智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究.pdf

太原科技大学 硕士学位论文 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 姓名王飞 申请学位级别硕士 专业控制理论与控制工程 指导教师李虹 20080701 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 中文摘要 在煤矿生产系统中采煤和掘进是两个极为重要的环节，采掘关系是矿井生产的 两个基本要素。煤矿的建设与生产，必须处理好采煤与掘进之间衔接关系，从而实 现采掘平衡。编制采掘计划是处理采掘关系决策的手段，也是其首要的和基础性的 工作。煤矿生产衔接工作的效率直接影响到其生产安全性和生产效益，对其年度生 产计划的完成会产生很大影响。煤矿采掘衔接生产管理信息系统的设计为提高煤矿 生产衔接效率提供了新的可能，它与煤矿现场的顺利结合必将服务于煤炭行业，并 为煤炭企业安全生产起到积极的作用。 ． 本文以系统工程的基本理论为基础，从系统的观点出发，提出了煤矿采掘衔接 生产管理信息系统开发的新思路，建立了采掘计划编制和图形化的模型，并将智能化 和C A D 集成化技术引入到采矿工程中来。运用系统优化理论、数据库理论和人工智 能技术，对采掘计划编制及图形化进行了较深入的研究。在对采掘计划和图形化的 研究现状、发展趋势和存在问题进行分析的基础上，把高级程序设计语言的计算功 能和A u t o C A D 的绘图功能相结合，构建了煤矿采掘衔接管理系统的总体框架。在此 基础上，着重介绍了计算机的模拟方法以及智能推理在采煤工程中的运用，并完成 了采煤生产进度监控的设计、采掘衔接计划的编制，采用了V B 程序设计语言的文档 窗体及多种控件，通过这些窗体和控件组成软件的用户界面。系统的实现能够很好 地解决矿山图形信息与属性信息的动态管理、查询、决策与显示，为矿井的正常和 安全生产提供有力的保障，同时减少许多重复的人力、物力，更为矿井管理现代化、 科学化和信息化的实现奠定良好的基础。 关键词采掘计划；智能推理；图形化；计算机模拟 A p p l i e dR e s e a r c ho fI n t e l l i g e n tI l l a t i o ni nT h e C o a lM i n e P r o d u c t i o n - L i n ko fE x c a v a t i n gC o a la n dG r u b b i n gL a n e w a y G r a d u a t eN a m e W a n gF e i M a j o r C o n t r o lT h e o r ya n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db y L iH o n g A B S T R A C T E x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n gl a n e w a ya l et w oi m p o r t a n tl i n k si nt h e c o a lm i n ep r o d u c t i o n ．T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x c a v a t i n gc o a la n dg r u b t a n e w a yi sb a s a lf a c t o r ．I nt h ef o u n d a t i o na n dp r o d u c t i o no f ac o a lm i n e , t h el i n kr e l a t i o nm u s tb ed i s p o s e dt oa c h i e v et h eb a l a n c eo fe x c a v a t i n gc o a l a n dg r u b b i n gl a n ew a y ．