0 引言

地下矿生产系统是地下开采的核心系统，其管理工作的好坏将直接影响生产是否能正常进行以及矿山的经济效果。因此，生产调度便是地下开采工程一个关键性课题。传统的地下矿生产调度是根据每隔一定时期举行的生产调度会议安排的。参加会议的人员是由矿级领导、各生产车间管理人员和富有生产经验的工程技术人员等组成的。调度会议根据生产历史、生产现状及生产计划的综合情况来进行当前和未来若干时期的生产调度安排。很显然，这种调度方法是根据人的经验和主、客观要求进行的，已不适应现代化生产管理要求。

针对这种情况，我们应用优化技术、系统分析、评价与预测方法以及专家系统技术等系统工程方法开发了地下矿生产调度计算机软件系统，以帮助调度会议进行科学、实用的生产调度。

1 调度系统总体结构设计

根据对某地下矿生产调度过程分析，可得如图 1所示的地下矿生产调度系统总体结构图。图中，第一级调度(全矿调度会议级)根据全矿生产形势和生产要求制定全矿生产总调度计划，并下达到第二级调度(车间调度会议级)，同时根据接收到的各车间调度的反馈情况，修改调度计划；第二级调度根据第一级调度下达的调度计划和本车间生产的具体形势制定本车间各生产工艺的调度计划。如第一级调度计划本车间无法执行，则车间将情况返回第一级调度，期待调度计划的更改。如第一级调度计划本车间能够执行，则将本车间制定的相应调度计划下达到车间的各工艺，并随时根据接收到的各工艺的反馈情况，修改调度计划。工艺根据第二级调度下达的调度计划、生产形势和物质供应情况制定本工艺各作业班组完成调度计划的具体生产进度和物质投入的生产计划。这时调度工作完成。

2 调度核心系统设计 2.1 总调度核心系统

总调度核心系统是完成总调度命令的关键部分，其结构如图 2所示。图中，生产形势监控模块反映了生产动态变化情况；生产分析、评价和预测模块用于对生产状况进行分析、评价和预测；矿山信息管理中心用于矿山各种信息的收集、加工和存贮；调度命令优化模块用于对各项生产调度指标的优化，其所需信息来自生产形势监控、矿山信息管理中心和生产分析、评价和预测三个模块。由于生产条件的复杂性，优化结果显然不一定符合生产实际要求，调度专家系统用于对调度优化指标进行实用化处理，并补充完成调度命令优化模块无法完成的其他调度命令。调度命令优化模块和调度专家系统构成调度命令生成系统。调度命令形成后，交全矿调度会议审核，将不满意的信息反馈给调度命令生成系统，重新生成调度命令。这样经过多次反复，即得实用的总调度命令。

2.2 车间调度核心系统

车间调度核心系统是完成车间调度命令的关键部分，其结构如图 3所示。车间调度命令生成过程类似于总调度命令生成过程，不同之处是调度过程简化。

3 调度系统主要模块功能简述 3.1 矿山信息管理中心

矿山信息管理中心的任务是对矿山的动态信息和原始信息进行管理，由矿计算中心负责。

3.1.1 动态信息管理

矿山动态信息主要是指关于矿山日常生产活动的各种信息。考虑到矿山实际经济承受能力，矿山动态信息收集方法采用两种形式:①车间与信息中心之间信息交换采用公用电话网实现微机局部联网，整点定时通讯(整点交换一次，每次5分钟)；②无微机单位(如井下工作面)采用标准卡片记录方式，班末向所属车间上交卡片一次，由车间统一输入计算机。考虑不同单位工作性质不同，共设计了16种标准卡片格式，基本反映了矿山生产活动动态。

