礦業(yè)大學(xué)采礦系統(tǒng)工程課件

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,第六章 礦山生產(chǎn)系統(tǒng)分析與優(yōu)化,第一節(jié) 礦山生產(chǎn)工藝系統(tǒng)模擬,一、系統(tǒng)模擬方法基礎(chǔ)知識(shí),1,、基本概念,系統(tǒng)模擬或稱系統(tǒng)仿真，是通過觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的變化而建立起一個(gè)模型并對(duì)其求解的一種技術(shù)。利用這種模型，可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)及特性。實(shí)際上，系統(tǒng)模擬大多用于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值方法求解。,2,、隨機(jī)變量概率分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),為了進(jìn)行系統(tǒng)模擬，以建立能夠再現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部客觀規(guī)律的模型，并用以分析與預(yù)見系統(tǒng)中的問題，首先必須深人系統(tǒng)的客觀實(shí)踐，收集有關(guān)的資料信息，并做加工處理。其中一項(xiàng)重要工作就是各項(xiàng)

2、隨機(jī)變量分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。,裝車時(shí)間頻數(shù)直方圖,6.1,一、系統(tǒng)模擬方法基礎(chǔ)知識(shí),根據(jù)直接測(cè)定所得到的資料，可做進(jìn)一步加工處理，以找出其概率分布規(guī)律。為此，針對(duì)某項(xiàng)待定指標(biāo)，按測(cè)定數(shù)據(jù)做出,頻數(shù)直方圖,，使其擬合某種,概率密度函數(shù),，然后進(jìn)行,X,2,檢驗(yàn)或其他檢驗(yàn),。,例題：,P,186,（,X,2,檢驗(yàn)法）,3,、均勻隨機(jī)數(shù)及隨機(jī)變量的產(chǎn)生,產(chǎn)生隨機(jī)變量抽樣序列的方法是：,第一步，產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)抽樣序列；,第二步，由均勻隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一定分布的隨機(jī)變量抽樣序列。,(1),均勻隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生,所謂均勻隨機(jī)數(shù)，是指服從均勻分布的隨機(jī)變量,。,為了模擬工作的方便，一般使用,0,，,1,區(qū)間的均勻隨機(jī)

3、數(shù)。,其概率密度函數(shù)：,分布函數(shù)：,均勻分布的概率密度函數(shù)及概率分布函數(shù),6.1,一、系統(tǒng)模擬方法基礎(chǔ)知識(shí),產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)的方法可大致分為三類：,第一類是使用隨機(jī)數(shù)表。,第二類是物理方法。,第三類是數(shù)學(xué)方法，用離散分布的隨機(jī)數(shù)來代替,偽隨機(jī)數(shù)。,產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的常用方法,迭代取中法,方法實(shí)質(zhì)是；任取,N,位整數(shù)作為初始值，將此數(shù)經(jīng)一定的計(jì)算，然后截頭去尾取其中間的,N,位所組成的數(shù)作為一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后繼續(xù)迭代上述過程，得出一個(gè)隨機(jī)數(shù)序列。這里有自乘取中法,(,中平方法,),、乘積取中法等。,移位法,利用數(shù)字計(jì)算機(jī)能夠?qū)?shù)字進(jìn)行前后移位和邏輯運(yùn)算的特點(diǎn)。,同余法,包括和同余法、乘同余法、混合同余法

4、和組合同余法等。,6.1,一、系統(tǒng)模擬方法基礎(chǔ)知識(shí),(2),由均勻隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)變量,直接抽樣,如果隨機(jī)變量,的概率分布函數(shù),F(,x,),連續(xù)，則,r,F(,),是,0,，,1,上均勻分布的隨機(jī)變量。,變換抽樣,通常利用分布函數(shù)的逆變換公式來產(chǎn)生隨機(jī)變量。有些分布函數(shù)難以找到其逆變換式，或雖能找到但極復(fù)雜，以致無法計(jì)算，這是此法的局限性。,舍選取樣,這種方法是按一定的檢驗(yàn)條件進(jìn)行舍選，以得到某種概率分布的隨機(jī)變量抽樣值。此法由于方法靈活、計(jì)算簡(jiǎn)單、使用方便而得到較為廣泛的應(yīng)用。,復(fù)合抽樣,此法是利用某些容易得到的隨機(jī)變量值，來組合成所需的隨機(jī)變量。,近似抽樣,這種方法一般用于分布函數(shù)的計(jì)算式

