采矿方法选择专家系统(1).pdf

丸 蜀 丸 ● 乙 匕 采 矿 方 法 选 择 专 家 系 统 西安冶垒建筑学院 云 庆夏 陈永锋 本文阐述的专家系统 是综台运用人工智能和模螺数学原理， 在总结现有采矿方法选择的知讽的基础 上， 建 立的一 个采矿 方 法选 择专 家系统， 它适 用 子冶金 等地 下开采矿 山 一 慨述 人工智能是 五十 年代兴起 的 一 门 新 兴 学 科 ，专家系统又是 人工智能 中最有成就的分支 之 一。 所谓专 家系统 ，实质 上是一个拥有大量 专 门印识与经验的 计算 机程序 ，它籍勋逻辑推 、仿照专家那 样去解决专 门的、 通常是 困难 的 闯题。一般地 ．专 家系统 由知识库 、综合数据 库 、 推理 机、 廨释部分 ， 知识获 取部分 和用户接 口等组成， 如 图 1所示。 圈 1 专家系统结构 国外从七十年代后期开始 研 究 矿 业 中 的 专 家系统。 1 9 7 9年美 国 斯 坦 福 大 学 研 制 的 P RO S P] O TOR系统， 能根据岩层赋存特征， 推 测 出矿床 的类型及规 模。 八十 年代初，美 国矿 局 又组 织国内的科研 力量，研 制矿 山安全环 保 、 地下矿生产指挥 、 液压设备故障诊断等专 家 系 统 。 地 下采矿方法选择，历来是矿 山设 和生 产 中的一个重要课题。 在采矿方 法选择过程中， 要依据专家经验和智慧，通过一系列的逻辑分 析， 从种类繁多 的采矿方法 中挑选 出最好方案。 金 属矿 山 5 1 明口 这一过程完全可以用专家系统来实现。 二 知识库 知识是专家系统工作的基础，知识库就是 领域知识的存贮器。 通常，知识 库中的知识 包 括事实、 启发性知识和元知识。 本系统采用谓词逻辑表示法表示事实，这 是 目前 表达知识最成功 的方法 之一。 这里，谓 词用来刻划十体 的性质 或个体 间的关 系．例如 有 如下命题 岩石是稳 固的 它可以用谓词公式表示成 S TABL E r 其中，S TAB L E ⋯是稳 固的 是谓诃，而 r o o k 岩石 是个体， 它可被置换成矿石、 上盘、 下盘 等。 进一步， 引入一 些逻辑 运算符 号， 可使 上述 谓词公式具有更复杂 的宙意。 如 一 8 T A B L E00 o k 表示岩石不稳固； S T A B L E e k A8 T A B L E 0 r o 表 示岩 石 和矿石 都是 稳固的； 3 r o c k S T A B L E 0 o k 表示存在稳 固 的 岩石 。 在采矿方法选择中， 矿床条件是一批事实． 可 以用谓 词公式 的台取式 表示如 下 s TAB LE h n g i n g - wa ] I A S T ABL E f o 0 ￡ 一 wa I 1 Z TA] ； E 0 T 0 ， 、 DI P o r e 一 ,b o d y A T HI C K r e - b o d y A GRADE o r e 国家 自然科 学基盘 8 8 0 1 4 6号赞助 -a 维普资讯 该 式描述 了上盘、 下盘 、 矿体 的稳 固性 以及矿体 倾 角、 厚度、 矿石 品位等。若 以合取符 号“ A” 为 界 将上述 矿床 条件 的谓 词公式表达式分解 ，便 得一系列原子 公式 S T AB LE h a n g i n g - wa l 1 ～ 8 TABL Ef f 0 o t wa l 1 S T AB L E o r e b o d y D I P o r e - b o d y T ⅡI O K o r e _ b 0 d y GRADE O r O 在这些原子公式的基础 上，就可以进 行推 理分析 了。 关于知识库的第二个问题，是如何综台组 织 和表示专家知识。