計算機在礦山過程中的應(yīng)用

1、計算機在礦山工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展摘要隨著計算機工業(yè)的大力發(fā)展，微型機在采礦工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣 泛，其應(yīng)用深度和廣度也日益增加。采礦等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)要實現(xiàn)飛躍發(fā)展，必須與信 息科技相結(jié)合。目前我國礦山企業(yè)信息化改造的薄弱環(huán)節(jié)是生產(chǎn)技術(shù)的改造，有 必要將信息技術(shù)直接嵌入到采礦生產(chǎn)工藝與過程中去。本文將對計算機技術(shù)在采 礦工業(yè)中的應(yīng)用進行分支綜述，并對其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進行扼要分析。關(guān)鍵詞采礦工業(yè)計算機應(yīng)用人工智能通信一、礦山系統(tǒng)工程理論知識的發(fā)展與應(yīng)用計算機在采礦工業(yè)中應(yīng)用的一個重要方面是礦山系統(tǒng)工程。礦山系統(tǒng)工程始 于50年代，源于計算機與運籌學(xué)在礦業(yè)中的應(yīng)用，當(dāng)時只是運用運籌學(xué)的一些 方法來解決

2、那些運算工作量不很大的采礦工業(yè)中的一些實際問題；到了70年代 中期，計算機在采礦工業(yè)中得到了應(yīng)用，從而促進了礦山系統(tǒng)工程的發(fā)展；到 了70年代末80年代初，采礦工業(yè)中已應(yīng)用大中型計算機來解決科研、設(shè)計、生 產(chǎn)中的一些復(fù)雜與運算工作量很大的實際問題，我國的礦山系統(tǒng)工程有了進一 步的發(fā)展；近幾年來微型計算機的普遍使用，多種計算機技術(shù)的引進與開發(fā)使 得礦山系統(tǒng)工程向縱深發(fā)展，計算機在采礦工業(yè)中的應(yīng)用亦更廣泛、更深入，幾 乎涉及到了采礦工業(yè)中的各個方面。由于采礦工程研究的對象是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的手工設(shè)計方法 難以實現(xiàn)礦山設(shè)計的優(yōu)化。同時，現(xiàn)在的礦山企業(yè)處于激烈的市場競爭中，只有 作出生產(chǎn)成本

3、最低、產(chǎn)品質(zhì)量最好的開采計劃，優(yōu)化開采作業(yè)，才能在市場競爭 中穩(wěn)步發(fā)展。而傳統(tǒng)的手工方法編制開采計劃過于繁瑣，常常是計劃完成時已過 時而不能用；受時間限制，也不能進行風(fēng)險評價和敏感分析及編制多方案計劃 進行比選。計算機技術(shù)和礦山系統(tǒng)工程的發(fā)展為此提供了有效的手段。其 應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：礦山開采優(yōu)化設(shè)計、采掘接替專家系統(tǒng)、礦山生產(chǎn)動態(tài)管理 系統(tǒng)、礦山信息管理系統(tǒng)等。二、計算機技術(shù)在采礦工業(yè)中的應(yīng)用在采礦工業(yè)中，計算機作為科研與管理人員的輔助工具，主要用來進行數(shù) 值計算、數(shù)據(jù)管理、繪圖模擬，后來發(fā)展到知識處理和圖像分析。采礦系統(tǒng)的規(guī) 劃與決策、礦巖穩(wěn)定性分析與力學(xué)性質(zhì)的預(yù)測、工程設(shè)計參數(shù)的確定與優(yōu)

