矿业系统工程简介教学课件PPT.ppt

39-1,第一章 矿业系统工程简介,第一节 系统概述 第二节 系统工程概述 第三节 应用系统工程的几个基本观点 第四节 系统工程方法论 第五节 采矿系统工程,39-2,第一节 系统概述,1.1 企业生产中的流 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。,39-3,1.2 系统的概念,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”。 生物、城市、汽车、电子计算机、家庭、采煤机、输送机可以是一个系统。个工作面，一个现代化矿井也可以是个系统，工业、农业甚至一个国家、整个世界、银河系部可以认为是一个个系统。,39-4,系统具有输出某种产物的目的，但它不能无中生有。也就是说，系统输出必需有输入并经过处理才能得到。输出是输入处理的结果，代表系统的目的；处理是使输入变为输出的一种活动，一般由人与设备分别或联合担任。输入、处理、输出是组成系统的三个基本要素，加上反馈就构成个完备的系统，其框图如图所示。,39-5,1.3 系统的特征,(1)目的性 (2)集合性 (3)相关性 (4)阶层性(或层次性) (5)整体性 (6)环境适应性 (7)动态性,39-6,1.4 系统的分类,1无机系统、生物系统和社会系统 2自然系统与人造系统 3实体系统和概念系统 4静态系统和动态系统 5封闭系统与开放系统,39-7,1.5 系统模型及其建立,1模型的概念 为了对某个系统进行研究，需要构筑一定的信息体系，即模型(model)。 2模型的分类 模型可以划分为物理(physical)模型和数学(mathematical)模型，其中物理模型是建筑在系统之间某些相似性能上，利用有关的物理定律来控制模型，例如利用机械系统与电力系统的相似性，或电学与流体力学的相似性来构筑模型；数学模型则用数学符号和等式来表达该系统的特征。模型又可划分为静态的(static)与动态的(dynamic)，静态模型仅反映系统处于平衡状态时的指标，动态模则则可反映由于系统行为随时间进展而引起的系统变更。 对于数学模型而言，按其求解方法，可采用解析方法(analytical method)或数值方法(numerical method)。前者是用数学理论的演绎推理方法去求得模型的解；后者则应用一系列的计算程序去一步步求解。 按照系统中行为发生的特点，模型还可划分为确定型的(deterministic)与随机型的(stochastic)。后者因有随机性变量参与，所得结果带有随机变动性。 另外，按照某一系统随周围环境做连续式渐变成间断式突变，系统又可划分为连续系统(continuous system)及离散系统(discrete system)，在构筑模型及其解法上亦各具特点。 模型可做如图1-3所示的分类6。,39-8,39-9,3系统模型建立步骤 系统模型建立的步骤，因时因地而异，并无一定之规。图1-4所示模型建立过程可供参考。,39-10,4对于建立模型应有如下基本要求 1）客观性 水远不要忘记，模型是用来反映某一系统的本质并对其分析研究的工具，因此，从模型的建立、资料的收集到运算结果的检验，都要从该系统的客观实际出发，使模型做到出于母体，服务母体。 2）准确性 设立正确的参数及表达式，以求尽可能确切反映系统内诸要素的特征及其相互联系，确切反映其随时间、地点、条件而发生的变化。 3）简明性 客观系统往往是庞大复杂，必须通过尽可能的简化与抽象，抓住系统中那些本质的、重要的因京，舍弃那些次要的、纫枝末节的因素，以便建立起反映系统实质的模型。当然，这种简化是相对的，是针对具体课题的需要；过分简化将不能反映系统的实质。 4）通用性 所建模型应尽可能适用于类似条件的系统。当然，所谓通用也是相对的，在一定范畴内通用的模型，在更广大的范畴中则未必适用。这里也不排斥在特定条件下建立专用模型的可行性。,39-11,第二节 系统工程概述,2.1 系统工程的涵义 1世界各地对系统工程的描述 系统工程(systems engineering)是一门新兴的、综合性很强的边缘学科，尚处于发展阶段，所以至令尚未形成统一的定义。 (1)1967年日本工业标淮jis规定；“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成至素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术”。 (2)1967年美国学者切斯纳指出：“系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能切分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一系统都有定数量的目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应”。 (3)1971年日本学者寺野寿郎指出：“系统工程是为了合理地开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称”。 (4)1977年日本学者三浦武雄指出：“系统工程的目的是研制系统，而系统不仅涉及到工程学领域，还涉及到社会、经济和政治等领域。为了适当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，也就是所研制系统所需的思想、技术、方法和理论等体系化的总称”。,39-12,2我国著名科学家钱学森对系统工程的建立和发展 他用马克思主义哲学作指导，提比了清晰的现代科学技术的体系结构，其中包括系统科学结构。他认为：系统工程是一大类工程技术的总称，“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科学方法”。他说，“用定量化的系统方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是工程实践。把服务于特定目的的各项工作的总体称为工程，加水力工程、机械工程、土淫工程、电力工程、电于工程、冶金工程、化学工程，等等。如果这个特定目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理，就可以统统看成是系统工程。国外称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的工程实践内容，均可以用系统的概念统一归入系统工程；国外所称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的数学理论和算法，可以统一看成是运筹学”。在钱学森提出的科学技术的体系结构中(见图l-5)，系统工程属于工程技术。工程技术的理论基础是技术科学。运筹学属于技术科学层次，是系统工程的理论基础。这样，钱学森同志便将“人各一切，莫衷一是”的情况澄清为“分门别类，共居一体”。他给了系统工程一个确切的描绘，并进而论述了系统工程在整个系统科学体系中所处的地位。,39-13,39-14,3系统工程的定义 系统工程是系统科学的重要组成部分。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、互互配合以达到系统的整体功能和效益最佳的一门工程技术。,39-15,2.2 系统工程的形成和发展,1形成 系统工程的产生不是偶然的。正如列宁所说，管理的艺术并不是人们生来就有，而是从经验中得来的。系统工程来源于千百年来人们的生产实践，是点滴经验的总结，是逐步形成的。如前所述，系统思想和系统工程方法的实践版用可以追溯到古代，如我国战国时期(公元前250年)李冰父子主持修建的都江堰水利工程，至今仍不愧为一项杰出的系统工程典范，当然还有其它历史实例。但是，系统工程作为一门学科还是形成于本世纪五十年代。二十世纪以来，出于社会生产力的高度发展，现代科学技术活动的规模有了很大扩展，工程技术复杂程度不断提高，使自然科学，技术科学以及社会科学之间的整体性联系日益突出。五十年代中期，系统工程正是适应这种整体性联系而创立的门新兴的边缘学科。 系统工程的思想并不是现在才有的，历史上就有不自觉地运用了系统工程方法的例子。,39-16,2.工程实例一 宋真宗时，皇宫烧毁，丁渭主持修复工程。修复时他先将皇宫前的一条大街挖开，形成一条大沟，用挖出的土就地烧砖；然后将河水引入大沟运送建筑材料；在皇宫竣工后再将废墟上的瓦砾填进沟内，修复原来大街。这是一举三得的最优施工方案。,39-17,3世界上的发展 最早引入系统概念的是美国的泰勒(fwtalor)。他在1912年发表的科学管理原理一书中提出了现代系统的概念。一般认为，泰勒的理论和实践标志着传统管理时代的结束，科学管理时代的开始，因此，欧美企业史家们称他为“现代管理学之父”。 二战期间，英国为了研究武器（雷达）的有效运用而产生了运筹学，战后迅速推广到一般经营管理方面，发展相当迅速。1945年，美国军事部门设立了兰德公司，开发了许多系统数学分析方法，解决了不少实际问题，奠定了今天系统工程的基础。 1957年，h.古德(goode,h.)和r.马乔尔(machol,r.)出版了名为系统工程的著作。 