系统工程发展现状与未来

中国采矿系统工程的现状与发展


1 概述
采矿系统工程是采矿工程与系统工程相结合而形成的一门新兴学科，已迅速得到广大采矿工作者的重视，其原因为：
（1）整体性。采矿工程涉及面广、作业点分散、影响因素多，需要从总体上进行全面协调，而这正是系统工程的特长。过去的采矿工程，往往侧重于单个作业或环节，籍助系统工程，使人们自觉地从总体上整合采矿问题，其中在矿山的规划、设计和评估中表现尤为突出。
（2）边缘性。采矿过程涉及许多学科，过去有脱节的现象。通过系统工程，人们研究学科之间的相互渗透和交叉，出现安全系统工程、边坡系统工程、地质统计学等边缘学科。
（3）先进性。采矿工程是一门古老的技术，常常依赖于经验判断而不是精密计算。通过采矿系统工程引入各种现代数字和计算机技术，可以将许多定性分析转化为定量决策，大大提高了采矿工程的科学性。
2 学科现状
采矿系统工程经过几十年的发展，目前有以下特点：
（1）全面应用了现代数学和计算机技术。在采矿系统工程的现状与发展矿系统工程中，已广泛使用运筹学，如线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划、网络流、多目标决策、可靠性理论等。与此同时，计算机科学中的许多先进技术，如计算机仿真、计算机辅助设计、数据库等，也已成为采矿系统工程的常用手段。
（2）紧跟信息科学的发展。信息科学的任何进展都会很快在采矿系统工程中得到印证。例如，20世纪中期人们开展专家系统研究后不久，70年代即推出PROSPECTOR找矿专家系统。又如GPS（全球卫星定位系统）、GIS（地理信息系统）、RS（遥感系统）问世后不久，在矿业界即得到应用。至于矿业上使用的硬、软件，更是随着计算机的更新换代不断地变化。
（3）密切结合采矿工程的需要。采矿系统工程在处理问题时要经常考虑采矿工业影响因素多的特点。因此，多目标决策、模糊决策、人工智能、计算机辅助设计等技术特别受矿业界青睐。
为了更好地说明采矿系统工程的进展，兹分述如下。
2.1 矿山地质系统
2.1.1 地测数据预处理
在采矿系统工程中，广泛使用数据库存放地测数据，如早期的dBASE、FoxBase、Foxpro以及近年的Access、Oracle。最近几年，数据仓库技术已开始在矿业界应用，从面向主题、集成的、时变的和非易失性角度整合各种地测数据。
在处理地测数据方面，人们普遍采用各种统计方法，从总体上观察矿产分布及其变化规律，如矿石品位，矿体厚度等。Excel和各种数据库软件被广泛用于数据处理。
为

了形象地表达矿藏分布特征，人们常常用鲜明的颜色表示钻孔内各组分的分布，如美国的Mintec、澳大利亚的乳Surpac矿用软件，形象生动，便于核查。
2.1.2 矿石品位估计
采矿系统工程常用三种方法估计矿石品位：多边形法、距离平方反比法、地质统计学法。多边形法比较粗略，主要用于勘探密度较高的矿床，如铀矿床等。距离平方反比法考虑各钻孔距离对待估块段的影响，以距离平方（或其它幂次）的倒数作为权值赋予各钻孔这是一种通用的方法。
地质统计学全面应用数理统计理论，以变异函数为核心，遵循线性估计、无偏估计和最优估计的原则。80年代以后，又在线性平稳地质统计学的基础上，提出了一些非线性的地质统计学，如析取克里金（Disjunctive Kriging）、指示克里金（Indicator Kriging）。目前，人们已着手将它应用于矿业污染分析中，用两点间污染程度的方差构造变异函数。
