（采矿工程专业论文）应用系统工程提高申南凹煤矿综采工作面单产的研究与实践.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 应用系统工程提高申南凹煤矿综采工作面单产 的研究与实践 摘要 我国矿山，尤其是地下矿山，是一个庞大而复杂的系统，长期受到 管理水平低下、生产效率低、成本高、浪费大、经济效益不佳问题的困 扰，在当前市场经济大潮的冲击下更显得难以适从。而矿山系统工程正 是一项改善矿山系统结构、提高矿山系统功能的实用技术，因此，大力 发展和广泛应用矿山系统工程是形势发展的需要，它将对提高我国矿山 经营管理水平，改善其经济效益起到重要作用。 矿山系统工程是依据矿山工程内在规律，利用系统工程的观点和方 法，研究和解决矿山系统的规划、设计、旋工、生产中的问题，使其在 系统总体上达到优化的科学技术。将系统工程的一般原理、理论和方法 与矿山具体特点相结合，解决矿山系统问题，是矿山系统工程的主要内 容。 应用系统工程对矿山系统进行分析，不仅是采取数学手段，通过建 立模型进行优化，还包括采用系统的思想观点，对矿山系统中的各个环 节进行分析，站在系统的高度，归纳、总结矿山系统运行中出现的各种 问题，进而提出改进方案，以期优化系统。 乡宁县申南凹煤矿是国有煤矿，在当地率先实现了综合机械化采煤， 太原理工大学硕士研究生学位论文 为推动全县采煤方法改革起到了模范带头作用。然而先进的设备并没有 带来产量的大幅提高和效益的快速增长，综采单产一直萎缩不振成为该 矿面临的一大难题，矿方也因此提出了“提高综采单产”的课题。 针对申南凹煤矿提出的“提高综采单产”的课题，本文应用系统工程 的思想和方法，结合生产实际，对整个矿井生产系统，特别是综采生产 系统进行了系统分析；在统计数据的基础上，通过应用可靠性的理论方 法，对综采工作面系统进行了可靠性分析；通过一定的方法建立了综采 面数学模型，并编制程序实现综采面的动态模拟与产量预测功能，为矿 井管理提出了一种科学方法。根据分析所得到的各种定性、定量的信息， 提出了改进系统的意见，取得了阶段性产量快速提高的成果，并为矿井 今后的生产工作提出了具体的建议。 系统分析、可靠性分析以及计算机模拟都是本文用来实现提高综采 单产采用的思想观点和技术手段，都是以提高综采工作面开机率为目的 的。本文是应用系统工程的思想观点和可靠性的理论方法提高地方煤矿 产量的一次实践，是矿业系统工程实际应用的一次探索。 地方煤矿采煤方法改革正不断深化，很多中小煤矿陆续购买综采设 备，装备综采工作面，申南凹就是其中一例。本文围绕提高申南凹煤矿 综采单产所采用的研究方法与得到的结论，对其他地方煤矿采煤方法改 革具有借鉴和指导意义。 关键词系统工程，综采，可靠性，计算机模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yan da p p l i c a t i o no na p p r o v i n g o u t p u to fs h e n n a n w am i n e b ys y s t e me n g i n e e r i n g a b s t r a c t m i n e so fo u rc o u n t r y , e s p e c i a l l yt m d e r g r o u n dm i n e s ，a l eh u g ea n d c o m p l i c a t e ds y s t e m s f e a z e db y s u c hp r o b l e m sa sl o wm a n a g e m e n tl e v e l ，l o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , h i g hc o s t ，e t l o r m o u se x p e n s ea n d b a de c o n o m y b e n e f i t ， t h e s em i n e sl o o ka sd i f f i c u l tt od e a l 谢lt h et i d eo fm a r k e te c o n o m y m i n i n g s y s t e me n g i n e e r i n gi sj u s tap r a c t i c a lt e c h n o l o g yt h a ta i m sa ti m p r o v i n g m i n e s y s t e mc o n t r a c t u r ea n de n h a n c i n gm i n es y s t e mf u n c t i o n s o ，i ti sn e c e s s a r y t o d e v e l o pa c t i v e l ya n da p p l ya b r o a dm i l l es y s t e me n g i n e e r i n g ，i tw i l lp l a ya g r e a tr o l ei na d v a n c i n gm a n a g e m e n tl e v e l o fm i n e sa n di m p r o v i n gt h e i r e c o n o