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1、Series No 319 January 2003 金 属 矿 山 METAL MINE 总 第319期 2003年第 1期 张幼蒂 中国矿业大学采矿系 教授 221008 江苏省徐州市 专题综述 矿业系统工程的发展与展望 张幼蒂 中国矿业大学 摘 要 矿业系统工程是近 40 年来矿业工程学科与系统工程学科相结合而形成的一个新的学科分支 讨论 了矿业系统工程在国内外的历史发展 以及近年研究领域的拓展现状 对国内外矿业系统工程研究的理论基础及 采用的方法做了归纳分析 介绍了若干重要领域的新发展 最后对矿业系统工程的发展前景做一展望 关键词 矿业系统工程 历史发展 前景展望 Developmen
2、t and Prospect of Mining Systems Engineering Zhang Youdi China University o f Mining and Technology Abstract Mining systems engineering is a new branch of discipline formed in recent forty years through the combination of mining engineering and systems engineering The historicaldevelopment ofmining
3、systems engineering both at home and abroad and the current status of its research are discussed and the theoretical basis of its research and the methods adopted both in and outside China are summarized and analysed The new developments in some major domains are presented andfinally itsfuture devel
4、opment prospect is forcasted Keywords Mining systems engineering Historical development Prospect forcast 1 导言 1 1 矿业系统工程学科分支的形成 1 矿业系统工程是矿业工程学科与系统工程学科 相结合而形成的一个新的学科分支 矿业工程与系 统工程的结合 是从 50 年代将运筹学应用于采矿业 的研究起始的 随着计算机技术的迅速发展 60 年 代将运筹学原理与计算机技术综合应用于矿业研究 的一批成果涌现出来 使矿业系统工程做为一个新 的学科分支逐渐形成 经历近 40 年的蓬勃发展 矿 业系统
5、工程已成为系统工程在各行各业中开展较为 充分的一大分支 1 2 矿业系统工程研究在国内外的发展 国际计算机与运筹学在矿业中应用学术会议 Application of computers and OR in the Mineral Indus try 简称 APCOM 是国际上矿业系统工程发展的一 个缩影 APCOM 系由美国矿业界 4 个学术单位 宾 西法尼亚州立大学 亚利桑那大学 克罗拉多矿业学 院及美国采矿工程师学会 联合发起 1961 年于亚 利桑那大学举行首届会议 其后逐渐发展成为世界 性学术会议组织 至今已举行过 30 届APCOM 会议 其中 2001年 4 月在北京召开的第 29
6、 届 APCOM 会 议 系由中国矿业大学承办 这是该会议首次在亚洲 和发展中国家召开 有来自 28 个国家和地区的 250 多名专家学者及国际著名矿业软件公司代表出席 会议收到论文500 余篇 其中 183 篇入选论文集 从 论文的数量及质量上看 是历届APCOM 会议中很成 功的一次 在我国 将运筹学应用于采矿工程始于 20 世纪 50年代末期 60 年代前期有若干初步研究成果出 现 其间由于历史原因 我国在这方面的研究工作 中断多年 直到 70年代后期 才乘改革开放的春风 跟踪国际趋势 开展采矿系统工程研究 进入 80 年 代后 研究工作更加深入广泛 研究成果纷纷涌现 由中国煤炭学会 中
7、国金属学会及中国有色金属学 会下属的矿山系统工程专业委员会联合主办的矿业 系统工程学术会议成为全国性跨行业的学术活动 至今已开过 8 届学术会议 20 世纪 80 90 年代 我 国矿业系统工程研究成果纷纷在 APCOM 等国际会 议上发表 标志着我国矿业系统工程研究已经步入 世界 在国际上占有一席之地 1 从历届 APCOM 国际会议及全国矿业系统工程 学术会议论文集及其它渠道发表的论文来看 我国 学者在此领域起步较国外迟 但发展迅速 目前研究 范围较为广泛 对于传统领域如矿床模型 矿山优 化设计 矿山生产过程优化控制等方面均有大量研 究成果 对于一些新兴学科及技术的应用 如人工 智能方法应
8、用 地理信息系统研究等 也能跟踪国际 前沿迅速发展 但总体看来 我国在本领域的研究 力量仍然较为分散 理论成果转化生产实践程度还 不高 1 3 近年矿业系统工程研究领域的拓展 随着新兴学科及高新技术的迅速发展 矿业系 统工程的研究领域也在不断拓展 除了传统的地质 勘探 矿床建模与资源评价 矿山设计规划优化决 策 矿山生产计划及优化控制 通风安全系统优化 矿物加工优化控制 项目管理等传统领域外 近年新 扩展的研究领域有 a 地质储量分类的研究 b 矿山 压力与边坡稳定分析与优化 c 爆破工程建模与优 化 d 矿业环境保护与生态重建 e 矿业可持续发 展 f 矿业信息化与可视化系统 g 人工智能方
