（岩土工程专业论文）金山店铁矿采矿运输系统优化研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 捅要 矿山生产系统极其复杂，由于金山店矿体赋存条件多变、品位变化大、不可预见因素 多，采矿生产过程中，必须合理利用矿山生产设备，优化采矿生产运输系统，提高生产管 理水平，达到提高矿山生产能力和经济效益的目的。因此，在矿山生产建设过程中，必须 以现代先进技术为依托，实现矿山管理的高效性和科学性。 本文根据矿山实际生产过程，针对影响生产运输的铲运机、采场溜井、电机车、井底 矿仓和提升箕斗等运输设备及设施运用运筹学方法对运输系统中铲运机的配置情况进行 理论建模研究，为整个运输系统的优化建模提供理论参考。 根据地下矿山无底柱分段崩落法生产运输系统的特性，运用基于p v t h o n 的离散事件系 统s i 础y 进行仿真模拟。对模拟的各种运输设备建立了仿真模型，在程序设计过程中以类 的形式表示。在模拟的过程中采用了1 3 个矿块单元，对矿块单元每次崩矿开采过程绘出 时间与相应采场溜井内的矿量图，模拟结束后对绘出的图形进行分析，以方便找出系统运 行过程中存在的问题。 利用g d a s 中间件、脚h o n 、a p a c e 、p o s t 铲e s q l 数据库、j a v a s 咖和层叠样式表 技术，建立了网络版的武钢金山店铁矿运输系统优化仿真模拟平台。 关键词：运输系统；优化建模；仿真模拟；网络中间件 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n ep r o d u c t i o ns y s t e mi s e x t r e m e l yc o m p l e x a sar e s u l to fc h a n g e a b l eo c c u r r e n c 宅 c o n d i t i o n sa n dg r a d e ，p l e n t i f u lu n f o r e s e e nf a c t o r so fi r o nm i n eo fj i n s h a n d i a n i nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，i ti se s s e n t i a lt ou s eo fm i n i n ge q u i p m e n tr e a s o n a b l e ，o p t i m i z et h et r a n s p o r ts y s t e m ， i m p r o v et h el e v e lo fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti no r d e rt oe n h a n c em i n ep r o d u c t i v i t ya n d e c o n o m i ce f f i c i e n c y a sar e s u l t ，d u r i n gm i n ep r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i tm u s tu s e m o d e ma d v a n c e dt e c h n o l o g yt oa c h i e v ee 硒c i e n ta n d s c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fm i n e a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o c e s so fi r o nm i n eo fj i n s h a n d i a n ，t h i sp a p e r r e s e a r c ho ns c r a p e r , c h u t e ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h eb o t t o mo r ew a r e h o u s e ，m i n es k i pa n ds oo n ， w h i c ha f f e c tt h ep r o d u c t i o n ，u s e so p e r a t i o n sr e s e a r c hm e t h o d si nt h ec o n f i g u r a t i o ns i t u a t i o no f t h es c r a p e ri nt h et r a n s p o r ts y s t e ma n dt h e o r ym o d e l i n gs t u d y ，p r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h ee n t i r et r a n s p o r ts y s t e mo p t i m i z a t i o nm o d e l i n g i na c c o r d a n t ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i e so f t h es u b l e v e lc a v i n gp r o d u c t i o nt r a n s p o r ts y s t e mi n u n d e r g r o u n dm i n e s ，t h ed i s c r e t ee v e n ts y s t e mb a s e do np y t h o ns i m p yi su s e da ss i m u l a t i o n i t f o r m sm a n yc l a s s e sf o rt r a n s p o r te q u i p m e n ti nt h ep r o c e d u r ed e s i g n t h i r t e e np i e c e so f o r eu n i t s a r eu s e di nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n g r a p h i c sa b o u tt i m ea n dc o r r e s p o n d i n gm i n ev o l u m eo f c h u t ea r ed r a w nd u r i n gm i n i n gp r o c e s so fe a c hu n i t a f t e rt h ee n do ft h es i m u l a t i o ng r a p h i c sc a n b ed r a w nf o ra n a l y s i si no r d e rt oi d e n t i f yp r o b l e m si nt h ep r o c e s so f s y s t e mo p e r a t i o n u s i n gg d a sm i d d l e w a r e ，p y t h o n ，a p a c h e ，p o s t g r e s q ld a t a b a s e s ，j a v a s c r i p ta n d c a s c a d i n gs t y l es h e e t st e c h n o l o g y , t r a n s p o r ts y s t e mo p t i m i z e ds i m u l a t i o np l a t f o i t l lo ft h e n e t w o r kv e r s i o no fi r o nm i n eo fj i n s h a n d i a no ft h ew u h a ni r o na n ds t e e l i sb u i l d e d k e yw o r d s ：t r a n s p o r ts y s t e m ；o p t i m i z a t i o nm o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；n e t w o r km i d d l e w a r e 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：俎日期： 砷f9 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 长期以来，我国的矿山一直处于劳动密集型的机械化初级水平，管理粗放，技术装备 水平落后，决策、设计、生产等很多环节都是依靠经验，科学性程度不高【1 1 。近年来数字 矿山一直是世界各国研究的热点，数字矿山是以信息综合集成、共享利用与可视化表述为 主要特征，以网络为手段，实现信息存储、传输、表达和深加工，为生产优化、决策提供 依据【2 】【3 】【4 】。矿产资源是不可再生资源，在开发它的时候不可能反复的实验，否则会浪费大 量的人力、物力和财力。因此，我国在矿山生产建设过程中，也必须以现代先进技术为依 托，实现矿山管理的高效性和科学性。矿山采场生产系统极其复杂，由于金山店矿体赋存 条件多变、品位变化大、不可预见因素多，采矿生产过程中，必须合理利用矿山生产设备， 优化采矿运输生产系统，提高生产管理水平，达到提高矿山生产能力和经济效益的目的。 随着采矿装备的发展，无轨采矿设备在矿山中发挥的作用越来越大，国外发达国家无轨采 矿装备的应用带来的经济效益是有目共睹的，尤其是铲运机的贡献。采矿装备向大型化和 微型化方向发展。铲运机斗容已由普通的2 m 3 扩大虱j s - - - 10 m 3 ，单位斗容年效率达到l5 2 0 万t 以上，通用底盘的载重量由4 - 6 t 增力n n 8 - - - 1o t ，而电动或遥控铲运机逐步向微型化方向 发展，最小斗容0 3 8 m 3 【5 】【6 】【刀。由于铲运机集铲运卸一体化的优点，它在工程上的应用越来 越广，国内矿山使用铲运机的也越来越多，使用铲运机进行生产需要投入的资金是很大的， 因此要充分利用它的优点产生较好的经济效益，我们就必须要研究其配置方面的最优化。 然而，采矿运输生产系统并不是独立的，而是相互关联的，要对运输系统进行优化就要考 虑运输系统中各种运输设备的协同性。