m y b e n e f i t a c c o r d i n g a si n t r i n s i cl a w so fm i n e s y s t e m a n d u s i n gs y s t e m e n g i n e e r i n g v i e w p o i n t sa n dm e t h o d s ，m i n es y s t e me n g i n e e r i n g a i m sa t s t u d y i n ga n ds o l v i n gp r o b l e m si nl a y o u t ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dp r o d u c t i o n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 o fm i n es y s t e m , t h e nu l t i m a t e l y o p t i m i z i n gt h e w h o l em i n e s y s t e m c o m b i n i n gs y s t e me n g i n e e r i n g c o m m o np r i n c i p l e ，t h e o r ya n dm e t h o d sw i t h c o n c r e t ef e a t u r e so fm i n es y s t e mt os o l v ep r o b l e m so fm i n es y s t e m ，i st h e m a i nc o n t e n to f m i n es y s t e me n g i n e e r i n g a p p l y i n gs y s t e me n g i n e e r i n gt oa n a l y s em i n es y s t e mn o to n l yi n c l u d e s e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i cm o d e l st oh e l pt oo p t i m i z es y s t e m ，b u ta l s oi n c l u d e s a n a l y z i n ge a c ht a c h eo fm i n es y s t e mb ya p p l y i n gi d e o l o g ya n dv i e w p o i n t so f s y s t e me n g i n e e r i n g ，a n d t h e na tt h ea n g l eo fs y s t e mt os u ma ma n d s u m m a r i z ep r o b l e m si nm i n es y s t e mr u n n i n g ，p u tf o r t hb e t t e r m e n ts c h e m e ， a n du l t i m a t e l yo p t i m i z et h em i n es y s t e m s h e nn a nw ac o a lm i n eo fx i a n gn i n gc o u n t yi sas t a t ec o a lm i n e i t f i r s tr e a l i z e si n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n gi nx i a n gn i n gc o u n t y , w h i c h m a k e si tt a k et h el e a di nt h ec o u n t yf o ri m p u l s i n gt h er e f o r mo fm i n i n g m e t h o d s h o w e v e r , a d v a n c e de q u i p m e n t sh a v e n ta d d e dp r o d u c t i o nh e a v i l y a n dh a v e n ti n c r e a s e de c o n o m yb e n e f i t t h ep r o d u c t i o no f s i n g l ew o r k f a c eo f i n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n gh a ss t i l lb e e nl o w e r , i th a sb e e nah a n g - u p f o rs h e nn a nw ac o a lm i n e ，s ot h ec o a lm i n ep u tf o r t ht h er e s e a r c hp r o b l e m o f i m p r o v i n gp r o d u c t i o no fs i n g l ew o r k f a c eo fi