计算机在矿山过程中的应用

1、计算机在矿山工业中的应用与发展摘要随着计算机工业的大力发展，微型机在采矿工业中的应用也越来越广 泛，其应用深度和广度也日益增加。采矿等传统产业要实现飞跃发展，必须与信 息科技相结合。目前我国矿山企业信息化改造的薄弱环节是生产技术的改造，有 必要将信息技术直接嵌入到采矿生产工艺与过程中去。本文将对计算机技术在采 矿工业中的应用进行分支综述，并对其发展趋势和应用前景进行扼要分析。关键词采矿工业计算机应用人工智能通信一、矿山系统工程理论知识的发展与应用计算机在采矿工业中应用的一个重要方面是矿山系统工程。矿山系统工程始 于50年代，源于计算机与运筹学在矿业中的应用，当时只是运用运筹学的一些 方法来解决

2、那些运算工作量不很大的采矿工业中的一些实际问题；到了70年代 中期，计算机在采矿工业中得到了应用，从而促进了矿山系统工程的发展；到 了70年代末80年代初，采矿工业中已应用大中型计算机来解决科研、设计、生 产中的一些复杂与运算工作量很大的实际问题，我国的矿山系统工程有了进一 步的发展；近几年来微型计算机的普遍使用，多种计算机技术的引进与开发使 得矿山系统工程向纵深发展，计算机在采矿工业中的应用亦更广泛、更深入，几 乎涉及到了采矿工业中的各个方面。由于采矿工程研究的对象是一个复杂的大系统，采用传统的手工设计方法 难以实现矿山设计的优化。同时，现在的矿山企业处于激烈的市场竞争中，只有 作出生产成本

3、最低、产品质量最好的开采计划，优化开采作业，才能在市场竞争 中稳步发展。而传统的手工方法编制开采计划过于繁琐，常常是计划完成时已过 时而不能用；受时间限制，也不能进行风险评价和敏感分析及编制多方案计划 进行比选。计算机技术和矿山系统工程的发展为此提供了有效的手段。其 应用领域主要包括：矿山开采优化设计、采掘接替专家系统、矿山生产动态管理 系统、矿山信息管理系统等。二、计算机技术在采矿工业中的应用在采矿工业中，计算机作为科研与管理人员的辅助工具，主要用来进行数 值计算、数据管理、绘图模拟，后来发展到知识处理和图像分析。采矿系统的规 划与决策、矿岩稳定性分析与力学性质的预测、工程设计参数的确定与优

4、化等， 都离不开数值计算，尤其是其中一些计算方法（如：有限元法）复杂、计算量大, 需借助计算机来实现。采矿工业在数值计算方面的发展主要是采用和研究一些新 的算法和数学理论，如：神经网络计算、遗传算法等，并与灰色理论、模糊数学、 小波分析或其他算法相结合，以便解决采矿工业中不确定因素较多，数学模型 难以建立的实际问题。计算机绘图在采矿工业中应用日益广泛。首先，绘图与数值计算结合紧密， 由最初的计算曲线绘制发展到三维数值模拟。现已建立了各种三维模型，如：三 维矿床模型、采矿或岩体工程的开挖与充填三维模型、露天矿边坡稳定性分析三 维模型、等等。另一方面，应用计算机辅助设计（CAD）技术进行工程制图和

5、工 艺设备的设计。随着地下矿山的开采深度增加，许多露天矿也已转入深凹开采， 需要研制新型采掘与运输工艺设备，因此，CAD技术在这方面有着广阔应用 前景。图像分析技术也逐渐应用于采矿工业中。利用摄像或CT探测技术获取图 像，由计算机对图像进行分析处理，从中获取某些特征参数或信息。该技术可用 于地质勘探、矿物鉴别、矿岩节理与断层识别、露天矿爆堆块度分析，等等。采矿生产过程依赖于各种采矿知识和工程经验，如：矿体特征、岩石的类 型、结构和性质、锚杆支护和采运设备选型、采矿方法选择，等等。为此，人们 建立了各种各样的矿业知识库和专家系统，以实现矿业知识的获取、存储和处理, 并且逐步将各种人工智能理论与技

6、术应用到采矿工业中。计算机辅助设计技术计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,简称CAD）作为一种成熟的计算 机技术已广泛应用于机械设计、建筑工程等领域，矿业领域也不例外。该技术主 要通过二维或三维图形进行工程设计与优化。在采矿工业中，最常用的辅助设计 开发软件是AutoCAD,它具有较强的绘图功能和开放的体系结构，可作为二次开 发平台，方便的进行功能的扩展，在国内外矿山得到广泛的应用。目前，我国的 许多矿山和大学科研机构合作在Auto-CAD平台上开发出多种实用的矿山辅助设 计软件。数据库管理信息系统数据库管理信息系统是在采矿工业中应用最早也是最成熟的计算机技术，它 的研制与

