论矿业系统工程

V o l . 4 附4 July 1 9 95 中国矿业 CHINAMIN IN GMA GAZ IN E 总 第20期 SUM 附20 计算机应用 论 矿 业 系统工程 李仲学熊国华 (北京科技 大学矿业研究所) 摘 要本文简要论述矿业系统工程及其发展史 , 重点论述矿业系统工程研究的对象及范围 、 已经 取 得的成就 、 面临的问题和近期的发展方向 。 关键词采矿工程系统 矿山管理系统矿业经济系统 计算机 一 、 矿业 系统工程及其发展 矿业是开发 矿产资源的产业部门的总称 。 矿业系统工程则是应用系统方法分析 、 设计和 控制矿业系统的工程技术 。 系统方法的主要特 征在于其考察系统因其要素 、 环境间的相互作 用而产生的整体性 、 系统结构与功能对环境变 化的 自适应性与自组织性 、 系统状态随时间的 变动性即动态性 、 系统行为的不 确知性含 随机 性与模糊性 、 系统目标的多重性以及系统方法 的定性定量综合性和结构功能综合性 。 运筹学 、 信息论 、 控制论 、 模糊系统理论 、 系统动力学 理论 、 大系统理论 、 灰色系统理论 、 分形理论 、 人工智能和计算机技术等的发展 , 为矿 业系统 工程提供了越来越多的 、 有效的系统方法与手 段 。 由于人们研究的目的不同 , 矿业系统可以 从采矿工 程系统 、 矿 山管理 系统和矿 业经济系 统等三个方面来考察 。 所以 , “矿业系统工 程” 较 “ 采矿系统工 程 ”、“ 矿山系统 工程 ” 或者 “计算机与运筹学在矿 业中的应用 ” 等术语 , 具 有更广泛 、 深邃的内涵 。 这是因为 , 采矿 一般 系指 采矿工程 , 是矿业系统的一个方面 ; 矿山 一般系指矿 山企 业 , 是 矿业 系统的一个部分 ; 计 算机与运筹学仅仅是诸多系统方法与手 段之 当然 , 矿业系统工 程研究源于计算机与运 筹学在矿业中的应用 。 这种发展可以追溯到本 世纪5 0年代初的运筹学应用研究迅 猛 发 展 时 期 。 19 51 年 , D . H ic k s 发表了题为 煤炭工 业 中的运筹学的论文 , 探讨了运筹学方法在英 国煤炭工 业中的应用 , 特别是 在巷道掘进中的 应 用 。 1955 年 , J . W . D u n l ap 和H . H . J a e o b s 提 出了一个某磷盐岩矿索斗铲 作 业 的模拟模 型 , 是计算机模拟在矿业 中应用研究的经 典之 作 。 同年 , T . M . Wa r e 在于巴黎召开的一次 国际采矿会议上 , 作了题为 运筹学与未来矿 山的报告 , 论述了运筹学在矿产勘 查 、 储量 评估 、 生产计划与生产作业等方面应用的可能 性 , 并于 翌年发表了题为 采矿 工业中的运筹 学的论文 , 指出应将运筹学方 法应 用于矿山 设计及规划之中 。 一9 5 7 年 , P . P . Hypher 在英 国剑桥召开的第一届 国际运筹学 会议上 , 发表 了题为 采矿中的运筹学的论文 , 指出了运 筹学在规划与作业中的各种可能应用 , 并具体 讨论了排队论与模拟 方法在分析矿山生产系统 以提高生产能力过程 中的应 用 。 同年 , M . A ll a i s 应用概率理论 , 对在撒哈拉沙漠实施大规模地 质勘查 的效 果进行了评估 , 是应 用随机理 论 研 究找矿 方面的经典研究工作 。 此 后 , 随着计算机技术的发展 , 各种运筹 学方法在矿 业中的应 用 范围日益扩大 。 1 9 6 1 62 中国矿业 19 95 年 年 , 美国亚利桑那大学 主持召开 了一次计算机 在矿业 中的应用 学术讨论会 , 取得 很大成功 , 并 由此发展为 “ 国际计算机与运筹学在矿业中的 应用学术会议“ ( 简称为APCOM) 。 该系列会议 至今已举行过 2 4次 , 发表论文 160 0 篇 , 参加 者近 90 00 人次 , 来自世界五大洲的数十个国 家 。 