基于知识的采矿方法选择系统.pdf

、 孕 ／ 届 ‘7 基 于 知 识 的 采 矿 方 e 法 选 择 系 统 英国矿业环境和计算机辅助设计研究集团研究员w． K 穆塔盖巴 英国罗亚尔矿业大学矿物 资源 工程 系高级讲 师N． G． 特伦佐保罗 斯 摘要 开采地下矿体需要最适台于矿体赋存条件的采矿方法 详细的评价特定采矿 方 法 ，常常 需要 复杂 的大量 的数 据 人们 选择 确定 最台 适 的采矿方 法 ， 必 须具 有 相 当广 泛 的专业 知识 。 本 文描 述 了1 一 个 范侧式 基于 知识 的系 统 矿 山专 家 Mi n e x p e r t 的构 造 过程 ， 该系 统能 模仿在 采矿 方法 选择 中可能 由专 业人 员所 进行 的判 断 。 本 文讨 论 了该 系统 当前 版本 中影 响采矿 方法 分类 和选择 的 因索 。 关建 词 采矿 方法Mi n e x p e r t 知 识 系统 本 文介 绍 了一个 已开发 的称 为 M[ n e x p e r t 的结构 ， 它是一个基于知识 的系统 ， 用以 辅 助选择采 矿 方法 。 基于知识 的 系统设 计有 许多 方法， 这里采用 的是基于规则 的方法 。 选 择这 种技 术有 它的优点 ，它包括方便 地将知 识 表达成规则 、可调节性 、不确定性 的处理 和 知识结 构的 一致性。 图形用 户界 面允 许用 户通过 图标操作该 系统 ，也 允许 与基于知识 的 系统分享数据 的外部程 序加入 该系统 。 1 采矿方法 的分类 Mi n e x p e r t系统 中将地下 开采 方法分成 两大类 支 护法和非支护 法。 顾名思义 ， 它是 根据岩层支护情况来分类的。 在利用淘汰法 选择采矿方 法的基 于知识 的系统设计 中，这 种分类方法有它的优势。 对采矿方法最初分 级是允许围岩和岩体位移的方法和试图控制 这 种位 移的方法 ，若根据支护矿块 的不同手 段的适用条件，第二类方法将进一步被淘汰 法分为自然支护法和人工支护法。 图1 例举说 明了支 护法 和非支护 法的分类 原则。 正如 布雷迪 B r a d y 和 布朗 B r o wn 所 描述“ 、 所设 计的采矿方法的不同 ， 在靠近或 62 蟹 。 伺乐 远 离矿 田的范围 内产生的位移量和位移形式 是不 同的。 在 自然支护采矿 法中， 矿柱用来抵 抗 由采矿作业所造成的顶板围岩的大位移 ， 这类采矿方法包括空场采 矿法 分 段和深孔 空场崩落采 矿法 和房柱法 。 概 括地 说 ， 这类 方 法适合于 开采 稳固或 中等稳 固的矿 体。 在 自然支护法 中 ，矿房 的稳定 性取决于岩体 的 性能 。 与 自然支护不同 t 在 人工支护采矿法中 额外 的 支 撑是 为 了保 证采 掘工 作 面 的稳 定 性 ，人工支护用来局部地控 制开挖空 间的顶 底板 特性和 位移 。 这一 类采矿 方法 包括方 框 支架采矿法 用坑木支 护 、留矿法 用采下 矿 石支 护矿房 、分层 充填 法 用 充填料 支 护 、垂直爆 破漏斗后退 式采矿法 即 VC R 法 ，这是 留矿法 的变种 。 不支护或崩落采矿法 的原理是允许近距 离 围岩经受大的位 移 ，这 种位移经矿体曼延 到远距离 围岩 ， 最后充填采空 区。 这种方法的 使 用成功 在于 围岩 的稳固性 t稳 固性决定于 地质结构属性、岩体的完整性和周围应力情 况。 在使用的崩落采矿法中， 从凿岩爆破用于 破 碎矿 石 的方 法 倒 如 分 层 崩 落 法 到 自然崩落矿石 的方法 倒如 矿块崩 落法 ， 这 1 9 9 6年 第 1 2期 维普资讯 图1 地 下 采矿方 法 的分类 些参数 都有 不同的 变化 。 在这 组 中另一 种方 法是下 向水平分层崩落法 ，虽然这种方法是 以上述两种方法为基础 发展起来 的，但随着 先 进技 术的应用 ， 致使该法 已几乎被淘汰 ， 木 材消耗量大和尾部通风困难是其不利因素。 