9、法在 矿业中的应用 h 3S RS GPS GIS 在矿业系统中的 应用 i 国际互联网络的应用 2 矿业系统工程基础理论与技术 1 系统科学体系的基本概念 按照钱学森先 生的意见 系统科学体系由3 个层次构成 2 a 处在 工程技术层次上的是系统工程 自动化技术 信息技 术等 b 处在技术科学层次上的是控制论 信息论 运筹学等 c 处在基础科学层次上的是系统学 它是 研究系统结构与功能一般规律 包括演化 协同和控 制 的学科 正处在形成之中 2 矿业系统工程基础理论与技术 矿业系统 工程所依赖的现代科学理论与技术 按上述系统科 学体系的概念 大部分属于技术科学层次及工程技 术层次 采用较多的
10、基础理论及有关技术可归纳如 下 运筹学诸学科分支 常用者如下 a 线性规 划 b 整数规划 c 非线性规划 d 目标规划 e 动态 规划 f 图论及网络分析 g 排队论 h 存储论 i 决 策论 j 对策论 现代应用数学若干学科分支 往往与研究随机现象及模糊现象相关 如 a 概率论 与数理统计 b 随机过程 c 地质统计学 d 可靠性 理论 e 模糊数学 f 灰色系统理论 与计算机技 术密切结合的交叉学科分支 如 a 系统模拟 b 系 统动态学 c 人工智能学 d 决策支持系统 e 管理 信息系统 f 计算机辅助设计 g 数值方法 h 信息 技术及可视化技术 i 遥感 全球定位系统及地理信 息
11、系统 j 国际互联网络技术 值得注意的是 与计 算机技术密切结合的交叉学科分支土地肥沃 蓬勃 生长 一些新的交叉学科仍在不断涌现 3 矿业系统工程若干重要领域的发展现状 3 1 地质统计学与矿床建模 自从 D G Krige 在 20 世纪中期提出地质统计 学的基本观点与方法以来 地质统计学的发展经历 了 3 个阶段 3 1945 1965年为地质统计学的奠基 阶段 建立起以线性平稳地质统计学为主的基本理 论基础 1965 1974 年为第二阶段 发展了非平稳 地质统计学 提出了泛克里金 Universal Kriging 等 方法 并为非线性地质统计学的建立打下了基础 1974 年至今为第三
12、阶段 出现了析取克里金 Dis junctive Kriging 指示克里金 Indicator Kriging 等方 法 发展了非线性地质统计学 地质统计学在矿业工程中的应用近年来主要是 向实用化方向发展 较集中的研究成果及发展方向 如下 4 从局部地质参数估值向矿床储量及平均 品位的确定方面扩展 不同边界品位下矿床可 采储量的分析与确定 矿床储量经济分析与风险分 析 不确定性分析 例如矿石品位与可采储量的 可信度区间分析 将地质控制与地质统计学计 算结合起来进行估值及建模 在许多矿床埋藏条件 下 能否解决好地质控制问题是地质统计学方法估 值能否符合实际的关键 条件模拟方法有广泛 的应用研究
13、成果 并向其 下游 应用领域扩展 例如 扩及采矿生产计划的制订 将地质统计学与地 理信息系统 GIS 结合起来 提供出一种空间性 随 机性工具 用于储量估值及环境影响评价 3 2 矿山长远设计计划的优化 5 6 7 1 设计软件实用化商业化趋势 近 20 年来 各国软件公司纷纷建立 并将商业性软件推向全球 用户 其主要产品为地质矿床模型及矿山长远设计 或称战略性设计 软件 利用先进的计算机技术 不断推出可视性能强 界面友好 灵活交互 方便用 户的新版本 2 从优化理论与方法的角度来考查上述国际 软件 其 含金量 是不高的 以举世闻名的 Whittles 软件公司的露天矿优化设计软件为例 其优化
14、算法 在计算机程序篇幅中仅占不足 2 5 目前实用的 优化算法只不过是已应用多年的下列方法 a Lerchs 2 总第 319 期 金 属 矿 山 2003年第 1期 Grossman 图论算法确定开采境界 1965 b 线性 规划及混合 整数规划 算法用于 开采程序选 择 1973 c 系统模拟技术的应用 因此 矿山优化设 计理论与方法亟待发展 3 露天矿与矿井优化设计研究的进展 国际 上迄今多以露天开采优化设计为主要对象 近年露 天矿优化设计研究新成果不多 如 Wright 提出了 Moving cone II 即移动圆锥法新算法 Dagdelen 在原 有数学规划方法基础上提出了拉格朗日
15、松弛算法等 我国张幼蒂等人提出了以有向图系统模拟理论为基 础的动态综合优化设计方法 并大面积应用于许多矿 区 8 王青等则在广为吸纳国际露天矿优化设计研 究成果的基础上 提出了露天开采整体优化的观点与 方法 9 相对于露天开采 地下开采优化设计研究原 来较为落后 现正在加快赶上 如M Davis 应用重力 流算法预测分层崩落法矿石品位等 4 系统模拟技术 10 13 系统模拟技术在矿 业工程中的应用范围广泛 经久不衰 它是一种非 严格优化方法 在矿业优化研究方法中 占有 1 4 份 额 系统模拟方法广泛用于从地质建模 采矿工艺 与设备选择 生产过程控制 项目管理决策到矿区环 境工程等方面 系统
16、模拟技术近年的新发展是 a 可视化技术发展迅速 b 面向对象的模拟建模及其 模块的可重用性 装配式 构件 c 并行模拟及 分布式模拟系统 以计算机网络为支撑 d 应用 集成化 如将电子表格 数据库管理 计算机辅助绘 图以及生产计划与控制系统结合起来 e 模拟语言 蓬勃发展 如 GPSS SIMAN SLAM 等系统 版本 不断更新 已有广泛应用 5 人工智能方法 14 17 人工智能 AI 以电 子计算机为工具 以模拟人类的智能行为为目标 被 誉为 20世纪三大科学技术应用成就之一 许多方 法都可以归入人工智能范畴 而举其重要者 目前主 要有如下几种 a 专家系统 Expert System 简称ES b 人工神经网络 Artificial Network 简称 ANN c 遗 传算法 Genetic Algorithm 简称 GA d 其他 如案例 推理 Case Based Reasoning 智 能模拟 Intelligent Simulation 等 适应复杂的矿业大系统优化要求 人 工智能方法的综合集成化已被提上日程 这里综合 集成化的概念应包含 数据信息与知识信息的综合 集