此会议是矿业系统工程研究领域的最重 要 学术论坛 , 会议论文代表着该领域的学术水平 、 预示着该领域的发展趋势 。 二 、 矿业系统工程研究范围 迄今为止 , 矿业 系统工 程领域所研究的主 要 内容及采用的主 要方法可以概 括地 叙 述 如 下 : 1 . 矿床勘查 中的探井或者钻孔布局优化 的随 机模型 ; 2 . 矿床产状 、 品位分布和储量评估的计算 机图形学 、 地质统计学 、 人 工神经 网络和常规 数学及几何模型 ; 3 . 矿 山开采计划 、 配矿和露天矿境界圈定 的优化模型 (诸如图论 、 动态规划 、 线性规划 、 控制论模型)和 启发式模型 (诸如浮动锥 、 参 数化 、 模拟模型) ; 4 . 矿山开拓运输方式 、 采矿 方法和爆破参 数选择的专家系统 、 人 工神 经网络和模糊数学 模型 ; 5 . 矿岩工程特性分级的专家系统 、 人工神 经 网络和模糊数学模型 ; 6 . 矿岩破碎 、 岩体节理及稳定性分析和粉 尘防治的随 机模型和分形几何模型 ; 7 . 矿山岩体工程应力场分析的有限元 、 边 界元 、 离散元及其藕合模型 ; 8 . 矿山生 产 系统特别 是 矿 岩 采装运系统 及设备选型 、 匹配和调度的计算机模拟模型 、 排 队论模型和可靠性模型 ; 9 . 矿区发展规划与矿 山生产计划的系统 动力学模型 ; 10 . 宏观能源规划 和矿 山企业生产结构分 析的工程过 程模型 (包括线性规划模型)和投 入产出模型 ; n . 矿 山企业或者车间的管理信息系统开 发研 究 。 由此可以看出 , 矿业系统工 程研 究迄今主 要集中于采矿工 程 系统方面 , 而 对矿业 经济系 统的研究在国内则显得不足 。 三 、 矿业系统工程研究成就与 问题 计算机与运筹学在我国矿业中的应用研究 可以追溯到 7 0年代中期 1, , 甚至更早 幻 , 至今 已有2 0余年的历史 。 在此过 程中 , 矿业系统工 程研究所取得的主要成就 , 可以归纳如 下 : 1 . 将现代科学方法与手段 , 引入到采矿工 程与管理系统的分析 、 设计和控制之中 , 推动 了采矿 工程学科从传统的工艺方法向现代的科 学技术方面发 展 ; 2 . 培养了一批 既掌握 采矿工程技术 , 又熟 悉系统方法与计算机技术的复合型人才 。 特别 是 在我国社会经济环境发生深刻变化的令夭 , 矿 业系统工 程 研究与教育显示出很强的生命 力 , 表明了我国矿业系统工 程研究先驱者的远 见灼识 ; 3 . 取得了一些具有实用价值的研究成果 , 带动了矿 山企业生产技术与管理手段 及水平的 改善 , 促进 了矿 山企业社 会经济效益的提高 。 但是 , 矿业 系统工程研究的发展 也面临着 严峻的挑战 。 以本文作者之浅见 , 核 心问题 是 研究工 作投入大 , 见效慢 。 矿 业系统 工程作为一门工程技术 , 具有很 强的实用性 。 它需要能够以最经济的方式解决 有关矿业系统的实际问题 。 就此而言 , 现有矿 业系统工 程研究成果的总体水平仍有待于提 高 。 造成矿业系统工 程研究经济效益差这一 问 题的主要原因包 括 : 1 . 系统 工 程 方法与手段 在 一 定程度上 超 前我国矿业 工程与管理 实践 。 譬如 , 系统方法 要求遵循整体性与综合性原则 , 追求系统的 全 局最优化 。 这与矿 山现 行的条块分割 、 机构繁 杂 、 指标分配等管理实践相悖 。 再如 , 系统工 程最基本的技术手段是计算机 及通讯系统 。 理 论上说 , 这些设 施可以提高效率 、 降低成本 。 但 是 , 在我国 矿 山 目前的情况下 , 无论是劳动人 事管理制度 , 还是 生产要素(此 处指劳动力和 计算机 设施)价格比 , 或者是矿山工作人员 的 4 卷 4 期 李仲学等 : 论矿业系统工程 知识水平 , 皆极大地制约着这些现代化设备之 效能的发挥 。 