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1、浅谈矿业系统工程在我国的应用及发展【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。本文讨论了矿业系统工程在国内的历史发展,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 计算机网络 发展方向 灰色马尔科夫链预测 专家系统0 导言 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
2、算机技术综合应用于矿业研究，涌现出一批重要的研究成果，使矿业系统工程作为一个新的学科分支逐渐形成。经历近40多年的蓬勃发展，矿业系统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 矿业系统工程的发展现状 1.1 矿业系统工程在国内外的现状 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 Industry,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
3、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
4、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。 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
5、新兴学科及技术的应用,如人工智能方法应用、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。 1.2 矿业系统工程在我国的发展历程 矿业系统工程在我国的发展主要经历的三个阶段：（1）萌芽期（50年代到70年代初）。50年代主要是利用线性规划中的运输问题来解决矿石调配问题。60年代将运筹方法和优化法应用到矿山。70年代初期，通过排队论及计算机模拟来处理露天卡车调配问题。这个阶段只是肤浅地将运筹学的理论与采矿实际问题结合，理论尚未成熟。（2）发展期（70年代中到80年代中）。这个时期主要是通过吸收国外先进技术来与我国矿山具
6、体实际情况结合，主要是通过计算机模拟来实现。同时，国内也举办了相应的会议来共同探讨矿山系统，各大高校也相继开设了这方面的课程，并招收研究生。 （3）壮大期（80年代末至今）。此时期通过继续引进国外先进技术，结合我国具体现状大规模应用开发了矿业系统工程的相关软件，来解决国内的实际问题，已经发展成为有我国特色的和风格的矿业系统工程。 2 矿业系统工程研究2.1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，大部分属于技术科学层次及工程技术层次。采用较多的基础理论及有关技术可归纳如下：（1） 运筹学诸学科分支，常用者如下：线性规划；整数规划；非线性规划；目标规划；动态规划；图论及网
7、络分析；排队论；存储论；决策论。 （2） 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：概率论与数理统计；随机过程；地质统计学；可靠性理论；模糊数学；灰色系统理论。 （3） 与计算机技术密切结合的交叉学科分支，如：系统模拟；系统动态学； 人工智能学；决策支持系统；管理信息系统；计算机辅助设计；数值方法； 信息技术及可视化技术；遥感、全球定位系统及地理信息系统、国际互联网络技术。2.2 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
8、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：地质储量分类的研究、矿山压力与边坡稳定分析与优化、爆破工程建模与优化、矿业环境保护与生态重建、矿业可持续发展、矿业信息化与可视化系统、人工智能方法在矿业中的应用、3S(RS,GPS,GIS)在矿业系统中的应用、国际互联网络的应用。（1） 地质统计学与矿床建模。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：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
9、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，提供了一种空间性、随机性工具,用于储量估值及环境影响评价。 （2） 矿山设计优化。主要包括：设计软件实用化商业化、露天矿与矿井优化设计研究、系统模拟技术、人工智能方法和可视化技术。 3 矿业系统工程的发展趋势 矿业系统工程作为采矿学和系统工程学相结合的一个学科，一方面，它必须遵循采矿工程的内在规律，努力解决采矿系统的一系列优化课