电子计算机的出现(1946年)和普及(60年代末)，为系统工程提供了强有力的运算工具和信息处理手段，同时，它也促进了运筹学和大系统理论的发展及广泛应用，成为实施系统工程的重要物质基础。,39-18,4.工程实例二：美国50年代的“北极星”导弹的研制和60年代“阿波罗”登月计划的制定，就是两个成功地运用系统工程方法的例子。美国在1956年着手制定北极星导弹计划，有1100家企业参加研制工作。实施计划过程中，创造了计划评审技术。由于采用了这种方法加上其它措施，使北极星导弹的研制计划提前2年完成。美围的阿波罗登月计划是运用系统工程处理复杂大系统的一个成功例子。该计划历时11年(19611972年)，参加研制的工程技术人员42万人，2万多家公司和工厂，大学和研究机构120所，使用了600多台电子计算机，耗资300多亿美元。由于采用了系统工程的方法，使计划按时完成。该计划的成功，引起了人们对系统工程的广泛注意和重视。,39-19,5综述 系统工程的形成，从20年代泰勒的科学管理，40年代运筹学的产生和发展，使管理科学与最优化技术结合了起来，到50年代初形成了系统工程这一学科的体系，60年代电子计算机的发展和现代控制理论的创立，为系统工程的发展提供了强有力的手段和重要的理论、方法。70年代以后，行为科学、思维科学以及知识工程、模糊集和灰色理论等新学科渗入到系统工程，使它的功能和作用更加强化，应用范围更加扩大。系统工程作为一大门类的新兴的边缘学科，它还在发展中。,39-20,6我国的发展 1956年，在中国科学院力学研究所建立了我国第一个运筹学研究小组。 华罗庚教授从60年代初期起在我国大力推广“统筹方法”(计划评审技术)，并取得显著成就；在这同时，随着国防尖端技术科研工作的发展，我国在系统工程的总体设计组织方面也取得了丰富的实践经验。 1979年10月，在北京举行了首次全国性的系统工程学术讨论会，国务院领导、军委领导和有关部门领导出席了会议的开幕式，体现了党和政府对系统工程在四化建设中作用的重视。 1980年初，中国科学院系统科学研究所正式成立。此后，系统工程在工业、农业、军事、以及科研、教育”计量等部门的各有关领域得到了广泛的研究和应用。,39-21,2.3 系统工程与一般工程技术的区别 系统工程与其他各门工程技术一样，都是以改造客观世界使其符合人类需要为目的，都要从实际的条件出发运用基础科学和技术科学的基本原理，都要考虑经济因素和经济效益。但是系统工程的对象、任务、方法以及从事系统活功所需要的知识结构与一般工程技术相比又有明显的区别： 1工程概念不同。一般工程技术的“工程”概念是指把自然科学的原理和方法应用于实践，设计和生产出诸如机床、电机、仪表、厂房等有形产品的技术过程。系统工程的“工程”概念是指不仅包含“硬件”的设计与制造，而且还包含与设计和制造“硬件”紧密相关的“软件”，诸如规划、计划、方案、程序等活动过程，所以称它是软件的工程。这样，就扩展了传统的“工程”的含义，给系统工程赋予了新的“工程”研究内容和方法，因此它又被称为“工程的工程”。 2工程对象不同。一般工程技术都是分别把各自特定领域内工程物质对象作为研制对象和目标，比较具体和确定。而系统工程则是以“系统”为研究对象，不仅把各种工程技术的物质对象包括在内，而且把社会系统、经济系统、管理系统等非物质对象也包括在内。这样，系统工程的研究对象就表现为普遍联系、相互影响，规模和层次都极其复杂的综合系统。,39-22,3工程任务不同。一般的工程技术是用来解决某些特定专业领域中的具体技术问题，而系统工程的任务是解决系统的全盘统筹问题，也就是通过系统工程的活动解决系统内部各分系统、各要素之间的总体协调问题，同时处理好系统与自然环境、社会环境、经济环境的相互联系等问题。 4工程方法不同。一般工程技术所用的方法是在明确目标后，根据条件，采用可能实现目标的方法，提出不同设计方案，试制出原型，经试验后最终达到生产和建设的目的。而系统工程在解决各种系统性问题的过程中，采用一整套系统方法：包括一系列系统工程观念，如整体观念、价值观念、综合观念、优化观念和评价观念等。有科学完整的解决问题的程序，即明确问题、设置系统目标、系统方案综合、模型化、决策和实施。运用电子计算机增强逻辑判断力和人工模拟能力，对系统进行定量分析和计算从而为解决复杂系统问题提供有效手段和工具。所以，系统工程的目标是实现系统的整体化。 5人员素质不同。从事系统工程活动的人员，不仅有工程技术人员参加，而且还吸收社会科学工作者和其他行业人员参加。通常，系统工程人员应具备以下素质：有强烈的系统观点，在任何时刻、任何环境下都能坚持用系统观点和方法研究和处理问题；应是“t”形人才，即一方面知识较广，另一方面又具备较深的某一专业知识；应有丰富的想象力和创造力，善于发现问题，分析问题，并能及时提出多个可行方案；善于沟通和促进主管人员、设计人员以及各方面有关人员的相互协作；熟悉环境动向，掌握部门之间的信息交流。