W e a v i n ge x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n gl i n kp l a ni s m e a n so fd e a l i n gw i t hr e l a t i o n s h i po fe x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n gi nm i l l e p r o d u c t i o n ， a n dc h i e fa n db a s a lw o r k ．T h ee f f i c i e n c y o fm i n i n g p r o d u c t i o n - l i n kp l a y sad i r e c tr o l eo f t h es a f e t ya n db e n e f i to ft h ec o a l m i n e p r o d u c t i o n ，w h i c hi n f l u e n c et h ea n n u a l l ya r r a n g e ds c h e m eo ft h em i n i n g e n t e r p r i s e ， A n dt h e e m e r g e n c e a n d d e v e l o p m e n t o ft h e m i n i n g p r o d u c t i o n - l i n ko fe x c a v a t i n gc o a la n dg r u bl a n e w a yo ni n t e l l i g e n ti I I a t i o n m a k ei tp o s s i b l et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm i n i n gp r o d u c t i o n - l i n k ，a tt h e s a m et i m e ，t h ei n t e g r a t i o nb e t w e e ni n t e l l i g e n ti l l a t i o na n dm i n i n gw o u l d s e r v ec o a l m i n ee n t e r p r i s eb e t t e ra n dp r o m o t et h es a f e t yo fc o a lm i n e p r o d u c t i o n ． T h em o d e lo ft h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n - l i n ko fe x c a v a t i n gc o a la n d g r u b b i n gl a n e w a yW a Se s t a b l i s h e dw i t ht r a d i t i o n a ls t a n d p o i n tt h a tt h eb a s i c t h e o r i e so ft h es y s t e me n g i n e e r i n ga saf o u n d a t i o n ，t h ea r t i c l ep u tf o r w a r da n e wm e t h o dt od e v e l o pt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n l i n ko fe x c a v a t i n gc o a la n d g r u b b i n gl a n e w a ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo ni n t e l l i g e n ti l l a t i o n ’ a n dC A Di n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c et e c h n i q u ew a sg a t h e r e di n t ot h ec o a l m i n ee n g i n e e r i n g ．