4、化等， 都離不開數(shù)值計算，尤其是其中一些計算方法（如：有限元法）復(fù)雜、計算量大, 需借助計算機來實現(xiàn)。采礦工業(yè)在數(shù)值計算方面的發(fā)展主要是采用和研究一些新 的算法和數(shù)學(xué)理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、遺傳算法等，并與灰色理論、模糊數(shù)學(xué)、 小波分析或其他算法相結(jié)合，以便解決采礦工業(yè)中不確定因素較多，數(shù)學(xué)模型 難以建立的實際問題。計算機繪圖在采礦工業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。首先，繪圖與數(shù)值計算結(jié)合緊密， 由最初的計算曲線繪制發(fā)展到三維數(shù)值模擬?，F(xiàn)已建立了各種三維模型，如：三 維礦床模型、采礦或巖體工程的開挖與充填三維模型、露天礦邊坡穩(wěn)定性分析三 維模型、等等。另一方面，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)進行工程制圖和

5、工 藝設(shè)備的設(shè)計。隨著地下礦山的開采深度增加，許多露天礦也已轉(zhuǎn)入深凹開采， 需要研制新型采掘與運輸工藝設(shè)備，因此，CAD技術(shù)在這方面有著廣闊應(yīng)用 前景。圖像分析技術(shù)也逐漸應(yīng)用于采礦工業(yè)中。利用攝像或CT探測技術(shù)獲取圖 像，由計算機對圖像進行分析處理，從中獲取某些特征參數(shù)或信息。該技術(shù)可用 于地質(zhì)勘探、礦物鑒別、礦巖節(jié)理與斷層識別、露天礦爆堆塊度分析，等等。采礦生產(chǎn)過程依賴于各種采礦知識和工程經(jīng)驗，如：礦體特征、巖石的類 型、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、錨桿支護和采運設(shè)備選型、采礦方法選擇，等等。為此，人們 建立了各種各樣的礦業(yè)知識庫和專家系統(tǒng)，以實現(xiàn)礦業(yè)知識的獲取、存儲和處理, 并且逐步將各種人工智能理論與技

6、術(shù)應(yīng)用到采礦工業(yè)中。計算機輔助設(shè)計技術(shù)計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign,簡稱CAD）作為一種成熟的計算 機技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計、建筑工程等領(lǐng)域，礦業(yè)領(lǐng)域也不例外。該技術(shù)主 要通過二維或三維圖形進行工程設(shè)計與優(yōu)化。在采礦工業(yè)中，最常用的輔助設(shè)計 開發(fā)軟件是AutoCAD,它具有較強的繪圖功能和開放的體系結(jié)構(gòu)，可作為二次開 發(fā)平臺，方便的進行功能的擴展，在國內(nèi)外礦山得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國的 許多礦山和大學(xué)科研機構(gòu)合作在Auto-CAD平臺上開發(fā)出多種實用的礦山輔助設(shè) 計軟件。數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)是在采礦工業(yè)中應(yīng)用最早也是最成熟的計算機技術(shù)，它 的研制與

7、應(yīng)用使得大量數(shù)據(jù)能在計算機中進行存儲、加工、查詢、更新和修改。 目前它已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計、生產(chǎn)管理等日常生產(chǎn)活動。在這些 實際應(yīng)用中，有的是僅僅應(yīng)用數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)，有的是把數(shù)據(jù)庫管理信息 系統(tǒng)與其它應(yīng)用軟件結(jié)合起來應(yīng)用。目前新開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)是智能數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)（IDS）,這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在新的數(shù)據(jù)加入原數(shù)據(jù)庫后，原數(shù)據(jù)庫可以 自動對整個數(shù)據(jù)進行重新組織或安排，以保證對數(shù)據(jù)查詢和處理的有效性和快 速性。人工智能人工智能技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等技術(shù)。在20世紀(jì) 80年代以來，人工智能技術(shù)在礦業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。實際上，就其研究 成果和發(fā)展趨勢來看

