煤炭開采技術(shù)管理論文專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中的應(yīng)用與展望

1、 煤炭開采技術(shù)管理論文：專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中的應(yīng)用與展望摘要:專家系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用,以生產(chǎn)力的發(fā)展、節(jié)約型社會的建設(shè)、生產(chǎn)效率的提高為背景。本文首先綜述了國內(nèi)外采用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的專家系統(tǒng),在礦山設(shè)計方案決策、參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)系統(tǒng)評價、生產(chǎn)信息化管理、故障預(yù)測及診斷、災(zāi)害預(yù)測與防治等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。通過現(xiàn)狀,分析出當前專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中存在的主要問題,并針對當前的問題提出了發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:煤炭開采;專家系統(tǒng);應(yīng)用現(xiàn)狀;展望由于采礦生產(chǎn)受許多因素的影響,雖然目前從力學、地質(zhì)學和經(jīng)濟學等角度去尋找各種技術(shù)問題的解答已取得重要的進展1,2,但是制約煤礦科學開采的一些技術(shù)難題仍未

2、得到很好解決。主要原因有:煤礦生產(chǎn)工程性太強,涉及問題太多,致使采礦中的許多問題還只能憑實踐經(jīng)驗最后拍板定論3;隨著煤礦開采深度的增加,礦井地質(zhì)、生產(chǎn)條件十分復(fù)雜,開采難度和開采成本也隨之增大,從而使得煤礦開采生產(chǎn)遇到很多現(xiàn)實問題。近年來,隨著計算機技術(shù)和人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展,專家系統(tǒng)在煤礦開采方面的應(yīng)用,提高了煤礦開采的安全性、高效性,給煤礦開采技術(shù)的發(fā)展帶來嶄新的局面。1專家系統(tǒng)在煤礦開采中的發(fā)展背景人工智能是20世紀的三大科技成就之一,而專家系統(tǒng)是人工智能研究與應(yīng)用中的重要領(lǐng)域。世界各國為了取得采礦工業(yè)的競爭優(yōu)勢,提高生產(chǎn)效率、降低成本和改善環(huán)境,正在大力引進其它工業(yè)部門已采用的高新技

3、術(shù),卓有成效地使采礦工業(yè)朝智能化方向發(fā)展,這對我國采礦科學和技術(shù)從戰(zhàn)略決策的高度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)4。我國人工智能著名專家馮夏庭教授,提出了21世紀我國采礦科學和技術(shù)向智能化發(fā)展的新方向5。專家系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展,是科學進步的產(chǎn)物,也與以下經(jīng)濟及社會等因素有關(guān):生產(chǎn)力發(fā)展的需要。隨著科技的飛速發(fā)展,世界對能源的需求與日俱增,要求煤礦高效、安全開采,以滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需求。建立節(jié)約型社會的需要。目前,我們提倡建立環(huán)保、節(jié)約型和諧社會,利用專家系統(tǒng)提出合理開采方案,降低開采成本,節(jié)約自然資源。提高生產(chǎn)效率的需要。煤礦生產(chǎn)方案的提出,要合理、快速、及時準確地為井第4期欒利建等:專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中

4、的應(yīng)用與展望下生產(chǎn)提供技術(shù)支持,提高生產(chǎn)效率,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。2礦山專家系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用專家系統(tǒng)在采礦方面的應(yīng)用較早,這些包括煤礦開采管理、巷道支護、工程爆破、圍巖分類等。20世紀70年代末,美國開發(fā)出了能夠用于20多種礦藏勘探的專家系統(tǒng)prosector,其他發(fā)達國家也先后開發(fā)了各自的礦用專家系統(tǒng)。我國的研發(fā)工作始于上世紀70年代末6,通過科研工作者的積極探索和努力實踐,獲得了大量的科研成果。隨著專家系統(tǒng)的發(fā)展,許多國家的科研機構(gòu)及高等院校,就其在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用,開展了大量且深入的研究工作。目前,專家系統(tǒng)在煤礦中的發(fā)展和應(yīng)用,主要集中在方案決策、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、故障預(yù)測及診斷、災(zāi)

5、害預(yù)測與防治、生產(chǎn)信息管理、生產(chǎn)系統(tǒng)評價等方面。(1)開采方案決策及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)的發(fā)展,打破了礦山傳統(tǒng)的設(shè)計理論和方法,使方案決策和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計更合理、更切合實際。美國阿拉斯加大學采礦系研制出采礦方法選擇專家系統(tǒng)7,其功能是在長壁采煤法和短壁采煤法之間作出選擇,并給出最佳割煤方案的決策;澳大利亞西部礦業(yè)學院應(yīng)用模糊數(shù)學理論,開發(fā)研制了爆破對策選擇和參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計的臺階高度確定的專家系統(tǒng)8;加拿大拉瓦爾大學的露天礦設(shè)備選型專家系統(tǒng)SCRAPER9,主要對露天煤礦的設(shè)備選型提供可靠、合理的決策建議。我國馮夏庭開發(fā)了采礦巷道圍巖支護設(shè)計專家系統(tǒng)10,解決了巷道設(shè)計過程中圍巖分類的相關(guān)問題;李