U s e dt h es y s t e mo p t i m i z a t i o nt h e o r i e s ，d a t a b a s et h e o r i e s a n dt h e i n t e l l i g e n t i l l a t i o n t e c h n i q u e ，a n dt h ep r o d u c t i o n l i n kp l a n o f e x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n gl a n e w a yw a sd e e p l ys t u d i e da c c o r d i n g t o e s t a b l i s h m e n ta n dm a n a g e dm o d e ．T h et o t a lf r a m eo ft h e c o a lm i n e p r o d u c t i o n - l i n ko fe x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n gl a n e w a ys y s t e mw a ss e tu p b a s e do nt h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，d e v e l o p m e n tt r e n da n de x i s t i n gt h ep r o b l e m ． T h i st h e s i si sm o s t l yf o c u s e do nt h ep r e t e n t i o na b o u tc o m p u t e r ’Ss i m u l a t i o n m e t h o da n da p p l y i n gi n t e l l i g e n ti l l a t i o ni ne x c a v a t i n gc o a le n g i n e e r i n g ，a n d r e a l i z et h ed e s i g no fe x c a v a t i n gc o a lp r o d u c t i o np l a n ’Ss u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o l ，a u t o m a t i cw e a v i n go ft h ep r o d u c t i o n l i n kp l a no fe x c a v a t i n gc o a l a n dg r u b b i n gl a n e w a y ．T h es y s t e mw a sb a s e do nt h eV Bl a n g u a g e sa n db u i l t u pu s e ri n t e r f a c ew i t hs i n g l ed o c u m e n tf o r m s ，m u l t i d o c u m e n tf o r m sa n d s o m eC o n t r o l 。T h i si n f o r m a t i o ns y s t e mc o u l dh e l pt od i s s o l v et h ep r o b l e mo f o p e r a t i o n sb e t w e e nt h e a t t r i b u t ed a t aa n dg r a p h i c sd a t a ，w h i c hi n c l u d e d y n a m i cm a n a g e m e n t ，q u e r y ，d e c i s i o n m a k i n ga n dt h ed i s p l a yo f t h er e s u l t ． A n dt h er e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e mw o u l dg u a r a n t e et h es e c u r i t yp r o d u c t i o no f c o a lm i n ee n t e r p r i s ea n dp r o m o t et h eu s eo fm i n i n gg r e a tc a p a c i t yd a t u ma n d t h es h a r eo f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ．