露天采矿优化决策的新途径.pdf

第卷 第 期 年月 中国矿业大学学报 露天采矿优化决策的新途径 ’ 张瑞新张幼蒂 采矿 系 摘要露 天 采矿研究的衬象是复杂的大系统 , 它具有多因素和非确定性的特点 , 传统的 定性分 析或定量 优化方 法具 有较大的局 限性 。 因此 , 把专家系统技术引 入 到寡天采矿领域 , 将专家知识与常规系统工 程理论相结合 , 实现定性 与定量优化 的有机统一 , 是进行 露 天 采矿 工艺优 化决策的新途径 。 本文分 析了 国内外 寡天采 矿专家系统的 发展 , 开发了一个优化决策我国露天煤矿开采工艺 的智能 系统 。 关键词露天采矿 , 优化决策 , 专家系统 , 系统工程 中图法分类号 概述 露天采矿近年来在理论研究和设计 、 生产管理诸方面有了可喜的进展 。 表现在较 多地 应用系统工程理论研究复杂的采矿问题 , 并编制了丰富的计算机应用软件在设计 中打破 传统束缚 , 大 胆使用新工艺 、 新设备 , 采 用动态综 合优化的方法完成境界确定 ,采 区划分, 开采程序研究 , 计划编制等在生产矿山 , 采用现代化的生产管理和技术手段 , 提高生产 效益 。 然而 , 露天采矿的对象是复杂的大系统问题 , 涉及面广 , 因素众 多 , 而且有许多随 机性 、 模糊性因素存在 , 致使常规的定量化方法难以实现采矿综合优化之 目的 。 在露天煤 田的开 发上 出现对一系列 重大问题诸如生产规模 、 生产工艺确定的决策上长期举棋不定 , 或 多次 反复 , 甚至决策失 误 , 而生产矿山问题重叠 , 达不到设计指标亦屡见不鲜 。 因此 , 急需一种更新 、 更有效的方法用于露天采矿设计的决策优化 , 这就是专家系统技术 。 它的 优点在于 专家 系统是指能够对领域内的复杂问题给出人类专家水平决策方案的智能计算机 软件系统 。 它强调采矿专家的经验 智慧 , 通过建立知识库 , 把不确定性的知识及成 熟的经 验给出恰 当的描述 , 通过推理机构实现决策 。 专家 系统技术 易于与其它优化模 型结合 , 使定性与定量优化有机地统一起来 , 解 决多因素 、 多目标的综合优化决策问题 。 专家系统技术模拟人 脑 的思维过程 , 把知识库与推理机构分隔开来 , 模型便于维 护 , 具有良好的用 户界 面和解释 功能 、 学习功能等 , 易于通用 , 便于操作 。 本课题为高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 。 本文于年月 日收到 。 第期露天采矿 一优化决 策的新途径 可见 , 将专家系统技术 引人露天采矿领域 , 使之与其它数值定量优化模型相结合 , 用 以解决复杂的露天采矿决策优化是一条较为可靠的途径 。 专家系统的设计方法 专家 系统的设计一般采用 下面儿种方法 传统程序设计方法 传统程 序 设计语 言 , 如 , ,, 等语言都可 用作专家系 统程序设计 , 但程序语言量大 , 难以将 知识库与推理机构分开 。 它按照设计者给定步骤一 步一步地执行 , 自身无推理功能 , 系统不易维护 , 仅用于开发简单 系统 。 人工智能语言 人 工 智能 语 言包括和 , 前者主 要优势在 于其表处理功能 , 此种结构 较便 于专家 系统知识库的建立 , 在美国颇为流行后者主要优势在于其逻辑推理功能 , 此 种能 力较便 于专家系统推理机的构造 , 在西欧 、 日本使用较 多 。 它们较传统程序建造专家 系统语言量 少 , 但对 于一个新手来说 , 建模需要的时间较长 。 专家系统工具 由于采用或语言设计专家系统 , 重复性工作 多 , 研制周期长 , 对设 计者素质要求 高 , 不 易普及 , 难以满足实际应用需要 。 因此 , 近年来 国内外研制出一批专 家系统工具 , 其 中有一定的推理机 、 问题解释 、 学习机 、 程序维护等部分 。 专家系统设计 者只要将知识输入到工具中即可构成一个专家系统 , 这样就可缩短研制周期 。 