6、效甫,姚建國開發(fā)了回采巷道支護形式與參數(shù)合理選擇專家系統(tǒng),用于科學合理地選擇巷道支護形式與參數(shù)11。楊仁樹等開發(fā)了協(xié)莊煤礦巷道爆破設(shè)計專家系統(tǒng)12,實現(xiàn)了煤礦井下爆破掘進方案決策智能化推理。(2)井下故障診斷及災(zāi)害預(yù)防控制采礦設(shè)計和生產(chǎn),既需要研究、利用采礦科學技術(shù)最大限度地提高采礦的經(jīng)濟效益,還必須考慮采礦生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)安全、對環(huán)境的影響以及礦產(chǎn)資源的開發(fā)和綜合利用等社會問題。專家系統(tǒng)為解決這類問題,提供了有力的工具。王文銘等設(shè)計的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦山企業(yè)智能診斷專家系統(tǒng),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極強的學習能力,進行診斷知識的獲取和診斷推理13。為了解決煤礦開采生產(chǎn)事故及時預(yù)報,楊志強等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了

7、地下采礦生產(chǎn)事故預(yù)報專家系統(tǒng)14。劉光慶等設(shè)計了礦井頂板水害預(yù)測與防治專家系統(tǒng),結(jié)合模糊理論完成了綜合模糊評判決策系統(tǒng)15。中國礦業(yè)大學的劉衛(wèi)東等,針對目前嚴重影響礦井安全的礦井沖擊礦壓進行預(yù)測預(yù)報研究16,建立了基于模糊邏輯的礦壓沖擊預(yù)測預(yù)報模型,為模糊邏輯實際應(yīng)用于礦井沖擊礦壓預(yù)測打下了基礎(chǔ)。(3)煤礦生產(chǎn)信息化管理隨著現(xiàn)代管理技術(shù)的應(yīng)用和智能技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的人工管理方法,在信息的整體性、準確性、時效性和信息資源共享等方面存在諸多問題。建立以專家系統(tǒng)為設(shè)計手段的煤礦生產(chǎn)信息管理系統(tǒng),實現(xiàn)了煤礦主管領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)部門、各技術(shù)部門之間的高效溝通和交流,實現(xiàn)了煤礦管理業(yè)務(wù)的有效整合和信息資源共享,

8、提高了工作效率和管理水平。中國礦業(yè)大學楊仁樹等結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際,設(shè)計開發(fā)了煤礦井巷開挖工程管理信息系統(tǒng),構(gòu)建了基于B/S模型的工程管理信息系統(tǒng),為企業(yè)提高管理水平、增強競爭力、降低成本提供了有力保證17。安徽理工大學王向前等開發(fā)了煤礦作業(yè)規(guī)程編制及管理系統(tǒng)18,提出了基于Java平臺的B /S與C /S混合結(jié)構(gòu)的煤礦作業(yè)規(guī)程編制及管理系統(tǒng)解決方案,實現(xiàn)了作業(yè)規(guī)程編制與管理的自動化、智能化和信息化,提高了作業(yè)規(guī)程的編制效率和質(zhì)量。(4)煤礦生態(tài)環(huán)境智能化評價煤礦開采工業(yè)在為我們帶來豐富自然資源的同時,也在破壞著我們賴以生存的地球環(huán)境。煤炭資源開發(fā)過程中,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞,產(chǎn)生了很大的環(huán)境負

9、效應(yīng),阻礙了礦區(qū)經(jīng)濟、社會的持續(xù)高速發(fā)展。因此,煤炭資源的合理開發(fā)和高效利用,對經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。礦區(qū)生態(tài)破壞與生態(tài)恢復(fù),就成為煤礦礦區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素19。煤礦生態(tài)環(huán)境評價智能化的發(fā)展,成為了解決這一問題的重要的手段之一。英國諾丁漢大學用專家系統(tǒng)通用語言Exper-tech在微機上開發(fā)了露天礦邊坡設(shè)計專家系統(tǒng),以及井下環(huán)境和露天礦環(huán)境影響評價的專家系統(tǒng);中國礦業(yè)大學馬從安等開發(fā)的露天礦生產(chǎn)與生態(tài)重建適宜性評價專家系統(tǒng)20,利用CLIPS專家系統(tǒng)語言設(shè)計了土地復(fù)墾適宜性評價專家系統(tǒng),解決了針對不同的立地類型,為大型露天煤礦復(fù)墾土地適宜性評價,提供了方便快捷的決策工具。煤