10、题；另一方面，它必须紧跟现代数学和计算机技术的进展，不断地改进优化理论与技术。 3 .1 跨学科配合：多方法研究矿业系统的决策,若仅仅依靠单一学科的某一种方法，往往很难取得理想的效果。以露天矿的电铲卡车调度为例，它的硬件涉及到GPS、无线通讯、计算机，它的软件则包括测量平差、线性规划和动态规划、数据处理等2。采用综合性研究方法以解决综合性工程课题，这正反映了现代系统工程的特点。 3.2 多项目合作：大系统开发矿业工程在系统结构上具有多层次和多环节，需要从总体上进行全局优化。在过去单项优化的基础上，人们已扩大视野，着力于研究更广、更大的对象。尤其是矿山决策支持系统的开发，更要求在更高的层次上展开
11、。近年来，大系统、巨系统、系统动力学等宏观研究手段,已日益受采矿工作者的重视。 3.3 优化技术：趋于使用在矿业系统工程的早期,人们利用运筹学得出采矿问题的最优解,然而它们常常偏离采矿的工艺技术要求。CAD技术的出现,又促使人们将传统的设计方法转用计算机实现，但却忽视了优化的目标。目前的趋势是在人机的交互作用下实现决策的优化，并尽可能提高作业的自动化程度。以采剥计划编制为例，可先用数学规划安排矿山的长期采剥计划，然后在长期计划指导下用CAD技术编制短期采剥计划。这样不仅能保证决策的总体优化，又能提高具体作业的可操作性。 3.4 运用新科学：采用新技术矿业系统工程不断从其它学科的发展中汲取营养。
12、前一阶段，人工智能、模糊数学在采矿系统工程中颇受青睐。近年来，虚拟现实技术、 全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)也在矿山迅速应用。借助这些新学科、新技术，采矿系统工程正在迈上一个新台阶。 4 矿业系统工程的应用4.1专家系统在采矿行业的应用 随着计算机软件和硬件技术的快速发展，使得专家系统能够真正渗透到采矿行业，为煤炭工业的信息化建设注入新鲜血液。采矿专家系统是计算机技术在采矿工业应用的一种表现形式，它集合采矿专家的知识、经验与先进的计算机技术为一体。专家系统在采矿行业中的应用主要表现为以采矿理论为基础，采用分层设计原理、模糊数学推理和神经网络原理等方法，结合人工
13、智能技术来进行采矿专家系统软件的开发。采矿工程是一个极其复杂的大系统，其中许多问题没有规则结构，这类问题的求解无法用简单的数据流动或精确的逻辑判断做确定的解答。专家系统技术为解决这类问题提供了有力的工具。近年来采矿专家系统的研究取得了很大的进展，并研制出一批优秀的采矿专家系统。 （1）煤矿采掘。近年来，随着矿山理论和机械设备技术的发展，由矿山压力引起的煤矿安全问题得到了很大改善，但随着开采深度的增加，采掘机械化程度的提高，巷道断面和工作面控顶距不断增大，回采巷道和工作面矿山压力显现日趋强烈，煤层顶底板岩性发生了很大变化。针对工作面和回采巷道的特点，提出了很多支护选型设计的方法，并应用专家系统进
14、行巷道和顶板控制设计。开发的较为典型的专家系统有 Arizona University Daemen等开发的煤矿顶板锚杆支护专家系统；英国煤炭公司开发的巷道支护设计专家系统；重庆建筑大学开发的锚喷网支护设计专家系统；中国矿业大学开发的基于松动圈理论的喷锚网支护设计专家系统；东北大学开发的面向对象的井巷、硐室支护设计智能专家系统；安徽理工大学开发的煤巷锚杆支护设计专家决策系统；山东科技大学开发的基于Web的顶板控制设计决策支持系统；贵州工业大学开发的工作面液压支架选择模糊专家系统等。这些软件在系统 的体系、知识库构成、推理机制方面已经逐步健全和统一。 （2）安全生产。煤矿安全成为煤炭企业生产的第
15、一要务，利用现代化的信息技术和计算机技术来为煤矿的安全生产保驾护航成为了人们的研究重点，在煤矿安全生产方面出现了一大批专家系统软件。中国煤炭科学研究院抚顺分院研制开发了矿井瓦斯防治专家系统，简称WSZJ系统，该系统在沈阳、郑州等煤炭企业得到了应用，并取得了良好的经济和社会效益；中国矿业大学研制的矿井火灾救灾专家系统，为矿井火灾的防治与救援提供技术支持；东北大学开发的矿山伤亡事故 原因分析专家系统，该系统对于矿山的几大类事故，如竖井提升伤亡事故、井下外因火灾伤亡事故、采掘生产过程中的伤亡事故等，研究编制了相应的事故原因分析专家系统；王文铭等设计的基于神经网络的矿山企业智能诊断专家系统，利用神经网
16、络极强的学习能力,进行诊断知识的获取和诊断推理。这些安全专家系统的建立为矿井的安全生产提供了技术支持和安全保障。4.2 马尔科夫模型对钻孔瓦斯流量的预测 目前，对钻孔瓦斯流量预测主要是采用灰色系统理论建模的方法。钻孔瓦斯流量是一个随煤层厚度、煤层瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系数、抽放负压，钻孔直径变化的多元函数，涉及因素众多，钻场中各钻孔瓦斯流量与影响因素之间是灰色的非线性关系，故可以用灰色理论进行预测。 灰色理论与马尔科夫链预测结合起来，利用灰色预测的“小样本、贫信息”的不确定性特点和马尔科夫链预测确定状态转移概率，具有随机动态变化的特点，通过Matlab 分析软件解算，建立灰色马尔科夫模型，并首次运用于钻孔瓦斯流量的预测中，以提高