7、应用使得大量数据能在计算机中进行存储、加工、查询、更新和修改。 目前它已被广泛应用于地质勘探、矿山设计、生产管理等日常生产活动。在这些 实际应用中，有的是仅仅应用数据库管理信息系统，有的是把数据库管理信息 系统与其它应用软件结合起来应用。目前新开发的数据库管理信息系统是智能数 据库系统（IDS）,这种数据库系统在新的数据加入原数据库后，原数据库可以 自动对整个数据进行重新组织或安排，以保证对数据查询和处理的有效性和快 速性。人工智能人工智能技术主要包括专家系统、人工神经网络、遗传算法等技术。在20世纪 80年代以来，人工智能技术在矿业中得到了较为广泛的应用。实际上，就其研究 成果和发展趋势来看

8、，人工智能大致包括符号智能、计算智能和人工生命等3个 方面。3.1符号智能符号智能与专家系统在采矿工业中的应用符号智能是以物理符号系统为基 础，研究知识的表示、获取和推理。这就是以知识为基础的传统人工智能（或称 为知识工程阶段）。专家系统是该阶段的典型代表，从80年代起就开始广泛应 用，并出现了各种专家系统开发工具。专家系统也是人工智能在采矿工业中应用 最早、最广泛的领域。在90年代，各种各样的矿业专家系统纷纷面世，比如：岩 石力学与工程专家系统，矿山井巷工程专家系统、采矿方案与设备选择专家系统、 矿山安全专家系统，等等。具体应用包括：工程岩体的分级与分区，边坡和围岩 的稳定性分析，顶板锚杆支

9、护和巷道围岩支护的设计，采矿方法选择、开拓运输 方案选择、铲运机选型、爆破设计、瓦斯或事故的预防，等等。应用几乎涉及到 采矿生产过程的各个方面。矿业专家系统将来的发展主要是综合应用人工智能的 理论与方法。在知识获取方面，除了引入神经网络的学习功能外，还可研究和综 合应用诸如归纳学习、类比学习、解释学习、遗传学习、知识发现等各种机器学 习方法，以实现知识的自动获取。在知识表示与推理方面，除了引入模糊逻辑之 外，还需研究其它更有效的方法，特别是高效的不确定性推理和基于范例的推 理方法。3.2计算智能（1）专家系统是人工智能的一个重要分支，它将人类专家的经验转化为计算机 程序，进行智能化决策，也就是

10、说，专家系统是一种模拟专家决策能力的计算 机系统。目前在采矿工业中开发研制的专家系统有：露天矿边坡稳定性分析专家 系统、矿山设备选型决策支持专家系统、煤层自燃发火预测专家系统、矿山锚杆 支护设计与选型专家系统和露天矿爆破专家系统等。（2）人工神经网络对专家的思维进行模拟，利用它的良好的自学习、联想、非 线性动态处理、自适应等方法，从积累的工程事例中获取知识，形成实用的网络 模型，主要用于推理决策。人工神经网络可以用来解决矿业中的模式识别、分类、 预测、函数映射、组合优化、知识获取等一系列问题。自90年代初期以来，它 在矿业中得到了广泛的应用。具体应用实例有：地下巷道或采场顶板可能破坏模 式的识

11、别、机器状态模式识别与故障诊断、岩石分级、崩落矿岩流动性分级、矿 石品位估算、矿山压力预测、泥化夹层错动带残余强度预测、矿山顶板初次或周 期来压步距预测、矿岩力学参数和设计参数的预测、岩爆与瓦斯预报、矿业可持 续发展评价、矿山损失贫化分析、岩体工程可靠性分析、采矿方法选择，等等。 人工神经网络在矿业领域的发展主要是学习算法的改进，同其它数学理论与方 法和专家系统等智能技术相结合，并且扩大应用、增强解决实际问题能力。目前， 在地下采矿方法合理识别、矿石品位估计等方面得到应用。（3）模糊系统（Fuzzy Systems）是对人脑的模糊性软件思维能力的模拟，它以 模糊集合论为基础，利用人类模糊性语言

12、描述的知识经验来分析和解决问题。采矿工业中存在很多模糊的不确定信息，矿业专家的很多经验和推理方法 也很难用精确的公式来表达，为了解决这类问题，人们引入了模糊理论。模糊理 论在矿业中的应用可分两大类：数值计算和不确定性推理，智能模糊系统主要 指后一种应用。在矿业专家系统中，不确定性知识的表示与推理可以采用基于模 糊逻辑的处理方法。（4）遗传算法是根据大自然遗传的适者生存原则,模拟生物进化过程来完成优 化搜索，通过将实际问题编码，然后进行一系列遗传操作，如复制、交叉和突变 等达到问题的优化。如英国诺丁汉大学的B. Denby等利用遗传算法优化了露天 开采程序和开采境界。遗传算法的基本思想是：对问题