A tt h es a m e t i m ei tc o u l dr e d u c el o t so f r e p e a t e dw o r k f o r c e ．A n dt h i s w i l lb eaf a v o r a b l eb a s i so fm o d e r n i z a t i o n ， s c i e n t i f i cp r o c e s s ，i n f o r m a t i o no ft h em i n i n ge n t e r p r i s em a n a g e m e n t ． K e yw o r d s T h ep r o d u c t i o n l i n kp l a no fe x c a v a t i n gc o a la n dg r u b b i n g l a n e w a y ；I n t e l l i g e n ti l l a t i o n ；G r a p h i c a lp r e s e n t a t i o n ；C o m p u t e rs i m u l a t i o n 承诺书 本人郑重声明所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者 签章 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 选题背景和意义 我国地方煤矿数量众多、规模大小不一、管理水平参差不齐、生产力水平低下， 安全生产条件差，但在相当一段时期内，它们仍将是国内各地区煤矿工业的重要组 成。因此，如何能够合理规划、管理好地方煤矿，随时掌握生产状况，督促煤矿业 主改善生产条件、提高生产力就成了各地煤炭管理部门的当务之急。煤炭行业信息 基础设施相对落后，生产衔接方面的问题也同样较为突出，而矿山采掘进度计划是 指导矿山生产的依据，计划编制是矿山生产管理中不可缺少的重要部分，矿井的其 他系统都要根据采掘衔接的确定而确定各自的内容、规模以及服务于采掘关系的方 式。因此，确定采掘计划工作是一项既困难又复杂的工作，决策是否科学合理，直 接关系到企业在市场经济激烈竞争中的前途和命运，所以倍受各矿山管理部门的重 视。然而，长期以来，我国矿山采掘计划一直采用传统的手工方法进行编制，尽管 它能在一定程度上吸取计划人员的经验和智慧，然而这种方法无论是从人力上还是 从时间上来讲，都是不经济的，更不可能达到较高的质量。又由于采掘计划的编制 具有计算不复杂但计算量大的特点，而计算速度快正是计算机的主要特点I l J 。因此， 采用现代科学管理方法和理论，借助计算机的高度处理能力，提高采掘计划编制的 科学性、全面性和自动化水平已成为一个急需解决的问题。 编制矿井采掘计划是矿井生产管理的一项重要工作，采掘关系是煤矿生产的重 要关系之一，它不仅是矿井采掘生产日常管理的依据，而且对矿井生产的经济效益 产生直接的影响，其工作涉及到方方面面，需要各条战线的人员协同合作。一个矿 井计划的制定，不仅需要采煤部门的参与，同时也要有地测、开拓、掘进、通风和 计划科室的参与。所以说，矿井生产计划的制定是一个许多人协同合作进行工作的 技术活动。 矿井生产受地质影响较大，地质影响因素一般为不可预见因素，因此作为矿井 生产核心部分的采掘工作面的状态随生产的发展处于不断的变化过程中，成为最不 确定性的、动态的随机子系统。煤炭生产最主要靠回采工作面正常、稳定和持续地 生产，必须安排好各条巷道的掘进工作，及时准备出能够按计划投入生产的新回采 工作面。如果计划不周，造成巷道掘进完工过早，维护时间过长，就会增加成本； 新回采工作面不能及时准备出来，部分回采工作中断，就会影响产量。由此可见， 采掘工作是矿井生产中的一对主要矛盾。实际生产中，矿井应该生产多少煤炭，取 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 决于国家计划以及市场需要，并受地质条件，运输设备和洗选设备能力的限制，亦 即是由外部因素决定而客观存在的；而掘进准备工作则是负责矿井生产计划的工程 师所必须处理的工作，以保证完成国家生产计划。矿井生产中的各个系统处于不断 的动态变化之中，因此制定矿井采掘接替计划相对于其他计划要困难和复杂相多。 