矿业大学采矿系统工程总论.ppt

1 采矿系统工程 任课老师 周伟 2 考核方式 闭卷 课时 40 满分 100分 邮箱 zhw19820624 3 主要参考书 先修课程 采矿学 概率论与数理统计 线性代数 运筹学基础 计算机系列课程 1 采矿系统工程 云庆夏2 系统工程原理 谭跃进等3 系统工程原理与方法 徐克绍4 系统工程基础与应用 谢家平5 系统工程理论 方法与应用 第二版 汪应洛6 矿山系统工程的基本方法与信息论的应用 陈鸿章7 矿业系统工程 辛竟敏8 矿业系统工程 况礼澄 4 总论 一 系统工程 1 系统的基本概念 1 1系统的概念 现代系统的概念 能量守恒 细胞 进化论 辩证唯物主义 系统思想和系统工程 系统这一概念来源于人类长期的社会实践 朴素的系统概念 在古代的哲学思想中得到了反映 系统思想的发展 经验 哲学 科学 总论一 系统与系统工程 5 总论一 系统与系统工程 1 2系统的定义 一般系统论 的创始人贝塔朗菲 奥地利 认为 系统可以定义为相互关联的元素的集合 前苏联学者A N 乌约莫夫关于系统的定义是 可以把系统定义为客体的集合 在这个集合上实现着带有固定性质的关系 6 日本工业标准对系统的定义是 许多组成部分保持着有机的序 并向着同一个目标行动 就称作系统 韦氏辞典把系统定义为 系统是有组织的或是组织化了的总体 以及构成总体的各种概念 原理和规则的相互作用及相互依赖诸要素的集合 钱学森等学者对系统的定义是 系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的 具有特定功能的有机整体 7 1 3系统的特征与复杂性对于这些定义 尽管表述不同 但是他们都共同地指出了系统的三个基本特征 第一 系统是由元素所组成的 第二 元素间相互影响 相互作用 相互依赖所构成的元素关系 第三 由元素及元素间关系构成的整体具有特定的功能 系统无所不在 各种系统组成客观世界 总论一 系统与系统工程 8 系统的具体特征 系统的复杂性 1 整体性 1 构成系统的元素往往是个系统 2 相关性 子系统 系统的多层次性 3 目的性 2 系统涉及的因素往往是多维的 4 有序性 3 系统是由不同质的要素集合 5 动态性 4 系统可以是包括人在内的人 机 6 环境适应性 系统 9 1 4系统的分类我们可以从不同角度对系统进行分类 1 按研究对象分类 实体系统与概念系统 如工程系统 经济系统 教育系统 商业系统 城市系统 军事系统 环境系统 人口系统 社会系统等等 2 从系统形成角度分类 自然系统 人工系统 有人参与的复杂系统 3 按系统结构分类 集中系统 多级递阶系统和分散系统 4 依据系统依赖时间变化分类 静态系统和动态系统 总论一 系统与系统工程 10 5 依据系统复杂性分类 简单系统 复杂系统 6 依据系统是否具有不定性进行分类 确定性系统 不确定性系统 7 按系统开放性分类 开放系统 封闭系统 孤立系统 封闭系统和开放系统 8 根据组成系统的于系统数量 种类及关联复杂程度分类 简单系统 巨系统 简单巨系统和复杂巨系统 开放的复杂巨系统 11 1 5系统的结构与功能 1 系统的结构大千世界有各种各样的系统 每种系统的具体结构大不一样 大系统的结构往往是很复杂的 但是从一般的意义上讲 系统的结构可以用以下式子表示 2 系统的功能各种系统的特定功能是大不一样的 从一般的意义上讲 系统的功能如图所示 系统的功能 处理或转换 输入 输出 总论一 系统与系统工程 12 总论一 系统与系统工程 2 系统工程2 1系统工程的定义 1 大英百科全书 1974年版 认为 系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效地组织起来用以解决综合性工程问题的技术 2 1975年美国科学技术辞典对系统工程解释为 系统工程是研究复杂系统设计的科学 该系统由许多密切联系的元素所组成 