n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o n m i n i n g ” a i m e da tt h er e s e a r c hp r o b l e mo fs h e nn a nw ac o a lm i n ea b o u th o wt o i m p r o v ep r o d u c t i o no fs i n g l ew o r k f a c eo fi n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o n 面n i n g ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ew h o l ep r o d u c t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ep r o d u c t i o n s y s t e mo fi n t e g r a t i v e m e c h a n i z a t i o nm i n i n gi s a n a l y z e da c c o r d i n g t o p r o d u c t i o np r a c t i c ei ns y s t e me n g i n e e r i n g si d e o l o g ya n dm e t h o d s ；o nt h e b a s i so fs t a t i s t i co fp r a c t i c a ld a t u m p l e n t i e so fw o r k sa l ed o n ea b o u th o wt o a p p l yr e l i a b i l i t yt h e o r yt oa n a l y z et h ep r o d u c t i o ns y s t e mo fw o r k f a c eo f i n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n g ；m a t h e m a t i cm o d e li s s e tu pb ys o m e m e a n s ，p r o g r a m m e sa l ew o r k e d o u tt or e a l i z ef u n c t i o n so fd y n a m i c s i m u l a t i n ga n dp r o d u c t i o np r e d i c t i n ga n dt h e np u tf o r t has c i e n t i f i cm e t h o d f o rm i n em a n a g e m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a d v i s et oi m p r o v es y s t e ma l s oi s p u tf o r t ha c c o r d i n gt oa l lk i n d so fq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o n f r o ma n a l y s a t i o n ，a n dd u r i n gs o m ep e r i o dt h i sc o a lm i n e p r o d u c t i o ne v e r i n c r e a s e d s o m ec o n c r e t ea d v i c ei sa l s og i v e nf o rt h ec o a lm i n et oi m p r o v e i t s p r o d u c t i o nw o r k s y s t e ma n a l y z a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n a l y z a t i o na n dc o m p u t e rm o d e l i n ga l e a l lm e t h o d sa n dt e c h n i c a lm e a n su s e dt oi n c r e a s ep r o d u c t i o no fs i n g l e w o r k f a c eo fi n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n g m e i ra l m sa r ea l lt oi m p r o v e b o o t - s t r a p r a t ei nw o r k f a c e o fi n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n g t h i s d i s s e r t a t i o ni sap r a c t i c et o a p p l ys y s t e me n g i n e e r i n g v i e