由于煤层赋存条件和地质构造等自然条件的不同，我国以及世界各国大多数地 区的煤炭地下开采技术和工艺方法最常见的有三大类，即炮采、普采和综采。但无 论是哪种开采工艺，大多采用壁式采煤的方法。无论是进行煤矿建设还是原煤开采， 都面临着三个相互衔接的问题，一是采煤与掘进之间的先后接替关系，由于两者相 互影响相互制约，因而要求“以采定掘，以掘保采，采掘并举，掘进先行”；二是 采煤工作面之间的接替关系，就是多个采煤工作面用多个采煤队进行作业时，工作 面之间开采先后顺序的衔接问题；三是掘进工程之间的衔接关系，就是为了采煤工 作的正常进行而做的巷道准备对回采的保证程度，以及所有这些需要掘进的巷道工 程之间的先后衔接顺序。处理好这三个衔接关系就是采掘平衡的实现。采掘平衡对 矿井设计和煤炭生产有着极为重要的意义，可实现均衡生产、安全生产和文明生产， 有着极大的经济效益和社会效益。而采掘关系失调或紧张，会使矿井造成极大的损 失和浪费，而且扭转困难，挽回就更不易了。这种现象往往是由于开采之前采掘衔 接计划不当引起，所以，在采掘工作开始之前，编制科学合理的衔接计划，意义重 大。 煤矿在进行煤炭开采时，都需要组织规划一年或几年时间的工作计划，也就是 多个采煤工作面的衔接计划，这就涉及到上面提到的三个衔接关系。许多煤矿目前 仍然采用手工编制采掘衔接计划的方式来解决这个问题。然而手工编制采掘衔接计 划有许多弊端，归纳起来可概括如下。 1 工作量太大，耗时太长。要编制一套计划，需要将所有相关数据进行比较， 然后按照一定的规则进行排列推理，最后确定方案，过程太过复杂，工作量非常大， 消耗时间太长，“一年计划，计划一年”就是真实写照。 2 方案比选困难。在编制计划的过程中，一步一步进行推理得出一套方案已十 分费时费力，要编制多个方案进行比较就更困难了。 3 发现错误，修改困难。在手工编制时，由于种种原因，难免会出现错误，一 旦出现错误，所有工作都要重新做，造成人力和财力的巨大损失和浪费。 4 手工编制难于实现滚动计划和体现各种计划间的内在联系。在编制采掘衔接 计划时，资料繁多，情况复杂，许多内容相互联系、相互制约，人的大脑不可能同 2 第一章绪论 时记忆大量的数据资料以及计划中各部分之间的关系，因此不可能在短期内实现优 化。 从上述问题中我们可以发现，计划编制过程中所遇到的许多问题通常都涉及大 量的经验知识和对不确定因素的分析处理。由于煤矿地质条件复杂，采矿过程通常 工艺复杂多变，现有的数学、力学方法去在解决采矿工程的问题中还不完善，可供 决策的依据不够充分。到目前为止，采矿规律的认识和生产问题的解决主要依靠于 经验和工程类比方法，缺乏科学的理论指导。对此计算机程序在解决上述问题时， 采用传统方法似乎很难胜任。针对这些问题的解决，往往需要用启发式方法 H e u r i s t i c M e t h o d 做出决策和判断，这就有赖于智能决策计算机软件的开发和研制。人工智能 技术的引入，为使用计算机程序来实现采矿工程中的定量问题的计算和定性问题的 经验分析提供了可能。本论文正是基于将采矿领域专家的知识融入到计划编制过程 中的目的，将人工智能的推理技术与模拟动态编制的方法相结合，形成采掘计划的 优化编制，使局部和整体的关系协调配合从而达到最优控制和最优管理的目标。 1 ．2 国内外研究概况 自上世纪6 0 年代初计算机及运筹学引人采矿工程后，前苏联和美国为代表的一 些国家就开始在矿山运用了各种定量的管理技术编制和评估矿山作业计划，平衡矿 山各种作业量，计算优化指标等。他们主要应用的具体问题有采煤方法中工艺和 参数选择采区巷道布置系统方案及参数优化；巷道断面优化和通风系统选择；井 巷施工工期的网络分析和计划管理；地面生产系统和布置的优化；矿井系统及参数 化等。之后又从两个方向进行矿山生产计划编制的研究工作～是采用优化方法确 定矿山生产计划；二是利用模拟方法确定矿山生产计划。后来，人们又在矿山生产 计划编制中引入人工智能技术，尝试综合运用人工智能、优化法和模拟法来有效的 解决矿山生产计划的优化编制问题．此时，人们一般采用传统的运筹学数学规划方法 如线性规划、非线性规划、混合整数规划、目标规划和动态规划等进行计划编制。 在这期间，南非的一些金矿运用线性规划和模拟技术制定了矿山长期规划和年度计 划，平衡各项工作；日本、加拿大等国将线性规划、目标规划等优化理论用于矿山 计划编制美国新墨西哥州矿产局及赞比亚的恩昌加铜矿公司曾运用动态规划编制 了矿山生产作业计划；俄罗斯的杰兹卡兹甘有色冶金研究院运用模拟技术编制了盘 区一房柱式采矿法矿山的生产计划。