5、無法求出的情況。,直接抽樣,逆變換抽樣,舍選抽樣,6.1,二、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬方法,二、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬方法,對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)可做如下概括描述：,系統(tǒng)是由若干個(gè)相互聯(lián)系、相互制約的基本元素所組，這些元素又可稱為,“實(shí)體”,。實(shí)體各具其特性，稱為,“特征”,。,能夠引起系統(tǒng)發(fā)生變化的過程稱之為,“活動(dòng)”,。,“系統(tǒng)狀態(tài)”,則用來描述某一指定時(shí)刻該系統(tǒng)內(nèi)諸實(shí)體、其特征以及各項(xiàng)活動(dòng)的進(jìn)展?fàn)顩r。任一引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的因素則稱為,“事件”,。,對(duì)系統(tǒng)過程的模擬研究，就是模擬該系統(tǒng)狀態(tài)的不斷變化，得出預(yù)期的一系列效果指標(biāo)。,按照對(duì)時(shí)間進(jìn)程的模擬方法的不同，可分為,定時(shí)步長法,與,事件步長法,兩種基本模擬方法。,1

6、,、定時(shí)步長法,定時(shí)步長法是以等長的時(shí)間間隔,t,把整個(gè)模擬過程劃分為許多步。從所擬定的初始狀態(tài)開始，逐個(gè)時(shí)間間隔，通過模擬各項(xiàng)活動(dòng)，來描述系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)實(shí)體及其特征的發(fā)展變化，并記錄此時(shí)間間隔內(nèi)的所需信息數(shù)據(jù)，如此下去直到模擬時(shí)間結(jié)束。,定時(shí)步長法的特點(diǎn)是定時(shí)推進(jìn)模擬時(shí)鐘,。,6.1,二、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬方法,（例：原,P13,）,主井煤倉布置示意圖,煤倉容量模擬框圖,6.1,二、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬方法,2,、事件步長法,所謂,事件,是指系統(tǒng)中某項(xiàng)活動(dòng)的開始或結(jié)束。事件步長法是,按照系統(tǒng)中依次發(fā)生的事件來推進(jìn)模擬時(shí)鐘,的，即從所有事件中選取最近事件優(yōu)先處理。所謂最近事件是指在所有事件中，此事件距離當(dāng)前時(shí)刻

7、最短，換句話說，從特定時(shí)刻算起該事件將最先發(fā)生。采用這種方法時(shí)，模擬時(shí)間間隔不是恒定的，而決定于前后兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間差。,（例：,P195,）,定時(shí)步長法,邏輯簡(jiǎn)明，使用方便，但由于定時(shí)步步推移，往往運(yùn)算時(shí)間較長，而若將模擬時(shí)鐘推進(jìn)間隔加大時(shí)又會(huì)影響計(jì)算精度。,事件步長法,在系統(tǒng)不甚復(fù)雜時(shí)運(yùn)算較快，也較準(zhǔn)確，但因按依次發(fā)生的事件推移模擬時(shí)鐘，故系統(tǒng)中間運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)難以清晰表達(dá)。,6.2,一、線性規(guī)劃在礦石質(zhì)量?jī)?yōu)化搭配中的應(yīng)用,第二節(jié) 礦山生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃,一、線性規(guī)劃在礦石質(zhì)量?jī)?yōu)化搭配中的應(yīng)用,當(dāng)一個(gè)礦山具有多個(gè)采區(qū)，各采區(qū)礦石質(zhì)量差異較大時(shí)，為了滿足用戶對(duì)礦石質(zhì)量和產(chǎn)量的要求往往要解決礦

8、石的綜合搭配問題。,例：,某礦山企業(yè)，采出原礦供應(yīng)鋼鐵廠冶煉，年產(chǎn)量要求為,3,90 Mt,a,，該礦山企業(yè)擁有兩個(gè)主要生產(chǎn)礦山，后來又陸續(xù)探明,8,個(gè)儲(chǔ)礦點(diǎn)。各礦點(diǎn)的礦石儲(chǔ)量及品位見表：,6.2,一、線性規(guī)劃在礦石質(zhì)量?jī)?yōu)化搭配中的應(yīng)用,鋼鐵廠對(duì)礦石品位提出了如下要求：,在滿足逐年產(chǎn)量、混合礦石品位條件和各礦點(diǎn)儲(chǔ)量的前提下使,10,個(gè)礦點(diǎn)的總開采量為最大。,線性規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)：,滿足礦石產(chǎn)量約束：,對(duì)于礦石中有害成分，上式中,改為,即可。,滿足礦石儲(chǔ)量約束：,非負(fù)約束：,可采用試算法，對(duì)于不同的,N,值，求得線性規(guī)劃的綜合最優(yōu)解。,6.2,二、整數(shù)規(guī)劃在露天礦鏟車合理組合中的應(yīng)用,二、整數(shù)規(guī)劃