w p o i n t sa n d t e c h n i c a lm e a n st oi m p r o v ep r o d u c t i o no fl o c a lc o a lm i n e ，a n di sa l s oa e x p l o r a t i o nt oa p p l ym i n i n gs y s t e me n g i n e e r i n g l o c a lc o a lm i n e sa l ed e e p e n i n gt h er e f o r mo fm i n i n gm e t h o d s ，m a n y v 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e d i u ma n dl i t t l ec o a lm i n e s b u yi n t e g r a t i v e m e c h a n i z a t i o n m i n i n g e q u i p m e n t st oe q u i pt h e i ri n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n gw o r k f a c e s s h e n n a nw hc o a lm i n ei so n eo ft h e m 1 1 1 cr e s e a r c hm e t h o d sa n dc o n c l u s i o n s a b o u th o wt oi n c r e a s ep r o d u c t i o no fm e c h a n i z a t i o nm i n i n gw o r k f a c e si ns h e n n a nw ac o a lm i n ei nt h i sd i s s e r t a t i o na l s oh a v ev a l u eo fr e f e r e n c ea n d g u i d a n c ef o re l s el o c a lc o a lm i n e s k e yw o r d ss y s t e m e n g i n e e r i n g ，i n t e g r a t i v em e c h a n i z a t i o nm i n i n g ， r c l i a b i l i 劬c o m p u t e rm o i l i n g v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 1 1 1 选题的背景 能源问题不仅关系到国家的经济安全，而且还涉及到国家的政治安全。根据有关 机构统计与预测，在我国的能源消费结构比例中化石能源的比重很大，其中煤炭资源占 据着极其重要的地位，长期以来，煤炭在中国一次能源生产和消费构成中均占2 3 以上。 中国煤炭资源丰富，在未来的相当长的时间内，以煤为主的能源供应格局不会改变。 随着加工转换和利用技术水平的提高，煤炭可以成为高效、清洁利用的能源。“十五” 时期是中国煤炭工业结构调整的重要时期，要通过实施大集团、科教兴煤、洁净煤、 综合经营四大战略，促进煤炭工业健康发展。 近年来，煤炭行业发展态势良好，出现了供不应求的局面，但是仍然存在着一些 问题，直接影响着煤炭行业的经济效益和安全效应，主要表现在【2 1 ： 组织结构不合理。没有形成产、运、销一体化综合经营体系，经营效益受外部 条件制约严重。 技术和装备水平低。全国煤矿非机械化采煤占6 0 以上，大中型矿井设备老化， 小型矿井生产技术装备水平极低。煤矿用人多、效率低。乡镇煤矿生产工艺落后，破 坏和浪费资源现象十分严重。 产品结构单一。大量原煤未经加工直接燃烧，洁净煤技术开发和应用进展缓慢。 煤炭产业链短，高附加值产品少。 煤矿安全事故居高不下。“安全第一”的思想意识淡薄，安全生产责任制不落实， 管理不到位，安全技术与装备水平低，事故隐患多，矿井防灾抗灾能力差。部分地区煤矿， 特别是不具备安全生产基本条件的小煤矿，重大、特大事故频繁发生，造成人民生命、 财产重大损失。 太原理工大学硕士研究生学位论文 资源枯竭矿区转产困难。长期以来，大部分煤矿企业靠国家财政补贴维持生产 及职工生活，没有资金积累，资源枯竭煤矿自身难以退出或进行结构调整，实现产业转 移。绝大多数煤矿处于经济不发达地区，且远离城市，富余人员就业困难，影响社会稳 定。 矿区环境综合治理进展缓慢。煤矿地表塌陷面积日益扩大，煤矸石堆积占地增 加，部分矸石山自燃，矿区瓦斯排放量大，粉尘浓度高，生态环境恶化的势头没有得到遏 制。 实施科教兴煤战略，采用先进适用技术和高新技术，引入科学的管理和经营观念， 推进大型煤矿改造，建设高产高效矿井，推进企业节能降耗，保护矿区生态环境，促进煤 炭工业的可持续发展，将对我国社会和经济的长远发展产生积极的影响。 1 1 2 选题的目的与意义 众所周知，我国矿山，尤其是地下矿山，是一个庞大而复杂的系统，长期受到管 理水平低下、生产效率低、成本高、浪费大、经济效益不佳问题的困扰，在当前市场 经济大潮的冲击下更显得难以适从。而矿山系统工程正是一项改善矿山系统结构、提 高矿山系统功能的实用技术，因此，大力发展和广泛应用矿山系统工程是形势发展的 需要，它将对提高我国矿山经营管理水平，改善其经济效益起到重要作用【3 1 。 