以上 分类 的两大类方法分别应 用于地 质 力学和 开采需 求条 件显 然不 同的矿 山。 地 质 力学的变化归结为矿体有关 的地质与几何有 关特性 的变 化 ，而开采的变化是所 采用的采 矿方法本身的特性。 后者包括生产需求、 采矿 规模、开采的选择性、 相互影响、 辅助作业、 安全 条件 。 为 了选择最合适 的采矿方法 ， 必须 弄清楚相关 的所有因素及各 因素间的相 互关 系 。 2 基于知识 系统的开发 对于采矿工程师来说，选择最台适的采 矿方法是～项艰巨的任 务。 通常首先用淘汰 法找出不适于条件的采 矿方法 ，它常 常是 以 各种采矿方法所运用的条件为依据 。 例如 ， 崩 落法在非常坚硬、 完整性好 的岩石 中不适用。 大多数情况下 ，运用淘 汰法还 很难 得到最合 适 的采矿 方法 ，还必须进一步考 虑现 有条件 下的确 定 的和不确 定 的各 种 因素。 矿山问 的 影响因素不同使得原来在别的矿山应用成功 国外 金属 矿 山 的采矿方法用到新的矿山变得不可 行 。 而 且这些 不 确定因 素的 出现使 得 在寻 求解 答时必须应 用判 断而不 是用逻辑 Mi n e x p e r t是被称 为采 矿决 策 支持系统 MD S S 这 一完整 系统 的 一 部分 ，MD S S将 数学方 法与计算 模拟融 人优化模块 和优选矿山设 备 中。 为其 它模块 提供 或 引用数 据 的 外部程序通过 系统的界面可 以加入 进来 ， 这 一点是至关重要的 。 因为采 矿方法被选择后 ，用于其它论题 的 一 系列有价值 的资料数据是由矿山 设 计计 划人员 输入 的。 这 项功能 已用程 序进 行 了验证 ，该程序能够优 化特 定采 矿方法的 矿 柱和矿房 尺寸 。 然而 本文 的讨 论将 限 定在 M i n e x p e r t中 。 Mi n e x p e r t是 用 高 级 程 序 语 言 C开 发 的 ，它能够对所有组 件作 特定开发 和修订以 形成新 的版本 。 在处 理所 考 虑的知识 和 因素 的范围时 ，系统将不 同的有代 表性的和成熟 的技术相结合。 特殊的功能由向工作 内存提 供输入 的独立 程序 实现 。 这种 特定 的功能包 括计算岩石品位标称值 R Q D 、 估计原岩应 力值 如果 用户不知道这些值 的话 。 特殊 的 程序包 括运用岩块等级 MR MR 或霍 克 布 朗 Ho e k B r o wn 岩 块特性傲 为判据 ，评价 岩块质量 。 值得一提 的是 ， 以霍克一 布 朗岩 块 特性作为判据已被 用来作岩 块强度均质性分 析。 当岩块投有任何不连续地质现象贯穿或 不连续现象是如此之大 以至于岩体特性像一 个 连续 体， 即可假定岩块是均质 体。 尽管这个 判据被用来分析岩 块的少数不连续现象 ，但 用霍 克一 布 朗特性来作 岩石的分类 ， 这种用法 看来是不 合适 的 。 3 系统的实施 3 ． 1 淘汰逻辑 6 3 维普资讯 在 Mi n e x p e r t的实施过程 中，将 不同的 具有代表性 的和成 熟的方法结合 在一起 的 目 的， 是为了避免一些个别技术的不足之处。 事 实上 ，将众多采矿方法减少到很少 的更适合 的采矿方法的淘汰过程依靠一套产 出式规则 来实现。 规则 被表示成一个 “ I F条件 THE N 动作”对 ，条件部分所包含的先决条件必须 在包含于动作部分的结论、方法获得 以前被 满 足 。 从 众多 的方法 中选 出数量少 的几 个 方 法后，系统就会向用户询问专家判断知识所 需 因素的答案。 对这些因素用 “ 规则值”技 术进行分析 。 在规则值 方 法 中，系统 会有 选 择地询 问一些它认 为重要 的、用户应作基本 回答的 问题 。 这种 直接 的推理 策 略有 这样 的 优 点 不 很重要 的假设 所涉及 的问题是 不问 的 。 