10、礦開采專家系統(tǒng)存在的問題(1)知識庫內(nèi)容匱乏,智能化程度低專家系統(tǒng)區(qū)別于計算機軟件的主要標志,是其具有智能性,能根據(jù)不同的原始條件推理出合理、正確的方案和結(jié)果,從而達到專家級水平。目前,礦山專家系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域,但由于專家知識庫匱乏,知識涵蓋面窄,知識數(shù)量有限,使得其在對實際問題的推理和判斷過程中,不能對提出的問題推理出合理的結(jié)果,而不能達到專家級的水平。這種專家知識庫的不完善,使礦山專家系統(tǒng)失去了智能行為,極大地限制了問題的求解能力,甚至導(dǎo)致專家系統(tǒng)問題求解的錯誤,而不能夠很好的發(fā)揮作用。(2)服務(wù)領(lǐng)域單一,可通用性差目前,各種礦山專家系統(tǒng)種類較多,水平參差不齊,都是針對

11、某一個煤礦中的某一種方面進行開發(fā)的,比如有巷道爆破設(shè)計專家系統(tǒng)、通風智能設(shè)計專家系統(tǒng)、設(shè)計瓦斯預(yù)警專家系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)之中,各種開發(fā)技術(shù)和推理方式良莠不齊。由于煤礦的開采是一個復(fù)雜的大型的生產(chǎn)活動,整個礦井的安全、高效生產(chǎn)是一個相輔相成、互相制約、環(huán)環(huán)相扣的過程。而專家系統(tǒng)技術(shù)與其它計算機方法,使得如數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)等結(jié)合起來形成的廣泛意義的礦山專家系統(tǒng)還存在問題。而要解決的問題,將不僅是某一狹窄的領(lǐng)域,而是多方面多領(lǐng)域的綜合性問題。(3)系統(tǒng)種類繁多,缺乏現(xiàn)場應(yīng)用軟件公司、科研單位、高校所開發(fā)的礦山專家系統(tǒng)種類繁多,涉及到礦山領(lǐng)域的各方面。但是,煤礦生產(chǎn)是一項較為復(fù)雜的工程,受地質(zhì)條件

12、、生產(chǎn)條件、地域等限制。只有充分結(jié)合煤礦具體的生產(chǎn)實際情況,才能更好的進行系統(tǒng)的開發(fā)工作。據(jù)調(diào)查,目前多數(shù)礦山類專家系統(tǒng)都不同程度的脫離煤礦生產(chǎn)應(yīng)用的實際,功能強大的專家系統(tǒng)并不能很好的為技術(shù)人員掌握和應(yīng)用。(4)忽略有效交流,造成資源浪費目前,各種礦山類專家系統(tǒng)層出不窮,在同一個煤礦可能會出現(xiàn)多種專家系統(tǒng)版本,包括頂板管理、爆破設(shè)計、巷道支護設(shè)計、規(guī)程管理、瓦斯預(yù)測等等。所有這些可能由不同的開發(fā)單位完成,目的都是為礦山生產(chǎn)建設(shè)服務(wù)。但是,由于不同開發(fā)單位缺少有效溝通和資源共享,各單位不得不各自根據(jù)需要進行設(shè)計開發(fā)工作。在整個礦山的生產(chǎn)過程中,很難形成優(yōu)勢互補,產(chǎn)生了重復(fù)設(shè)計和開發(fā),造成了一定

13、程度的資源浪費。4煤礦開采技術(shù)專家系統(tǒng)展望(1) 豐富礦山專家知識庫,提高推理智能化知識庫是專家系統(tǒng)的核心部分。專家系統(tǒng)知識庫要以屬性為基礎(chǔ),能夠形成知識節(jié)點與數(shù)據(jù)子類的對應(yīng)關(guān)系;能夠進行快速、高效的知識管理;能夠反映出知識間的關(guān)聯(lián)程度。在系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)過程中,要高度重視專家知識庫知識的豐富性,要力求知識涵蓋面廣、涉及的因素全面。知識庫的設(shè)計,要能準確地表達專家知識,有較強的表達能量,能滿足推理機的工作。知識庫內(nèi)部的表達要精煉,便于知識庫知識的更新和完善。提高系統(tǒng)的智能化程度,還要充分考慮知識庫的科學合理的管理,對知識進行合理的表達,對知識模塊進行合理的分類。(2) (2)整合礦山領(lǐng)域?qū)＜蚁?/p>