设计该复杂系统时 应有明确的预定功能及目标 并协调各元素之间及元素和总体之间的有机联系 以使系统能从总体上达到最优目标 在设计系统时 要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用 13 3 1977年日本学者秋山穰和西川智登把系统工程定义为 系统工程是为了把对象创造出来或者在改善的时候 最优地并且最有效地达到该对象的目的 根据系统的思考方法 把它作为系统而进行开发 设计 制造及运行的思考方法 步骤以及各种方法的综合性的工程体系 4 1977年三浦武雄认为 系统工程的目的是研制一个系统 而系统不仅涉及到工程学的领域 还涉及到社会 经济和政治等领域 所以为了适当地解决这些领域的问题 除了需要某些纵向技术以外 还要有一种技术从横的方向把它们组织起来 这种横向技术就是系统工程 14 总论一 系统与系统工程 5 1978年钱学森对系统工程的定义是 系统工程是组织管理系统的规划 研究 设计 制造 试验和使用的科学方法 是一种对所有系统都具有普遍意义的方法 6 中国大百科全书 1991年版 指出 系统工程是 从整体出发合理开发 设计 实施和运用系统的工程技术 它根据总体协调的需要 综合应用自然科学和社会科学中有关的思想 理论和方法 利用电子计算机作为工具 对系统的结构 要素 信息和反馈进行分析 以达到最优规划 最优设计 最优管理和最优控制的目的 15 总论一 系统与系统工程 从以上各种对系统工程的定义可以看出 系统工程是以有人参与的复杂大系统为研究对象 按照一定的目的对系统进行分析与管理 以期达到总体效果最优的理论与方法 通俗地 对系统工程可以这样进行概括 就是 所谓 系统 就是对所研究的问题 从 总体 上去考察 分析与研究 所谓 工程 就是 最优 地去处理所研究的系统问题 因此 所谓系统工程就是寻求 总体最优 的理论与方法 再简化概括而又不失本质地去定义系统工程 可以认为系统工程就是处理系统的技术 16 从以上观点可以看出 系统工程是在系统思想的指导下 用近代数学方法和计算机工具来研究一般系统的分析 规划 开发 设计 组织 管理 调整 控制 评价等问题 使系统整体最佳地实现预期目标的一门综合性的工程技术 也有人把系统的分析 综合 模拟 最优化等 称为狭义的系统工程 即我们常说的系统工程 而把为了合理地进行系统的研制 设计 运用等项工作所采用的思想 程序 组织 方法等内容称为广义的系统工程 17 总论一 系统与系统工程 2 2系统工程在现代科学技术中的地位 1 系统工程的特点 系统工程不是某一类系统的工程技术 而是研究各种系统的普遍规律的一门学问 系统工程具有多学科综合性的特点 是现代自然科学发展高度综合的产物 系统工程从整个系统的最优出发 首先确定整体的目标 然后决定各元素所必须的性能 并利用各元亲间的巧妙联系和协调运转来实现总体目标 2 系统工程的科学地位系统工程作为一门工程技术 在现代科学技术体系中具有一定的地位 钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构 认为从应用实践到基础理论 现代科学技术可以分为四个层次 首先是工程技术这一层次 然后是直接为工程技术作为理论基础的技术科学这一层次 再就是基础科学这一层次 最后是通过进一步综合 提炼达到最高概括的马克思主义哲学 18 2 3系统工程的产生与发展系统工程是以已有的科学和技术为基础 将各种科学和技术融合起来 而又重新体系化了的科学与方法 系统工程是在工业工程 质量管理 人机工程 价值工程以及计算机科学等学科的基础上发展起来的 系统工程的发展大致可以分为萌芽 发展和初步成熟三个时期 1 萌芽时期古代 20世纪上半叶 系统与系统工程的思想的产生 2 发展时期20世纪中叶 运筹学的发展与应用 系统工程概念的形成 3 初步成熟时期20世纪下半叶 系统工程方法论 系统工程的内容 