乡宁县申南凹煤矿是国有煤矿，在当地率先实现了综合机械化采煤，为推动全县 采煤方法改革起到了模范带头作用。然而先进的设备并没有带来产量的大幅提高和效 益的快速增长，综采单产一直萎缩不振成为该矿面临的一大难题，矿方也因此提出了 “提高综采单产”的课题。 本文主要采用系统分析的方法，结合可靠性计算及计算机模拟，对矿山系统中的 多个环节进行分析、归纳、总结，进而提出改进系统的意见，以实现提高申南凹煤矿 综采单产的目的。 系统分析、可靠性分析以及计算机模拟是本文用来实现提高综采单产采用的思想 观点和技术手段，都是以提高综采工作面开机率为目的的。本文是应用系统工程的思 想观点和可靠性的理论方法提高地方煤矿产量的一次实践，是矿业系统工程实际应用 的一次探索。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 矿业系统工程的形成，是以6 0 年代初期运筹学和电子计算机被广泛引入矿业领 域为主要标志的。1 9 6 1 年在美国亚利桑那州图森城召开了第一届“国际电子计算机和 运筹学在矿业中应用大会”( a p p l i c a t i o no fc o m p u t e r sa n do p e r a t i o n sr e s e a r c hi n m i n e r a l si n d u s t r i e s ，简称a p c o m ) 。四十多年来，矿业系统工程经历了6 0 年代的初 步形成，7 0 年代的应用扩展和8 0 年代广泛而深入地发展。现在，矿业系统工程的发 展从深度和广度上开始进入了成熟阶段。在矿业领域，应用系统工程的理论和各种定 量分析方法以及电子计算机有效地解决矿业系统的组建、运行和管理问题已成为国内 外矿业界人士公认的事实，而且逐渐被许多从事实践工作的矿业工程师和管理者所接 受嗍。 前苏联在研究和解决煤矿开采问题中，曾经采用的传统方法是方案比较法和数学 分析法5 1 。6 0 年代开始采用系统工程学的观点、方法和电子计算机技术，主要是在传 统方法的基础上发展成为综合优化的方法。其中，在矿井系统优化方面所作的工作最 多，系统也最大。1 9 6 4 年开始已经编制了单一煤层矿井、分区开拓矿井、水采矿井 等几十个优化设计的经济数学模型，并在实际矿井设计，特别是典型的矿井设计中得 到应用。 美国( 包括美洲国家) 采用系统工程解决采矿问题也是从6 0 年代开始，其中大 量的模型和程序是用于金属矿和露天矿 6 1 。用以研究和解决煤矿地下开采最早的是宾 西法尼亚州立大学的c b 曼纽拉和r 罗迈尼，他们所编制的地下开采运输系统模拟 模型，包括1 0 个子系统：外部环境、内部环境、地质储量、采矿方法、岩石控制、 物料运输、支护、其他( 安全、卫生) 等。这样的模型是有一定代表性的，它反映了 美国系统工程在煤矿中应用的基本情况。 值得注意的是，在第2 6 届a p c o m 会议上，虚拟现实矿井( 0 m o n e ) 论 文的发表，标志着美国已经开始将v r ) ( v i r t u a lr e a l i t y 虚拟现实) 技术应用于矿井 安全教育工作中【7 1 。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国矿业系统工程应用的研究大体上开始于7 0 年代末，1 9 8 0 年在中国矿业大学 北京研究生部举办第一期系统工程与运筹学培训班，1 9 8 6 年中国煤炭学会成立了煤 矿系统工程专业委员会。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【2 】。 一、在理论研究上己赶上国际先进水平，并有自己的特色，这主要表现在： 1 、已应用各种理论和方法。 矿业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。 2 、己涉及我国矿山的各个领域。 矿业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，使得矿业系统工程的应用更加 广泛。 3 、具有自己的特长。 经过我国科技工作者的努力，我国的矿业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 8 0 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，9 0 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。 二、在实际应用上落后于国际先进水平。 如果说，我国矿业系统工程在理论研究上和国外相比只存在l 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： 1 、应用广度上的差距。 我国矿业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。 2 、应用深度上的差距。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国矿业系统工程的应用，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，则少如风毛麟 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。 