近年来，一些学者应用人工神经网络或遗传算法从事矿石品位估计，开辟了一种新的技术途径。不过，它们还有待提高。
2.1.3 储量计算与地质作图
采矿系统工程广泛使用方块法，用离散的方块拼凑原来连续的矿体，每一方块拥有自己的几何坐标及所包含的矿量和岩量，其中矿岩量可用数值计算方法严格积分得出。
针对矿山设计的需要，人们还常常用剖面图和平面图表达矿体，可称为线框模型法。这种模型下的矿量计算，大都是利用计算机图形学中的多边形求交、并、差的算法，计算精确度高。然而如何由钻孔柱状图推出剖（平）面图的地质作图问题，始终没有很好解决。尽管一些学者探索采用专家系统、模糊数学、人工神经网络、拓朴学等方法，但都有待完善。
近年来，人们热衷于用三维实体模型表达矿体。在一连串地质剖面图的基础上，象手风琴箱地依次伸展成三维实体，进而可以得出各种位置、各个方向下的矿体剖面。目前国外的矿业设计软件都有这种功能，如澳大利亚Maptek公司的Valcan软件。
2.1.4 矿产资源评价
在地质勘探的基础上，目前人们普遍采用模糊综合评判评价矿产资源，先建立评价指标体系及各因素的权值，然后采用模糊评判、灰色关联度分析等方法。近年来也有人探索用人工神经网络、遗传算法进行评判。
矿物资产的评估是另一个热门课题目前，基本上形成以收益现值法为主的估价方法。近年来又探索期权估价法。此外还有案例估价等其它方法。
2.2 矿山规划与设计系统
2.2.1 矿山产量与产品
在采矿系统工程中，广泛应用线性规划求解矿山产品的产量和种类。有时也使用非线性规划

或整数规划。它们的目标函数是使矿山盈利最大，约束条件则包括各种开采、加工的技术要求。
有些学者，还采用经济控制论进行研究，运用最优控制的最大值原理，用哈密尔顿函数求解。也有些学者用动态规划研究产量一边界品位的综合优化，或是井田一井型的综合优化近年来，也有人用遗传算法寻找矿山各种品级矿石的合理组合。
2.2.2 露天开采设计
当前，露天开采设计的优化已有一套相对成型的方法。具体是：
（1）露天开采境界的优化。目前普遍采用浮动圆锥法，用众多的小锥台组成开采矿坑，其实质等同于传统的“境界剥采比小于经济合理剥采比”的原则。近年来由于计算技术的进展，图论法在北美等发达国家比较受重视，它把各矿块视作节点，利用图论搜索最大开采闭包。至于动态规划法近年没有太多进展。相反，法国提出的参数化函数法愈来愈受到人们重视，并有演变为搜索法的趋势。在上述四种经典优化方法的基础上，以英国诺丁汉大学为首的学者曾探索利用遗传算法搜索最优的开采境界。
在追求数学上严格优化的同时，近年来人们更偏重于实用，使开采境界密切结合开拓运输定线以及边坡安全要求。因此，常用计算机辅助设计绘制经过人工修匀的最终开采平面图。
（2）开拓运输系统。专家系统常被用于开拓设计中，利用严格的逻辑判断选择开拓运输系统。至于运输坑线的布置，则采用计算机辅助设计。近年来，许多矿用软件都有开拓定线的功能，调用各种图元来绘制线路图。
在优化技术方面，有人用动态规划方法合理确定各开采水平的堑沟口位置，实现开拓定线的严格优化。
（3）运输排土规划。为了合理安排全矿的矿岩运输，特别是当存在多出入合口和多排土场的复杂情况下，人们普遍采用线性规划加最短路法，即先用最短路问题寻求最优的运输途径，然后用线性规划统筹矿岩的运向和运量。
鉴于矿山运输线路常随时间而改变，CAD技术常被用于绘制及修改运输线路。至于排土场容积的计算及堆放图，也采用CAD技术执行。
（4）采剥计划编制。数学规划常被用于合理安排矿山历年的采剥任务，其中线性规划、整数规划和动态规划比较常用。此外，计算机模拟也常被用于采剥计划中，可全面检查各工艺环节的衔接和运行状况。