为了快速决策，就非常有必要利用现代化手段，建 立优化模型和现场仿真。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 优化研究现状 国外地下矿运输系统优化主要集中在仿真模拟方面。对铲运机优化配置方面的研究很 少，国外对铲运机的机械性能方面的研究很多。经过文献检索其中2 0 0 4 年m i c h e lg a m a c h e 的篇文章中谈到了地下矿山运输系统的问题，文中主要考虑的是最短路径法【8 】，n i k o s v a g e n a s 介绍了铲运机的半自动管理优化，先找到最短路，然后用各种算法避免冲突的发生 f 9 】。在运输系统优化研究中有些学者专门针对解决冲突等待问题进行研究【l o 】【1 1 】。美国六十 年代就以通用语言为手段将模拟技术应用到矿山运输系统的分析和设计之中【l2 1 。德国 w i l k e 曾用模拟方法验证地下运输系统调度规则对提高运输系统效率的影响i l3 1 。南非某地 下金属矿，应用a r e n a 进行了一个新的矿岩装运系统的可行性模拟研究，以确定铲运机的数 量、破碎机和胶带机的能力以及矿仓的容型1 4 】。 我国从上世纪七十年代中期开始从国外引进铲运机，并进行国内研发。经过三十几年 的努力取得了不少的成果，但是和国外相比差距很大。为提高整机性能，还有很多关键技 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 术依赖国外，采用国际知名品牌的部件，走的是全球化采购配套的道路。目前斗容2 m 3 及 其以下的铲运机几乎不再进1 ：3 ，4 m 3 以下斗容的进口很少，只有5 8 m 3 的大型铲运机主要依 赖进口【”】。近年来国内对采矿系统的生产优化研究主要集中在采矿方法的优化研究方面， 对铲运机应用的优化研究主要集中在它的斗容和机械设计上面。影响铲运机选择的因素很 多主要有：运输距离、生产能力、作业性质和作业成本等【1 6 】【1 刀。原丕业【1 8 】在对梅山矿业采 矿生产系统优化过程中，讨论设备上也只是进行了定性的描述，只是说明了加大结构参数 和采用新引进的设备后比以前的经济效益更好了。俞胜健【l9 】在研究梅山铁矿加大出矿设备 中对梅山铁矿新引进铲运机的斗容进行研究，说明了它不仅适应了加大结构参数后对出矿 设备的要求，而且和溜井、电机车也能很好的配合，和以前的情况比更优了。张桂华【2 0 】 在研究水泥原料矿山卡车运输调度系统的实时优化时运用运筹学方法和粒子群优化算法 ( p s 0 ) 联合求解。应用运筹学建立地下矿山运输系统优化模型的很少见。郑艳清等对露天 矿电铲与卡车的运输进行数学建模，并编写了一个模拟软件【2 。阳雨平在“大红山矿地下 矿石运输系统优化与评价中，针对运输系统各工序的优化和设备更新问题作了研究瞄】。 矿业系统模拟在国内外的发展都非常迅速，是矿山运输系统优化的主力军【2 3 】【2 4 】。杨成林和 周科平等针对地下矿山的运输这一庞大而复杂的系统，以云南锡业集团松树脚矿1 3 6 0 水平 运输系统为研究对象，应用离散事件仿真原理，建立了运输系统模型，开发了云锡矿山开 拓运输v r 仿真系统【2 5 】【2 6 1 。张晓霞也对云锡松矿1 3 6 0 主坑运输系统进行建模，利用专用模 拟语言g p s s 建立初始模型，最优方案用p a s c a l 语言编程完善【2 1 7 1 。利用离散系统仿真软件 f l e x s i m 建立仿真模型，进行可视化仿真【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 l 】。 1 2 2c v x o p t 应用现状 模型建好后要解出最优化的配置，对于解的方法，可以采用基于p y t h o n 语言的软件包 c v x o p t t 3 2 】。p y t h o n 语言在国外的应用很多，但在国内的使用却不多见，有很多已经做好的 软件包，对大家开放，可以利用它们给解决问题带来很多方便。c v x o p t 是专门用来求解各 种凸优化问题的模块，在c v x o p t 中又包含了很多求解各种优化问题的模块b a s e 、b l a s 、 l a p a c k 、f f i w 、a m d 、u m f p a c k 、c h o l m o d 、s o l v e r s 、m o d e l i n g 、i n f o 和p r i n t i n g ，综合运用这 些模块里面的函数并以矩阵为基础进行最优化求解。在求解过程中需要对特定的问题用 p y t h o n 语言进行编程。这里简要的介绍下这些模块的作用：b a s e 用来形成、存储和操作稀 疏和稠密矩阵，矩阵乘法等一些基本功能；b i a s 提供基本线性代数子程序；l a p a c k 包含稠 密线性方程组求解、相应的矩阵分解( l u 和c h o l e s k y ) 、解决最小二乘和最小范数问题、 q r 分解、对称特征值问题和奇异值分解；m w 提供离散的f o u r i e r , c o s i n e ，a n ds i n e 变换： a m d 计算稀疏矩阵的近似最小度排序；u m f p a c k 包含4 个求解稀疏非对称线性方程组的函 数：c h o l m o d 可以进行稀疏正定矩阵的c h o l e s k y 分解，求解稀疏正定线性方程组，也能进 行不定矩阵的c h o l e s k y 分解；s o l v e r s 提供凸优化求解的方法；m o d e l i n g 解决带有分段线性 值和约束函数的线性规划和凸优化问题；i n f o 只用于取得版本信息；p r i n t i n g 包含控制矩阵 格式的函数和参数。