系统工程体系的建立 总论一 系统与系统工程 19 总论一 系统与系统工程 20 总论一 系统与系统工程 2 4系统工程的方法与步骤系统工程作为一种相对独立完整的知识体系 应具有一套科学的工作方法和步骤 它只是一种处理问题的一般步骤与方法 是一种基于原则的系统思考过程 在实际运用它的时候 出于每个人的具体情况不同 所运用的方法与步骤是多样的 由于具体对象的不同 所运用的方法与步骤也各不相同 通常情况下 系统工程思考问题和处理问题的方法 一般称为系统方法 它是在深入研究系统概念 系统的基本组成和性质的基础上 把研究对象作为系统来考虑进行分析 设计 创造和运用的基本思想方法 这种方法体系的实质就是运用系统思想和各种数学方法以及电子计算机工具来实现系统的模型化和最优化 以此进行系统分析和系统设计 21 系统工程思考问题和处理问题时是按一定的工作程序进行的 在此我们介绍美国贝尔电话公司的霍尔于1969年提出的系统工程的三维结构图 它概括了系统工程的工作步骤和阶段 以及它所涉及的各种专业知识 它为解决规模较大 结构复杂 涉及因素众多的系统 提供了一个统一的思考方法 22 霍尔的 三维结构 指的是 对于所处理的系统问题 从所需要专业知识 处理问题的思维步骤和处理问题的工作程序阶段 即相应称之为 知识维 逻辑维 和 时间维 的三维结构的系统工程工作模型 霍尔三维结构是美国通信工程师和系统工程专家霍尔于1969年提出的 它的出现 为解决大型复杂的规划 组织 管理提供了一种统一的思想方法 因而在世界各国得到了广泛应用 23 总论一 系统与系统工程 24 总论一 系统与系统工程 三维结构中的时间维 表示系统工程工作的各个阶段 一般分为七个阶段 1 规划阶段按客观需要 探索应建立什么样的系统 提出建立这个系统的目的 定出系统工程活动的规划 2 拟定方案提出具体的计划方案 3 研制阶段根惦拟定的方案进行系统研制 并制定出生产计划 4 生产阶段生产和加工出系统的全部零 部件 并提出安装计划 5 安装实验阶段把制成的零部件按照计划组装成系统 并完成调试工作 6 运行阶段系统按照预定的功能投入使用 7 更新阶段根据系统运行情况 对原系统不断地进行改进 或取消旧系统以新系统代之 25 总论一 系统与系统工程 三维结构中的逻辑维 亦称思考过程 是指实施系统工程的每一个工作阶段所要经历的步骤 它也是运用系统工程方法进行思考 分析和处理问题时遵循的一般程序 一般分为七个步骤 即 1 摆明问题按系统的观点 弄清需要解决什么问题 希望达到什么要求 尽量全面地收集有关要解决问题的历史 现状和发展趋势的资料和数据 2 系统指标设计提出所解决问题希望达到的目标 并制定出衡量是否达到目标的评价指标 3 系统综合按照问题的性质和系统目标的要求 提出若干个替代方案 对每个替代方案都列出其费用 资源消耗 功能等指标 并说明其优缺点 4 系统分析通过建立模型 把所有替代方案与系统的评价指标联系起来 以便对这些方案进行分析比较 26 5 系统优化精心选择方案中的参数 使各替代方案都尽量均衡地满足系统的评价指标最优 6 决策根据系统优化的结果 选出最优方案 若最优方案有多个时 进一步考虑一些定性目标 最后决策出一个或几个方案 7 实施计划根据最后选定的方案 拟定具体的实施计划 并组织实施 如果实施中遇到问题 则需返回到相应的步骤 不断修改 直到完善为至 三维结构中的知识维 是指为完成上述各阶段 各步骤的工作所需要的各种专业知识和技术知识 霍尔把这些知识分成工程 医学 建筑 商业 法律 管理 社会科学和艺术等 应该强调指出的是 由于系统的综合性 除了包含系统的专门知识外 还包括跨学科的知识 钱学森教授认为 系统工程的理论基础 除了共同性的基础之外 每门系统工程又有各自的专业基础 这是因为对象不同 当然要掌握不同对象本身的规律 例如工程系统工程要靠工程设计 军事系统工程要靠军事科学等 总论一 系统与系统工程 