我国专家系 统开 发 中常 使用的几种 适用于微机的专家 系统工具 , 其特 点 、 实现 语言 、 开发者 等见附 表 。 专家系统工具一般是根据某一种推理方法而设计的 , 有一定的局限性 , 只能用于研制 性质比较接近的专家系统 。 附表可用于微机的专家系统开发工具 工工具 名名类型型特点点研制者者研制时间间 通 用型型基 干规则 , 正 、 反向推理可与与公司司 及接口 口口 通用型型基于规则 、 面向过程程 , 一 通用型型基干规则 , 正 、 反向推理 , 可可 ,竺 与与与与及其它软件接口 口口 通用型型基于规则 , 正 、 反 向推理理美国 宇航局局 ‘竺 不不不不精确推理理理 【』』 一 骨架型 、、 基于规贝 , 正 、 反向推理 , , 美国 ,誓 通通通用 型型不精确推理 , 具有多种接公 司司司 通用型型规则一框架 , 面向过程 , , 中国武汉大学计算机机 正正正正 、 反向推理机机科学系人工智能研究室室【 通用型型知识表示采用规则 、 框架架中国 武汉王业 大学学 体体体体系 、 山知 识库 、 数据库库 「程结构抗震研究所 所 及及及及 图形库 、 支撑软件构成成成成 ““天 马’, , 通用型 、、 规则 、 框架 、 过 程表示 , , 中科院数学所 、 浙江大学 、、 集集集成 式式多种形式推理机 、 菜单结构构武 汉大学 、 机电部巧所 中国矿业大学学报年 露天采矿领域专家系统的研究现状 在人 工 智能走向实用化的进 程中 , 专家系统的发展走在 最前列 。 年代以来 , 几个 实用的专家系 统已在医疗诊 断系统 , 地 质 勘探 、 化 学 分析 和计 算机 系统配 置等领域取得了引人 注 目的成果 。 这展示出 专家系统在国民经济和科学领域广泛应用的前景 。 近几年来 , 矿业领域也开始重视并研究 专家 系统技术的应用 , 并有不少研究成果问世 。 本文则仅限于露天采矿领域 , 对专家系统 的研究现状略作分析 。 英 国诺丁汉大学采矿系的 高级计算机软件小组研制 出用于露天矿设备选择 、 开采 方法确定 的专家系统 , , 。 它主要用于吊 斗铲倒堆工艺和液压铲开采工艺的设备及开采方法选择 。 这是一个层次式的智能系统 , 通 过中心智能 系统的控制把地质知识库 、 设备知识库 、 各种数据库及各种商品化的 软 件如地质模 型 、 设计模 型软件包以及技术有机地统一起来 , 完成露天开采工艺即 吊斗铲 、 液压铲 、 汽车等设备的优选和开采方法确定 。 该 系统数 据库是用记录的 , 包括物料数据库 、 卡车数据库 , 液压铲数据库 和吊斗铲数据库其知识库则由彼此独立的吊斗铲 、 液压铲开采工艺知识库组成 , 知识表 示形式为 产 生式规则系统 , 此系统选用专家系统工具 一 开发 , 在 一 微机 及其兼容机上建模 。 选择设备时 , 将优化目标分为四个子 目标 , 即切割阻力 、 承载能力 , 台阶几何参数和 产量四个 因素 , 依据这四个 子目标 , 通 过 知识库 、 数据库 、 各种模 型和用户的提 问等环 节 、 最 终 得 出最优的 设 备序列 , 以及 相应 的开采方法 , 完成优化选择露天开 采工艺的目 的 。 目前 , 该系统尚未用于实际矿 山的设备和开采方法的选择 。 露天矿开拓运输决策的模糊专家系统简称系 统 , 。 该 系统 由中国西 安治金 建筑 学院云庆 夏教授及其课题组研制 。 该 系统综 合 运用专 家系统原理 、 模糊 数学和技术 , 完成露天采矿开拓方案的初选 , 开拓沟道定位 , 最 佳开 拓方案的确定以及工程 图纸的绘制 。 系统的主要组成部分是调 度子系统 、 方案初选子系统 、 参数确定与支持计算子系 统 、 多 目标决策子系统 、 模糊 知识库 。 系统采用 一 实现并与及程序交互 , 汉字 一 支 持 , 在及其兼容机上运行 。 