14、統(tǒng),實現(xiàn)綜合集成發(fā)展在系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)研階段,要考慮到系統(tǒng)的綜合集成問題。在系統(tǒng)平臺的設(shè)計、分類和模塊的建立之初,要考慮系統(tǒng)的擴展性和延續(xù)性。礦山專家系統(tǒng)要將多種知識表示方法、學習機制和推理技術(shù)綜合集成運用,才能優(yōu)勢互補。例如,將基于規(guī)則的推理和基于案例推理技術(shù)進行適當?shù)娜诤?推理技術(shù)與大規(guī)模的并行處理技術(shù)結(jié)合等,均提高了專家系統(tǒng)的性能和效率。尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學理論等智能算法、Web和XML技術(shù)的引入,更為專家系統(tǒng)的研究和發(fā)展注入了新的活力。(3)依據(jù)煤礦生產(chǎn)實際,以實用性為主煤礦生產(chǎn)是一個受地質(zhì)、埋深、地域等因素綜合影響的活動,礦山專家系統(tǒng)的設(shè)計,要嚴格結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際情況進行。在系統(tǒng)的

15、前期調(diào)研、知識庫的建立、模塊的設(shè)計,要與煤礦設(shè)計人員與井下施工人員充分交流,并實地考察井下施工現(xiàn)場,搜集相關(guān)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)的每一步開發(fā)過程中,都要根據(jù)煤礦生產(chǎn)的實際情況進行及時調(diào)整和調(diào)試,與煤礦技術(shù)員深入溝通和交流。有條件的情況下,要與現(xiàn)場技術(shù)員共同進行設(shè)計和開發(fā),力爭讓系統(tǒng)的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),都能很好的貼合應(yīng)用的實際,力求杜絕系統(tǒng)界面友好、功能繁多、實用性差的狀況。(4)加強合作和交流,實現(xiàn)資源共享對于地域與地質(zhì)條件相似的煤礦,在專家系統(tǒng)課題的立項和開發(fā)過程中,要進行合作和交流。在某一專業(yè)領(lǐng)域,如巷道支護設(shè)計決策專家系統(tǒng),地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道類型多的煤礦,可以兼顧到專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中的應(yīng)用與

16、展望地質(zhì)條件相對簡單、巷道類型較少的煤礦,在系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計中,進行全面的考慮,可節(jié)省人力、物力和寶貴的時間。同時,在大型的專家系統(tǒng)開發(fā)過程中,可以進行分工合作,各自負責某一領(lǐng)域的系統(tǒng)開發(fā)工作。在開發(fā)過程中,加強信息的溝通和公開,在技術(shù)上實現(xiàn)互補和對接工作。5結(jié)論煤炭科技的發(fā)展將為我國能源可持續(xù)發(fā)展提供保障,專家系統(tǒng)在煤礦開采技術(shù)中的廣泛應(yīng)用無疑會給這一產(chǎn)業(yè)帶來巨大的推動。在系統(tǒng)的開發(fā)中,要加強技術(shù)合作交流,充分結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際,不斷提高系統(tǒng)的智能化。大力開展專家系統(tǒng)在煤炭開采技術(shù)中的應(yīng)用,對于人工智能、煤炭開采專業(yè)領(lǐng)域及其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展,將會起到重要的作用。參考文獻 1 Malcolm S

17、coble, Canadian mining automation evolution;The digital mine enroute to minewide. CIM BULLETIN.Vol. 88, No. 990. May 1995: 30-37. 2 John chadwick, Mine automation. Mining Magazine. June1995: 333-343. 3 童光煦,采礦與采礦科學J.中國礦業(yè), 1992, 1 (1):19-22. 4 謝賢平,童光煦.采礦科學和技術(shù)向智能化的發(fā)展J.礦業(yè)研究與開發(fā), 1996, 16 (3): 1-6. 5 馮夏庭.

18、采礦工程智能系統(tǒng)M.北京:冶金工業(yè)出版社. 6 韓鳳山.煤礦巷道錨桿支護設(shè)計專家系統(tǒng)的研究與應(yīng)用D .沈陽:東北大學, 1997. 7 Charniak E, Reisbeck C K, Meehan J R. Artifficial Intelli-gence Programming. Lawrence Erbaum Associates. 1996. 8 王偉.巖巷定向斷裂爆破設(shè)計及掘進規(guī)程輔助設(shè)計系統(tǒng)研究(碩士學位論文) D.中國礦業(yè)大學(北京校區(qū)),2002, 5. 9 蘇海云,秦秀嬋.礦山專家系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望J.礦業(yè)工程, 2005, 3 (1): 54-56.10馮夏庭,林韻梅.采礦巷道圍巖支護設(shè)計專家