近年来，人们倾向于采用CAD技术模仿传统的手工设计方法，用试凑的方式编制采剥计划。
2.2.3 地下开采设计
地下开采设计的优化起步较晚，而且条件复杂，因此不及露天开采设计那样完善。
（1）地下开拓系统。类似于露天开拓设计，

常用专家系统确定地下矿开拓运输系统。也可以采用解析法求极值，从各项工程费用累积而成的数学模型中解出最优的开拓方案。为了更好地比较各开拓运输方案的优缺点，人们常采用计算机模拟法进行分析研究。
此外，也有人探索用网络流的方法研究地下矿开拓系统，借助最小费用流技术寻求最优的开拓系统。更有人利用遗传算法，从众多的开拓方案中搜索出最优的方案。这些都是试探性的研究。
（2）地下采矿方法。目前，常用专家系统和模糊综合评判选择采矿方法。首先通过逻辑推理得出一系列可行方案，然后通过模糊评判作出最终决策。对于煤矿这类层状矿床，可采用解析法。首先，根据各项工程费用累积出一个数学表达式，然后再求该数学式的极值。
当具体布置采准切割巷道时，大多采用CAD技术，在设计者的指挥下快速比较各方案的优劣。为了更好地表达各种开拓、采准、切割巷道之间的空间关系，国外常用三维立体图表示。
（3）采掘计划编制。人们常用线性规划优化地下矿山采掘计划。规划中以最大赢利或最低成本作为目标，然后将各种开采技术要求作为约束条件。此外，整数规划在这课题中也得到应用，它将各矿块的取舍当作0--1决策变量。
另一种常用的技术是计算机模拟，它综合考虑各种随机因素，检验采掘进程。近年来人们常用CAD技术编制采掘计划，以适应矿山复杂、多变的特点。
2.2.4 投资效果分析
矿山设计中的技术经济分析和成本计算，已实现计算机作业。在此基础上，人们侧重于各种投资效果分析，除了常见的静态分析、动态分析和敏感性分析外，常用蒙特卡洛法从事投资风险分析，用计算机模拟研究各种随机因素的影响。
目前，可靠性理论被引入矿山投资效果分析中，它针对各项作业或大型设备的失效率和修复率，运用马尔可夫过程计算系统的可用度。
2.3 矿山生产工艺系统
2.3.1 开采工艺及设备选择
采矿系统工程常用专家系统选择合理的开采工艺和设备。为了正确确定影响因素的权值，可以用人工神经网络解算
这个课题的另一种为法是解析法。首先建立各项费用的数学模型，然后用数学方法求解其中，整数规划法常被采用，它把设备的取舍视作0--1决策变量。此外，也可以用计算机模拟法比较各种方案的优劣。
2.3.2 开采工艺过程分析
采矿系统工程中，广泛采用计算机模拟技术研究开采工艺过程，其中既有全矿的系统性研究，也有重点部位的局部仿真，如矿井提升运输系统，露天矿铲一车配合等。某些作业（如电铲一卡车的衔接），还采用排队论分

析各大型设备的有效利用率有时候，人们也用线性规划的方法优化大型设备的调配。
近年来，可靠性理论已被应用于开采工艺过程分析，特别是针对胶带运输机和移动破碎机的露采半连续开采工艺。此外，也有人运用现代控制理论，从状态角度揭示投入与产出的内在联系。
2.3.3 单项作业优化
采矿工程中常常采用系统工程的方法对单项作业进行优化。以爆破工程为例，已开发出许多爆破设计的专家系统，指导工程技术人员布置炮孔和装填炸药。
另一个与系统工程密切结合的学科是边坡工程和岩体力学。它们已采用计算机模拟、概率统计分析、最优控制、人工神经网络、可靠性数学等现代技术，促进多学科的交叉渗透。
2.4 矿山管理系统
2.4.1 矿山管理信息系统
