露天礦臺階爆破設計專家系統(tǒng)的研究

梯子爆炸的設計直接影響露天礦生產(chǎn)的后道過程。為了提高臺階爆炸的設計水平，石仁溝煤礦和科研院所合作，研究和應用了露天礦邊坡爆炸的專家系統(tǒng)。1礦巖爆破性分區(qū)進行爆破分區(qū)的研究是為建立石人溝露天礦臺階爆破設計專家系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)。爆破分區(qū)的試驗研究工作分兩步進行:首先從礦巖的爆破性分級入手,以能量平衡準則為理論,以爆破漏斗體積、爆破塊度組成和巖石聲阻抗作為判據(jù)的爆破性分級方法,對石人溝鐵礦的礦巖進行了爆破性能的測定和等級的劃分。其次以礦巖的可爆性進行分區(qū)。礦巖爆破性分區(qū)與單純爆破性分級不同,一是在研究對象上,分區(qū)是以區(qū)域為中心對礦巖爆破性加以區(qū)分;二是在分區(qū)準則上,除巖石固有的物理力學屬性外,更強調(diào)節(jié)理、裂隙的影響和高應變率下的礦巖動載特性。為此我們利用SHPB高速沖擊裝置測定了礦巖動載特性,并且對采場巖體裂隙系數(shù)進行了測定。其結(jié)果為:8線至18線間各礦體的動抗壓強度和動彈性模量最大,8線以北略小,18線以南最小。根據(jù)各種試驗得出各區(qū)域范圍內(nèi)各類型礦體和巖體爆破性等級值,如表1所示,以此值為原始資料建立臺階爆破設計專家系統(tǒng)。2樓梯爆炸設計專業(yè)系統(tǒng)的建設專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由6部分組成:知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、人機接口、解釋程序和知識獲得程序,見圖1。2.1樓梯爆炸設計專家系統(tǒng)研究2.1.1實用的基于知識的臺階爆破設計系統(tǒng)的設計基于知識的臺階爆破設計系統(tǒng)主要用來完成露天礦臺階爆破各個設計階段的任務,并盡可能使系統(tǒng)的設計步驟符合爆破設計專家或現(xiàn)場技術人員的設計習慣。一個實用的基于知識的臺階爆破設計系統(tǒng)應當是專家系統(tǒng)和計算機輔助設計系統(tǒng)的有機結(jié)合,應是一個智能CAD系統(tǒng)。既要能象爆破專家一樣進行爆破參數(shù)的選擇和確定,又要具有計算機輔助設計系統(tǒng)的能力。2.1.2爆破參數(shù)確定的階段進行臺階爆破設計要分多步進行:①爆破設計專家或爆破技術人員首先根據(jù)現(xiàn)場爆破條件對整個爆區(qū)進行爆破參數(shù)的初選,根據(jù)整個爆區(qū)的情況初步確定整個爆區(qū)的全局爆破參數(shù);②根據(jù)初選的爆破參數(shù)和現(xiàn)場條件進行鉆孔設計并現(xiàn)場布孔,這一階段主要是確定各個炮孔的位置和深度,大部分工作在室外完成;③鉆機根據(jù)鉆孔設計要求進行鉆孔;④根據(jù)實際的情況和進一步了解的爆破條件以及爆破施工環(huán)境等,在實施爆破作業(yè)之前進行爆破施工設計,這一階段工作主要是根據(jù)全局參數(shù)和各個炮孔的具體情況確定起爆方案和每一個炮孔的爆破參數(shù)等;⑤最后通過審批進行爆破施工。2.1.3系統(tǒng)的全球設計(1)爆破結(jié)果的輸出通過以上分析,臺階爆破設計專家系統(tǒng)(簡稱BBES系統(tǒng))包括如下幾個部分。①爆破參數(shù)選擇部分。該部分主要根據(jù)整個爆區(qū)的情況進行臺階爆破參數(shù)的初選。②鉆孔設計部分。該部分根據(jù)初選的爆破參數(shù)、現(xiàn)場炮孔布置等確定各個炮孔的合理設計深度并以圖表的形式輸出設計結(jié)果。③爆破施工設計部分。該部分根據(jù)初選的爆破參數(shù)、最后炮孔的實際數(shù)據(jù)確定起爆方案,并統(tǒng)計整個爆區(qū)的爆破材料消耗等。④爆破效果預測部分。主要是根據(jù)施工設計結(jié)果進行臺階爆破效果的預測和常用技術經(jīng)濟指標的統(tǒng)計計算等。⑤知識庫維護和管理部分。主要是對知識庫、爆破實例庫、礦巖特性庫、炸藥特性庫和常用數(shù)據(jù)庫進行維護和管理。主要工作包括修改、添加、建立、刪除、顯示等功能。⑥幾何參數(shù)的輔助選擇部分。該部分主要是為了充分發(fā)揮技術人員的能動性。技術人員或用戶可以很方便地改變孔網(wǎng)參數(shù)和起爆順序,以便觀察實際起爆時的孔網(wǎng)參數(shù)和布孔時的孔網(wǎng)參數(shù)的區(qū)別,以及起爆順序?qū)拙W(wǎng)參數(shù)的影響。根據(jù)設計者的經(jīng)驗確定合理的幾何爆破參數(shù)。⑦幫助信息部分。該部分主要是為整個系統(tǒng)的各個功能提供幫助信息,為設計者的操作提供方便。(2)采用引發(fā)快速推理機BBES系統(tǒng)采用Turboprolog2.0語言作為開發(fā)工具。