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1、矿业系统工程,资环学院工业工程系李兴华,第一章 绪论 1.1 系统工程的基本概念,系统工程是一门正处于发展阶段的新兴学科。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，是用系统科学的观点，合理地结合控制论、信息论、经济管理科学、现代数学、计算机技术和其他有关的工程技术，按照系统开发的程序和方法去研究和建造最优化系统的一门综合性的管理工程技术。系统工程以系统为对象，从系统的整体观念出发，研究各个组成部分，分析各种因素之间的关系，运用数学和系统分析方法，寻找系统的最优方案，使系统的总体效果达到最佳。系统工程有三个特点:(1)研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和
2、组织管理等。(2)系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学 和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们 在处理问题时，有系统的整体的观点。(3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。因为系统工 程所研究的对象往往涉及到人，这就涉及到人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性 推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要 有科学性，而且要有艺术性和哲理性。,系统是指由相互作用和相互依赖的若干
3、组成部分结合的具有特定功能的有机整体。例如，在地球上存在着许多自然系统，如海洋系统、气象系统、生态系统等。在人类社会中存在着生产系统、经济系统、消费系统、科学系统、技术系统、教育系统、通信系统、交通系统、服务系统等。系统都具有整体性、层次性、相关性、目的性和环境适应性的特征。整体性。系统是由多个可以相互区别的要素组成的，但不是各个要素的简单集合。具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。层次性。系统作为一个相互作用的各个要素组成的整体，可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。相关性。组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之
4、间的关系。目的性。通常系统都具有某种目的，要达到既定的目的，系统都具有一定的功能。系统的目的通常要用更具体的目标来体现。一般来说，比较复杂的系统都具有不止一个目标，因此需要用一个指标体系来描述系统的目标。环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境中，因此，必然要与外界环境产生物质的、能量的和信息的交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各个要素间的变化。系统必须适应外部的变化，才是理想的系统。,自然界和人类社会中普遍存在着各种不同性质的系统。根据生成原因，系统可分为自然系统和人造系统。自然系统是由自然过程产生的系统，如前面提到的气象系统、生态系统等。人造系统则是人们将有关元素按其属性和相互关
5、系组合而成的系统，如生产系统、通信系统等。实际上，大多数系统是自然系统和人造系统的复合系统。系统又可分为实体系统和概念系统。实体系统是指由矿物、生物、机械和人群等系统构成要素组成的系统，概念系统是指由理念、规则、方法、制度、程序等概念性的非物质要素组成的系统。实体系统和概念系统通常是结合在一起的，实体系统是概念系统的载体，而概念系统则是实体系统的神经中枢。根据系统状态是否随时间变化，动态系统和静态系统。动态系统的状态变量是随时间而变化的，静态系统的状态则是稳定的。描述静态系统规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间变化，描述的是动态系统的一种极限状态。开放系统和封闭系统。开放系统