近年来，国内外许多矿山都建立矿山管理信息系统，覆盖地测、设计、计划、设备、库存、营销、财会、人事等工作。矿山内部各子系统用局域网相连，对外联系则通过Internet。据初步估计，国内约有40多个煤炭矿务局和30多个金属矿山建有程度不等的矿山管理信息系统。
随着Internet技术的发展，也就出现企业内部网络（Intranet）和企业外部网络（Extranet）。近年来又由于ERP等管理软件的发展，更促使矿山管理信息系统向智能化决策支持系统发展，为中高级管理人员提供决策依据。
2.4.2 矿山生产过程监控
目前，矿山生产过程的监控还仅限于个别作业，尚未达到其它先进行业那种全过程自动控制。
（1）矿山运输调度。露天矿运输作业成本约占总成本的60％，因此车--铲调度是采矿工程的重要内容。目前，通过GPS卫星定位和多频道无线电通讯，实现车--铲--调度室之间的信息传递。在软件上大多采用线性规划加动态规划的自动调度模式。首先在每班（日）作业前用线性规划作出总体安排，然后随作业的进展在线即时地用动态规划予以修正，美国Modular公司著名的DISPATCH软件，就是典型示例。
至于井下电机车的调度，可以套用地表铁道运输的经验，利用信号、集中、闭塞等手段实现有效调度，一些先进矿山已实现自动调度。
（2）工业电视。为了监视矿山重要而又危险的作业，常常采用工业电视。例如，地下矿的马头门、罐笼、主要运输巷道、有危险的采场等，都设置工业电视。个别先进矿山，还对主要作业（如运输）实现全程监视。此外，一些偏远的炸药库、水泵站、供电中心等，也用工业电视监督。
（3）大型设备自动控制。矿山的自动控制仅局限于少数大型设备，如提升机、通风机、水泵等。近年来，采掘设备的控制已受到关注，

如电铲、牙轮钻机、电机车等，都添加了自动控制功能，但尚未达到全面的自动化。加拿大拟在2050年实现一个无人矿井，瑞典也制定向矿山自动化进军的Grountechnik 2000战略计划。
2.4.3 通风安全
在矿山通风决策中，可采用人工智能专家系统选择通风系统。通风井巷断面的优化，可采用解析法求解。至于通风网络图，更是用CAD技术绘制。此外，人们在图论的基础上开发了许多计算机程序，可进行风网解算。
在矿山安全方面，新形成的安全系统工程采用因果关系预测、时间序列预测、卡尔曼滤波预测等方法进行事故预测。它还采用故障决策树等技术分析事故发生的原因及概率。在可靠性数学的基础上，它还用FMEA技术分析事故类型及影响。至于安全评价方面，则采用模糊评判和多目标决策。
2.4.4 项目施工管理
矿山基建期间，人们常采用网络计划技术协调生产。在此基础上，还可用随机网络分析各种随机因素的影响，包括时间仿真随机网络和排队仿真随机网络，也可以用风险评审技术（VERT）从事风险决策分析。在网络图绘制方面，利用CAD技术也使绘图工作大大改进。
目前，施工管理的网络计划技术比较成熟，市场上有许多通用软件可供选用。
2.5 技术方法的进展
为了更好的揭示采矿系统工程的现状，下面从技术角度予以评述。
（1）数学规划。这是采矿系统工程使用最早，也是最常用的一种数学手段。其中以线性规划最为常用。其次，动态规划由于其分阶段决策的特点，特别适合于采矿作业在时间上按年（月）、在空间上按层（阶段）的特点，应用也很广泛。至于整数规划、非线性规划尽管在数学表达上适用于采矿工程，但由于解算上的困难，限制了它们的应用。
近年来，线性目标规划受到采矿界的重视，以解决常见的多目标同时决策的困难。为了将多目标转化为单目标，方法之一是加权的目标规划（WGP），即根据偏差对决策者的重要程度赋予不同的权重，然后使其加权和为最小。另一种方法是设优先级的目标规划（LGP），即对偏差变量设定优先顺序，再依次使其达到最小。