系统共有条规则 , 隶属函数 模型个 , 采用模糊逻辑的分层推理技术 , 实现系统功能 。 美 国加 州 大学分 校的中国 留学生吴裕祥在年底完成 的有关 吊斗铲 开采模拟的博 士 论文中 , 综 合地运用了专家系统技术和三维模拟方法 。 专家系统由地质 数据库 、 设备库 、 开采规程库 、 开 采 方 法库组成 , 使用产生式规则 的知识表示形式 , 用 。一 和盯 一 语 言编 程 , 在微型机上运行 。 在此 , 专家系统用于 吊斗铲 选型 , 以及开采方式的选择 , 从而产生控制三维模拟的有关参数 。 将吊斗铲工艺的专家经 验与电算模拟有机地统一起来 , 实现优化开采工艺之目的 。 该系统用于新墨西哥州的 第期露天采矿优化决策的新途径 和煤矿 , 实践证 明 , 具有良好的效果 。 法 国巴黎 高等矿院研制的用于露天矿爆破设计的专家系统 。 该系统主要依据露 天矿爆破设计的经验数据 、 曲线等设计知识库 , 制订 炮眼布置 图 , 确定装药量和 引爆方 式 , 由爆破范 围模 型 、 钻孔装药模 型 、 引爆方式模型 , 安全性模型及爆破质量模 型组成 。 这个专家系统容量丰富 , 可 以演变 , 从而 与各种已有 的数学模型统一起来 , 完成爆破设 计 。 该模 型尚处 于研究阶段 , 未用于实践 。 此 外 , 尚有 一 些用于露天矿边坡稳定性研究的专家系统 , 和一些 吊斗铲倒堆工 艺模 型 , 在此不赘述 。 综上所述 , 露天采矿专家系统的研究尚属刚刚起步 , 其研究成果仍远离 实用阶段 。 但 其共 同特点就是把专家系统技术与各种数学模型相结合 , 实现专家经验与优化技术的有机 统一 , 进行露 天采矿 问题的优化决策 , 这是一个发展方向 。 相信 , 经过广大工程技术人员 的不懈努 力 , 会使专家 系统的研究更加深 入 , 并投入实际使用 , 发挥其效益 。 我国露天开采工艺系统优化决策专家系统的研究 意义 我 国适 合大规模露 天 开采 的煤田 , 地质条件比较复杂 , 复盖层较厚 , 为 多煤层赋存 , 厚度比较薄 , 剥采比大 , 物料硬度相差较大 , 且 多位于较寒冷区 。 实践证 明 , 单一工艺如 铁道或汽车工艺往往难以适应具体矿区全部物料的开采条件 。 针对矿床的具体特点选择综 合式的开采工艺是我 国发展露天采矿的重要出路 。 然而 , 生产工艺系统的选择历来都是露 天开发决策的中心环节和难题之一 。 为此 , 运用专家系统技术和其它常规优化方法 , 把人 类专家经验知识 与定量优化模型有机地统一起来 , 开发适合干我国露天采矿特点的工艺优 化决策 智能 系统就显得至关重要了 。 露天开采工艺优化决策智能系统的开发应分阶段进行 , 首先选择将大规模开发的中国 西部黄土 高原下近水 平煤田进行研究 , 以建立露天开采工艺 系统优化决策模型的主体结构 , 进而在系统完善的基础上推广到其它矿床 条件下的开采工艺决策 。 露天开采工艺系统优化决策专家系统 我们在总结国内外矿 业专家系统研究成 果的基础上 , 提 出该系统的组成如 图所示 。 在此把一般的数学模 型如 地质模 型 、 采矿模型 、 综合评价模型与专家系统的数据库 、 知识 库和智能推理机构结合起来 , 通 过灵活的人机界面 、 模型接口 , 实现定性 、 定量优化决策 露天开采工艺系统之目的 , 系统实现过程如图所示 。 数据库 选择工艺系统将涉及到大量 的 信息数据 , 为此采用数据库管理系统建立的 数据库包括物料数据库 、 设备数据库 、 技术经济指标数据库及开采规程数据库等 。 知识库 知识库是智能系统的重要部分 , 分为 地质知识库包括 与地质 信息 有关的规则 , 对地质模型调用或被采矿设备知识库 调用 。 中国矿业 大学学报年 采矿 知 识库包 括人类 专家 知识和各 种 实践 经 验形成 的 规 则 , 用 以确定 表上 、 煤 、 岩开采的 「艺形式及完 成穿爆 、 采装 、 运输 、 排上主要环 节的设备选择和确定 三要的 作业参数 。 