9、在露天礦鏟車合理組合中的應(yīng)用,實(shí)例，用整數(shù)規(guī)劃來解決多鏟型多車型露天礦的鏟車合理組合研究：,設(shè)露天礦擁有若干臺(tái)不同型號(hào)的電鏟，例如勺斗容積分別為,9.1m,3,，,7.6m,3,，,4.5m3,及,3.0m,3,，同時(shí)有不同規(guī)格的卡車，例如，卡車載重量分別為,100t,，,65t,，,45t,。電鏟可有多處作業(yè)地點(diǎn)。所要解決的問題是，在礦山具體條件限定下，如何合理選擇電鏟卡車的組合并確定其作業(yè)地點(diǎn)，以達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效果。,采用整數(shù)變量的線性規(guī)劃來解決此問題，其通用數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：,目標(biāo)函數(shù)：,約束條件：,6.2,二、整數(shù)規(guī)劃在露天礦鏟車合理組合中的應(yīng)用,I,、礦石產(chǎn)量約束：,2,、卡車數(shù)量約束

10、：,3,、每一作業(yè)地點(diǎn)的鏟車組合數(shù)不超過,1,：,4,、礦石品位約束：,5,精礦回收率約束：,第四節(jié) 生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,一、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容,1,、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性特點(diǎn),（,1,）礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)“人一自然一機(jī)器”系統(tǒng)，而不是一般的“人一機(jī)”系統(tǒng)。其作業(yè)對(duì)象是地下自然資源，即使在科學(xué)知識(shí)及技術(shù)都非常發(fā)達(dá)的今天，人們對(duì)礦體的認(rèn)識(shí)仍然是模糊的?！白匀弧卑膬?nèi)容較廣泛，通常有礦田地質(zhì)構(gòu)造、礦體產(chǎn)狀、礦物儲(chǔ)量及質(zhì)量、礦巖特性、瓦斯及頂板壓力、水文地質(zhì)、氣候條件及礦山環(huán)境等。顯然，拋開“自然”而把礦山生產(chǎn)系統(tǒng)作為一般的“人一機(jī)”系統(tǒng)來研究，其結(jié)果將很難與礦山生產(chǎn)實(shí)際情況相符。,（

11、,2,）礦山設(shè)備的作業(yè)條件和環(huán)境惡劣，且其作業(yè)對(duì)象多為堅(jiān)硬而不規(guī)則的物料，耗損大，故障率高，加之設(shè)備數(shù)量、型號(hào)及種類多，調(diào)度組織及維修管理困難，故礦山設(shè)備及生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性比一般系統(tǒng)低。,（,3,）影響礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的不確定因素多。如尚未查明的地質(zhì)情況、氣候條件、生產(chǎn)與經(jīng)營管理決策、市場(chǎng)變化等。,6.4,一、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容,（,4,）礦山工程項(xiàng)目開發(fā)周期長，難以預(yù)先進(jìn)行必要的可靠性實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)方案一經(jīng)實(shí)施就較難變更，大大縮小了可靠性調(diào)劑余地。礦山之間差異大，可靠性數(shù)據(jù)相關(guān)性差，很難被直接相互引用，相應(yīng)地增加了礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì)的難度。,（,5,）構(gòu)成礦山生產(chǎn)系統(tǒng)

12、的環(huán)節(jié)或分系統(tǒng)數(shù)量較多，特性差異大，系統(tǒng)龐雜，相互間可靠性邏輯關(guān)系不容易確定，很難建立一個(gè)完整通用的可靠性數(shù)學(xué)模型來求解系統(tǒng)可靠性。,（,6,）由于礦物的市場(chǎng)價(jià)格嚴(yán)重扭曲，而礦用原材料及設(shè)備價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致多數(shù)礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不佳，后勤供應(yīng)保障能力不足。因此，在對(duì)礦山生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性與費(fèi)用綜合權(quán)衡時(shí)，其合理尺度難以確定。,2,、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性研究的主要內(nèi)容,可靠性數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計(jì)分析；可靠性量化指標(biāo)的選取與計(jì)算；確定研究方法與手段；建立可靠性數(shù)學(xué)模型；求解設(shè)備或系統(tǒng)環(huán)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性；提高礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的方法與途徑。,6.4,一、礦山生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容,6.4,二、連