本系统采用产生式规 则表 示推理知识 其一般形式如下 I F 触 发事 实 Fz 是 真， 触发事 实 F 是 真。 触发事实 F 是真 垒 面 洼 空婿法 阶段矿窝 法 进 路 洼 壁 式崩 蓓皓 THEN结论 O， 芦 式 中芦是结论 G成立的可靠 度，芦∈ 0 ， 1 ] 。 例如， 本系统有这样一惫规划 I F围岩稳 固 矿体稳 固 THEN采 用 空场 法 开采 ， 卢一0， 9 本文采用谓词逻辑和产生式规 则两 种表示 法 表示知识。整 个知识库 以采矿方法具体方案 为 目标， 以矿床赋存条件和开采技术要求为信 息源 ， 以采矿方法的基本类型为 中间运行节点。 知识库中不同层欢上的节点 结论 通过产生式 规 则 相 互联 系 。 三 推理 机 推理 机是专家系统 的核 心，用 以潞调 和控 制整 个系统。 1 ．推理 方式。 专家系统 中， 推理 方式有正 向、反 向和混台推理三种形式。 本文采用正 向 推理方式， 其基本 思想是 从 已知事 实出发， 应用 产生式规则 经过逐步推理褥 出结论。 这一推 崩落法 }量 兰 } 图 2 采矿方法初选专家系统推理厨络筒璺 下 舟 承 填 求砂充填 { l 腔缔充 法 金属矿山 1 9 9 维普资讯 理 方式用谓词逻辑解释如下 1 ] 芭知事实 直 和 2 有 规则 A 争B 得其等价式 一 V．B ； 3 根 据鲁 滨逊 消解 原理 ， 由事实 和规 则一 ．Bln ] ‘ 归结出结论 ．B ； 4 又有 规 则 B D 得 其 等 价 式 ～ V OVD； 6 根据鲁滨逊 消解原理， 由事实 D、 中间 结论 B和规 见 q ～BV～a、 ／ D 归结得 出 结 论 _D。 图 2表示本 系统 的推理 网络。在 推理 过程 中， 系统根据 已知 的事 实，扫描数据库， 找 出可 用规 则集 ，再从 中选出规则 ，让规 则 的条件与事实相匹配， 得出新的事实 结论 。 如 此不 断发展，直至得出最终结论。该 推理过程 如 图 3所示。 应 用一 齐 可用 擅 则 鼠 出规 则事实表 部牛 一 l 去 啪 图 3 正 向推理 逻辑 框固 2 ．推 理控 制。专家系统 中， 为 了控制推理 过程， 可 以采用宽 度优先 、 深 度优先 、 有界深度 优先 局部择优 、最好 院先等控制策略。本 系 统主要采用 了深度优先和最好优先两 种控 制策 略。 盎 属矿 山 5 1 9 8 9 深度优先控制是指推理过程尽量优先沿深 度方 向延伸， 使 推理 过程尽 早到达最终结论。 即 当推理过程到达某一层，若该层有若干个延伸 路径均可被考察时，则推理系统优先考察最早 被触发的路径， 并 随之 向深度方 向延 伸一层 。 只 有当推理到达最终结论或 向前推理失败 时，系 统才考察 回溯 如 图 4 。 由于本 系统推 理网络 具 有深度浅而宽度大 的特 点，故采用深度优先 控 制策 略。 图 4 深 度优 先控 制 摄好优先控制是指推理 过程 中尽 量沿可靠 度最大的路径 延伸 。即当推理 过程到达某一 中 间结 论， 而从该结 论向下个结论延伸又有很多 路径 时， 系统选可靠度最高的路径 向前延伸 如 图 5 。 由于本 系统推理 网络中 常常 出现几条 规则 同时支持 某一结论的情况，因此在局部范 围内采用 了最好优 先控 制策略。 圈 5最好 优先控 { } l 『 维普资讯 在本 系统 中，“ 深度优先控 制” 是 推理 过程 的 总体控 而“ 最好优先控 是推理过程 的 局部控制， 二者相 辅相 成． 缺一不 可。 3 ．不精确推理。根据推理的精确程度， 专 家系统中有精确推理和不精 确推理 之分。在采 矿 方法 选择 中，无论 是矿床赋存条件还是推理 规 则，往往是 一种模糊 的定性 描述。 