礦業(yè)系統(tǒng)工程課件

礦業(yè)系統(tǒng)工程第一章緒論

1.1系統(tǒng)工程的基本概念

系統(tǒng)工程是一門(mén)正處于發(fā)展階段的新興學(xué)科。系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是用系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)，合理地結(jié)合控制論、信息論、經(jīng)濟(jì)管理科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他有關(guān)的工程技術(shù)，按照系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的程序和方法去研究和建造最優(yōu)化系統(tǒng)的一門(mén)綜合性的管理工程技術(shù)。系統(tǒng)工程以系統(tǒng)為對(duì)象，從系統(tǒng)的整體觀念出發(fā)，研究各個(gè)組成部分，分析各種因素之間的關(guān)系，運(yùn)用數(shù)學(xué)和系統(tǒng)分析方法，尋找系統(tǒng)的最優(yōu)方案，使系統(tǒng)的總體效果達(dá)到最佳。系統(tǒng)工程有三個(gè)特點(diǎn):

(1)研究的對(duì)象廣泛，包括人類(lèi)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、自然現(xiàn)象和組織管理等。

(2)系統(tǒng)工程是一門(mén)跨學(xué)科的邊緣學(xué)科。不僅要用到數(shù)、理、化、生物等自然科學(xué)，還要用到社會(huì)學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)等與人的思想、行為、能力等有關(guān)的學(xué)科，是自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的交叉。因此，系統(tǒng)工程形成了一套處理復(fù)雜問(wèn)題的理論、方法和手段，使人們?cè)谔幚韱?wèn)題時(shí)，有系統(tǒng)的整體的觀點(diǎn)。

(3)在處理復(fù)雜的大系統(tǒng)時(shí)，常采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法。因?yàn)橄到y(tǒng)工程所研究的對(duì)象往往涉及到人，這就涉及到人的價(jià)值觀、行為學(xué)、心理學(xué)、主觀判斷和理性推理，因而系統(tǒng)工程所研究的大系統(tǒng)比一般工程系統(tǒng)復(fù)雜得多，處理系統(tǒng)工程問(wèn)題不僅要有科學(xué)性，而且要有藝術(shù)性和哲理性。

系統(tǒng)是指由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合的具有特定功能的有機(jī)整體。例如，在地球上存在著許多自然系統(tǒng)，如海洋系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。在人類(lèi)社會(huì)中存在著生產(chǎn)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、消費(fèi)系統(tǒng)、科學(xué)系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)、教育系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)等。系統(tǒng)都具有整體性、層次性、相關(guān)性、目的性和環(huán)境適應(yīng)性的特征。

⑴整體性。系統(tǒng)是由多個(gè)可以相互區(qū)別的要素組成的，但不是各個(gè)要素的簡(jiǎn)單集合。具有獨(dú)立功能的系統(tǒng)要素以及要素間的相互關(guān)系是根據(jù)邏輯統(tǒng)一性的要求，協(xié)調(diào)存在于系統(tǒng)整體之中。

⑵層次性。系統(tǒng)作為一個(gè)相互作用的各個(gè)要素組成的整體，可以分解為一系列子系統(tǒng)，并存在一定的層次結(jié)構(gòu)。

⑶相關(guān)性。組成系統(tǒng)的要素是相互聯(lián)系、相互作用的，相關(guān)性說(shuō)明這些聯(lián)系之間的關(guān)系。

⑷目的性。通常系統(tǒng)都具有某種目的，要達(dá)到既定的目的，系統(tǒng)都具有一定的功能。系統(tǒng)的目的通常要用更具體的目標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，比較復(fù)雜的系統(tǒng)都具有不止一個(gè)目標(biāo)，因此需要用一個(gè)指標(biāo)體系來(lái)描述系統(tǒng)的目標(biāo)。

⑸環(huán)境適應(yīng)性。任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的物質(zhì)環(huán)境中，因此，必然要與外界環(huán)境產(chǎn)生物質(zhì)的、能量的和信息的交換，外界環(huán)境的變化必然會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)要素間的變化。系統(tǒng)必須適應(yīng)外部的變化，才是理想的系統(tǒng)。