,39-23,2.4 系统工程的功能 1研究客体与研究主体相结合的功能 传统的自然科学和社会科学，大都从事某种客体的研究，并据此作为科学分类的标淮，区分出各种学科类别。而系统工程面临的研究课题则无法将主客体截然分开，必须将两者紧密地结合在一起。系统工程必须阐明谁与客体发生相互作用以及何种相互作用是适宜的。系统工程重视主体人的因素，因为人的个体与集体行为决定了整个系统的行为。任何课题的研究都有赖于研究者的行为。人造系统的主客体关系与自然系统大为不同。对于技术系统、经济系统、社会系统面言，人是这些系统的设计者，客体系统实际上具体地反映了主体系统的动机、目的、利益和才能。客体系统反映了主体系统劳动的产品。因此，系统工程既发挥主体的功能，又发挥客体的功能。 2认识世界与改造世界相结合的功能 自然科学和社会科学发挥着认识世界的功能，而工程技术负有改造世界的使命。系统工程属工程技术，其主要任务是解决实际问题，发挥改造世界的功能。然而系统工程的工作程序、直接目的及其改造世界的过程本身，都有一个认识世界的问题，都要输送出大量的信息，因而它是认识世界与改造世界两种功能的结合。 3改造自然与改造社会相结合的功能 传统的一般工程技术主要是改造自然，而社会科学负责改造社会。系统科学，特别是系统工程的倔起和发展跨越了两大部类长期形成的鸿沟，从自然领域走向社会领域，把两种改造结合起来。例如，通信系统工程、冶金系统工程、宇航系统工程等的主要目标是改造白然，但它们也同时注重对社会因素的分析和社会条件的变化，发挥着改造社会的某些功能。军事、科研、教育、行政等系统工程的主要目标是改造社会，而同时它们也特别关注对自然因素的研究和环境条件的限制，发挥着一定程度的改造自然的功能。因此，系统工程集自然技术与社会技术为一体，将传统的工程技术推进到一个崭新的阶段。 4发展自然科学与发展哲学、社会科学相结合的功能 系统工程与系统科学的基础理论一般系统论、耗散结构理论、协同学等都直接发源于生物学、物理学与化学，而它们的产生和发展又迅速反馈于生物学、物理学等自然学科，并广泛深入心理学、自然地理学等领域，推动了这些学科的发展。从20世纪50年代开始，系统科学包括系统工程已超出一般的自然科学和工程技术部门，进入广泛的社会科学领域。传统的社会科学在系统工程的冲击下，基础理论与应用技术正在进一步分化，与社会科学相对应正在出现社会技术。因此，系统工程作为一门边缘性学科，在自然科学与社会科学之间架起了一座桥梁，大大推动了现代科学技术整体化的发展趋势。,39-24,第三节 应用系统工程的几个基本观点,一、明确问题的目标和准则的观点 二、整体化观点 三、优化与可行的观点 四、决策科学化的观点 五、时间价值观点 六、组合效应观点,39-25,第四节 系统工程方法论,系统工程方法论就是解决系统工程实践中的问题所应遵循的步骤、程序和方法。 影响较大的有美国贝尔电话公司系统工程学者霍尔提出的“系统工程三维结构方法论”以及英国兰卡斯特大学的切克兰德提出的“软系统方法论”。,39-26,4.1 霍尔三维结构方法论,霍尔三维结构方法论霍尔三维结构体系是由时间维、逻辑维和知识维组成的一个立体的跨学科的体系，如图1所示。,逻辑维（方法步骤）,时间维（进程）,知识维（科学技术）,39-27,(1)时间维是指系统工程从规划到投入运行，以及到系统更新全过程按时间分成的阶段。通常分为七个阶段： a规划阶段研究和确定系统工程活动的目的、目标和要求以及谋求系统工程活动的政策或规划； b拟定方案提出具体的计划方案； c研制阶段实现系统的研制方案，并作出生产计划； d生产阶段生产出系统的零部件及整个系统，并提出系统的安装计划 e安装阶段把系统安装好，并完成系统的运行计划； f运行阶段系统按其预测功能用途运行、维护和管理； g更新阶段取消旧系统代之以新系统，或改造原系统，使之适应新的要求，更有效地工作。,39-28,(2)逻辑维指在系统工程的每一个时间阶段所要完成的工作步骤，通常有九个步骤： a摆明问题全面收集有关待解问题的历史、现状和发展趋势的资料和数据，把问题的形成和问题的边界弄清理； b系统指标设计确定待解问题的目标和建立评价目标的价值指标体系及标准； g系统分析根据系统目标的要求，运用各种分析手段来分析对象，通过对满足要求的各种条件的分析和研究，得到系统设计所需要的足够信息，以便设计出最合理、最优的系统； d系统建模用恰当的数学形式、语言形式、网络形式、图表或结构方框形式来说明系统的构成或行为，将研究对象的表现和过程的复杂关系用定性或定量的近似关系表达出来； e系统设计(综合)把可能入选的能够达到预期目的政策、活动、控制或整个系统概念化； f系统评价从技术和经济的观点出发，对系统没计方案进行综合件评价研究，并考虑所设计系统成功的可能性； g最优决策对不同的可能对策，精心选择其参数和系数，进行优化处理，使它们都是满足系统指标的最好对策；在诸对策中，选择一个或多个供进一步研究参考； h实施方案在选定的对策中，根据实际可能制订并完成实施方案； i修正措施在实施方案中，发现系统的不足，提出修正措施。 