因此，本 系统采用不精 确推理 对事 实和 结论赋予 一个 介 0和 1之 间的系数 来裘示它们的不 确定 性 ， 这个系数 称 作可靠 度。 具 如下 1 关于证据 的不 确定 。 当规 则具有一 叶 以 上的条件时 ．就需要根 据条件的可靠度求 条 件部分 的总可靠度。 本 系统中，规 则备条件 之 间是合取 AND 关系 依据模糊数学 方 法 ， 我们 取所有条 件中可靠 度的最小值 作 为条件部 分 的可靠度。例如 有 如下规则 I F璜板稳 固 矿体稳 固 矿体倾 角3 0 。 TⅡEN采用全 面法 或房 柱 法 开 采。 B≥0． 9 假设 已有 事实的可靠度如下顶板稳 固为 0 ． 9 | 矿 体稳 固为 0． 5 ，矿体倾 角 3 0 。为 1 ． 0 ，则应 用上述规则时， 条件部分的可嚣度取为 0 ． 5 o 2 关于规则的不确定性。规则的不确定 性， 是指 当规则 的条件部 分被 完全满 足时 得出 结 论的不确定性 ，甩一个系数 Z ZE o ． 1 ] 表 示 。 当规 则的可靠度是 ，规则条件部 分的可 靠 睦是 时． 则所 得结论 的可靠度 一 * 。例 如 ． 有规 贝 目 I F地表要求保护。 矿休埋藏较深 TⅡEN采用充填法开采， 0． 8 若各 条件 的可靠度分别是 1 ． 0和 0 ． 5 ，则 应 用 该规 则得结论 采用充填法开采的可靠度是 Mi n I ． 0 ． 0． 5 * O． 8 -0 5 * 0 ． 80． 4 3 多个规 则支持 同一结 论 时 的 不 确 定 性。 本系统中，当多个规则 同时支持同一结论 时． 规则问是析敢 O R 关系。 依据模糊数学原 理，取各规则得出结论的可靠度的最大值作为 该 结论的可靠度。例如， 有 下述两条规则 规则一I F地表要求保护， 矿体埋藏深度～般 THE N采用充填法开采 恿 一 1． o 规刚 二I F矿石价值高 THEN采用充填法开采 岛 一 o． 7 5 著在 数据 库中存在 如下当前事实 事实一地 表要 求保护， 啦 一0． 9 事实二矿体埋深一般， 一1 ． 0 事实三矿石价值 高 ％-1 ． 0 则 由事实一和二， 应用规则一， 得 采用 充填 法开 采 的可靠度 为 卢一 鳓％ * 一 0 ， 9 A1 ． o * 1 ． 0 0． 9 由事实三应 用规则二 得采用充填法开采的 可 靠度 |8 ”为 ” 一0 咕 * 日 一1． 0 - 0． 7 50． 7 5 此时， 我们取 和 中的最交值 Ma x ， r8 一0 ． 9 作为‘ 睬 甩充填法开采” 这一结论的可靠度。 四 综合数据库 专家系统 中的数据库，其含意不 同于传统 信息系统中的数据库 如 a B A S E 。这里， 数据 库用于存放 求解 问题 的初始 事实，推理 过程 中 得出的各种中间结果以及最终结论， 以便用户 了解系统的运行过程并保持对系统的控制与干 预。专家系统的数据库往往随着系统运行的结 束 而消失 ， 所 以叉称 作动态 数据库。 本文采用下 述形式组织动态数据库 1 规则描述r u l o R n o ，S y mb o l ． S y mb o l C o n d i t i o n s ， R e l i a ， F n o ， F d 其中 Rn D 一规则编号 S y 口 1 b 0 1 规则前提 S y mb o l 9 规 则 结 论 a o Ⅱ d i j o 删条件 集合 金属 矿 山 渤 1 9 s 9 维普资讯 王 1 i b 一规则可靠度 Fn o 最终结论标志 F d 结 论 编 号 2 条件描述O o n d i i o n a Ⅱ o ， S O n g 其 中G Ⅱ 0 条件编号 s t r 血g 条件 事实 说明 3 系统 当前状态记录 S u r e O n o 存在 的事实 Un s u r e C a o 不存在的事实 S u r o a Fd 已经过的节点 此外，在 计算 机外存中建立 了专门的数据 文 件， 以跟 踪系统 的推理 过程 o 五 解释部分 专 家系统 中的饵释部分， 负责对 推理给出 必 要的解释， 以便用户 了饵推理过程， 接受 所得 结论。 