27 在进行上述过程中必须强调的是 由于人们的认识不能一次完成 应该进行多次的反复 不断修改系统目标 补充与扩展新的系统方案 完善系统模型 进行系统优化分析与决策分析 以作出更好的系统选择 我国学者钱学森于1989年提出 综合集成法 是对系统工程方法论研究方面作出的新贡献 从定性到定量的综合集成法指的是 在处理开放复杂巨系统时 将专家群体 数据和各种信息与计算机仿真有机地结合起来 把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来 发挥综合集成系统的整体优势去解决复杂系统问题 复杂系统具有多变量 多层次 结构复杂 机制复杂 跨学科的特点 采用定性和定量相结合 科学理论和人的经验知识结合起来 依据系统思想把多种学科结合起来 把宏观研究与微观研究结合起来 通过系统分析 完成对复杂巨系统认识上从定性到定量的飞跃 所以综合集成法具有解决开放复杂巨系统问题的能力 总论一 系统与系统工程 28 复习 1 系统与系统工程的基本内涵 3 霍尔的 三维结构 2 系统基本特征 29 本节课内容 1 采矿系统工程内涵 特点 形成与发展 3 系统工程基础理论与技术 2 系统模型及其建立 30 二 采矿系统工程 1 采矿系统工程的内涵 总论二 采矿系统工程 传统的矿业工程学 硬科学 矿业系统工程 在某种意思上 是矿业开发的 软科学 采矿系统工程是由采矿工程学与系统工程学相结合面形成的一个新的学科分支 已成为系统工程在各行各业中开展较为充分的一大分支 31 根据采矿工作的内在规律和基本原理 以系统论和现代数学方法研究和解决采矿工程综合优化问题的采矿工程学科分支 2 矿业系统工程的特点 矿山开采的工作地点是不断推移变化的 随机性很强 复杂多变的人工一自然复合系统 由多个子系统组成的复杂的人工 自然大系统 32 总论二 采矿系统工程 3 矿业系统工程的形成与发展 矿业系统工程的形成标志 以20世纪60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 1961年 美国亚利桑那州图森城 第一届 国际电子计算机和运筹学在矿业中应用大会 20世纪60年代初步形成70年代应用扩展80年代广泛而深入的发展目前从深度和广度上进入了成熟阶段 矿业系统工程形成与发展 33 总论二 采矿系统工程 20世纪50年代后期和60年代初期我国矿业界应用定量分析方法 如经济数学模型和运筹学中的统筹方法 线性规划等来研究矿山设计和生产管理问题 1978年之后系统工程和电子计算机等现代科学技术被广泛引入矿业工程界 开始了我国矿业系统工程的发展时期 34 三 系统模型及其建立 1 系统工程技术 系统工程 主要内容 基本任务 总论三 系统模型及其建立 35 辨识技术 最优化技术 计划评审 评价技术 预测技术 决策技术 系统因素众多 结构复杂 目标多样 功能综合通过系统的辨识来解决目前用于大规模复杂系统辨识的常用方法是解析结构模型技术 模型化技术 常用的系统工程技术 总论三 系统模型及其建立 36 总论三 系统模型及其建立 模型化技术 模型化是系统工程的核心内容系统模型是系统优化和评价的基础系统模型是系统工程的基本要求 系统模型化技术主要有结构模型化技术 分析模型技术 系统仿真模型技术 通过系统模型化 就可以对系统进行解剖 观测 计量 变换 试验 掌握系统的本质特征和运行规律 常用的系统工程技术 辨识技术 37 总论三 系统模型及其建立 系统最优化是系统工程主要追求的目的之一优化技术是应用数学的一个分支 有些优化问题可用微积分等基础工具去解决 而更多的问题需要用到专门的数学方法 辨识技术 最优化技术 模型化技术 常用的系统工程技术 38 总论三 系统模型及其建立 从空间结构看 是多种因素组成的有机整体从时间结构看 是多环节构成的有机序列完整的系统空间结构与恰当优化的时间序列相结合 构成具有网络特征的流程图自1957年 