在 Mi n e x p e r t 知识库 中包 含了所有 的2 2 种采矿方法的资料数据，其中一些方法，尽 管在发达国家已过时，但在发展中国家仍在 广泛 地应 用。 这些方 法包 括下向水平 分层崩 落法 、缓倾斜矿层空 场法 、横撑支柱采矿法 和上 向、下 向采矿法 ，这些方 法均是劳动强 度大、木材 昂贵且 常常当地 不能获得 需 求量 大 。 一个 采 矿方法 清单和 它们 的约束条 件可依靠点取程序 的主界 面中子菜单 的方法 加 以输入 。 一 般来说，规则通过 C语言数据结构的 方法来表达 ，见下面 的举例 t y p e d e f s t r u c t t h e r u l e s ． { c h a r r u l e n a me ／ Th e n a me o f t h e r u l e ／ p r e d p r e m i s e；／ Th e r u l e c o n d i t i o n s ／ p r e d c o n c l u s i o n；／ Th e r u l e c o n c l u s i o n ／ d o u b l e c e r t a i n t y； ／ Th e c e r t a i n t y o f t h i s r u l e ／ s t r u c t t h e r u l e s n e x t ；／ Th e n e x t 64 r u l e i n d a t a b a s e‘ ／} r u l e； 规 则 的前 提 和 结 构也 是 通 过 一 个结 构 “p r e d” 表 达 的 ， 在 上 述 结 构 中 指 针 “ p r e mi s e ”和 “ c o n c l u s i o n 就用 “ p r e d ”定 义的 ，“ p r e d ”存贮 了一个 目标 名称 或条 件或 结 论变 量 。 规 则4 1 的 目标 名 下 面给 出有 “ t y p e o r e ” 矿石类 型 、“ r o c k s t r e n g t h ” 岩 石 强度 、“ o r e s t r e n g t h 矿石强度 、“ d i p a n g l e ” 倾角 、 “ p r o d u c t i o n ” 产量 和 “ r o c k c a v e ” 岩石可崩落性 。 确信度被包括在规则中作为取得某种结 论可确信程度 的度量 ，如果 没有说明确信度 值 ， 则假 定是 完全确 定的作为缺省 因子1 ． 0 被 赋于该规则 。 规则 库 中共有6 7 条规则 ， 下面是 典 型 一 例 。 规则 4 1 若矿石类型 一宽矿 脉 ，且倾角 一 急倾 角 ，且岩石强度 一坚硬 ，且矿石强度 一 差 ，且 产量一高 ，且岩石可崩性 可崩 。 则 采矿方法 一矿块崩落法 ，采矿方法 一 分层崩落法，采矿方法一联合崩落法。 在推理 机搜 索规则的过程 中，用来与规 则 的条件相 匹配 的 信息包括直接 由用户提供 的信息 如矿体类 型和倾 角及 由专 门的程 序提供的信 息。 对围岩和矿石强度 、 产量和岩 石可 崩性 的评 价就 是这 种信 息的例 子。 可用 对话的形式通过 系统 的界面对 规则增加、编 辑和删除 。 系统与用户进行 下面的对 话 请 注意该系统支 持的矿 体包括 1 很 窄 的矿 脉； 2 窄 的矿 脉 } 3 宽矿 脉； 4 块状 矿体 ； 5 薄矿床 ； 6 厚矿床 ； 7 很厚的矿床 。 请输人你所选择的代码 贮藏矿量多 少 k t 日生产 目标 t ／ d ⋯⋯注 意到围岩有裂隙 吗 有／ 无 如果最后一个 问题 回答 “ 有” ，系统采 用 岩 块的分类系统 利用岩块 的类 别评估 围岩 的 特性 。 