13、續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,二、連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,連續(xù)開采工藝系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)之間為,串聯(lián),作業(yè)，為了使整個(gè)工藝系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)有的,可靠度,，則要求各工藝環(huán)節(jié)必須具有較高的可靠度。,工藝系統(tǒng)所能達(dá)到的生產(chǎn)能力和作業(yè)成本除取決于設(shè)備本身的技術(shù)性能外，還取決于礦山的組織管理水平、地質(zhì)條件、礦巖特性及氣候影響等多種因素，它們既具有,確定性,又具有,隨機(jī)性,。,連續(xù)開采工藝系統(tǒng)是一種,可修復(fù)系統(tǒng),，生產(chǎn)過程中或者處于,工作狀態(tài),或者處于,非工作狀態(tài)。,故障,和,修復(fù),都是隨機(jī)事件，采用以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及隨機(jī)過程等應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的可靠性理論則可以解決此類問題。,解決的步驟是：首先確定各隨機(jī)

14、事件的概率分布，并采用馬爾可夫隨機(jī)過程理論建立工作狀態(tài)向故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移及故障狀態(tài)向工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)工藝系統(tǒng)中設(shè)備之間的可靠性邏輯關(guān)系，建立相應(yīng)的系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型。至此，可以對(duì)整個(gè)連續(xù)開采工藝系統(tǒng)及其設(shè)備的可靠度、維修度及有效度進(jìn)行求解，進(jìn)而計(jì)算其他有關(guān)作業(yè)參數(shù)。,6.4,二、連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,1,、各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備的可靠度,礦山開采工藝系統(tǒng)的可靠性是指在給定的礦巖賦存形態(tài)與礦巖性質(zhì)、開采程序與開采技術(shù)參數(shù)、組織管理與維修保障等條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)其設(shè)計(jì)功能的能力。采礦工藝系統(tǒng)可靠性的高低取決于各組成設(shè)備的可靠性。,與其他產(chǎn)品一樣，采礦設(shè)備故障率,(t),隨

15、時(shí)間,t,的變化也遵循,三階段“浴盆曲線”,規(guī)律。,連續(xù)開采工藝系統(tǒng)在生產(chǎn)期中，各設(shè)備的,故障間隔時(shí)間服從指數(shù)分布。,平均故障間隔時(shí)間為：,可靠度函數(shù)為：,故障間隔時(shí)間分布函數(shù)為：,連續(xù)開采工藝系統(tǒng)中第,i,臺(tái)設(shè)備在時(shí)間,t,內(nèi)的累積故障概率為：,概率密度函數(shù)為：,可靠度函數(shù)為：,平均故障間隔時(shí)間為：,6.4,二、連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,2,、生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠度,連續(xù)開采工藝系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)設(shè)備之間的可靠性邏輯關(guān)系總體上可以用串聯(lián)模型來描述。,如果開采工藝系統(tǒng)由,n,臺(tái)設(shè)備串聯(lián)組成，各設(shè)備的平均作業(yè)時(shí)間,(,故障間隔時(shí)間,),分別為,t,1,，,t,2,，,，,t,n,，則系統(tǒng)的平均作業(yè)時(shí)間為

16、：,工藝系統(tǒng)在任意時(shí)刻,t,的可靠度為：,系統(tǒng)的故障率為：,系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為：,系統(tǒng)中任一臺(tái)設(shè)備在任意時(shí)刻,t,占所有,n,臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障的概率可用下式表示：,6.4,二、連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,3,、生產(chǎn)系統(tǒng)的維修性,礦山連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)及其組成設(shè)備都是,可修復(fù)系統(tǒng),和產(chǎn)品，,修復(fù)時(shí)間,是服從某種統(tǒng)計(jì)分布的,隨機(jī)變量,。,維修性,也是一種系統(tǒng)或產(chǎn)品的固有特性，是指在預(yù)定的維修級(jí)別上，由具有規(guī)定的技術(shù)水平的人員，利用規(guī)定的程序和資源進(jìn)行維修，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)或產(chǎn)品保持或恢復(fù)到規(guī)定的功能的能力。,維修度,則是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，使系統(tǒng)或產(chǎn)品保持或恢復(fù)到規(guī)定的功能的概率。,(1),單臺(tái)設(shè)備的維修度,各單臺(tái)設(shè)備的修復(fù)時(shí)間服從指數(shù)分布，其修復(fù)率,(,即由故障轉(zhuǎn)移到正常狀態(tài)的概率,),為常數(shù)，即：,維修概率密度函數(shù)：,維修度函數(shù)：,平均修復(fù)時(shí)間：,6.4,二、連續(xù)作業(yè)式生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析,(2),單臺(tái)設(shè)備的可用度,可用度,也稱為,有效度,，是指可修復(fù)產(chǎn)品或系統(tǒng)，在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持其功能的概率?？捎枚仁钱a(chǎn)品或系統(tǒng)效能的主要參數(shù)之一，綜合反映了產(chǎn)品或系統(tǒng)的可