这种求解方法只要把模型的形式弄清楚把各参数矩阵代入相应的函数 就可以得到结果。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 2 3 仿真及s i m p y 应用现状 无底柱分段崩落法的矿山出矿系统就是一个大的出矿运输系统，运筹学、控制论、信 息论以及计算机技术的不断发展为这类问题的解决提供了越来越多的有效的科学方法与 技术手段。系统仿真是解决这类方法的重要方法之一。由于采矿系统的复杂性，不易用直 接的方法进行考察，因此用仿真模拟的方法能很好的反映真实情况。仿真模拟在计算机上 的实现，可以借助于通用语言，例如f o r t r a n ，p a s c a l 等，也可以通过仿真语言，例 如适用于排队仿真的g p s s ，具有强仿真统计功能的s i m s c r i p t ，可用于离散、连续或混 合系统仿真的g a s p 、s l a mi i 、s m 队n 等等，基于系统动力学进行生态系统、经济系 统、社会系统等仿真的d y n a m o ，和基于微分方程进行连续系统仿真的c s s l 、c s m p 等 等，通用语言的优势在于其构造仿真模型的灵活性，而仿真语言的优势在于其构造仿真模 型的简明性。 s i i i l p y 是一个基于p y t h o n 的离散事件系统【3 3 】【3 4 】【3 5 1 。它使用并行技术处理各种活动组 件。它为程序员提供了一系列工具，包括p r o c 骼s 懿( 进程) ，三种与资源取得及存取有关的 工具分别是r e s o u r c 骼、l e v e l s 和s t o r 船，以及跟踪及记录结果用的m o m t o m 和1 谢l y s 。由 于矿山运输系统的特点，各种设备可能因为各种原因而断续使用和s i m p y 易学好懂的特性， 因此选用s i i n p v 作为仿真的工具。 s i m p y 中最基本的活动元素是进程( 即p r o c e s s 类的实例) ，这种进程可以延迟一会，这 个时间可以是固定或随机的，可以为了得到资源而排队，可以和其他进程或组件互动，或 者被中断。比如在一个加油站的模拟系统，汽车( 进程) 将会为了等候可以使用的油泵而排 队。 s i i n p v 脚本中可以包含一个或多个进程和进程的创建者，每个进程执行它们的进程处 理方法( 简称为p e m ( p r o c e s se x e c u t i o nm e t h o d ) ) ，该方法决定了进程的行为。所有p e m 并 行运行，并且可以与其它进程的p e m 进行交互。 资源工具有三种：r e s o u r c e s 、l e v e l s 和s t o r e s ，每种类型都可以来模拟拥堵点，这时 进程为了获得资源而必须排队等候。 r e s o u r c e s 拥有多个可供进程使用的资源个体。如：一辆汽车在加油站等候一个可供使 用的油泵，我们可以把汽车看作一个进程，加油站看作一个拥有多个油泵的资源。s i l l l p y 会自动把所有等候的汽车放在一个队列中，直到有可用的油泵。s i m p y 允许每辆汽车在加 油的过程中独占油泵，其他车辆只有在它加完油后才能使用该油泵。 l e v e l s 用来模拟生产和消费过程中非常相似的物料。因此，一个物料的实时数量完全 可以用一个标量来表述，可以是整型或浮点型。进程可以通过l e v d 工具来对物料的实时 数量来进行增减操作，如：加油站把汽油储存在大型的储油罐中，油轮将增加加油站储油 量，而来加油的汽车则减少储油量。相对于r e s o u r c e 个体，进程不需要把物料归还给l e v e l 。 s t o r e s 用来模拟生成和消费中的个体项目。进程可以从项目列表中增加或删除项目。 进程在下列两种情况下将会排队，申请r e s o u r c e 不能得到立即满足，或者当l e v e l 或 s t o r e 已经满( 空) 了，还需往( 从) 里面加入( 取出) 物料时。队列对r e s o m c e 的请求或者对 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 l e v e l 和s t o r e 的存取，都由s i m p y 自动控制。这些同样可以用来模拟当超时或有其他事情 发生时的状况。 m o n i t o r s 和t a l l y s 用于实现统计的功能，如等候的时间和队列的长度。统计报表有简 单的平均值、变量、按时间加权平均值或柱状图组成。它们可以从与r e s o u r c e s 、l e v e l s 及 s t o r e s 交互的队列中得到。如：我们可以收集在加油站等候的车辆的平均数量，以及车辆 等候时间的分布情况。