前提 如果是 “ 若岩石强度 一坚硬 ”和 1 9 9 6年第 1 2期 维普资讯 “ 若 矿石强度 一差” 见 上述规则4 1 将 引发 MRMR 程序 程序询 问用户参数以建立岩石 等级，这些参数包括岩石质量标称值、完整 岩石 的强度 I R S 、节理 面的间距和节理情 况、地下水情况 然后 ，根据 节理岩石从很差 到很好 的分级变 化 ，将参 数分级 的总和 的范 围取 值在O ～ 1 0 0 之 间。 这 一过程 中的对话见 下 列 。 请 输 入 完 整 周 岩 的 单 轴 向 抗 压 强 度 MP a 请输入 已发 现的非连续性结构组 的数量 2 1 组 距 2 组 间距 如果非连续性组 的数量超过三个 ，小窗 口出现一个信号，建议用户输入关于三组节 理面 间距 的资料 该 分类 方法假 定三组非 连 续面 中最 小 的一组 用来定义一个 自由的岩 体 块 需 问询时．用户能够获得帮助或通过屏 幕移动光标到 “ h e l p ” 帮助或 “ w h y ” 为 什么键 上 ．并压 鼠标左键 或在提问时直 接 输 入 “ h e l p ”或 “ wh y ” 在对话持 续的过程 中，系统试图获得更多的信息 请 输入岩 石 质 量标称 值 显 示 C ／ C计 算 如果 输入 “ c”或 ⋯ C O P e n 果用户希望 系统计算 R QD值 ． 需要输入断裂频率或每 米的 断裂 数 目且依此 计算 RQD值 ．公式如 下 RQD一 1 0 0 e “ O ． 1 1 1 式中 断裂频率 。 对话持续并且系统询 问有关节理情况和 地下水状态的更多资料 。 对于充填节理， 系统 询问更多 的关于充填体的厚度、类型、断裂 面粗糙度方面的信息 填料厚度很重要， 当填 料厚度大 于断裂面粗糙 的程度时 ．断裂的抗 剪强度 将取 决于填料 的特性 从另 一方面 说， 如果填料厚度小于断裂面粗糙的幅度时，则 节理 的抗剪强度比充填料的要高些 在这种情况下．系统有 够资料对原岩 分级 ． 并计算岩体强度， 将各个原岩等级 国外 金属 矿 山 RQD、 I RS 、 节理 间距和节理条件 集中到一起 就可计算出整个原岩块的等级。 在实际的原岩等级被确认以前，必须对 影响岩块完整性 的其它因素加以考虑并对等 级加 以调整 ， 同样必须调整岩体 的标称强度 。 这种 调整 以原岩分级 数 的百 分数加 以应用 ． 它涉及气候 、场 应力 和局部应力 、因采矿造 成的应力 变化及 断层 、 倾角 走向等的作用。 在 矿 山中，这种调整常常 由具有相 当造诣 的人 在充分的相 关数 据的基本 上作 出。 Mi n e x p e r t 也允许不作这种调 整 ，只要 输入一些无意义 的 数就 可 以 了。 Mi n e x p e r t可 以给 不熟 练 操 作 的用户一个提 示 ， 帮助用 户能够熟 练地、 迅 速地选择调整值。 下面 的询问开始后 的帮助 屏幕如 图2 。 判断应力 的变化是否 因开采而影响 是 ／ 不是 然后 ，程序要求 用户选 择其作用必须加 以考 虑 的参 数值 。 每一参 数 的可能 调整值 以 百分数表示 。 这 种过 程对 矿岩 同样适用 。 调整 的岩体分级决定之后 ， 分级便提供 了可崩性 、 可碎性和二爆的资jIs } L 最适用 的规则被执行后 ， 由此完成 选 择的淘汰阶段．输入完数据，最为合适的方 法将 打 印出。 这 一阶段所 获得 的推荐 的采矿 方法一例显示于 图3 用户 可将 光标 移到 弹 出窗 口的 “ s h o w h o w”选择项上击 鼠标左键以询问系统是怎 样得到上述结论的。 这种询问所得的信息一 例见 图4 。 用户 在读 完懈 释说 明 后，用 鼠标 选 “ OK” 或如果在前面 的窗 口 图3 中已经 选择 “ c o n t i n u e ” ， 系统将进入 采矿方法选择 的第 二 阶段 即最 后阶段 。 这 一阶段将 在 下一 节 中讨论 。 3 ． 2 采矿方法的精选 在将许多采矿方法减少到几个更合适的 方法后，有必要考虑每一种方法对现有条件 ． 