三、模仿多于创新。 我国的矿业系统工程，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a u t o c a d 作为 c a d 技术的工作平台，我国也同样使用。至于地质统计学，g p s 应用等复杂技术，更是 以引用为主。 综合国内外研究现状发现，大多数对矿山系统的研究，是利用运筹学、规划论等 数学方法对系统进行优化，但是系统工程不应该仅仅是构建模型，利用数学手段进行 优化，还应包括采用系统的思想观点，对研究对象进行分析。本研究就是采用系统分 析的方法，结合可靠性理论与计算机模拟的技术，对地方煤矿生产系统进行分析，归 纳、总结各种影响因素，进而提出优化措施，改善系统。 1 3 本文研究的主要内容 国内外近代煤炭工业发展的经验表明，煤炭工业与一般的加工业不同。单靠先进 的技术或设备，并不一定能把产量和工效搞上去。如何用好先进的技术和设备，乃是 取得理想经济效益的关键。对综合机械化采煤而言，一方面，先进的高生产能力设备， 当然有助于产量和工效大幅度的提高；另一方面，设备种类和数量的增多，也使其故 障停顿时间增加，这又不利于提高产量和工效【8 】。 申南凹煤矿隶属于申南凹焦煤有限公司，是山西省乡宁县国有煤矿。在改革开放 的大潮中，率先成功地实现了高档普通机械化采煤和综合机械化采煤，这在全县采煤 方法改革的进程中，写下了辉煌的一页，为全县安全生产树立了榜样，起到了模范带 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 头作用。但是事物的发展不会是一帆风顺的，在申南凹煤矿采煤机械化发展过程中， 充满了困难和曲折。这其中，最主要的问题是地质条件不利造成的困难，随之也暴露 出其它方面的一些问题。所有的矛盾可以归结到或表现在一个问题上，这就是综采单 产过低。 本文的主要内容，就是结合申南凹煤矿生产实际，应用系统工程的思想和方法， 对整个矿井生产系统，特别是综采生产系统进行分析；在统计数据的基础上，通过应 用可靠性的理论方法，对综采工作面系统进行可靠性分析，包括计算系统可靠度、绘 制主次图进行主次因素分析、绘制鱼刺图进行结果分析；并且采用系统的思想观点对 申南凹煤矿在生产过程中出现的各种不利因素进行疏理、总结、分类，最终得出影响 综采单产的分析结果并有针对性的提出优化措旌；最后通过一定的方法建立综采面数 学模型，并编制程序实现综采面的动态模拟与产量预测功能。 一、论文的具体内容 1 、对申南凹煤矿综采生产系统的调查研究 整理该矿前一综采面的产量数据，推算年产量和开机率：对研究期间综采生产系 统进行阶段性的调查研究，为系统分析提供根据。 2 、系统分析与优化 根据可靠性理论，在统计数据的基础上，计算综采工作面的可靠度，接着进行主 次因素和结果分析，寻找系统薄弱环节，为提出改善系统的决策提供依据；根据综采 系统调查研究的结果进行分析，并依据综采面可靠性分析得到的定性、定量信息，提 出改善系统的建议。 3 、计算机随机模拟 分析综采实际系统，建立数学模型，编制随机模拟程序对综采工作面进行动态模 拟，实现预测产量和开机率的功能。 二、创新点 1 、将矿业系统工程的理论方法与地方煤矿的实际结合。 2 、不拘泥于建立模型求解的模式，采用了系统分析的方法，站在系统的高度， 分析、归纳和处理问题。 3 、在没有停工误时数据的情况下，利用产量反推了开机率，继而推算了年产量； 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 综采面可靠性计算时，没有采用故障率、维修率，而是通过可工作时间与不能工作时 间来计算，并对统计的采煤机开机时间做了修正。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章矿山系统工程的概念与方法 2 1 矿山系统工程简介 2 1 1 系统的概念 自然界和人类社会的事物，都是多个相互关联、互相制约的元素共处的统一体， 或者说，都是由相互关联着的元素组成的元素集，它们是以集体行为完成特定功能的 有机集合体。我们把自然界和人类社会的这样一些由相互关联、相互制约、相互作用 的一些部分组成的、具有某些功能的有机整体，叫做“系统”【9 】。生物、城市、汽车、 电子计算机、家庭、采煤机可以是一个系统，一个工作面，一个现代化矿井也可以是 一个系统，工业、农业甚至一个国家、整个世界、银河系都可以认为是一个个系统。 构成系统的元素本身也可能是系统，其相对于原来的系统来说是子系统，子系统 本身又可以由更基本的元素组成，形成一种多级层次结构。例如，城市系统就包含了 城市交通、城市经济、公用事业( 煤气、水、电、通讯、供暖) 、和能源等子系统。 这些子系统各有不同的体系结构，都有其基本元素【4 1 。 一、系统的物质流、能量流与信息流 任何一个企业全部活动可以概括为物质、能量与信息的流动过程。以煤矿为例， 输入的物质和能量为材料、设备、电能、新鲜风流等，输出的物质和能量为煤、矸石、 排出的水、排出的风流等。资金是物化劳动，它的周转也属于物质的流动过程。 在生产活动中，还有一项极为重要的、研究工作中容易忽视的内容，这就是信息 的生产和运动过程。通过人工或设备采集到信息，传递给决策者，再通过人脑或计算 机对信息进行处理后，发出控制信息来控制生产，这就是信息流的运动过程。 