信息管理软件由采用C语言与DBASE-PLUS编写的功能模块组合而成。C语言功能块负责信息收集和加工；DBASE-PLUS功能块负责信息管理。

3.1.2 原始信息管理

矿山原始信息主要指长期变动不大的那些信息，如矿山地质、地形数据等。这类信息由人录入计算机，实行统一的标准化管理。

3.1.3 图形数据库

图形数据库是矿山用得较为频繁，且难以管理的一类信息。本系统对这类信息的管理方法如下：

a.首先用数字化仪将各种工程图，如阶段平面图、采场施工图、各种构筑物、巷道等输入计算机，然后对这些工程图形进行标识，赋予这些工程图形相应的工程属性；

b.图形数据按下列格式存贮：(工程图名，阶段，采区，矿块，进路(或某工程名)，几何坐标集合，工作班组，工程进度)

为处理方便和减少存贮量起见，图形数据库字符型字段名均用统一的英文代码表示。

3.2 生产形势监控

生产形势监控是一种实时计算机监控系统，主要任务是将井下生产动态用计算机图形终端反映出来，使值班调度人员对井下生产动态有充分的了解。

3.2.1 生产发展态势图

该动态监视系统通过读取矿山信息中心数据库信息，特别是图形数据库信息，把井下工程全貌用形象的图形表示出来，并依据现时生产数据用不同颜色将相应的工程发展情况(如进路掘进进尺)标在相应的空间位置上。这种动态图能反映井下生产动态全貌，故称之为生产发展态势图。

3.2.2 监控过程

实现动态监控的原理是：用计算机大屏幕显示生产发展态势图，而用其小屏幕显示生产信息。随着生产的不断发展，动态数据信息不断增加或刷新，监控系统每隔30分钟自动刷新生产发展态势图，从而实现生产过程的动态跟踪。如果值班调度人员对某部位生产状态感兴趣，则可通过图形窗口放大方法来观看生产进展情况。与此同时，小屏幕就显示出窗口部分生产进展的有关信息。

3.3 生产分析、评价与预测 3.3.1 生产分析

生产分析模块由6个子模块组成，即①数据制备模块；②投入——技术——产出综合状况分析模块；③技术状况分析模块；④投入——技术——产出综合状况敏感性分析模块；⑤技术状况敏感性分析模块；⑥分析结果讨论及输出模块。该功能主要用于对生产发展状况进行剖析，发现生产中存在的问题及其严重程度、指出解决问题的方向及其应花费的代价。分析方法采用DEA技术^[1]，其数据格式如表 1所示。

生产分析内容包括:生产过程投入、产出、技术诸方面的有效性分析、生产指标敏感性分析、挖潜改造技术途径研究等。这些分析是在沿生产发展进程布置的动态窗口下进行的(如图 4所示)，以便了解这些分析在生产发展中的变化趋势。

3.3.2 生产效果评价

生产效果评价模块由3个子模块组成，即①数据制备模块；②评估模块；③结论分析及输出模块。数据格式如表 2所示。评价技术采用AHP分析方法^[2](用于确定层次之间的权系数)和灰色关联分析方法^[3](用于评价)。这种评价模块即适用于全矿生产活动评估，又适用于车间等部门的生产活动评价。评价过程也建立在沿时间发展的动态分析窗口之上(如图 4所示)。

3.3.3 生产发展预测

生产发展预测模块由下列子模块组成:①数据制备模块；②预测模块；③预测结果分析模块。生产发展预测由反映生产形势的各项指标的预测组成：

式中：Y为生产形势状况；Y_i为反映生产形势的生产指标，如工业总产值等，(i=1, 2，…，N)。

由于生产指标较多，最初建立了以不同预测技术为基础的预测模块，如指数平滑预测模块、多元线性回归预测模块等，形成了一个大型预测模块群(28个)。在使用时，发现很难选出一个合适的预测模块，即使选定了某个预测模块，可选预测参数也难以确定。基于这种情况，改用了B-P神经网络预测技术^[4]。理论证明^[4]，一个三层B-P神经网络(如图 5所示)能任意逼近任意高度非线性函数：