系統(tǒng)工程就是以大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)為研究對(duì)象，把自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的某些思想、理論、方法、策略和手段等根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，把人們的生產(chǎn)、科研或經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有效地組織起來(lái)，應(yīng)用定性分析和定量分析相結(jié)合的方法和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目的，以便最充分地發(fā)揮人力、物力的潛力，通過(guò)各種組織管理技術(shù)，使局部和整體之間的關(guān)系協(xié)調(diào)配合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。系統(tǒng)工程產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，在60年代形成了體系。進(jìn)入70年代后，系統(tǒng)工程發(fā)展到解決大系統(tǒng)的最優(yōu)化階段，其應(yīng)用范圍已經(jīng)超出了傳統(tǒng)工程的概念，已廣泛深入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)、自然科學(xué)以及各種工程技術(shù)領(lǐng)域，由此也產(chǎn)生了具有各種學(xué)科特點(diǎn)的系統(tǒng)工程。

⑴社會(huì)系統(tǒng)工程。研究對(duì)象是具有多層次、多區(qū)域、多階段特點(diǎn)的社會(huì)復(fù)雜巨系統(tǒng)，研究各種社會(huì)問(wèn)題。

⑵經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程。運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法研究宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的問(wèn)題，如國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、綜合發(fā)展計(jì)劃、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系、投入產(chǎn)出分析、積累與消費(fèi)分析、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析、消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析、價(jià)格系統(tǒng)分析、投資決策分析、資源合理配置、經(jīng)濟(jì)政策分析、綜合國(guó)力分析、世界經(jīng)濟(jì)模型等。

⑶區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)工程。運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法研究區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)劃、區(qū)域資源配置等。

⑷環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程。研究大氣生態(tài)系統(tǒng)、大地生態(tài)系統(tǒng)、流域生態(tài)系統(tǒng)、森林與生物生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)等系統(tǒng)分析、規(guī)劃、建設(shè)、預(yù)測(cè)、防治等方面的問(wèn)題。

⑸能源系統(tǒng)工程。研究能源合理結(jié)構(gòu)、能源需求預(yù)測(cè)、能源開(kāi)發(fā)規(guī)模預(yù)測(cè)、能源生產(chǎn)優(yōu)化模型、能源合理利用模型、電力系統(tǒng)規(guī)劃、節(jié)能規(guī)劃、能源信息管理等問(wèn)題。

⑹礦業(yè)系統(tǒng)工程。研究礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)與管理、資源開(kāi)采規(guī)劃、投資、評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和優(yōu)化管理等問(wèn)題。

⑺水資源系統(tǒng)工程。研究河流綜合利用規(guī)劃、流域發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市供水系統(tǒng)優(yōu)化、水能利用規(guī)劃、水污染控制等問(wèn)題。

⑻農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程。研究農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、大農(nóng)業(yè)及立體農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)分析、農(nóng)業(yè)綜合規(guī)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)政策分析、農(nóng)業(yè)投資規(guī)劃、農(nóng)產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多層次開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。

⑼企業(yè)系統(tǒng)工程。研究市場(chǎng)預(yù)測(cè)、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、CIMS及并行工程、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)等。

⑽工程項(xiàng)目管理系統(tǒng)。研究工程項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)、可行性分析、國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、工程進(jìn)度管理、工程質(zhì)量管理、風(fēng)險(xiǎn)投資分析、可靠性分析、工程成本-效益分析等。

⑾科技管理。研究科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略、科學(xué)技術(shù)預(yù)測(cè)、優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域分析、科學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)、科技人才規(guī)劃、科學(xué)管理系統(tǒng)等。

⑿人口系統(tǒng)工程。研究人口總目標(biāo)、人口參數(shù)、人口指標(biāo)體系、人口系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、人口系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析、人口政策分析、人口區(qū)域規(guī)劃、人口系統(tǒng)穩(wěn)定性等。

⒀軍事系統(tǒng)工程。研究國(guó)防戰(zhàn)略、作戰(zhàn)模擬、情報(bào)、通訊與指揮自動(dòng)化系統(tǒng)、武器裝備發(fā)展規(guī)劃、后勤保障系統(tǒng)、國(guó)防經(jīng)濟(jì)學(xué)、軍事運(yùn)籌等。

20世紀(jì)40年代到70年代出現(xiàn)的很多學(xué)科分支，如運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論等，為系統(tǒng)工程的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，則為系統(tǒng)工程提供了強(qiáng)大的信息處理手段和方法。近幾十年來(lái)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尤其是信息科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為系統(tǒng)工程提供了更為寬廣的理論基礎(chǔ)。