由于矿山系统的复杂性，采用纯粹的“专家系 统【3 ．6 j ”不易满足不同地质条件的矿井以及在开采过程中遇到的一些特殊的情况。因 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 此，需要以专家系统为基础，适当的给工作人员一些干预的机会，这样就能使得专 家系统的通用性增强。 8 0 年代后，国外开始应用专家系统 E S 技术与现有模型结合的方法，进行编 制矿山生产计划的尝试。N ．谢曼纳夫等人采用这种方法确定充填法矿山的开采顺序。 在2 3 R DA P C O M 会议上，B T O L W I N S ⅪD 等人撰文论述了一种动态规划模型与E S 结 合的方法，并采用这种方法确定露天矿的最终境界。该研究为采用动态规划模型编 制矿山生产计划提供了一种值得借鉴的方法。不过由于E S 技术的局限性和理论上的 不完善，使其实际应用受到限制，目前还没有实际应用效果好的例子。近年来，又 引入人工智能技术，试图综合应用人工智能、优化法和模拟法来有效地解决矿山生 产计划的优化编制问题。1 9 9 2 年芬兰技术开发中C , , T E K E S 就进行了智能矿山的研究 与开发工作，首次提出了智能矿山的概念。 目前国内对运用计算机编制采掘生产计划的研究归纳起来主要是两大类一是 运用优化理 主要是单目标线性规划理论，在露天矿有极少数运用了动态规划理论 对采掘生产计划予以优化，并借助于计算机实现优化计算；二是直接运用计算机模 拟人工编制的方法，或者逼近的方法进行计划的编制。用模糊数学的理论和E S 技术 进行采掘计划的优化和编制的研究也正在进行，并不断有论文出现，但离实用还有 一段距离【6 ．9 】，主要问题在于矿山地质条件复杂多变性和采前对其状态不能完全掌握 性 也就是地质情况的预先未知性 。使得难以建立通用的模型以满足不同情况的要 求。 1 9 8 3 年，长沙矿山研究院的胡清淮等人，运用线性规划理论为湖南郴州黄沙坪 铅锌矿生产计划建立了一个优化模型，其优化模型以尽可能使生产按最优采掘为目 标，以产量和利润率作为重要的约束条件，同时为了协调和优化整个生产系统，还 考虑了其他的约束条件，这些约束条件既表达了生产任务的需要，也反映了矿山在 满足各方面要求的条件下生产的实际可能性。 山东科技大学的蒋国安、王新华提出用时间序列技术构造时序预测模型，以便 实现对采掘关系的检验，并预测矿井生产。北京科技大学的李仲学等人在所研制的 煤炭企业生产计划管理决策支持系统中，先用模拟模型与E S 结合的方法确定回采接 替方案，再用交互式模型平滑结果。 原西安矿院应用计算机模拟和C A D 技术，将计划动态的显示。但由于该软件基 于D O S 平台，程序员和采掘计划编制者对计划的控制是基于一系列数据进行分析， 对编制人员的计算机水平要求较高，而且用户界面不直观，难以真实、友好地反映 4 第一章绪论 其动态变化状况。 湘潭矿院利用计算机模拟技术编制了矿井采掘接替模拟模型，模型编制思路是 通过考察手工编制采掘接替计划过程，按人工编制时所需考虑的全部约束条件和优 先顺序，提出模拟的基本原则，在此基础上编制模型和计算机程序。但基本原则的 提炼需要耗费巨大的工作量。 总之，国内对矿山“采掘计划的编制及优化’’的研究工作有一定进展，取得了 一些成果，但由于起步较晚，矿山管理水平低等原因，与国外先进水平相比还有一 定的差距，有待于进一步地研究和探索。随着人工智能技术的深入应用， “采掘衔 接计划编制”系统研究将会有很大突破。鉴于此，我们根据前人的研究成果，结合 现场的实际情况，对采掘衔接计划的编制及图形化进行深入的研究，使得基于人工 智能技术的采掘衔接计划交互式的计算机编制进行进一步的完善，尽早的应用于生 产实践。 1 ．3 课题研究的主要工作 本项目的研究受大学生创新创业基金资助 2 0 0 7 1 3 ，该项目将决策支持与专 家系统结合起来应用于矿山企业的采掘接替计划编制过程，对煤矿生产的开采顺序 进行优化。本系统运用V B 程序设计语言的计算功能完成智能推理，并通过调用 A u t o C A D 的绘图功能完成图形化，从而形成煤矿采掘衔接计划计算机自动编制系统。 论文着重介绍了煤矿采掘衔接计划编制系统的理论基础、逻辑原理、推理规则以及 在此基础上所形成软件系统的结构和功能。根据编程要求和实际需要，通过程序实 现以下功能。 1 基础数据的输入 通过建立基础数据输入菜单和窗体，实现对基础数据的输入和读取。