t a l l y s 更新当前的统计作为模拟过程，但是不能保存完全的按时间 连续的记录。m o n i t o r s 可以保存完全的按时间连续的记录，作为日后模拟分析的依据。 s i m p y 已经在很多领域使用，不管是有限带宽网络、汽车交通行为、市场和商业性优 化、生物进化的交互作用还是其它“随机 系统，基于p y t h o n 的s i m p y 对这样的建模都 非常适用。 1 3 本文的主要研究内容与研究技术线路 1 3 1 主要的研究内容 研究地下矿山运输系统的特性，运输对整个矿山效益的影响性，运输系统状况和经济 效益之间的关系，使用运筹学中的规划法建立最优模型的方法，使用p y t h o n 的软件包 c v x o p t 进行最优化运算编程方法，使用s i m p y 进行现场仿真模拟技术；使运输系统的配置 能够满足配矿要求，能够满足提高效率的要求，能够满足提高效益的要求；解决运输机械 布置和调度的盲目性和不科学性，减少机械利用的不合理性，为运输机械的布置和调度提 供科学依据。 1 3 2 研究技术线路 通过金山店铁矿收集运输系统的一些运行参数，了解进路、运输巷道、溜井、车场、 破碎硐室矿仓、提升系统等的情况。采用运筹学建立运输系统优化模型，对模型中的函数 表示方式进行研究，使用p y t h o n 的软件包c v x o p t 进行模型求解。使用s i m p y 的仿真模拟 功能进行现场仿真模拟优化，利用p y l a b 进行绘图【3 6 1 ，利用g d a s 中间件、p y t h o n 、a p a c h e 、 p o s t g r e s q l 数据库、j a v a s c r i p t 和层叠样式表技术，建立网络化的运输系统优化仿真模拟 系统。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章运输系统优化研究理论及方法 根据采矿运输系统的特性，它的各个方面都是相互影响的，对其一部分进行优化实质 上也是对整个运输系统进行优化。下面从铲运机出发引出整个运输系统优化的一些适用理 论及方法。铲运机的出矿成本在矿山生产成本中占了较大的比率，直接影响到矿山的经济 效益。影响铲运机选择的因素很多，各个矿山在铲运机选型上都会考虑到其采矿结构参数、 一次崩矿量、年设计产量和经济效益等因素。但长期以来，国内外在这方面的研究都只限 于定性研究的阶段，对铲运机斗容的选择都没有量化的计算方法，通常都是采用类比法或 套用国内外矿山的实例，但由于铲运机的选型与很多参数有关，各个矿山的情况也不尽相 同，无论是采用类比法或套用国内外矿山的实例，效果并不理想。因此，探求铲运机选型 的优化设计方法，可以为决策者在铲运机配置上提供科学的依据。铲运机作为主要的出矿 设备，因为影响其配置的因素多，所以一般采用定性分析的方法确定其配置情况。 2 1 工程类比法 铲运机在我国矿山普遍使用，有的矿山已经使用很多年，在工程实践中摸索出了符合 各自矿山的比较有效的铲运机配置方案，不论是电动铲运机还是柴油铲运机都能找到很多 矿山应用的实例。一个矿山在决定选用铲运机数量和斗容时可以参考自身的经验及其它矿 山已有的经验并结合自身特点而定。在应用工程类比法时，可以把很多矿山的特点及其使 用铲运机的型号、数量、斗容、生产商等各项指标做个统计，以便于提高类比时的可靠性。 2 2 多目标模糊决策法 决策的目标通常不会只有一个，以企业目标决策为例，企业不仅要追求经济目标，如 利润等，而且要承担一定的社会责任，如保护生态环境，促进社会精神文明建设等，即还 有非经济目标。类似这样的企业目标决策问题均具有多目标特点，属于多目标决策问题。 多目标决策具有两个较明显的特点：其一，目标之间的不可公度性。即众多目标之间 没有一个统一标准，如提高经济效益与加强精神文明建设，经济效益提高的效果可以用价 值量指标来衡量，而精神文明建设的成果则不能用价值量指标来衡量，因此，不同目标之 间难以进行比较。其二，目标之间的矛盾性。某一目标的改善往往会损害其它目标的实现， 如经济建设与环境保护等，经济的开发往往会对环境造成破坏性影响【3 7 】。 处理多目标决策问题，一般遵循以下两个原则：原则之一，在满足决策需要的前提下， 尽量减少目标个数。原则之二，分析各目标重要性的大小、优劣程度，分别赋予不同的权 数【3 7 1 。 在现实生活中，很多概念都是模糊的。因此，利用模糊数学进行决策分析的应用就越 来越广，模糊决策方法正成为决策领域中一种很有实用价值的工具。在生产、科研、设计 实践中，可行域为有限集的模糊多目标问题大量存在。例如，一个矿山的n 种设计方案，按 作业成本越低越好，采矿量越多越好，掘采比越低越好，从中选择一个方案，这就是多目标 问题的一个实例。近年来，由于计算机技术的迅速发展，人们把一些先进的应用数学成果应 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 用到如方案确定此类的多目标决策上，这些优化方法的出现使多目标优化理论研究更趋于 成熟。多目标模糊决策是多目标决策理论的一个重要内容，可解决有限可行域的多目标决 策问题，能用于矿山设计方案确定、铲运机斗容选择等等方面。 原理和方法【3 8 1 如下各步： ( 1 ) 多目标决策模型。