6、是与环境有物质、能量、信息交换的系统，封闭系统则与环境隔绝，没有上述交换行为。此外，还可以根据某些特征，将系统分为因果系统、目的系统、控制系统、行动系统、对象系统、简单系统、复杂系统等。,系统工程就是以大规模复杂系统为研究对象，把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来，应用定性分析和定量分析相结合的方法和计算机等技术，对系统构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和
7、整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。系统工程产生于20世纪40年代，在60年代形成了体系。进入70年代后，系统工程发展到解决大系统的最优化阶段，其应用范围已经超出了传统工程的概念，已广泛深入到社会经济科学、自然科学以及各种工程技术领域，由此也产生了具有各种学科特点的系统工程。社会系统工程。研究对象是具有多层次、多区域、多阶段特点的社会复杂巨系统，研究各种社会问题。经济系统工程。运用系统工程的方法研究宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展计划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综
8、合国力分析、世界经济模型等。区域规划系统工程。运用系统工程的方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域资源配置等。环境生态系统工程。研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、预测、防治等方面的问题。,能源系统工程。研究能源合理结构、能源需求预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源信息管理等问题。矿业系统工程。研究矿产资源经济与管理、资源开采规划、投资、评价、设计、生产和优化管理等问题。水资源系统工程。研究河流综合利用规划、流域发展战略规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化、水能
9、利用规划、水污染控制等问题。农业系统工程。研究农业发展战略、大农业及立体农业的战略规划、农业结构分析、农业综合规划、农业区域规划、农业政策分析、农业投资规划、农产品需求预测、农业系统多层次开发等问题。企业系统工程。研究市场预测、新产品开发、CIMS及并行工程、生产管理系统、质量管理系统、成本管理系统等。工程项目管理系统。研究工程项目的总体设计、可行性分析、国民经济评价、工程进度管理、工程质量管理、风险投资分析、可靠性分析、工程成本-效益分析等。科技管理。研究科学技术发展战略、科学技术预测、优先发展领域分析、科学技术评价、科技人才规划、科学管理系统等。人口系统工程。研究人口总目标、人口参数、人口
10、指标体系、人口系统数学模型、人口系统动态特性分析、人口政策分析、人口区域规划、人口系统稳定性等。军事系统工程。研究国防战略、作战模拟、情报、通讯与指挥自动化系统、武器装备发展规划、后勤保障系统、国防经济学、军事运筹等。,20世纪40年代到70年代出现的很多学科分支，如运筹学、控制论、信息论等，为系统工程的发展奠定了理论基础，电子计算机的出现及其相关学科的发展，则为系统工程提供了强大的信息处理手段和方法。近几十年来，现代科学技术尤其是信息科学技术的迅猛发展，为系统工程提供了更为宽广的理论基础。系统分析理论。主要包括：一般系统论、大系统理论等。运筹学诸学科分支。运筹学是一门应用科学，是为决策者在解
11、决实际问题选择最优决策时提供的以数量化为基础的科学方法。运筹学在解决实际问题时，通常首先需要确定研究问题的目标和约束条件，然后根据实际问题中的主要因素及各种约束条件之间的关系建立数学模型，通过模型求解来寻求最优方案。运筹学的主要分支包括：线性规划、整数规划、非线性规划、目标规划、动态规划、图论及网络分析、排队论、存贮论、决策论、对策论等。现代应用数学若干学科分支。这方面主要数学分支有：概率论与数理统计、随机过程、模糊数学、灰色系统理论、可靠性理论、控制论、遗传算法、地质统计学等。经济管理学理论。主要包括：管理学、可持续发展理论、工业工程、宏观微观经济学、技术经济学、计量经济学、产业经济学、投资
