露天矿山生产调度系统群集拟生态优化方法及应用研究

摘要

露天矿山生产调度系统是一个多因素、多层次、动态变化的复杂非线性系统，具有递阶结构、不确定性、多目标、多约束、多资源相互协调等特点。调度的任务是根据产量、质量目标和资源约束，确定具体的开采方案、生产工艺、运输路径、运行时间、设备操作与管理控制等。因此，优化露天生产调度系统对于提高露天矿山的经济效益具有重要意义。 本文引入现代扁平化管理理念，构建露天矿山生产调度系统运作模式，应用自适应模糊推理系统(ANFIS)、模糊规划与群集拟生态进化算法的融合技术解决不确定环境下露天矿山生产调度系统的建模与优化问题。主要研究内容如下： 1)露天矿山生产调度系统建模与优化理论研究 ①露天矿山生产调度系统的模糊神经网络建模研究。露天矿山生产调度系统涉及的参数多(如生产计划系统、穿孔爆破系统)，其系统模型难以用现成的函数关系式表达，采用经典的建模方法难以建立符合实际的系统模型。本文应用神经网络、自适应模糊推理系统(ANFIS)对复杂非线性系统建模进行了比较研究，研究结果表明ANFIS具有更好的拟合能力，尤其是基于模糊减法聚类的ANFIS能更好地实现复杂非线性系统的建模。 ②露天矿山生产调度系统的模糊建模研究。露天矿山生产调度系统模型存在着广泛的模糊性(如卡车运输系统中的运输距离、单位运输费用等)，涉及到多模糊目标及多模糊约束的全模糊规划问题(TFP)的建模求解，需进行系统集成与算法改进。本文结合隶属度函数法及模糊决策准则，有效地实现了模糊系数的全模糊规划问题的转化。 ③露天矿山生产调度系统的群集拟生态全局优化研究。露天矿山生产调度系统的优化是一全局最优化问题。本文融合遗传算法(GA)、免疫算法(IA)、粒子群优化算法(PSO)等拟生态进化算法的优点，构造了群集拟生态进化算法(SSBEA)，强化了全局优化算法性能，并以特殊多波峰检测函数为例，验证了该算法的优越性。然后，应用群集拟生态优化算法解决了ANTIS的优化求解问题，并以特殊多波峰检测函数及露天矿山生产能力ANFIS模型的优化求解为例，验证了ANFIS-SSBEA解决复杂系统的建模与优化问题的有效性。同时，应用群集拟生态进化算法解决了带模糊系数的多模糊目标及多模糊约束的全模糊规划问题(TFP)的集成模型的优化求解问题，从而解决了不同可能性水平下的模糊系统的最优满意度问题，并以露天矿山卡车运输系统为例，验证了TFP-SSBEA解决不确定系统的建模与优化问题的有效性。 2)湖南韶峰集团露天矿山生产调度系统的群集拟生态优化研究 ①引入现代扁平化管理模式，为湖南韶峰水泥原料露天矿山构建了由上层的生产计划系统、下层的穿孔爆破系统和卡车运输系统、中间层的协调优化系统组成的生产调度系统。拓展了露天矿山生产调度系统的运作模式，促进了生产调度系统的优化管理、优化反馈和优化运行。 ②露天矿山生产计划系统的群集拟生态优化研究。应用ANFIS构建了与水泥原料矿山生产计划系统相关的水泥产品结构计划、矿山主生产计划模型，用群集拟生态进化算法对其进行了优化求解。然后，用全模糊规划构建矿山出矿计划模型，用群集拟生态进化算法进行优化求解，解决了在不同可能性水平下的矿山出矿计划系统最优满意度问题。 ③穿孔爆破系统的群集拟生态优化研究。在满足矿山生产计划要求的条件下，运用ANFIS建立了破碎矿石成本与不同台阶作业点的主要技术经济参数(孔径、超深(或孔深)、孔间距、排间距、炸药单耗、根底大块率、延米矿量、落矿量等)之间关系的穿孔爆破系统模型，应用群集拟生态优化算法对其进行了优化求解，实现了在满足不同市场需求条件下穿孔爆破系统的最优化。 ④卡车运输系统群集拟生态优化研究。根据矿山生产计划系统及卡车运输调度系统的特点，应用模糊约束、模糊目标的全模糊系数规划模型建立了卡车运输调度系统模型。并用群集拟生态进化算法对其进行了优化求解，从而得出了各个班次在不同可能性水平下的最优车辆数及最小运输成本。 本文通过对多种拟生态算法进行融合，建立了群集拟生态进化算法；应用自适应模糊推理系统技术、全模糊规划理论建立了复杂露天矿山生产调度系统数学模型；应用群集拟生态进化算法对其进行了优化求解。将研究成果应用于湖南韶峰水泥原料矿山生产调度系统的优化，求得了该矿山生产调度系统的全局最优解，大幅度提高了该矿山的经济效益。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2露天矿山生产调度系统建模与优化研究现状