8、，人工智能大致包括符號智能、計算智能和人工生命等3個 方面。3.1符號智能符號智能與專家系統(tǒng)在采礦工業(yè)中的應(yīng)用符號智能是以物理符號系統(tǒng)為基 礎(chǔ)，研究知識的表示、獲取和推理。這就是以知識為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)人工智能（或稱 為知識工程階段）。專家系統(tǒng)是該階段的典型代表，從80年代起就開始廣泛應(yīng) 用，并出現(xiàn)了各種專家系統(tǒng)開發(fā)工具。專家系統(tǒng)也是人工智能在采礦工業(yè)中應(yīng)用 最早、最廣泛的領(lǐng)域。在90年代，各種各樣的礦業(yè)專家系統(tǒng)紛紛面世，比如：巖 石力學(xué)與工程專家系統(tǒng)，礦山井巷工程專家系統(tǒng)、采礦方案與設(shè)備選擇專家系統(tǒng)、 礦山安全專家系統(tǒng)，等等。具體應(yīng)用包括：工程巖體的分級與分區(qū)，邊坡和圍巖 的穩(wěn)定性分析，頂板錨桿支

9、護和巷道圍巖支護的設(shè)計，采礦方法選擇、開拓運輸 方案選擇、鏟運機選型、爆破設(shè)計、瓦斯或事故的預(yù)防，等等。應(yīng)用幾乎涉及到 采礦生產(chǎn)過程的各個方面。礦業(yè)專家系統(tǒng)將來的發(fā)展主要是綜合應(yīng)用人工智能的 理論與方法。在知識獲取方面，除了引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能外，還可研究和綜 合應(yīng)用諸如歸納學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)、解釋學(xué)習(xí)、遺傳學(xué)習(xí)、知識發(fā)現(xiàn)等各種機器學(xué) 習(xí)方法，以實現(xiàn)知識的自動獲取。在知識表示與推理方面，除了引入模糊邏輯之 外，還需研究其它更有效的方法，特別是高效的不確定性推理和基于范例的推 理方法。3.2計算智能（1）專家系統(tǒng)是人工智能的一個重要分支，它將人類專家的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為計算機 程序，進行智能化決策，也就是

10、說，專家系統(tǒng)是一種模擬專家決策能力的計算 機系統(tǒng)。目前在采礦工業(yè)中開發(fā)研制的專家系統(tǒng)有：露天礦邊坡穩(wěn)定性分析專家 系統(tǒng)、礦山設(shè)備選型決策支持專家系統(tǒng)、煤層自燃發(fā)火預(yù)測專家系統(tǒng)、礦山錨桿 支護設(shè)計與選型專家系統(tǒng)和露天礦爆破專家系統(tǒng)等。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對專家的思維進行模擬，利用它的良好的自學(xué)習(xí)、聯(lián)想、非 線性動態(tài)處理、自適應(yīng)等方法，從積累的工程事例中獲取知識，形成實用的網(wǎng)絡(luò) 模型，主要用于推理決策。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來解決礦業(yè)中的模式識別、分類、 預(yù)測、函數(shù)映射、組合優(yōu)化、知識獲取等一系列問題。自90年代初期以來，它 在礦業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。具體應(yīng)用實例有：地下巷道或采場頂板可能破壞模 式的識

11、別、機器狀態(tài)模式識別與故障診斷、巖石分級、崩落礦巖流動性分級、礦 石品位估算、礦山壓力預(yù)測、泥化夾層錯動帶殘余強度預(yù)測、礦山頂板初次或周 期來壓步距預(yù)測、礦巖力學(xué)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)的預(yù)測、巖爆與瓦斯預(yù)報、礦業(yè)可持 續(xù)發(fā)展評價、礦山損失貧化分析、巖體工程可靠性分析、采礦方法選擇，等等。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展主要是學(xué)習(xí)算法的改進，同其它數(shù)學(xué)理論與方 法和專家系統(tǒng)等智能技術(shù)相結(jié)合，并且擴大應(yīng)用、增強解決實際問題能力。目前， 在地下采礦方法合理識別、礦石品位估計等方面得到應(yīng)用。（3）模糊系統(tǒng)（Fuzzy Systems）是對人腦的模糊性軟件思維能力的模擬，它以 模糊集合論為基礎(chǔ)，利用人類模糊性語言