设多目标决策问题的方案集为下式 n = ( m ，2 ，m ) ( 2 1 ) 向量厂( 忉= ( 石( 忉，以( 忉，z ( 忉，z ( 忉) 表示n 个目标。通常，目标有“效益型 目标、“成 本型”目标、“固定型一目标和“区间型 目标之分。根据目标分类的不同，对目标集g 可 4 作如下划分，即令o = u w , ，且形n = ( f ，j = l ，2 ，3 ，4 ；f ) 。式中，w ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别 i f f i l 为效益型、成本型、固定型和区间型目标集，为空集。 多目标问题的决策矩阵为下式： 彳= 石( i )正( i ) z ( 1 ) 彳( 2 ) 五( 2 ) z ( 2 ) z ( m ) 五( m ) z ( 虬) ( 2 2 ) ( 2 ) 初始模糊决策矩阵的形成。在多目标模糊决策中，首先将决策函数转化成初始的模 糊决策矩阵。然而，目标类型不同，目标模糊概念的隶属度计算方法也将不同。 根据不同目标得出对应的隶属度，那么，初始模糊决策矩阵为力= ( 口) 。，即 爿= 以( 彳( i ) ) 心( z ( 1 ) ) 以( z ( 1 ) ) 4 ( z ( j ) ) ( 六( 2 ) ) ( z ( 2 ) ) 以( 彳( 虬) ) 以( 帆) ) 以( m ) ) ( 2 3 ) ( 3 ) 权重模糊集矩阵。在多目标决策中，还有一个重要因素影响着决策的客观性。这就 是每个目标函数在决策中的权重。权重是一个模糊概念，权重系数可以用权重模糊集隶属 度来表示，由于人们很难直接给出模糊集的隶属度，可以以某一目标为基准( 系数为1 ) ，近似 估算方案各目标的经济指标，并与基准目标比较得一系数。然后对计算方案的所有系数进 行归一化处理，就得到了该方案权重模糊集的隶属度向量。= ( f i ，：，。) 所有方 案的权重模糊向量就组成了权重模糊集矩阵。 w = 瞩， w ： 。 既。既： ( 2 4 ) ( 4 ) 模糊决策矩阵生成。模糊决策矩阵是初始模糊决策矩阵和权重模糊集矩阵的合成， 合成公式如下： 月 日 忻；既 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 a = 【厶；，】 ( 2 5 ) ，= 以( 乃( m ) ) ( 2 6 ) ( 5 ) 希望解确定。根据最优原则，确定希望解h = ( ，j 1 2 ，九) l2 哿野氏 j = 0 ，2 ，刀) ( 2 7 ) ( 6 ) 定义厂( 加对希望解日的平均偏差4 f ( n ) i ) ( 厂( m ) ) = 旷 一 ( 2 8 ) ”j - i 于是，多目标决策就可以转化单目标决策： 艇嚣( 厂( m ) ) 2 艇磐：! 善h 一 一 ( 2 9 ) 2 3 粒子群优化算法 粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 是基于群体的演化算法，被广泛应用于神 经网络训练，任务指派和排序问题，它具有容易执行且计算高效的优点，是由e b e r h a r t 博士 与k e n n e d y 博士发明的一种新的全局优化进化算法【3 9 】【钧】【4 1 1 。其思想源于对鸟类捕食行为的 模拟。r e y n o l d s l 对鸟群飞行的研究发现，鸟仅仅是追踪它有限数量的邻居，但最终的整体结 果是整个鸟群好像在一个中心的控制之下，即复杂的全局行为是由简单规则的相互作用引 起的。p s o 算法就是从这种模型得到启示而产生的，并用于解决优化问题。问题的解对应于 搜索空间中一只鸟的位置，称这些鸟为“粒子”( p a r t i c l e ) 或“主体 i , a g e n t ) 。每个粒子都有 自己的位置和速度，还有一个由被优化函数决定的适应值。各个粒子记忆、追踪当前的最 优粒子，在解空间中搜索。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个“极值 来更新自己：第一 个就是粒子本身所找到的最好解，叫做个体极值点( 用p b e s t ! 表示其位置) ，全局解p s o 中另一 个极值点是整个种群目前找到的最好解，称为全局极值点( 用曲e s t 表示其位置) ，而局部解不 用整个种群而是用其中一部分作为粒子的邻居，所有邻居中的最好解就是局部极值点( 用 l b e s t 表示其位置) 。找到两个最好解后，粒子根据式( 2 1 0 ) 和式( 2 11 ) 来更新自己的速度和位 置。粒子群优化算法流程见图1 。 粒子f 的信息用d 维向量表示，其位置表示为；五= ( 玉。，五：，) 7 ；速度表示为： m = ( m 。，哆：，) r ；速度及位置更新方程分别为： 蜉1 = w 吃+ ，口，l d ? ( p 6 甜矿d ) + c 2 ，口力西( g 协e 一艺) ( 2 1 0 ) 嚣1 = + 略1 ( 2 1 1 ) 式中：w 为惯性权重；吃是粒子f 在第k 次迭代中第d 维的速度；是粒子f 在第k 次 迭代中第d 维的当前位置；q ，c 2 是加速系数或学习因子；r a n d , ，r a n d ：是随机数；p b e s t 甜 是粒子i 在第k 次迭代中第d 维的当前位置；是整个种群在第d 维的个体极值点的位置。