12、经济学、经济控制论、区域经济学、经济地理学、资源经济学等。与计算机技术密切结合的交叉学科分支。主要包括：系统仿真、系统动力学、人工智能、人工神经网络、决策支持系统、管理信息系统、计算机辅助设计、地理信息系统等。,1.2 系统工程的理论基础,1.3 系统分析,1.3.1 系统分析的基本概念 系统分析是应用各种方法对系统进行研究和应用的过程，基本内容及步骤如下。阐明问题，从系统整体最优的角度出发，明确系统预期实现的目标。系统所期望达到的目标是系统分析的出发点。目标分析要论证系统总目标的合理性、可行性和社会经济效益，同时需要时还应把总目标分解为各级分目标，以便具体落实而保证总目标的实现。进行系统结构
13、分析，目的是保证在系统总目标和环境因素的约束下，系统的要素和要素间的相互关系在阶层分布上最优结合。对系统进行分解，分析构成系统的各个层次、系统结构、各个子系统的功能和相互关系，以及系统的边界条件。进行调查研究、资料收集和分析，研究系统输入、输出、转换过程的特点和规律，预测未来环境。在研究分析基础上，提出若干解决问题备选方案，建立评价指标体系和标准。应用各种方法，建立模型，求解模型或进行模拟试验。根据模型解算或模拟结果，并综合其他相关因素，对比各个备选方案，研究和探讨各方案可能产生的效果。综合技术经济、组织管理、方针政策等各种因素，寻找系统整体效益最好和有限资源配置最佳的方案。提供系统工程分析报
14、告。分析报告通常需要包括背景分析、问题阐明、分析的依据和设想、方案的筛选、分析过程的关键问题、技术内容、数学模型、研究结论、计算机软件及使用说明等等。,1.3.2 系统分析的原则 系统分析是系统工程的核心内涵，进行系统分析时一般应遵循以下原则:整体性与目的性。系统分析不同于一般的技术经济分析，除了有更为广泛的内容外，必须着眼于系统的整体目标，以发挥系统整体的最大效益为前提。系统总体最优就要求局部子系统的利益要服从系统的整体利益。此外系统分析还应站在高一级的立场来考虑问题，例如考虑问题的社会效益、环境问题、可持续发展问题等。递阶分层分解和综合协调。系统分析通常应遵循递阶分层分解和综合协调的原则，
15、即将大型复杂系统逐层分解为若干子（层）系统，使问题简约清晰，以便深入研究。然后综合协调各子系统与系统整体的关系，使整体系统目标最优。长期利益与当前利益相结合，经济效益与社会效益相结合。以定量分析为主，并与定性分析相结合。系统分析主要采用各种定量化方法，应尽可能的应用各种适用的数学分析和其他定量化方法，获取反映问题本质规律及特征的可靠数据，但绝不能忽视定性的因素。首先定量分析要建立在对系统本质属性和规律性的定性分析和深入理解的基础上，其次要遵守国家的政策法规，维护社会公德，这样用定量方法得到的某些结论还要用定性分析方法加以综合、推理与判断。另外复杂系统往往受到众多的社会、经济、环境、技术因素的影
16、响，其中还有不少不确定因素，系统分析不仅需要数学计算与分析，还需要直观经验和逻辑推理，定量与定性分析相结合，才能更有效地解决问题。,1.4 矿业系统工程,1.4.1 基本概念 矿业系统工程是由运筹学、工程数学、管理学、系统理论、技术经济、计算机科学与技术以及采矿工程理论与技术等多种学科和技术交叉产生的新学科。关于这门新学科，有3个不同的说法，即“计算机在矿业中的应用”、“计算机和运筹学在矿业中的应用”、“矿业统工程”。这三个说法人们往往理解为具有同样的含义。人们之所以将这三者理解为是一回事，的确是由于这三者之间具有密不可分的关系，甚至可以认为这三者本身就是一个有机整体的不同表现形式。可以从以下
17、几个方面理解三者的关系。系统工程理论和方法是计算机应用的基础。矿山开采是一个复杂的系统工程，从地质勘探、设计到生产、经营销售，各个环节关系密切，矿山生产需要严密科学的设计和严格科学的管理。矿山开采的对象矿床，需要在开采前和开采过程中不断进行探索和了解，并因此而不断调整矿山企业的各项作业计划和经营行为。因此，计算机的应用不能仅仅局限于解决局部问题，而应该从系统整体的角度出发分析和解决问题。运筹学是通过数学模型来表达系统工程思想。发展于20世纪40年代的运筹学，其整体优化思想蕴涵了系统工程的思想，可以说在某些方面是系统工程思想的数学模型具体体现形式。运筹学的特点是从全局出发，通过建立模型，对于要解
18、决的问题寻求最优最合理的决策方案。一般说来，运筹学仅从数学角度去解决问题，也只能解决那些能够用数学模型表述的问题。对于能表述为数学模型的具体问题，能够以最直接的途径获得最准确的结论。计算机是实现系统工程思想和运筹学优化思想的工具。要实现系统工程思想和运筹学优化思想，就必须依靠计算机进行大量的数据处理、信息管理、图形图象设计和处理、大量求解运算等工作，以及实现其他种种人力无法实现的功能。此外，计算机还是一种技术和知识资源，是人类智慧的结晶。飞速发展的软、硬件技术和不断积累的软件成果大大提高了人们认识问题和解决问题的能力。,1.4.2 发展现状 20世纪50年代末期，系统工程理论方法和计算机技术就