应当指出，系统工程工作一般都要按以上步骤反复进行；仅在时间维的不同阶段，逻辑维步骤的侧重点是不同的。,39-29,(3)知识维指完成上述系统工程各项任务所需要的各种专业知识和理论方法。图1-3中仅列举了多数情况下所涉及的七个大类。,39-30,4.2 软系统方法论,切克兰德认为，完全按照解决工程技术问题的思路来解决社会经济问题或软科学问 题会碰到很多问题，也不太合适。因此，他提出了适合于软科学研究的系统工程方法论。其 主要内容是： 1问题现状说明。说明现状的目的是改善现状。 2弄清关联因素。初步弄清与改善现状有关的各种因素及其相互关联。 3概念模型。用结构模型或数学模型描述系统现状。 4改善概念模型。根据系统工程的理论和方法改善概念模型。 5比较。将概念模型与现实系统进行比较，找出符合决策部门意图，而且可行的变革方案。 6实施。根据决策组织实施。 切克兰德系统工程方法论的出发点是社会经济领域中的问题，往往很难像工程技术问题那样事先将“需求”给定清楚，因而也难以按若干个衡量指标设计出符合此“需求的最优系统”。其核心不是“最优化”，而是“比较”和“学习”。从模型与现状的比较中，学习改善现状的途径。“比较”这个环节包括组织讨论，听取各种集体中人们意见的含义，从而不拘泥于描述定量求解过程，反映了人的因素和社会经济系统的特点。切克兰德系统工程方法论是霍尔三维结构方法论的扩展，当现实问题确实能够工程化，在弄清其需求时，概念模型阶段就相当于霍尔方法论中的建立数学模型阶段，而改善概念模型阶段就相当于最优化阶段。因此，实施的也就不是某种变革而是设计好的最优系统。,39-31,第五节 采矿系统工程,5.1 矿业系统工程的形成与发展 1961华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”(简称apcom)。迄今，apcom大会已召开了24届。三十多年来，矿业系统工程经历了60年代的起步形成，70年代的应用扩展和80年代广泛而深入的发展。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。 我国著名学者钱学森同志的系统科学思想和现代科学技术体系结构的启示下，把国内外对于系统工程在矿业中应用的称谓“人各一词、莫衷一是”的澄清归类，即把“矿业系统分析”、“矿业运筹学”以及“系统工程在矿业中应用”和“电子计算机和运筹学在矿业中应用”等称谓统一归类于系统工程的一个分支-矿业系统工程。,39-32,5.2 矿业系统工程的定义及与矿业工程的关系,矿业系统工程，是运用系统学的原理与方法，以电子计算机为工具，组织管理各个层次的矿业系统，使得矿业开发在整个国民经济中达到总体最优，使得矿山的生产建设在保证安全的前提下合理地开发矿产资源，得到最优的综合技术经济效果。 传统的矿业工程学主要是研究矿物开采的内在规律和相应的技术手段，也就是说是研究矿物开采的物质运动的“硬科学”。矿业系统工程则并不深究“物质实体”的固有特性和运动规律，比如矿业系统工程并不深究采矿设备由什么材料制成，矿压及瓦斯流动规律等等。矿业系统工程是把“矿业”看作是一个系统，它注重研究矿业系统(比如矿井开拓与准备巷道布置系统、矿井通风与瓦斯排放系统)的行为与功能，协调系统与于系统、系统与大系统的关系，处理各种矿业系统的组建、运行与管理问题。从这个意义上讲，它是矿业开发的“软科学”。,39-33,5.3 apcom,国际计算机及运筹学在矿业中应用学术会议(简称apcom)是国际上矿业系统工程发展的一个缩影。apcom系由美国矿业学术界发起，1961年于亚利桑那大学举行首届会议，其后逐渐发展成为世界性的学术会议组织。至1999年已举行过28届学术会议。,39-34,5.4 矿业系统工程的概念与特点,采矿系统工程是根据采矿工程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。 (1)各异性 (2)生灭性 (3)流逝性 (4)贫瘠化特性 (5)风险性,39-35,5.5 采矿系统工程基础理论与技术 在当代采矿系统工程中采用较多的基础理论学科及有关技术，可归纳如下： (1)运筹学诸学科分支，常用者如下： 线性规划(linear programm