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 i 粒子群优化算法流程 2 4 运筹学方法 运筹学根据所解决问题的特征将其分为两大类：确定型模型和概率型模型。确定型模 型主要包括：线性规划、整数规划、目标规划、非线性规划、动态规划、图与网络；概率 型模型主要包括：决策论、对策论、排队论、存贮论等【4 2 】【4 3 州。 运筹学已广泛应用于各个领域，诸如市场预测与销售、生产计划与调度、库存管理、 设备更新与可靠性、工程的优化设计、资源分配、运输问题、企业管理、人事管理、城市 管理、计算机与信息系统、决策咨询、财政与会计等。 1 9 5 7 年，我国在建筑业和纺织业中首先应用运筹学。从1 9 5 8 年开始在交通运输、工 业、农业、水利建设、邮电等方面陆续得到推广应用。比如，粮食部门为解决粮食的合理 调运问题，提出了“图上作业法，我国的运筹学工作者从理论上证明了它的科学性；在 解决邮递员合理投递路线时，管梅谷提出了国外称之为“中国邮路问题”的解法。从6 0 年代起，运筹学在钢铁和石油部门开始得到了比较全面、深入的应用。从1 9 6 5 年起统筹 法在建筑业、大型设备维修计划等方面的应用取得可喜的进展。从1 9 7 0 年起在全国大部 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 分省、市和部门推广优选法。7 0 年代中期，最优化方法在工程设计界受到广泛的重视，并 在许多方面取得成果。排队论开始应用于矿山、港口、电讯及计算机设计等方面。图论用 于线路布置、计算机设计、化学物品的存放等。7 0 年代后期，存贮论应用于汽车工业等方 面并获得成功。近年来，运筹学已趋向研究和解决规模更大、更复杂的问题，并与系统工 程紧密结合。 矿山的生产管理过程，是一个比较复杂的过程，其中可以涉及到许多学科领域的专业 知识。矿山的运输系统，对于不同的采矿方法，在形式上会有所区别。运输系统的确定需 要考虑很多因素，如矿山的年产量、运输设备的出矿能力、运输设备之间的协调、运行成 本等等，存在着很多约束限制条件。矿山企业是资源性行业，既要满足国民经济发展的需 要，又要产生最佳的经济效益。因此，根据具体的矿山实际情况，可以列出效益表达式， 再根据约束情况可以列出相关的约束方程组。有了这些约束方程就可以求解效益最大时的 最佳运输系统配置。 2 5 仿真模拟方法 目前人们普遍接受的系统仿真模拟的概念是：系统仿真是以相似原理、系统技术、信 息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为 工具，利用系统模型为真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。 仿真基于模型，模型的特性直接影响着仿真的实现。从仿真实现的角度来看，系统模 型特性可以分为两大类，一类称为连续系统，另一类称为离散事件系统。由于这两类系统 固有运动规律的不同，因而描述其运动规律的模型形式就有很大的差别，相应地，系统仿 真技术也分为两大类：连续系统仿真和离散事件系统仿真【4 5 】【删【4 刀。 2 5 1 连续系统仿真 连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统。连续系统的模型按其数学描述可以分 为：集中参数系统模型，一般用常微分方程( 组) 描述，如各种电路系统、机械动力学系 统、生态系统等；分布参数系统模型，一般用偏微分方程( 组) 描述，如各种物理和工程 领域内的“场”问题。 2 5 2 离散事件系统 离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。它与连续系统 的主要区别在于：状态变化发生在随机时间上。这种引起状态变化的行为称为“事件”， 因而这类系统是由事件驱动的；而且，“事件 往往发生在随机时间点上，亦称为随机事 件，因而离散事件系统一般都具有随机特性；系统的状态变量往往是离散变化的。 2 5 3 仿真模拟的一般步骤 系统仿真模拟的一般步骤可以用下图描述。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 2 仿真模拟的一般步骤 第一步：建模与形式化。仿真是基于模型的活动，首先要针对实际系统建立其模型。 建模与形式化的任务是：根据研究和分析的目的，确定模型的边界，因为任何一个模型都 只能反映实际系统的某一部分或某一方面，也就是说，一个模型只是实际系统的有限映象。 另一方面，为了使模型具有可信性，必须具备对系统的先验知识及必要的试验数据。特别 是，还必须对模型进行形式化处理，以得到计算机所要求的数学描述，模型可信性检验是 建模阶段的最后一步，也是必不可少的一步，只有可信的模型才能作为仿真的基础。 第二步：仿真建模。其主要任务是：根据系统的特点和仿真的要求选择合适的算法， 当采用该算法建立仿真模型时，其计算的稳定性、计算精度、计算速度应能满足仿真的需 要。 第三步：程序设计，即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述。程序中还要包括仿 真实验的要求，如仿真运行参数、控制参数、输出要求等。