19、开始应用于矿业。计算机应用和矿业系统工程的任务就是解决矿山开采系统中的规划、设计、建设和生产管理的优化评价问题，并为矿山企业管理提供现代化手段。时至今日，系统工程及计算机的应用范围遍及矿山开采系统的各个阶段及方面。资源开发、规划与管理。这方面的内容主要包括：资源经济与管理、资源开发与产业发展战略、资源开发与可持续发展、矿区经济评价、资源开发条件评价、资源环境保护等。矿山地质优化。这方面研究及解决的问题包括：研究最佳边界品位，考虑投资的时间价值，逐年动态地圈定矿体；评估地质资源，采用各种估值方法推断矿体轮廓，计算矿石储量及质量指标；研究和应用地质统计学理论和方法，推断矿床中主要组分的分布情况；研
20、究和建立矿床模型，将地质信息数据结构化、计算机模型化和可视化；研究矿石质量中和方法，研究配矿数学模型，充分利用矿山资源。矿山规划及设计工作的优化。围绕矿山规划及矿山设计，进行的研究开发工作主要有：应用线性规划、混合整数规划及投入产出法，综合考虑投资及生产成本，研究矿区最佳建设顺序及生产规模，确定矿山合理的生产能力；进行矿山投资风险分析，采用计算机仿真技术及概率统计、矿业经济等方法，预测和分析矿山投资的效果；应用计算机仿真技术、数学规划方法、技术经济学等，合理地确定露天矿开采境界、设备类型和数量；在方案优化及参数优化的基础上，确定合理的采矿方法；应用专家系统、遗传算法、人工神经网络等理论和方法，
21、综合考虑各种因素，确定合理的矿山开拓系统；优化矿井通风系统，运用网络技术及其他优化方法，使通风系统的设计、运行和控制更加合理；应用概率统计、预测技术等理论与方法，研究矿山安全管理问题；优化矿山总图布置方案，运用数学规划理论方法，合理布置各种工业场地和设施。,矿山企业现代化管理。矿山现代化管理是系统工程的重要应用方面，主要内容包括：应用数据库、人工智能和专家系统等现代化信息管理技术、建立矿山管理信息系统和决策支持系统，辅助管理和决策，建立办公自动化系统，提高办公效率和质量；应用线性规划、动态规划等方法，优化矿山生产计划；应用网络计划方法和项目管理方法，优化施工管理；利用传感技术、信息论、控制论等
22、技术，对矿山生产过程进行优化控制，使矿山生产处于最佳状态；运用数理统计和全面质量管理方法，严格管理和控制矿山生产各个环节的质量；运用成本管理理论和信息管理技术，研究矿山生产成本现代化管理方法和手段；采用数理统计、因果分析和时间序列分析等数学方法及各种经济理论，分析矿山企业经济活动，研究矿山的经济效果，预测矿山各种技术经济指标。采矿软件的发展。早期的矿用软件一般来说是针对个别矿山提出的课题开发的专用程序。实践证明这种方式对矿山应用者来说太死板，对开发者来说市场太小了。因此人们追求开发模块化综合软件包，其适用范围广，各种矿山都能接受，可用于各种地质和几何条件的矿山。20世纪80年代中期以来，西方主
23、要采矿国家的采矿软件公司相继推出了大量用于矿床开采评估、设计、计划和生产管理的综合性采矿软件包，如Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-K Eagles等，装备了许多矿山，特别是澳大利亚和北美的一些矿山。有效地应用计算机使矿山的生产经营从方法到手段发生了根本性变化，实现矿山的科学管理和优化开采。因此，在发达的采矿国家，几乎所有大中企业型矿业公司都拥有这种计算机系统，用于矿床开采评估、设计、计划和生产管理等作业的计算机化，计算机在矿山开采中发挥着日益重要的作用。APCOM会议。谈起矿山系统工程，就不能不提到APCOM国际会议。1961年由美国矿业学术界发起，在美国亚利桑拉大学召开了首界国际计算机及运筹学在矿业中的应用，会议名称为：International Symposium on the Application of Computer and Operation Research in the Mineral Industry，简称APCOM。此后APCOM会议约两年举行一次。APCOM已经成为公认的矿山系统工程国际学术会议组织，会议论文反映了同期矿山系统工程在世界上的发展动态和水平，第29届APCOM国际会议 2001年在中国矿业大学召开。,