⑴系統(tǒng)分析理論。主要包括：一般系統(tǒng)論、大系統(tǒng)理論等。

⑵運(yùn)籌學(xué)諸學(xué)科分支。運(yùn)籌學(xué)是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，是為決策者在解決實(shí)際問(wèn)題選擇最優(yōu)決策時(shí)提供的以數(shù)量化為基礎(chǔ)的科學(xué)方法。運(yùn)籌學(xué)在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，通常首先需要確定研究問(wèn)題的目標(biāo)和約束條件，然后根據(jù)實(shí)際問(wèn)題中的主要因素及各種約束條件之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型求解來(lái)尋求最優(yōu)方案。運(yùn)籌學(xué)的主要分支包括：線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、圖論及網(wǎng)絡(luò)分析、排隊(duì)論、存貯論、決策論、對(duì)策論等。

⑶現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)若干學(xué)科分支。這方面主要數(shù)學(xué)分支有：概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過(guò)程、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)理論、可靠性理論、控制論、遺傳算法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等。

⑷經(jīng)濟(jì)管理學(xué)理論。主要包括：管理學(xué)、可持續(xù)發(fā)展理論、工業(yè)工程、宏觀微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)、投資經(jīng)濟(jì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)控制論、區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)地理學(xué)、資源經(jīng)濟(jì)學(xué)等。⑸與計(jì)算機(jī)技術(shù)密切結(jié)合的交叉學(xué)科分支。主要包括：系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策支持系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)等。1.2系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)1.3系統(tǒng)分析1.3.1系統(tǒng)分析的基本概念系統(tǒng)分析是應(yīng)用各種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究和應(yīng)用的過(guò)程，基本內(nèi)容及步驟如下。

⑴闡明問(wèn)題，從系統(tǒng)整體最優(yōu)的角度出發(fā)，明確系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。系統(tǒng)所期望達(dá)到的目標(biāo)是系統(tǒng)分析的出發(fā)點(diǎn)。目標(biāo)分析要論證系統(tǒng)總目標(biāo)的合理性、可行性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)需要時(shí)還應(yīng)把總目標(biāo)分解為各級(jí)分目標(biāo)，以便具體落實(shí)而保證總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

⑵進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，目的是保證在系統(tǒng)總目標(biāo)和環(huán)境因素的約束下，系統(tǒng)的要素和要素間的相互關(guān)系在階層分布上最優(yōu)結(jié)合。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，分析構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)層次、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各個(gè)子系統(tǒng)的功能和相互關(guān)系，以及系統(tǒng)的邊界條件。

⑶進(jìn)行調(diào)查研究、資料收集和分析，研究系統(tǒng)輸入、輸出、轉(zhuǎn)換過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境。

⑷在研究分析基礎(chǔ)上，提出若干解決問(wèn)題備選方案，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)。

⑸應(yīng)用各種方法，建立模型，求解模型或進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)模型解算或模擬結(jié)果，并綜合其他相關(guān)因素，對(duì)比各個(gè)備選方案，研究和探討各方案可能產(chǎn)生的效果。

⑹綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)、組織管理、方針政策等各種因素，尋找系統(tǒng)整體效益最好和有限資源配置最佳的方案。

⑺提供系統(tǒng)工程分析報(bào)告。分析報(bào)告通常需要包括背景分析、問(wèn)題闡明、分析的依據(jù)和設(shè)想、方案的篩選、分析過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題、技術(shù)內(nèi)容、數(shù)學(xué)模型、研究結(jié)論、計(jì)算機(jī)軟件及使用說(shuō)明等等。1.4礦業(yè)系統(tǒng)工程1.4.1基本概念礦業(yè)系統(tǒng)工程是由運(yùn)籌學(xué)、工程數(shù)學(xué)、管理學(xué)、系統(tǒng)理論、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及采礦工程理論與技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)交叉產(chǎn)生的新學(xué)科。關(guān)于這門(mén)新學(xué)科，有3個(gè)不同的說(shuō)法，即“計(jì)算機(jī)在礦業(yè)中的應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)和運(yùn)籌學(xué)在礦業(yè)中的應(yīng)用”、“礦業(yè)統(tǒng)工程”。這三個(gè)說(shuō)法人們往往理解為具有同樣的含義。人們之所以將這三者理解為是一回事，的確是由于這三者之間具有密不可分的關(guān)系，甚至可以認(rèn)為這三者本身就是一個(gè)有機(jī)整體的不同表現(xiàn)形式?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面理解三者的關(guān)系。