此外，饵 释部分 的存在 也有 助于 专家系 统 的维 护和更新。 本 系统鹅释部分具有下述 两个 功能 1 系统 运行中，回答用户 “ Wh y ”提问， 返 回推理 过程 已到位置 以及试 匿延 伸的去向； 2 系统 运行 结束 时，回答用户“ Ho w ” 提 问， 列举推理过程 中所有成 功的路径 ， 全面显示 所 得结论 的推 理过程。 六 知识获取接口部分 专家系统 中， 本部分的作用是删除、 修改和 添加 知识 ， 使 知识不断完善和更新。 本文 采矿方法选择专家 系统 将知识库 与推 理系统相 分离 ， 以便在推理 筹统相对稳定 的情 况下对知识库 进行维护和更 新。 七 结 论 采矿方 法选 择的好坏 ，直 接影响着矿 山生 产 的技术经济效果。 历来，选择采矿方法是一 项费 时、 费 力的 作。 本文指出的专家系统 ， 为采矿方法选择提 供 了一种新 的手段。该系统 综台运用人工智箭 和模糊数学原理，使逻辑推 理和科学 计算有机 地成为一体。 实践表 明，本文 提出的系统是 成功而有效 的， 它适用于冶金等地下开采矿 山。 参考文献 【 l 】 N油 J ． Ni l s s o n P r i mi o f Az i fi o J a l I e l l i g o n c ％ 1 98 2 [ 2 ]何垡灿． 人工智能导论． 航空专业教材编审蛆 1 9 8 3 [ 3 ] 贺件雄- 模糊数学厦其应用， 天津科拄出版社 1 9 8 5 [ 4 ] 云庆豆等，秉司 方法选择中的模糊决策，化工矿 山技 术， 5 1 9 8 6 上接第 3 4页 5 0 m， 倾角为 々 8 。 ， 粉矿储量 占 7 8 弗， 接触 带 处 岩石 松软， 这些都使巷遭掘 进及维护困难 。 为 使 生产 易于衔接 ，对适 于该 区采 矿方 法矿 山做 了长时间酝 酿，提 出过三个方案 。东北工学院 在 此基 础上提出两个 朴 充方 案 1 2线 至 l 6 _ 1 线 间， 走向长 2 5 0 r a ，厚大矿体 厚度大于 2 0 m 用 矿块崩落法 回采， 1 2 线 至 8 _ 1线走 向长 1 5 0 m 的厚度较小矿体 小于 2 0 m 用无底柱分段 崩落 挂 回采；矿块崩落 法采 用穿脉 出矿 道与装矿 岔 口出矿， 为保证产量衔接先 回采 1 2线 以西矿 体。 第 二个补充方案 是全都采用矿 块 崩 落 法 回采。 但 1 2线 以东用穿脉 出矿道和岔 口装矿， 以西用 平底结构 上、 下盘穿脉装 矿道 矿块崩落 法。 首先开果 3 1 5穿脉巷道 以东矿块做 为矿量 金 屠矿 山∽ l 。 8 g 衔接， 然后向东西后退回采。 在 这两个 补充方案中，东北工 学院认为矿 块参数较 原三个方案参数减小， 矿块长取 5 0 m， 这样作用于底柱上 的压力可较原参数条件 下底 柱压 力小，对提 高底柱 稳定性有 利。采用 以矿 块为单元 回采有利于采准工 作进 行，有利于推 行三强采矿， 使 一1 3 0 m 尽早投入生产 。 矿 山司副司长董稼 祥在 听取 汇 报后 指 出 金山店铁矿多年来的采矿技术攻关工 作是 富有 成效 的，各级领 导的重视 和攻 关单位 的相互协 作是 关键； 希望各攻关单位密切协 作， 加强计 划 安排 在 攻关进度上加快步伐， 争取早 日采矿 技 术 过关， 以缓勰武钢矿石不足的压力。 宋群 维普资讯