65 维普资讯 随着矿体的连续性开采、应力壮态也不 断变 化。 这种变化可能由不同工艺过程引起． 例如t 在崩 落 区域酣近的掘进，分段崩落法工作面形状不佳、 随着开 采的进 行竖 向压力 向顶拄 的移动等 等 ， 可 调 整 舶总量 为6 o ～1 2 O 。 图2 用 户选 择调整 值时 可获 得的 帮助 根据 这些 数据 ，最有希 望的采矿 方法是 留 矿 采矿法 CF5 2 I联合 采矿法 C F一5 2 I VCR法 C F 图3 系统 推荐 的采 矿方 法 使用规则4 0 如果矿石类型 宽矿眯{ 倾角 急倾角 岩石强度强； 矿石强度强。 剜采矿方法 墨 分层空场采矿法 C F一8 0 ；采矿方法一深孔空蟠 采 矿法 cF 8 0 I采矿方 法一分层 充 填采 矿 法 C F一 8 0 ；采矿方法 VC R法 c F 一8 0 ；采矿方法联合 采矿 法 C F一6 5 {采矿方 法一 留矿 采矿法 CF6 5 。 图4图3 中选择“ s h o w h o w” 的显示 结果 的适 用度。 即使 在第 一阶段 仅剩一 种采矿方 法 ，一些 细微 的考虑也可能 将其推 翻。 Mi n e x p e r t 采用规则值方法“ 在推断过程中给每 一 个证据赋于一个值并问～个该值最高的问 题。 证据在这里影响采矿方法选择的数值因 素， 但它与一个很高的不确定性度有关 这些 因素包括装备水平、品位分布均匀性、矿体 的规则性、矿柱的数量及可靠性、矿石对氧 化作 用和 胶结 作用的敏 感性及需要经验判断 的其它 因素 每一个采矿方法都被设定 一个概率值 该方法的先验概率，它表明了在没有其 它信息的情况下选择该方法的可能性。 确定 6 6 这个概率值是该系统所采用的这种方法中困 难而又重要 的方 面 。 这种特殊 方法 已被 用来 发展专家系统 系统所采用的值是通过咨询 采 矿工 程师和作 者 自己 的采 矿经验 获得 的 。 对每个因素用于特定的采矿方法定义了两个 概 率值 P 和 P ，P 是对 与所赞成 的采 矿方 法作 肯定回答 的概率 ，P 是对所赞成 的采矿 方 法作 否定回答 的概率 。 这样 ， 知识 库的格式 为 me t h o d，P ， n u m ，P ，P 2 式 中 P 一先验概率 ； n u m 该 因素 用于 该采矿方法的索引号 。 这 种方法的一个重要特性是该 系统辨别 最相关 问题 的能力。 对每个 用于 所考虑 的采 矿方法的因素计算一个规则值，并提一个规 则值最高的问题。 因此系统是根据这些 因素 的重要性提出问题的 ，而这种重要的程度又 取决于 用户对 系统 的响应 。 对 知识 库 中的每 个采矿 方法 对第 一 阶段 推荐 的采矿法 、 规则值 RV计 算如下 ； ～ l l[ PPy 3 运用该式 ，所考虑 的每一 个因素的规则 值为该因素用于所有方法时的规则值之 总 和 随着概率值的更新，即式 3 中的P 值 发生 了变化 ， 规则值 将相 应发生变化 。 如果 在 提 问当中，一种方法被淘汰 ，所有用于它的 因素 的重要性随之下降 ，减少 了不切 题提问 的可能性。 相反， 由于那些合适的方法， 询问 的范围将增大以使它们的概率 由相关因素加 以改变。 这些因素相应得到较高的规则值， 因 此 关于它们 的问题也会多 肯定或否定一种采矿方法是由闻值使系 统作 出决定 的。 在这 一软 件版本 中最大 的阅 值为0 ． 9 最大的事后概率，最小闭值为0 ． 2 最小事后概率 这样做使每种方法都有其 自己的阅值，而不是采用每种方法都相同的 1 9 9 6年第 1 2期 维普资讯 静态圈值 。 在实施中．询问专家的问题大都在性质 上是 虚拟 的。 这样得 到 的答案就 会是个 人的 观 点而 不是事 实。 例 如 ，回答 “ 陷落是 否有 害”这个问题 ，答案要考虑到采区位置、与 采区相 关的地表结构、安全因素和政府 法令 及不宜使用崩落法的其它因素 专家的回答 不全会是 “ 是”与 “ 否” ，而是伴有 不确 定性 的观点 。 