12、描述的知識經(jīng)驗來分析和解決問題。采礦工業(yè)中存在很多模糊的不確定信息，礦業(yè)專家的很多經(jīng)驗和推理方法 也很難用精確的公式來表達，為了解決這類問題，人們引入了模糊理論。模糊理 論在礦業(yè)中的應(yīng)用可分兩大類：數(shù)值計算和不確定性推理，智能模糊系統(tǒng)主要 指后一種應(yīng)用。在礦業(yè)專家系統(tǒng)中，不確定性知識的表示與推理可以采用基于模 糊邏輯的處理方法。（4）遺傳算法是根據(jù)大自然遺傳的適者生存原則,模擬生物進化過程來完成優(yōu) 化搜索，通過將實際問題編碼，然后進行一系列遺傳操作，如復(fù)制、交叉和突變 等達到問題的優(yōu)化。如英國諾丁漢大學(xué)的B. Denby等利用遺傳算法優(yōu)化了露天 開采程序和開采境界。遺傳算法的基本思想是：對問題

13、求解的決策變量進行編碼, 構(gòu)成一群染色體，根據(jù)遺傳理論和適者生存原則，使之以某種概率進行選 擇、交叉、變異等操作后，生成下一代 染色體 群，如此循環(huán)，直至群體平 均適應(yīng)度（或最優(yōu)個體適應(yīng)度）提高到某一極限。因此，它是一種全局優(yōu)化概率 搜索算法。近幾年來，已有人開始將遺傳算法應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域中，主要目的是改 善人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，用于礦山壓力預(yù)報、實測數(shù)據(jù)預(yù)測建模、礦石品位估算， 等等。預(yù)計遺傳算法還可以應(yīng)用于礦業(yè)的優(yōu)化決策、生產(chǎn)調(diào)度、礦業(yè)知識系統(tǒng)的 自動學(xué)習(xí)、圖像處理等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality,簡稱VR）是近幾年來發(fā)展起來的高新技 術(shù)。該技術(shù)利用計算機生成

14、逼真的三維空間環(huán)境，通過多種傳感器設(shè)備使用戶進 入到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與環(huán)境直接進行交互的技術(shù)。VR與傳統(tǒng)的CAD及其它 軟件相比差別在于人機的交互性，即人通過專用設(shè)備不僅可參與到虛擬的環(huán)境， 而且可對此虛擬環(huán)境中的對象進行操作，而這一環(huán)境隨之會做出相應(yīng)的動態(tài)反 映。VR的雛形起源于50年代后期，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已趨于成熟。尤其是90 年代以來，計算機硬件、軟件功能的不斷強化和成本下降為VR的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng) 造了條件。因此，VR理論和應(yīng)用研究日趨廣泛，并且在醫(yī)藥、化學(xué)分析、數(shù)據(jù) 識別、建筑、教育和娛樂等方面取得了令人注目的成就。在礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，虛擬現(xiàn) 實技術(shù)也初步得到應(yīng)用，目前已開發(fā)出多個虛擬

15、現(xiàn)實系統(tǒng)，如英國諾丁漢大學(xué) AIMS研究中心開發(fā)出井下虛擬采礦環(huán)境SAFE- VR系統(tǒng)和礦山作業(yè)人員的安全 技術(shù)培訓(xùn)等系統(tǒng)。通過這些礦山VR軟件輔助人們了解實際的礦山作業(yè)環(huán)境，進 行風(fēng)險預(yù)測和典型事故的分析和再現(xiàn)等。此外，VR技術(shù)在礦山災(zāi)害識別、救災(zāi) 訓(xùn)練等方面也得到廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與應(yīng)用無疑對提高煤礦安全 生產(chǎn)、礦工的安全意識具有重要的實用價值。目前我國對VR的研究尚處于初級 階段，相信隨著這一技術(shù)的發(fā)展，必將對我國采礦業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。5通信技術(shù)在采礦工業(yè)中的應(yīng)用信息的傳輸和共享需借助通信技術(shù)來實現(xiàn)。除了普通電話以外，目前，在采 礦工業(yè)中應(yīng)用的通信技術(shù)主要有兩種，計算機