式中：y∈{Y₁, Y₂, …，Y_N}, X_i为生产指标y的影响因素，(i=1, 2, …，n)。

以上述函数为基础的预测模块基本上概括了原来由众多预测技术为基础的预测模块群，使用起来十分方便。这种B-P神经网络的算法可参见文献4。

对于难以确定其影响因素的生产指标，统一采用灰色预测技术^[3]。

3.4 调度命令优化

在一般情况下，调度工作的目标是希望地下矿生产按计划进行。这是进行生产调度的基本出发点。

3.4.1 总调度指标优化方法

生产总调度的目标是希望地下矿生产在遵循其生产规律和满足全矿生产计划要求的条件下，使生产总费用最小，优化模型为：

式中：Y、Y⁰分别为调度安排的产出指标集合和计划产出指标集合；X为生产发展状态描述指标集合；U、U⁰分别为调度安排的投入和计划投入指标集合；W₁ W₂为权系数；F_Y(*)、F_U(*)、F_X(*)、F_XYU(*)分别为产出约束、投入约束、生产状态约束和产出、投入及生产状态之间的协调约束的函数集合；C(*)为成本函数；F(*)为优化目标函数。

这是一个多目标非线性规划问题，可用目标加权法求解^[5]。其最优解为:X₁^*, Y₁^*, U₁^*。

3.4.2 生产操作指标优化

除总调度生产指标优化之外，还有其它调度和各工艺、各生产班组生产指标的优化(统称为生产操作指标优化)。生产操作指标优化的原则是在遵循生产规律的前提下，尽可能执行上级调度计划。其统一数学模型为：

式中：Xⁱ、Yⁱ、Uⁱ分别为第i级生产状态、产出和投入等生产操作指标集合；W_A、W_B、W_C为权系数；F_i(*)、F_Xⁱ(*)、F_Yⁱ(*)、F_Uⁱ(*)、F_XYUⁱ(*)分别为第i级优化目标、生产状态、调度产出、调度投入和后三者之间相互关联的约束函数集合；X_i-1^*、Y_i-1^*、U_i-1^*; 分别为第i-1级生产状态、调度产出和调度投入等最优生产操作指标集合。

这是一个非线性规划问题，其解法可参见文献6。该模型的最优解为X_i^*、Y_i^*、U_i^*。对第i级来说，其利益准则为：

式中:P(*)为利润函数。

若Z≤0, 则上一级下达的调度命令对本级来说不够理想，该级将此信息反馈给上级调度。上级调度本着尽可能不偏离原调度方案的原则修改调度方案，同时尽量考虑到下级单位能有利可图。

这样经过上、下级调度多次信息交换，即可获得较为实用的调度命令。

4 调度专家系统

生产调度过程事实上是一个专家组进行综合决策的过程。因此，生产调度中应用专家系统技术协助调度会议做出既切实可行又为总体最优的生产调度是十分理想的。生产调度工作对一个具体矿山来说，已经积累了大量的知识和经验。依据这些知识和经验构造一个知识库，就可以设计出智能型的计算机调度系统。利用该系统即可根据实际情况修正优化调度模型制订的调度方案，并补充完成优化调度模型无法完成的其他调度命令，使生产调度更有效地完成生产任务。

本调度专家系统包括知识库、数据库、不精确推理机、学习机、解释机、用户接口等六大部分。该专家系统具体设计方法类似于文献7, 此处不再赘述。

5 应用情况及结论

本系统是以金山店地下铁矿调度系统为背景而设计的，通过几年来的不断修改和完善，目前该系统运行基本正常。某些子系统已成为该矿日常生产管理的必不可少的工具。该系统拟与地下矿工业电视监控系统相连接，在尖林山地下矿推广应用。

地下矿生产调度是地下矿最关键的综合决策过程，调度质量的好坏决定着地下矿生产能否正常进行。因此，提高地下矿生产调度水平是非常重要的。本文综合应用多种技术和方法，开发出的地下矿生产调度计算机软件系统，是促使生产调度朝现代化方向发展的一个有益尝试。