（2）图论与网络。在这方面，采矿界最常用的是网络计划技术，从事项目施工管理，包括工序流程网络图绘制、时间参数计算、工期与人力配置优化等，都有比较成熟的商业软件。
另一项常用的技术是最短路问题，用于解决矿岩运输路线。此外，最大流问题、最小费用流问题在矿业中也有应用。至于图论，常被用于确定露天开采境界，求解有向图的最大可采闭包。
（3）计算机模拟。尽管这种方法不是一种严格寻优

的手段，但是由于采矿系统复杂多变，很难写出严格的数学表达式，因此计算机模拟常被用来研究各开采方案的动态效果。
近年来随着可视化技术的促进，矿用计算机模拟中常用动画显示，其中包括模拟后动画显示、同步动画显示、图形建模等。另一个动态是在集成应用方面。计算机模拟与电子表格、数据库、计算机辅助设计以及生产计划、监控等组合，综合地研究采矿系统。
（4）人工智能。采矿决策常常依赖于经验判断，因此人工智能特别受采矿界重视。上世纪80年代，始于美国矿业局，各国陆续开发出许多矿业专家系统。90年代初，英国诺丁汉大学率先掀起一股应用人工神经网络热潮。随后，遗传算法又进入采矿系统工程中。在此基础上，近年来人们又偏注于数据挖掘和知识发现，力求从浩瀚的数据和知识中揭示采矿的内在规律。
（5）模糊决策。由于影响采矿系统因素的不确定性，模糊数学和灰色理论也倍受采矿界青睐。相关的技术方法，如模糊聚类、模糊评判、灰色关联分析等，常被用于处理各种采矿决策问题。近年来，与此相关的模糊逻辑、粗糙集也陆续用于采矿系统工程。
（6）计算机辅助设计（CAD）。采矿系统工程中广泛应用计算机辅助设计，用人--机对话方式指挥计算机。早期采矿界大多以AutoCAD软件为工作平台，并应用AutoLISP及ARX编写程序。近年来为了建立自主的知识产权，多抛弃AutoCAD用高级语言（VC等）独立开发各种CAD软件。
（7）其它新技术。采矿系统工程在应用新技术方面最为积极，如虚拟现实技术（VR）、全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）等，都很快在矿业界得到应用。
3 发展趋势
采矿系统工程作为采矿学和系统工程学相结合的一个学科，一方面，它必须遵循采矿工程的内在规律，努力解决采矿系统的一系列优化课题，另一方面，它必须紧跟现代数学和计算机技术的进展，不断地改进优化理论与技术。
（1）跨学科、多方法的综合应用。从系统工程的角度看，采矿是一个复杂的动态系统。采矿系统的决策，若仅仅依靠单一学科的某一种方法，往往很难取得理想的效果。以露天矿的电铲一卡车调度为例。它的硬件涉及到GPS、无线通讯、计算机，它的软件则包括测量平差、线性规划和动态规划、数据处理等。采用综合性研究方法以解决综合性工程课题，这正反映了现代系统工程的特点。
（2）朝向多项目的大系统方向发展。采矿工程在系统结构上具有多层次和多环节，需要从总体上进行全局优化在过去单项优化的基础上，人们已扩大视野，着力于

研究更广、更大的对象。尤其是矿山决策支持系统的开发，更要求在更高的层次上展开。近年来，大系统、巨系统、系统动力学等宏观研究手段，已日益受采矿工作者的重视。
（3）严格优化技术正向实用要求逼近。在采矿系统工程的早期，人们利用运筹学得出采矿问题的最优解，然而它们常常偏离采矿的工艺技术要求。CAD技术的出现，又促使人们将传统的设计方法转用计算机实现，但却忽视了优化的目标。目前的趋势是在人--机的交互作用下实现决策的优化，并尽可能提高作业的自动化程度。以采剥计划编制为例，可先用数学规划安排矿山的长期采剥计划，然后在长期计划指导下用CAD技术编制短期采剥计划。这样，不仅能保证决策的总体优化，又能提高具体作业的可操作性。