其中包括 要编制衔接计划的煤矿所有的采掘工程的名称、编号、巷道岩层性质等工程基本数 据的输入，并且所有数据可以随时修改、添加、删除。 2 采掘工程衔接的智能推理 推理机构是采掘生产衔接计划自动编制软件的核心部分。它按照一定的推理策 略和搜索策略，提出决策方案。本课题主要采用网络图法结合时间事件步长法的推 理策略，通过建立工序与队组匹配模型和采掘工程衔接推理信息模型进行推理。在 整个结构中，先从基础数据出发，按照一定的技术规则进行计算机推理，模拟计划 的推进。 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 3 采掘衔接计划专家系统的生成 构造采煤工作面衔接计划和掘进工作面衔接计划，生成衔接工作面的相关专家 系统推理机制，设计其相应的知识规则和推理模式，形成一个基于模拟模型的混合 型采掘衔接计划专家系统。根据煤矿采掘的技术规则，产量要求和经济效益等知识 因素，提炼决策规则，为采煤队 掘进队 匹配衔接面，从而形成采煤 掘进 衔接方案。 4 图形化和动态效果显现 为了使采煤生产进度更加直观，我们通过输入采煤工作面生产数据，系统自动 计算形成的数据信息传达至U A u t o C A D 图形来显现采煤进度动态监控图，实现图形和 生产进度的一致。 5 推理结果的查询 推理进行完毕后，需要对具体的数据信j 息进行查看，所以查询的功能也相当重 要。本系统的查询功能可以在系统主窗体下的煤矿采掘生产状况查询窗体中选择要 查询的相关队组和工程的计划信息来实现。 6 信息的输出和打印 软件使用过程中所有的信息如基础数据、推理结果等等都需要有输出功能，让 使用者可以方便地实现数据打印，进行汇总、报表、管理和存档。所以最后一项必 须实现的功能是打印功能。打印功能通过菜单引出打印报表窗体的方式来完成。 1 ．4 本章小结 近年来，随着计算机技术、程序设计语言和图形处理等技术的不断发展，为煤 矿的进一步研究提供了更多的手段以及有力的技术支持。在矿业领域中，许多老问 题或者新问题，都可以用新的手段来加以研究和处理。在广泛查阅国内外资料、了 解矿业领域对计算机模拟技术的研究动态和发展趋势的基础上，针对目前采掘衔接 问题的研究情况，提出了用计算机模拟的方法帮助煤矿处理采掘衔接问题的方案。 本章介绍了当前国内外对于采掘衔接问题研究的动态，提出了用V B 程序语言和C A D 制图软件来编制一套采掘衔接生产计划管理系统的软件。该软件主要通过计算机模 拟的方法进行智能推理，来实现采掘生产衔接的优化和自动化。本文进行研究的理 论基础是采矿系统工程及运筹学的相关内容，推理时所用的方法在其他行业也有一 定的使用空间，前景非常好。 6 第二章系统软件的设计方法和基本思路 第二章系统软件的设计方法和基本思路 2 ．1 系统软件的开发方法 在采掘衔接计划管理系统的开发过程中，为了遵循了软件工程的开发原则，提 高应用软件的工作效率，便于维护，而且更能符合用户的意愿，首先学习和分析了 软件开发的方法和技术的发展过程和各种开发方法的优缺点。 随着计算机于1 9 5 4 年问世，软件技术也开始在应用中得到发展。1 9 世纪6 0 年代 中期以后，软件数量急剧膨胀，于是在计算机软件的开发和维护过程中遇到了一系 列严重的问题。随之产生了“软件危机”。为了解决“软件危机”，北大西洋公约 组织的计算机科学家于1 9 6 8 年在联邦德国召开了国际会议，并使用了“软件工程“ 这个专用名词。于是，软件工程这门新兴的工程科学诞生了。软件工程的定义它 是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科，采用工程的概念、原理和方法来开 发和维护软件，把经过时间考验并证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技 术方法结合起来。软件工程从管理和技术两个方面研究如更好地开发和维护计算机 软件。软件工程的提出，对解决“软件危机”起到了巨大的作用，大大提高了软件 开发的效率。软件工程解决了许多程序的“个体化软件作坊”特性。使软件系统开 发有了一定的标准化方法。 软件过程模型描述了从问题提出到软件演化直至废弃为止，跨越整个生存期的 系统开发、运作和维护所实施的全部过程、活动和任务的结构框架。由于软件的复 杂性和多样性，软件开发并没有一个理想的过程，不同的开发组织可以根据所开发 的软件项目选择一种合适的软件过程模型，并将软件工程过程所包含的各种过程、 活动和任务映射到该模型中。 