13、求解的决策变量进行编码, 构成一群染色体，根据遗传理论和适者生存原则，使之以某种概率进行选 择、交叉、变异等操作后，生成下一代 染色体 群，如此循环，直至群体平 均适应度（或最优个体适应度）提高到某一极限。因此，它是一种全局优化概率 搜索算法。近几年来，已有人开始将遗传算法应用于矿业领域中，主要目的是改 善人工神经网络的性能，用于矿山压力预报、实测数据预测建模、矿石品位估算， 等等。预计遗传算法还可以应用于矿业的优化决策、生产调度、矿业知识系统的 自动学习、图像处理等方面。虚拟现实技术。虚拟现实技术（Virtual Reality,简称VR）是近几年来发展起来的高新技 术。该技术利用计算机生成

14、逼真的三维空间环境，通过多种传感器设备使用户进 入到该环境中，实现用户与环境直接进行交互的技术。VR与传统的CAD及其它 软件相比差别在于人机的交互性，即人通过专用设备不仅可参与到虚拟的环境， 而且可对此虚拟环境中的对象进行操作，而这一环境随之会做出相应的动态反 映。VR的雏形起源于50年代后期，经过近40年的发展，已趋于成熟。尤其是90 年代以来，计算机硬件、软件功能的不断强化和成本下降为VR的发展和应用创 造了条件。因此，VR理论和应用研究日趋广泛，并且在医药、化学分析、数据 识别、建筑、教育和娱乐等方面取得了令人注目的成就。在矿业领域内，虚拟现 实技术也初步得到应用，目前已开发出多个虚拟

15、现实系统，如英国诺丁汉大学 AIMS研究中心开发出井下虚拟采矿环境SAFE- VR系统和矿山作业人员的安全 技术培训等系统。通过这些矿山VR软件辅助人们了解实际的矿山作业环境，进 行风险预测和典型事故的分析和再现等。此外，VR技术在矿山灾害识别、救灾 训练等方面也得到广泛的应用。虚拟现实技术的研究与应用无疑对提高煤矿安全 生产、矿工的安全意识具有重要的实用价值。目前我国对VR的研究尚处于初级 阶段，相信随着这一技术的发展，必将对我国采矿业的发展具有重要的意义。5通信技术在采矿工业中的应用信息的传输和共享需借助通信技术来实现。除了普通电话以外，目前，在采 矿工业中应用的通信技术主要有两种，计算机

16、网络技术和无线通信技术（包括 卫星通信在内）。（1）计算机网络。在采矿工业中，计算机局域网（LAN）主要是作为MIS系统的 平台，用于企业的经营与管理。随着采矿生产技术水平的提高和工艺设备的革新, 借助计算机网络也可实现生产的调度与监控。也有一些企业的内部网接入了 Internet网，主要应用于：企业和产品的广告宣传、收发电子邮件和获取有关信 息等；以后将会朝着电子商务的方向发展，实现网上交易。（2）无线通信。无线通信技术主要应用于矿山企业的生产调度。以德兴铜矿的 生产调度为例，该矿最初采用无线对讲机对卡车、电铲等主要采矿设备进行调 度。后来，德兴铜矿又从美国引进了卡车计算机调度系统DISPA

17、TCH,该系统借助 于无线通信和GPS卫星定位系统，将安装在卡车、电铲、钻机、破碎机等设备上 的车载计算机收集到的各种数据（如：设备状态、载荷、位置等）和边坡监测数 据实时地传送到中央计算机，由中央计算机进行处理和调度。这样，可解决车铲 设备的最佳配合和设备中途出故障后的动态重组等问题，以提高设备的台时效 率，实现采矿作业的最优化。另外，DISPATCH的钻机管理部分利用高精度GPS定 位系统，可实现爆破孔的自动定位。无线通信技术在采矿工业中的发展将由目前 的露天开采推广应用到地下开采，由采矿作业调度推广应用到矿山安全报警。三、结论计算机技术的飞速发展已促进了矿业计算机应用的深度和广度，系统工

18、程、人工 智能和VR技术在矿业中的综合应用，使矿业计算机应用向更深更广的方向发 展。随着PC机性能的提高和价格的降低，微机版的采矿软件包的开发和应用将更 加广泛，计算机软件也必将向标准化、通用化、三维化和易操作化方向发展。而 虚拟现实技术的日趋成熟，也必将给采矿业的发展带来革命性的变化。总而言之, 信息科技作为一种辅助支持手段，在采矿工业中目前主要用于设计计算和决策 分析，由一般的数值计算发展到智能计算，由常规的数据处发展到集成的智能 决策。同时，信息科技将逐渐与采矿生产实践紧密结合。目前，我国矿山企业信 息化改造的薄弱环节和难点是生产技术的改造。采矿生产中的检测、控制、调度、 监视、报警等方面都可引入信息技术，进行实时处理。只有将信息技术直接嵌入 采矿生产工艺中，软硬结合，才有可能最终