但是 , 随着政治经济体制改革的深化 , 矿 山企业生产经营的目标将逐步 由重社会效益 向 重经济效益方面转变 。 在此过 程中 , 现代化的 管理方法与技术手段系统工程方法与计算 机技术 , 必将在矿山企 业 的生产经营中发挥越 来越重要的作用 。 2 . 人们对 系统工 程方法与计算机技术在 矿山中的作用缺乏认识 , 投入不足 。 对于生产 矿 山 , 人们常常以为 , 能够通过实践摸索出在 现有人力物 力条件下 足以方便 、 有效地解决所 有矿 山生产问题的方法 , 而不需要大量地投入 去引进那些 尚未经过实践检验的新方法 。 在此 , 人们忽视了这样的事实 , 即只有那些具有超前 意识 , 勇于采用新方法 、 新技术的矿 山企业经 营者 , 才能在矿 山储量不断消耗 、 开采条件逐 渐变差 、 市场竞争日益增强的情况下 立于不败 之地 。 3 . 系统工 程方法有待发展 。 现有的系统工 程方法 用来解决主要涉及 逻辑思维 、 显式知识 和演绎推理的问题 , 一般能够取得令人满意的 结果 , 而对于主要涉及形象思维 、 隐式知识和 归纳推理的问题 , 则常常无能为力 。 矿业生产 对象 (指矿岩体)属性的时空独特性及对其认 识的不完备性 , 决定着矿 业工 程与管理中的许 多问题具有极强的实践性 , 经验知识与主观判 断对解决这类问题起着重要的作用 。 现有系统 工 程方法与计算机应用技术 , 还有待于进一步 发展 , 才能逐渐适应这种情况 。 4 . 矿业系统工程 研究水平有待提高 。 现有 矿业系统工程 研究人员多为采矿 工程专业工作 者 , 因专业化教育的束缚 , 缺乏系统 、 深入地 研究系统科学 、 信息科学 、 现代数学 、 计算机 应用技术等方面的理论与方 法所需 要的基础 和 娴熟的技巧 。 他们常常直接应用这些学科现有 的理论与方法 , 而不能对其适用性与局限性进 行证明或者度量 , 更难于将其结合采矿工程与 管理的具体问题加以扩展和 拓宽 。 当然 , 采矿 工 程与管理问题的复杂性 , 也使得有效的矿 业 系统 工程方法 的产 生极 为 困难 。 四 、 矿业系统工程的发展方向 如前所述 , 我国的矿业系统工 程研究虽然 起始于计算机与运筹学在矿业中的应用 , 但它 的内涵已不 局限 于此 。 本文作者认为 , 矿业 系 统工程研究应该在下述三 个主 要方面得到进 一 步发展 。 1 . 深入开展采矿工 程系统研究 , 包括矿床 的计算机模型 , 矿床开拓开 采计算机辅助 设计 及规划 , 矿床 、 采掘工 程 、 工作 面间的时 空关 系 , 采场围岩变形及破坏规律的计算机图形 表 达 , 采矿工艺系统的计算机 模拟分 析 及动态图 形表达 , 采矿工程 系统分析 、 设计和 控制支持 系统的结构体系及实现技术等问题的研究 。 采 用的理论与方法可能有计算机图形学 、 模糊系 统理论 、 模式识别理论 、 人工智能技术 、 仿真 技术等 ; 2 . 加 强矿山管理 系统研究 , 包括 企业与车 间生产信息 自动采集及处理 , 企 业外部环境信 息的收集及处 理 , 企 业生产调度与控制 , 企 业 经营诊 断与预测 , 企 业管理体制 及决策支持 系 统的结构体系与实现技术等问题的研究 。 采 用 的理论与方 法可能有管理信息系统及决策支持 系统 、 智能管理系统 、 预测技术 、 通讯技术等 ; 3 . 开 展矿业 经济系统 研究 , 包括 : ¹矿产 市场及价格研究 , 诸如矿产资源的远景评估 、 矿 产供求关系及其变化规律 、 矿产市场结构与组 织及其演变规律 、 矿产价格的形成机制及变动 规律等问题的研究 ; º矿业 生产研究 , 诸如矿 产勘 查与生 产的关 系 、 生产及 交易 成本 、 资源 消耗与资源保护的关系 、 矿业 生产规模及最佳 要素组合 、 边际 品位经济等问题的研究 ; »矿 业经济系统的模型分 析 、 经济量预 测和影 响 因 素