关键路线法 CPM 在美国杜邦公司用于基建项目和1958年 计划评审技术 PERT 在北极星导弹计划应用以来 反映系统复杂关系的网络理论和技术得到了很大发展 辨识技术 最优化技术 计划评审 模型化技术 常用的系统工程技术 39 总论三 系统模型及其建立 系统评价就是对系统的价值进行评定其主要作用是通过系统评价技术 将系统方案排序 以便从众多的可行方案中找出最优方案 为决策提供依据 迄今为止 评价方法技术已发展到数十种 但较为常用的有费用 效益分析 关联矩阵法 关联树法 层次分析法 模糊评价法 可能 满意度法等 辨识技术 最优化技术 计划评审 评价技术 模型化技术 常用的系统工程技术 40 总论三 系统模型及其建立 辨识技术 最优化技术 计划评审 评价技术 预测技术 模型化技术 系统预测是依据过去和现在的有关系统及其环境的已知材料 运用科学的方法技术 发现和掌握系统发展与运行中的固有规律 并按此规律去探求系统发展的未来 预测的主要作用是为决策者提供科学的预见和决策依据 同时为产生多个系统方案和优化系统方案提供方法手段 现今 预测方法技术已发展到上百种 主要可分为定性预测技术和定量预测技术两大类 常用的系统工程技术 41 辨识技术 最优化技术 计划评审 评价技术 预测技术 决策技术 模型化技术 系统决策是指决策者根据系统的各种行动方案及其可能产生的后果信息所作的判断或决定 它所起的主要作用是使决策过程得到数据和定量分析的支持 使决策所需的信息全面而清晰地展现给决策者 从而有助于决策者正确决策 决策技术按决策环境可分为三种类型 即确定型决策 风险型决策 不确定型决策 常用的系统工程技术 总论三 系统模型及其建立 42 总论三 系统模型及其建立 2 系统模型 2 1系统模型的定义 系统模型是把系统的各个构成要素通过适当的分解 筛选 抽象和归纳等工作之后 用某种表现形式描述出来的简明映象 即模型是系统理想化的抽象或简化表示 是实际系统的代替物 模型具有以下三个持征 现实世界的一部分的抽象或模仿由那些与分析的问题有关的因素所构成表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系 现实性易处理性适应性 43 总论三 系统模型及其建立 2 2使用系统模型的必要性 人类认识和改造客观世界的研究方法 一般来说有三种 即实验法 抽象法 模型法 模型法既避免了实验法的局限性 又避免了抽象法的过于概念化 所以它成为现代工程中一种最常用的研究方法 1 系统开发的需要 2 经济上的考虑 3 安全上的考虑 4 时间上的考虑 5 系统模型容易操作 分析结果易于理解 44 总论三 系统模型及其建立 模型比实际系统容易操作要实现模拟分析 就必须建立模型可以用最少的时间和费用可靠地开发最优的系统有些系统很难或根本就不能用以做试验通过灵敏度分析 可以看出哪些要素对系统的影响更大了解系统结构 研究系统特征 预测未来趋势 评价方案 2 3模型的作用 45 总论三 系统模型及其建立 2 4模型的分类 系统是多种多样的 所以对不同的对象系统 甚至对同一对象系统因不同目的 不同的研究侧面 系统模型可以有各种不同的形态 因此必须对系统模型进行分类 46 总论三 系统模型及其建立 3 系统模型的构造 现实性 简明性 标准化 1 客观性 2 简明性 3 准确性 4 通用性 5 适应性 6 标准化 系统建模需要技术与艺术相结合 在掌握了系统各要素的功能及其相互关系的基础上 将复杂的系统分解成若干可以控制的子系统 然后 用简化的或抽象的模型来替代子系统通过对模型进行分析和计算 为有关的决策者提供必要的信息 3 1原则与要求 47 推理法实验法统计分析法混合法类似法 3 2系统建模的主要方法 48 总论三 系统模型及其建立 3 3构造模型的基本步骤 明确系统目的和要求 系统环境产生的约束条件 弄清系统中的主要因素及相互关系 建立语言