矿业系统工程

论矿业系统工程一、 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、分形系统理论、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一。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。这种发展可以追朔到本世纪50年代初的运筹学应用研究迅猛发展时期。1951年，D.Hicks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.Dunlap和H.H.Jacobs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.Ware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中。1957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；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.Allais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矿大。1961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24次，发表论文1600篇，参加者近9000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：a） 矿床勘查中的探井或者钻孔布局优化的随机模型；b） 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；c） 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）；d） 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；e） 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；f） 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；g） 矿山岩体工程应力场分析的有限元、边界元、离散元及耦合模型；h） 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；i） 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的工程过程模型（包括线性规划模型）和投入产出模型；11、 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70年代中期，甚至更早，至今已有20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：a） 将现代科学方法与手段，引入到采矿工程管理系统的分析、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。b） 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在深刻变化的今天，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；c） 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，以本人之见，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：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。再加，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手段一一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。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、有效地解决所以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，用于采用新方法、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、市场竞争力日益增强的情况下立于不败之地。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设计逻辑思维、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。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位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，而不能对其适应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。本人认为，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。a） 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像学、模糊系统理论、模式识别理论、人工智能技术、仿真技术等；b） 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，企业经营争端与预测，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。c）开展矿业经济系统研究，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；②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；③矿业经济系统的模型分析、经济量预测和影响因素评估等问题的研究；④矿业投资决策分析，诸如矿床和建设项目的技术经济评价方法、投资项目的资本构成及融资方式等问题的研究；⑤矿业结构分析，诸如矿山企业内部结及其变化规律、矿业与其它产业间的相互作用规律等问题的研究；⑥矿业政策研究，诸如矿业投资与信贷、矿业税收、矿产价格管制、矿业补贴、矿产储备、土地资源管理、区域发展、环境保