（4）新学科、新技术的应用继续发展。采矿系统工程不断从其它学科的发展中汲取营养。前一阶段，人工智能、模糊数学在采矿系统工程中颇受青睐。近年来，虚拟现实技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）也在矿山迅速应用。借助这些新学科、新技术，采矿系统工程正在迈上一新台阶。
（5）矿用软件开发日益规范化、商品化采矿系统工程的一些成果，常以软件形式在市场上销售，如地质数据处理、矿床模型、地质统计学、露天矿境界优化露天矿采剥计划、地下矿采掘计划、测量内业等。目前，国际上比较有名的矿用软件开发公司有美国的Mintec公司、Modular公司、澳大利亚的MinMax公司、MicroMine公司、Surpac公司、英国的DataMine公司等。
4 我国状况
我国的采矿系统工程尽管起步较晚，但经过努力，已赶上国际先进水平，不过在实际应用上仍存有明显差距。
（1）在理论研究上已赶上国际先进水平，并有自己的特色。这主要表现在：
一是，已应用各种理论和方法。采矿系统工程的各种理论和方法，在我国基本上都得到应用。不仅传统的方法（数学规划、计算机模拟等），一些新兴的技术（人工智能、卫星定位系统等）也在国内得到应用。可以说，国际上各种先进的理论和方法，在我国很快都得到应用。
二是，已涉及我国矿山的各个领域。采矿系统工程已渗透到我国矿山的各个领域，可以说，国外矿山有的，在国内矿山也得到应用。特别是近年来微型计算机在国内的普及，使得采矿系统工程的应用更加广泛。
三是，具有自己的特长。经过我国科技工作者的努力，我国的采矿系统工程有自己的特长，尤其是在人工智能、模糊决策、可靠性理论等研究方面，走在国际的前列。以人工智能为例，从上世纪80年代

后期开始，国内大力开展矿业专家系统及人工神经网络的研究，90年代后期开展遗传算法的研究。目前我国矿业人工智能的研究已处于国际领先地位。
模糊决策是我国的另一个亮点。我国学者将模糊数学和灰色系统理论充分应用于采矿工程的许多决策课题中。此外，可靠性理论在我国矿业工程的应用也领先于其它发达国家。
（2）在实际应用上落后于国际先进水平。如果说，我国采矿系统工程在理论研究上和国外相比只存在1--2年的差距，那么在实际应用上则有5--7年的落后。主要表现在：
应用广度上的差距。我国采矿系统工程在矿山上的应用，大多限于个别先进矿山，远未推广普及。以矿山管理信息系统为例，国内仅有少数矿山能经常应用，其余大都是摆设。
应用深度上的差距。我国采矿系统工程的应用，往往停留在初级阶段。以各种矿用计算机软件为例，虽然国内各单位开发了许多，但能够在市场上销售并与国外软件抗衡者，则少如凤毛麟角。
硬件设备上的差距。由于我国经济实力有限，硬件设备上的落后也延误采矿系统工程的发展。例如，虚拟现实技术早已知晓，但国内只有少数单位具有相应的操作定位及立体视觉装置。
（3）模仿多于创新。我国的采矿系统工程，在前进过程中更多的是照搬、模仿，创新的亮点较少。以计算机辅助设计为例，国外采用多边形法求矿岩量，我国也仿用：国外利用AutoCAD作为CAD技术的工作平台，我国也同样使用。至于地质统计学，GPS应用于等复杂技术，更是以引用为主。
5 结语
采矿系统工程作为一门新兴学科，已促进了采矿技术水平的发展。今后，要努力将此科学技术转化为生产力，进一步提高矿山的经济效益。