1.2.1复杂生产调度系统的混合智能调度应用研究现状

1.2.2露天矿山生产调度系统建模与优化的研究现状

1.3研究内容与技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

第二章复杂非线性系统的模糊神经网络模型研究

2.1概述

2.2模糊神经网络非线性系统建模原理

2.2.1 BP神经网络建模的拟合能力分析

2.2.2自适应模糊推理系统(ANFIS)建模的拟合能力分析

2.3 ANFIS与BPNN的非线性系统建模的拟合能力比较分析

2.3.1构建多峰函数系统建模的输入输出数据对

2.3.2模糊神经网络建模的拟合能力比较分析

2.4 小结

第三章多模糊目标及多模糊约束的模糊规划模型研究

3.1概述

3.2基于隶属度函数法的模糊规划

3.2.1极大极小算法

3.2.2两阶段算法

3.3基于模糊系数的模糊目标及模糊约束的全模糊规划研究

3.3.1多模糊目标及多模糊约束的集成建模与算法研究

3.3.2带模糊系数的多模糊目标及多模糊约束的集成建模与算法研究

3.4 小结

第四章露天矿山生产调度系统的群集拟生态优化研究

4.1概述

4.2拟生态进化优化算法及程序实现

4.2.1拟生态进化算法概述

4.2.2拟生态进化算法的比较分析

4.3拟生态进化优化算法的融合技术研究

4.3.1免疫算法原理及程序实现

4.3.2粒子群优化算法(PSO)原理及程序实现

4.3.3群集拟生态进化算法的构建

4.3.3群集拟生态进化算法的全局优化能力分析

4.4基于ANFIS建模的群集拟生态优化与实现

4.4.1 ANFIS建模的群集拟生态进化算法优化步骤

4.4.2露天矿山生产能力的ANFIS建模与群集拟生态优化算例

4.5模糊环境下露天矿山卡车运输调度系统优化研究

4.5.1全模糊规划问题的群集拟生态优化研究

4.5.2模糊环境下露天矿山运输系统的群集拟生态优化研究

4.6小结

第五章湖南韶峰集团水泥原料矿山生产调度系统的群集拟生态优化研究

5.1概述

5.2湖南韶峰集团水泥露天矿山生产发展现状

5.2.1矿山地质赋存条件及开采现状

5.2.2矿山生产系统现状及其发展战略规划

5.3扁平化管理模式下的露天矿山生产调度系统的构建

5.3.1水泥原料矿山生产调度系统特性

5.3.2现代企业扁平化管理模式结构原理

5.3.3扁平化管理模式下的水泥原料矿山生产调度系统的构建

5.4矿山生产计划系统的群集拟生态进化算法优化与实现

5.4.1水泥产品结构的群集拟生态进化算法优化与实现

5.4.2矿山生产计划系统的群集拟生态进化算法优化与实现

5.4.3矿山平台出矿生产计划系统的群集拟生态进化算法优化与实现

5.5矿山穿孔爆破系统的群集拟生态进化算法优化与实现

5.5.1穿孔爆破系统的技术经济参数设置与数据选择

5.5.2穿孔爆破系统的自适应模糊推理系统(ANFIS)建模

5.5.3穿孔爆破系统的群集拟生态进化算法的优化实现

5.6矿山运输调度系统的群集拟生态进化算法优化与实现

5.6.1卡车运输系统的现场参数设计

5.6.2卡车运输调度系统建模

5.6.3卡车运输调度系统的群集拟生态进化算法的优化实现

5.7 小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间主持科研项目与发表学术论文情况