早期的仿真往往采用高级语言 编程，随着仿真技术的发展，一大批适用不同需要的仿真语言被研制出来，大大减轻了程 序设计的工作量。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第四步：程序检验。一方面是程序调试，更重要的是要检验所选仿真算法的合理性。 第五步：仿真实验。有了正确的仿真模型，就可以对模型进行实验，这是实实在在的 仿真活动。它根据仿真的目的对模型进行多方面的实验，相应地得到模型的输出。 第六步：仿真输出分析。以往，输出分析的方法尚未能引起人们的足够重视。实际上， 输出分析在仿真活动中占有十分重要的地位，特别是，对离散事件系统来说，其输出分析 甚至决定着仿真的有效性。输出分析既是对模型数据的处理，同时也是对模型的可信性进 行检验。 在实际的仿真模拟过程中，上述的每一个步骤往往需要多次反复和迭代。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章金山店铁矿采矿运输系统概况 3 1 矿区概述 金山店铁矿位于湖北省大冶市金山店镇，铁路运输至铁山1 3 k m ，至武钢9 1 k m ，交通 方便。金山店铁矿包括张福山和余华寺两个矿区。余华寺矿区原为焦作分矿，2 0 0 1 年l o 月与金山店铁矿合并，成为金山店铁矿的一个矿区。张福山矿区以0 2 5 撑勘探线为界分为东、 西两个区，0 2 5 群勘探线以东称为东区，0 2 5 4 勘探线以西称为西区。 张福山矿床位于金山店侵入岩体南缘罗咸益、张福山和罗同云一带。矿化范围西起3 线，东至5 2 线，长3 5 0 0 m ，南北宽1 0 0 6 0 0 m ，共分布大小1 0 0 个矿体，其中规模较大的 有i 、i i 、i i i 、v 和v i 等矿体，但i 和i i 号矿体占矿床探明储量的9 0 以上，其他矿 体基本为小型矿体。 余华寺矿床距金山店铁矿约3 k m ，位于金山店镇与保安镇交汇处。为典型的矽卡岩型 铁矿床。区域构造上位于保安复式背斜南翼，金山店侵入体北缘西段。矿区地层主要为三 迭系上统蒲圻群紫色砂页岩和中统嘉陵江灰岩，受区域构造的控制呈近东西向分布。矿床 赋存该套地层与燕山期酸性侵入体的不整合接触带。矿床东西长1 8 k m ，面积约2 k m 2 。现 探明- - 2 0 0 米以下大小矿体共计5 个，主要矿体为i 号，规模较大。其它矿体规模比较小。 3 2 采矿结构参数及方法 张福山矿区4 1 0 m 以上中段高度为7 0 m ，_ 4 l o m 以下改为9 0 m 。现在张福山东、西区 已开采到2 9 8 m ，矿块长度延走向8 0 m ，进路间距1 6 m ，落矿步距3 4 m 。余华寺矿区开采 到2 1 4 m ，矿块长度5 0 m ，进路间距1 0 m ，落矿步距2 m 。目前仍然采用无底柱分段崩落法。 矿石仓的容量为1 2 4 7 m 3 ，废石仓的容量为m l m 3 。 其采矿方法以后的发展如下： ( 1 ) i i 号矿体3 4 0 m 中段以下采用自然崩落法；3 4 0 m 中段以上采用分段留矿崩落法。 ( 2 ) i 号矿体全部采用无底柱分段留矿崩落法。 ( 3 ) 余华寺矿区采用无底柱分段留矿崩落法。 3 3 出矿运输系统概况 矿山工作制度：3 0 6 d a ，3 班d ，8 n 班。现阶段使用井底车场图如下图3 1 所示。为了 达到设计的生产能力，出矿运输系统必须具有足够的运力，2 0 0 9 年设计生产情况见表3 1 。 辫朴世兼昌o，c-酃叁爵in匝 o 8 撙 哂 g 截杀转茎 娥截捌智 k 联秘靼欺崮匿糊辅 ! 彳 区匿kk 嚣融雕蒜磊 罨 田j 封倒b 删+ h 斗h 怔限 7 一一口 s 辔髫尝辔窖岔k 量l ! 。 i l 一。 一 i f = 蜮n _ 昧 钗秘迥扑书隧特璐东聪培 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 1 矿石的运搬 张福山矿区出矿采用美国瓦格纳e s t - 3 5 电动铲运机，斗容3 o i i l 3 。其效率为2 8 万t a ， 电缆有效长1 2 0 m ，总共台数为1 0 台。余华寺矿区使用6 台，斗容2 0 m 3 的柴油铲运机出 矿设备。 表3 12 0 0 9 年设计生产能力 2 0 0 9 年 帧编艟胡枢貅 采出矿碱黜翟釉黜警脯 采出矿石量( t ) 。 1 4 矿体西区 11 6 9 1 0 7 9 3 7 9 5 4 4 3 6 7 6 4 5 2 8 9 8 1 0 矿体东区 3 0 1 1 9 2 13 9 11 1 7 7 6 6 1 l 2 4 矿体 3 4 8 3 6 1 43 0 91 0 7 “3 6 7 l ”矿体西区 6 813 3 8 63 7 1 l2 5 2 8 4 4 7 5 - 2 9 8 3 1 21 4 矿体东区 - 3 4 0 2 。矿体 1 4 矿体西区 3 1 2 3 2 61 4 矿体东区 2 0 矿体 1 9 0 3 3 0 余华寺 5 0 0 0 0 03 3 9 81 6 9 9 0 0 合计3 0 0 0 0 0 0 0 03 6 3 9 1 0 9 1 8 3 0 9 9 3 3 2 矿石运输 现在坑内主运输中段设在3 4 0 m 中段，采用有轨运输，矿石运输量3 0 0 力t a ，废石运 输量4 5 万t a 。矿石体