在这一过程中，企业为国民经济不仅生产了物质产品，而且生产了大量的信息产 品。一个企业能否以最少的物质流输入来换取最大的有效物质流的输出，关键在于能 否有一个准确反映实际情况并能作出最优控制的信息流。国内外越来越认识到，在信 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 息流上采用新技术、新设备，其重要性不亚于在物质流上采用新技术、新设备。 二、自然系统与人造系统 按照系统组成要素的性质与区别，可以把系统分为自然系统与人造系统两大类。 自然系统就是自然界本来存在的系统，它的特点是自然形成的，比如生态系统、星空 系统等：人造系统是人工创造出来的系统，如矿井、工厂、生产管理系统等。 一般人造系统包括三种类型： ( 1 ) 人们从加工自然物中获得的零部件组合成的工程技术系统； ( 2 ) 一定的制度、组织、程序、计划等组成的管理系统； ( 3 ) 根据人们对自然现象与社会现象的科学认识，创立的科学体系与技术体系。 实际上，系统工程中处理的系统，大多数是自然与人造相结合的复合系统。 三、系统的特征 一个人造系统或复合系统，应当具有以下几个特征： ( 1 ) 目的性。人造系统均具有确定的目标，而且往往不止一个目标，因此是多目标 的系统。 系统的目标决定着系统的基本作用和功能。系统目标是依据系统存在的问题和解 决问题的需要来确定的，因此，搞清系统存在的问题，对其有深刻的分析和清晰的理 解是至关重要的。系统目标可以定性地表述，也可以定量地表述，但应当尽量数量化。 系统目标通常由一系列翻译系统本质特征和整体特性的指标体系来体现。 系统的目标有着层次的结构。在系统的总目标之下一般都有数个层次的分目标。 各个层次的指标相互联系、相互制约，共同反映系统的整体特征。系统的分目标应当 在总目标指导下确定，就是说系统的分目标集必须保证总目标的实现。在一般情况下， 系统的相互独立的分目标之间可能存在着矛盾。 ( 2 ) 集合性。系统的集合性说明系统至少由两个或两个以上的相互区别的要素所组 成，一个要素构不成系统。 ( 3 ) 相关性。系统的组成要素是相互作用、相互依存又相互制约的，相关性则说明 这些要素之间的关系。系统的相关性可能表现在系统要素的空间结构、排列顺序、时 间序列、数量比例、相互作用、信息传递以及操作程序、管理方式等方面，这些关系 构成了系统的相关关系集。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 层次性。系统作为一个相互作用要素的总体，有着一定的层次结构。系统结构 的层次性包括等级性和多侧面性两重含义。等级性是指任何一个复杂系统都可以从纵 向上把它分解为若干等级，即存在着不同等级的系统层次关系。这种分解的基本标志 是目标，不同的功能目标要求产生不同的等级子系统。低一级的子系统是高一级系统 的有机组成部分。系统结构的多侧面性则是指任何同一级的复杂系统，又可以从横向 上分为若干相互联系和相互制约、又各自相对独立的分系统。 系统的层次性体现了系统目标逐级的具体化和系统要素及其相互关系，在系统结 构中的位置和隶属关系。 ( 5 ) 整体性。整体性是从协调的侧面说明上述四个特征的，即具有独立功能的系统 要素以及要素间的相互关系和在阶层上的分布，只能根据逻辑统一性的要求而协调统 一于系统的整体之中。这说明，系统作为有若干相互作用、相互联系的要素以一定方 式有机地结合而形成具有一定结构和功能的统一整体。因此，它的本质特征就是有机 的整体性。作为整体性主要表现为整体联系的统一性，即整体与要素之间、要素与要 素之间、系统与环境之间联系的统一性。 系统整体性表明，任何一个要素不能脱离开整体去研究，离开了整体就失去了作 为该整体的要素的品格，要素间的联系和作用以及层次分布也失去了意义。系统整体 性还表明系统的整体功能不等于各要素功能的简单相加，即整体不等于它的部分之 总和”。对于要素内在联系紧密、组织化程度高的系统来说，一般是整体大于它的部 分之总和”，这就是著名的亚里士多德的哲学命题，也有人称之为系统整体性原理。 这一原理成为人类在改造自然、改造社会的实践中应遵循的行动准则，从而也成为现 代系统工程中系统设计与实施的整体化原则。 ( 6 ) 环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，因此，它必然要与 外部环境发生物质、能量和信息的交换，必须适应外部环境的变化。能够经常与外部 环境保持最佳适应状态的系统是理想的系统，不能适应环境变化的系统是没有生命力 的。 ( 7 ) 动态性。系统的整体联系是在运动中进行的，随着时间的推移而发生变化。 矿山系统是一个复合系统，因此它也具有系统所具有的一般特征，同时又有许多 鲜明特点，这里以煤矿为例加以说明： 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 各异性。各煤田、矿区、矿井、采区、甚至工作面不同部位的地质条件不尽相 同，相应地所采用的开采技术、工艺与可能获得的效果及显现的规律也有不同程度的 差异，这样就增加了寻求普遍统一规律和理论解答的难度。依据实践，具体条件下总 结的规律、经验公式、显现特征、优劣评价等，只能在相似的矿山地质和开采技术条 件下、特定的时限内有限的类比和应用，不可无限地推广。 ( 2 ) 生灭性。