⑴系統(tǒng)工程理論和方法是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)。礦山開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從地質(zhì)勘探、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)銷(xiāo)售，各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)系密切，礦山生產(chǎn)需要嚴(yán)密科學(xué)的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格科學(xué)的管理。礦山開(kāi)采的對(duì)象—礦床，需要在開(kāi)采前和開(kāi)采過(guò)程中不斷進(jìn)行探索和了解，并因此而不斷調(diào)整礦山企業(yè)的各項(xiàng)作業(yè)計(jì)劃和經(jīng)營(yíng)行為。因此，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用不能僅僅局限于解決局部問(wèn)題，而應(yīng)該從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)分析和解決問(wèn)題。

⑵運(yùn)籌學(xué)是通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)系統(tǒng)工程思想。發(fā)展于20世紀(jì)40年代的運(yùn)籌學(xué)，其整體優(yōu)化思想蘊(yùn)涵了系統(tǒng)工程的思想，可以說(shuō)在某些方面是系統(tǒng)工程思想的數(shù)學(xué)模型具體體現(xiàn)形式。運(yùn)籌學(xué)的特點(diǎn)是從全局出發(fā)，通過(guò)建立模型，對(duì)于要解決的問(wèn)題尋求最優(yōu)最合理的決策方案。一般說(shuō)來(lái)，運(yùn)籌學(xué)僅從數(shù)學(xué)角度去解決問(wèn)題，也只能解決那些能夠用數(shù)學(xué)模型表述的問(wèn)題。對(duì)于能表述為數(shù)學(xué)模型的具體問(wèn)題，能夠以最直接的途徑獲得最準(zhǔn)確的結(jié)論。

⑶計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程思想和運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化思想的工具。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程思想和運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化思想，就必須依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理、信息管理、圖形圖象設(shè)計(jì)和處理、大量求解運(yùn)算等工作，以及實(shí)現(xiàn)其他種種人力無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。此外，計(jì)算機(jī)還是一種技術(shù)和知識(shí)資源，是人類(lèi)智慧的結(jié)晶。飛速發(fā)展的軟、硬件技術(shù)和不斷積累的軟件成果大大提高了人們認(rèn)識(shí)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。1.4.2發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代末期，系統(tǒng)工程理論方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)就開(kāi)始應(yīng)用于礦業(yè)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用和礦業(yè)系統(tǒng)工程的任務(wù)就是解決礦山開(kāi)采系統(tǒng)中的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)管理的優(yōu)化評(píng)價(jià)問(wèn)題，并為礦山企業(yè)管理提供現(xiàn)代化手段。時(shí)至今日，系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍遍及礦山開(kāi)采系統(tǒng)的各個(gè)階段及方面。

⑴資源開(kāi)發(fā)、規(guī)劃與管理。這方面的內(nèi)容主要包括：資源經(jīng)濟(jì)與管理、資源開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、資源開(kāi)發(fā)與可持續(xù)發(fā)展、礦區(qū)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、資源開(kāi)發(fā)條件評(píng)價(jià)、資源環(huán)境保護(hù)等。

⑵礦山地質(zhì)優(yōu)化。這方面研究及解決的問(wèn)題包括：①研究最佳邊界品位，考慮投資的時(shí)間價(jià)值，逐年動(dòng)態(tài)地圈定礦體；②評(píng)估地質(zhì)資源，采用各種估值方法推斷礦體輪廓，計(jì)算礦石儲(chǔ)量及質(zhì)量指標(biāo)；③研究和應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法，推斷礦床中主要組分的分布情況；④研究和建立礦床模型，將地質(zhì)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、計(jì)算機(jī)模型化和可視化；⑤研究礦石質(zhì)量中和方法，研究配礦數(shù)學(xué)模型，充分利用礦山資源。

⑶礦山規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作的優(yōu)化。圍繞礦山規(guī)劃及礦山設(shè)計(jì)，進(jìn)行的研究開(kāi)發(fā)工作主要有：①應(yīng)用線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃及投入產(chǎn)出法，綜合考慮投資及生產(chǎn)成本，研究礦區(qū)最佳建設(shè)順序及生產(chǎn)規(guī)模，確定