目前，常见的软件过程模型包括瀑布模型、快速原型模型、增量模型、螺旋模 型、形式化方法模型、基于组件的开发模型等。 瀑布模型即生存周期模型，其核心思想是按工序将问题化简，将功能的实现与 设计分开，便于分工协作，即采用结构化的分析与设计方法将逻辑实现与物理实现 分开。瀑布模型将软件生命周期划分为软件计划、需求分析和定义、软件设计、软 件实现、软件测试、软件运行和维护这6 个阶段，规定了它们自上而下、相互衔接的 固定次序，如同瀑布流水逐级下落。采用瀑布模型的软件过程如图2 ．1 所示。 7 智能推理在煤矿采掘衔接生产中的应用研究 图2 ．1 瀑布模型 瀑布模型是最早出现的软件开发模型，在软件工程中占有重要的地位，它提供 了软件开发的基本框架。瀑布模型的本质是一次通过，即每个活动只执行一次，最 后得到软件产品，也称为“线性顺序模型”或者“传统生命周期”。其过程是从上一项活 动接收该项活动的工作对象作为输入，利用这一输入实施该项活动应完成的内容给 出该项活动的工作成果，并作为输出传给下一项活动。同时评审该项活动的实施， 若确认，则继续下一项活动；否则返回前面，甚至更前面的活动。 瀑布模型有利于大型软件开发过程中人员的组织及管理，有利于软件开发方法 和工具的研究与使用，从而提高了大型软件项目开发的质量和效率。然而软件开发 的实践表明，上述各项活动之间并非完全是自上而下且呈线性图式的，因此瀑布模 型存在严重的缺陷。 优点 严格规范软件开发过程，克服了非结构化的编码和修改过程的缺点； 强调文档的作用，要求每个阶段都要仔细验证。 缺点 各个阶段的划分完全固定，阶段之间产生大量的文档，极大地增加了工作量； 由于开发模型是线性的，用户只有等到整个过程的末期才能见到开发成果，中 间提出的变更要求很难响应 早期的错误可能要等到开发后期的测试阶段才能发现，进而带来严重的后果。 以生命周期方法学和结构化方法为主要特征的传统方法学是软件工程学科的技 术基础，它为克服软件危机，提高软件生产率和软件质量有着不可磨灭的功绩，但 第二章系统软件的设计方法和基本思路 是随着软件行业的发展传统方法学暴露出一些问题生产率提高的幅度远不能满足 需要，软件重用程度很低，软件仍然很难维护，软件往往不能真正满足用户需要。 这些问题已经使得他们不能满足系统开发的需要。 通过分析传统方法学出现上述问题的原因，可以归结为两个方面一方面是僵 化的瀑布模型。瀑布模型意味着生命周期各个阶段之间存在着严格的顺序性和依赖 性，特别对阶段之间的评审，在某种意义上把用户、经理、分析员、程序员隔离， 又由于强调需求分析结果的先行性和确定性，而“定死“ 软件需求，因而出现了不 能适应下列不断变化的用户需求的情况，①系统需求可能模糊，对于已有长期使用 类似软件经验的成熟的对象，瀑布模型中预定义全部系统需求的策略还可能适用， 但对于复杂的对象，如，管理信息系统 M I S 或生产数据管理系统 P D M 等复杂的数 据处理系统，许多用户对他们的需求最初只有模糊笼统的概念，这时若要求在系统 开发初期就准确全面地定义全部需求，则系统需求也只能是“模糊地”提出了。② 参与者之间的通信鸿沟，传统开发方法虽然强调各类文档和可理解性，但是各类文 档基本上是被动的、静止的通信工具，通过他们来深刻理解动态的系统是很困难的。 ③需求可能是过时的，传统开发方法学的瀑布模型预先定义需求往往可能过时，原 因是软件开发的周期跟不上用户需求的变化；另一方面是结构化技术的缺点， “功 能分解’’是结构化分析和结构化设计的本质，也是具体的技术路线，而这种思维方 法从根本上与人类认识世界的思路是不一致的。例如，用户需求的改变大部分是针 对功能方面的，因此面对愈来愈复杂多变的对象系统，结构化方法将会遭到灾难性 的问题，即采用结构化方法设计的系统是不稳定的。同样，由于预先定义了目标系 统的边界，并根据这种边界开发出了系统结构，一旦环境条件有变化，需要扩充系 统的话，那将是很困难的，即用结构化方法设计的系统可扩充性较差。再者，结构 化方法的功能分解有一定的随意性，加上软件采用的设计方法本质上具有冯诺依 曼计算机的结构特点，即数据与操作分离，因而使开发出的软件可重用性差。 而快速原型法和面向对象方法学克服了传统方法的弱点。快速原型法采用快速、 灵活、交互式的软件开发方法，摒弃常规的程序设计方法和僵化．的瀑布模型。是在 原型化开发方法的基础上发展起来的。原型化开发方法是目前用第四代计算机语言 编程的新型信息系统设计应用开发工具，已经实现了以程序为中心向以数据为中心 的转变。以数据集合的处理代替对单个记录或数据元素的处理，是用来快速开