正文． 灰色支持向量機在瓦斯流量預(yù)測中的

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