煤矿开采的采掘地点不断移动，要不断地掘进新的巷道，准备并开采 新的采煤工作面、新采区、新矿井以至新矿区，这就是生；不断地采完原有的生产工 作面、采区、矿井以至矿区，报废旧有的井巷及工程设施，这就是灭。新老巷道、采 煤工作面、采区、矿井、矿区生生灭灭滚动发展的过程，形成了采矿系统的动态变化， 由此又派生出三个特点：为了维持煤矿的持续生产，要自始至终做好新老工作面、采 区、矿井的接替，处理好采掘关系成为矿井持续发展的重要工作；许多工程为一次性 使用，为维持煤矿生产要不断地投入建设资金，耗用资金多，采矿成为资金密集的行 业：矿井建设带有一定的替补性质。生产矿井、矿区的衰减和报废，减少了煤炭生产 能力总量，为了维持全国、省区、矿区的煤产量，就要进行矿井建设，因而在一定意 义上，建设新矿区、新矿井不完全是为了扩大再生产。为使煤炭工业满足日益增长的 国民经济发展需要，既要有与用煤量增加相适应的超前建设与投资，又要有维持简单 再生产的替补性煤矿建设投资，才能保证煤炭生产建设与国民经济建设协调发展。 ( 3 ) 流逝性。煤矿开采的是不可再生的天然资源。进行开采总是伴随着有限资源储 量的注销、剩余服务年限的缩短、直至生产能力的衰减。 ( 4 ) 贫瘠化特性。无论是部属新矿区，还是矿区的矿井布局、矿井的开采水平和采 区布置，各采煤国都是执行先近后远、先浅后深、先易后难和先优后劣的顺序。因而 总的趋势是煤矿开采的资源日益贫瘠，开采条件日益困难，新矿区开发环境趋于恶化， 导致采矿业成为规模效益递减的行业。这既要求增加科技投入，依靠科技进步，提高 煤炭开采的技术水平和经济效益，又要在保证供需平衡的基础上控制开发规模，不使 其过大。 ( 5 ) 风险性。矿井开采是地下作业，要与顶板、水、火、瓦斯、粉尘等灾害作斗争。 尽管已经发展了各种安全开采技术，但在复杂的条件和随机因素作用下，仍有一定风 险。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 系统工程 系统工程，就是把所研究的对象看作一个系统，从系统的认识出发，设计规划、 实施和管理这个整体，以求达到人们所希望得到的效果。换句话说，任何一个系统的 组织建立，有效运转都是一项系统工程【1 0 】。 系统工程( s y s t e me n g i n e e r i n g ) 是- - f q 新兴的、综合性很强的边缘学科，尚处于 发展阶段，所以至今尚未形成统一的定义。国外对定量化系统思想方法的实际应用相 继取了不同的名称，如：运筹学( o p e r a t i o n r e s e a r c h ) 、管理科学( m a n a g e m e n t s c i e n c e ) 、 系统工程( s y s t e me n g i n e e r i n g ) 、系统分析( s y s t e ma n a l y s i s ) 、系统研究( s y s t e m r e s e a r c h ) 、费用效果分析( c o s t e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i s ) 等等。根据国内外一些学者 对“系统工程”概念的不同解释，我们对系统工程的基本含义和特点概括如下【4 】： ( 1 ) 系统工程是系统科学的重要组成部分，是它的应用部分，是一大门类工程技术。 它以系统论的思想、观点为指导，以控制论、信息论和运筹学等为方法论，以行为科 学和各类工程科学为背景，综合运用应用数学、运筹学等优化技术和计算机等为手段， 把研究对象作为系统对其进行分析、设计、评价、建造、控制和组织管理，使其各组 成部分互相协调、互相配合以达到系统的整体功能和效益最佳。 ( 2 ) 系统工程的核心思想是系统的整体性原则，一切系统都是由各子系统( 或要素) 有机综合的整体，其功能不等于各子系统的功能的简单总和。所以，在研究和处理系 统问题时，要以系统的整体目标最佳为准则，全面考虑和处理系统各组成部分之间以 及系统与环境之间的关系。避免只见树木，不见森林的局部观点。系统工程要求局部 服从全局，它不要求所以子系统都处于最佳状态。 ( 3 ) 系统工程作为一门工程技术，其主要特点之一在于它的实践性和技术应用上的 综合性。系统工程的实践性特点表现在它是改造客观世界，即改造自然系统和创造人 类社会所需要的各种系统的应用技术。因此，它强调实践效果。它不仅要求运用各种 数学方法、优化技术和计算机技术以及控制理论等来实现系统的分析和设计，而且还 要求应用工程的方法、步骤和程序，应用大量社会实践总结的成功经验和各种实用技 术来解决系统组建和组织管理等实际问题。在解决实际问题的过程中，离不开具体的 环境和条件，离不开事物本来的性质和特征，因而避不开客观事物的复杂性，必然要 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 综合运用各种学科和技术领域内的成果。一切工程技术无不如此，都是综合性的，系 统工程更是如此，可以说，它是高度综合性的工程技术。 ( 4 ) 系统工程的另一特点在于它是软技术组织管理的技术。在科学技术领域， 由传统的重视有形产品转向现代更加重视无形产品带来的效益，这“无形产品”就是软 科学或软技术的应用。系统工程是软科学的最重要的组成部分。 2 1 3 矿业系统工程与矿山系统工程 一、矿业工程与矿业系统工程 近几十年来，系统科学、运筹学以及