16、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)（包括 衛(wèi)星通信在內(nèi)）。（1）計算機網(wǎng)絡(luò)。在采礦工業(yè)中，計算機局域網(wǎng)（LAN）主要是作為MIS系統(tǒng)的 平臺，用于企業(yè)的經(jīng)營與管理。隨著采礦生產(chǎn)技術(shù)水平的提高和工藝設(shè)備的革新, 借助計算機網(wǎng)絡(luò)也可實現(xiàn)生產(chǎn)的調(diào)度與監(jiān)控。也有一些企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)接入了 Internet網(wǎng)，主要應(yīng)用于：企業(yè)和產(chǎn)品的廣告宣傳、收發(fā)電子郵件和獲取有關(guān)信 息等；以后將會朝著電子商務(wù)的方向發(fā)展，實現(xiàn)網(wǎng)上交易。（2）無線通信。無線通信技術(shù)主要應(yīng)用于礦山企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度。以德興銅礦的 生產(chǎn)調(diào)度為例，該礦最初采用無線對講機對卡車、電鏟等主要采礦設(shè)備進行調(diào) 度。后來，德興銅礦又從美國引進了卡車計算機調(diào)度系統(tǒng)DISPA

17、TCH,該系統(tǒng)借助 于無線通信和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，將安裝在卡車、電鏟、鉆機、破碎機等設(shè)備上 的車載計算機收集到的各種數(shù)據(jù)（如：設(shè)備狀態(tài)、載荷、位置等）和邊坡監(jiān)測數(shù) 據(jù)實時地傳送到中央計算機，由中央計算機進行處理和調(diào)度。這樣，可解決車鏟 設(shè)備的最佳配合和設(shè)備中途出故障后的動態(tài)重組等問題，以提高設(shè)備的臺時效 率，實現(xiàn)采礦作業(yè)的最優(yōu)化。另外，DISPATCH的鉆機管理部分利用高精度GPS定 位系統(tǒng)，可實現(xiàn)爆破孔的自動定位。無線通信技術(shù)在采礦工業(yè)中的發(fā)展將由目前 的露天開采推廣應(yīng)用到地下開采，由采礦作業(yè)調(diào)度推廣應(yīng)用到礦山安全報警。三、結(jié)論計算機技術(shù)的飛速發(fā)展已促進了礦業(yè)計算機應(yīng)用的深度和廣度，系統(tǒng)工

18、程、人工 智能和VR技術(shù)在礦業(yè)中的綜合應(yīng)用，使礦業(yè)計算機應(yīng)用向更深更廣的方向發(fā) 展。隨著PC機性能的提高和價格的降低，微機版的采礦軟件包的開發(fā)和應(yīng)用將更 加廣泛，計算機軟件也必將向標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、三維化和易操作化方向發(fā)展。而 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日趨成熟，也必將給采礦業(yè)的發(fā)展帶來革命性的變化?？偠灾? 信息科技作為一種輔助支持手段，在采礦工業(yè)中目前主要用于設(shè)計計算和決策 分析，由一般的數(shù)值計算發(fā)展到智能計算，由常規(guī)的數(shù)據(jù)處發(fā)展到集成的智能 決策。同時，信息科技將逐漸與采礦生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合。目前，我國礦山企業(yè)信 息化改造的薄弱環(huán)節(jié)和難點是生產(chǎn)技術(shù)的改造。采礦生產(chǎn)中的檢測、控制、調(diào)度、 監(jiān)視、報警等方面都可引入信息技術(shù)，進行實時處理。只有將信息技術(shù)直接嵌入 采礦生產(chǎn)工藝中，軟硬結(jié)合，才有可能最終