知识的表示采用产生式规 则形式 , 等形式 获得 。 地质模刑采矿模吧 知 识的获取通过丧阅文献禾与专家交谈 , 发杏表 数数据库库库综合俐介模型型 专家系统工典 设备选型知识库库 用用 户户户户户户户户户户户户 开开开开开开开开开开开开开开采方法选择择 数数数数据库库库知识库库 咚露天采矿「艺优化决策系统组成图图系统流程图 推理机构 推理机构将控 制数据库 、 知识库 、 用户以及其它数学模型的接口 , 在此选用功能齐全 的开发 工具卜编程实现 。 露天开采工艺系统优化选择的推理网络见图 。 露露天开采工艺系统决策知 识库库 表表土土土剥岩岩 工工 艺艺艺 二二艺 艺 地地 形形形生产规州 州州 矿岩性质质质斌存状态态态 阮场尺州 州州 气候候 地地地地坡坡坡平平 形形形形度度度均均 起起起起起起深深 伏伏伏伏伏伏度度 咚露天开采仁艺系统优化选择推理网络图 露天开 采工艺 系统的选择 分为表上开采二艺 、 岩石开采工艺和采煤卫艺三部分 , 侮一 部分的选择都将依据 地形 、 生产规模 、 矿岩性质 、 赋存条件 、 矿 一 场尺寸和气候等六个子目 标进行决策 。 开采工艺 系统 确定后将进一步通过采剥设备选型知识库和运输设备选择知识 库 , 选择 合适的 工艺设备通过 采 矿知 识库 确定 其最佳 的工作参数如 台阶 高度 、 采宽 等 见图 。 第期露天采矿优化决策的新途径 地质模型 通 过矿山勘探资料建立 矿床地质模型 , 直接采用现有的高级语言软件 建模 , 形成适宜的二维地质网络模型 , 供 地质知识库调用 , 提供必要的煤层厚度 、 岩性 、 剥采比 、 煤质和储量等数据 , 片用空间应缩小 , 精度达到工艺选择要求即可 。 采矿模型 包括工艺选择 中必要的模拟开采部分 , 完成上要技术结果的运算 , 在采矿 一 知识库 、 专 家系统提供的参数下进行模拟开采 。 综合评价模型 通过智能系统 、 知识库决策 , 得出的上 要工艺系统形式和设备序列是主要依据技术参 数进行的 , 其经济效益究竟如何 , 将通过综合 评价数学模型实现 , 即通过综合经济 、 技术 指标的评价进行 。 综上所述 , 露天采矿工艺优化决策智能 系统将综合运用知识库 、 数据库 、 模糊评判等 常规优化方法来实现优化决策开采工艺之 目的 。 简要结论 把专家系统与常规优化数学模 型相结合研究复杂的露天采矿优化决策问题是一个发展 方向 。 本文介绍了国内外露天采矿 一 专家系统的研究现状 , 提出了一个优化决策我国露天采 矿工艺的智能系统 。 随着研究工作的深入 , 该系统将会得到不断的充实和完善 。 矿业专家系统研究尚属于探索阶段 , 如何在目前的研究基础上 , 发展适合于矿业专家 系统开发的知识表示 、 推理控制方法 , 最后开发出具有实用价值的专家系统 , 应是矿业专 家系统研究的主要课题 。 参考文献 林尧瑞 , 张钱 , 石纯一编著专家系统原理 与实践青华大学 出版社 , ,,, , , 一一 , 一 云庆夏 , 王大鑫确定露天矿开拓运输方案的专家系统 , 第三届全 国采矿学术会议论文集 一 , 一 , , , , , , 什依曼诺夫 , 阿达 , 杜舍内 一项用于露夭矿爆破设计的软 件技术 第届世界采矿大会论 文集中文版 , 北京 一 夏国平编著专家系统开发工具与 一 清华大学 出版社 , 北京 中国矿业大学学报 年 吴鹤龄编译专家系统工具及其应用北京理 工大学出版社 , 李桂青 , 罗持久著工程设计专家系统的原理与程序设计方法气象出版社 , 中国科学院数学研究所 , 浙江大学 , 武汉大学 , 机电部第十五研究所天马专家系统开发环境使用说 明科研报告 刘承柞 , 陈亚光地质专家系统海洋出版社 , 张瑞新 , 张幼蒂矿业专家系统研究进展化工矿山技术咒 张瑞新 , 张幼蒂 , 张达贤应用专家系统技术优化决策露天采矿工艺系统系统工程 , 增刊 二 一 一 一 一 , , 一 ,,