在回答上述同题时， 专家可能会说值 7 0 肯定在那 个区域崩落不会有害。 Mi n e x p e r t 要求用户选一个数回答不确定性，该数 在 一j 否～ 5 是 之 间， ⋯ 0’表示 “ 不 知 道 ” 。 在 与系统对话期 间，用户可 以请求帮助 或 希望 回答 为什么提 出某 一 问题 。 像 在前～ 节 中提到 的系统对用户 的这种要求用在弹出 窗 口中显示信息加 以响应 。 在对话结束时 ， 系 统将报告概率值最高的采矿方法，并在后面 附上概率值大于0 ． 3 的其它方法。 如果所有方 法概率值均小于0 ． 3 ， 则只报告概率值簸高的 ～ 个 ， 并且 建议用户 检查数据重新执行 。 用来 控制结果的值0 ． 3 是任意选取的 图5 是最终 结果窗 口的一个 例子 。 图5 最 终报 告举 例 图6 图5 屏幕中选择 s h o w h o w”的显示结果 国外金飘矿山 用户也能询问为什么会得到该结论，系 统的响应是显示所有提过的 问题和在对话 过 程中得到的答案，然后显示基于这些答案的 采矿方法清单和其相应的从先验概率到最终 的事后概率的概率值 见图6 它表明了每一 种 回答对每 种采矿 方法选 择机 会 的影 响 应 该 注意若所 问的 问题不合适 ，相应 的采矿方 法概率值将不变 。 4结语 Mi n e x p e r t一个 模型经 应 用表 明，基于 知识的系统能够像人一样处理复杂的问题。 由于对最合适的采矿方法的相关 因素 的分析 是一项极其艰巨的任务，它的帮助使采矿专 家从 常规的费时 的工作 中解 脱 出来 基 于知 识 的系统 的性能取决 于开 发者经验的深度和 广度 ，系统～旦建 立起 来其 使用者并非要求 是本 领域 的专 家 。 随着 系统 的铡 试和 完成 之 前的完善，知识库将不断增加，现在的模型 在成 为健 全系统之前将 通过 同样 的过程得 以 改 进 参考文献 【 Br a d yt l H G a n dI t r o E T h ⋯b 础⋯J ⋯ k , n d a n l e n＆U ⋯ 1 9 8 5 ． 5 2 p 2 H0 e kE a n dBT o wnE T Th cH0 B ⋯f a i l u r em l m o n -- 日 1 9 8 8 u p d a t e Pr n． z m w I S ,h c口 M 5 ． To m ” C ∞I 础．j 9 88 3 h u b s E r D H Ge o me c l x a n c s d日 s 5 m a c I。 n 。 } o i n e 6 【 0 c k m s s e * -- mmmg 印 P l c a u o n ‘ T r a z m Mt I I e t a d 肺 R 札 r e 5 1 8 6 。 【 9 7 7． l 一 8 4 La u b r D H De s Lg r 】 p e ㈣d e 仃 c ⋯鸣s o f n p m 1 s l n d 【 f k旧 j 【皿m嘲c o o d i N o n s 一血m M m m a ／ ／ ． “ A。 jⅥ l 删 【 ， ， ．【 9 B 4 AT 0 一 B 1 5 Na y lo r C HO ⋯b u d日 n ir d e r e n c c n 舯 c b 五 哪 呻 c k口 n d ⋯s l ,a d , F o r wm R c d％on d o n Ch 叩 ⋯a n d H a lqB 6、 6，_ 8 译 自英国 { Mi n i n g I n d u s t r y ， J a n u a r y Ap r i l 1 9 9 4 ， 2 7 3 2 吕向东译‘刘积学校 收稿 日期】 9 9 6 年8 月1 5 日 6 7 维普资讯