①Turboprolog語言是程序設計語言,具有很大的靈活性,這對內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜的專家系統(tǒng)來說非常重要;②推理的搜索和匹配工作由Turboprolog中的一個內(nèi)部子程序完成,無需編程者編制推理機;③Turboprolog有豐富的窗口功能,便于專家系統(tǒng)的開發(fā);④Turboprolog的價格也比較低,是經(jīng)濟的;⑤Turboprolog和其它語言有方便的接口,所以它也是可靠的。2.2回原下拉菜單該系統(tǒng)的用戶界面采用下拉式菜單,參看圖2。系統(tǒng)完成某一功能后,自動返回原下拉菜單,如用戶選擇了“用專家系統(tǒng)選擇爆破參數(shù)”這一下拉菜單項,系統(tǒng)則調(diào)用臺階爆破參數(shù)選擇專家系統(tǒng),完成后系統(tǒng)自動返回原下拉菜單。與此類似,用戶可依次利用系統(tǒng)完成其它功能。圖2BBES系統(tǒng)主菜單下的所有下拉菜單2.2.1混合控制推理策略該子系統(tǒng)是進行爆破參數(shù)的初選。采用基于實例和基于規(guī)則相結(jié)合的混合控制推理策略。知識的內(nèi)部表示形式有邏輯謂詞和產(chǎn)生規(guī)則兩種,共包括三類規(guī)則:實例規(guī)則、條件規(guī)則和修改規(guī)則。2.2.2爆區(qū)的預期超深、炮孔確定主要是確定合理的炮孔設計深度?？紤]的主要因素有:整個爆區(qū)的合理超深、炮孔預計待爆時間、炮孔直徑、臺階高度和每個炮孔的三維坐標。以表格的形式輸出設計結(jié)果,指導鉆孔作業(yè)。2.2.3局部影響因素施工設計系統(tǒng)進行爆破參數(shù)的最后確定。不僅考慮全局影響因素,而且要考慮局部影響因素。從某種意義上講,該子系統(tǒng)是一智能CAD系統(tǒng),一些設計規(guī)則和參數(shù)選擇原則被揉合進系統(tǒng)中。輸出起爆網(wǎng)絡圖、炮孔爆破參數(shù)明細表和爆破材料消耗統(tǒng)計表。2.2.4爆炸效果預測系統(tǒng)輸入爆破施工設計結(jié)果,該子系統(tǒng)可進行爆破效果預測和常用技術經(jīng)濟指標的統(tǒng)計,輸出預測結(jié)果表。2.2.5爆破設計知識的內(nèi)部表示形式該系統(tǒng)是對各類規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫進行管理。主要工作包括知識庫的一致性維護,實例規(guī)則庫的自適應實現(xiàn),知識庫數(shù)據(jù)庫的修改、添加、建立、刪除、顯示等功能。在整個系統(tǒng)中,臺階爆破設計知識分為兩大類:一類用于爆破參數(shù)的初選;一類用于臺階爆破的施工設計。根據(jù)知識所涉及范圍的不同,在BBES系統(tǒng)中,知識又分為全局規(guī)則和局部規(guī)則,各類知識之間的關系可參見圖3。知識的內(nèi)部表示形式有邏輯謂詞和產(chǎn)生式規(guī)則兩種。在施工設計子系統(tǒng)中知識僅采用產(chǎn)生式規(guī)則的形式表示。圖3BBES系統(tǒng)各類知識間的關系2.2.5.實例規(guī)則庫的管理在臺階爆破選擇專家系統(tǒng)中,知識的內(nèi)部表示形式是用邏輯謂詞和產(chǎn)生式規(guī)則來實現(xiàn)的。根據(jù)爆破設計知識的特點,表示知識的規(guī)則分成了不同的層次。“實例規(guī)則”反映的是由一系列爆破參數(shù)組成的爆破方案與影響爆破設計因素之間的關系?！皸l件規(guī)則”是對影響爆破設計因素的進一步描述?！靶薷囊?guī)則”反映兩次爆破條件的差別對爆破參數(shù)的影響,這樣的知識表示便于知識庫的維護和管理。實例規(guī)則庫的管理主要包括:規(guī)則庫的刪除、添加、修改、調(diào)入、顯示等功能。條件規(guī)則庫用來保存各級條件規(guī)則。由于條件規(guī)則僅是對實例規(guī)則中的條件部分做進一步的解釋,所以用戶沒有必要進行條件規(guī)則的添加,只需要進行條件規(guī)則的修改。所以條件規(guī)則的管理主要是對各級條件規(guī)則進行修改和顯示。用戶調(diào)用這一功能時,系統(tǒng)將顯示各級條件規(guī)則庫的文件名,用戶可用光標鍵進行選擇,然后在全屏幕編輯狀態(tài)下進行具體條件規(guī)則的修改,按“F10”鍵則系統(tǒng)返回,按“ESC”鍵則放棄修改內(nèi)容。修改規(guī)則庫用來保存“修改規(guī)則”。與條件規(guī)則庫的管理類似,修改規(guī)則庫的管理主要也是對具體“修改規(guī)則”的修改。用戶調(diào)用這一功能時,系統(tǒng)則顯示修改規(guī)則庫的文件名,然后可在全屏幕編輯狀態(tài)下進行具體規(guī)則的修改。2.2.5.爆破實例的轉(zhuǎn)化和保留臺階爆破設計知識系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理包括工程爆破實例庫管理、礦巖特性數(shù)據(jù)庫管理、炸藥特性數(shù)據(jù)庫管理以及對常用數(shù)據(jù)庫的修改等。(1)工程爆破實例庫管理。工程爆破實例庫是用來存放臺階爆破的工程爆破實例的。每一個工程爆破實例和規(guī)則庫中的實例規(guī)則類似,有爆破實例編號、爆破條件、爆破參數(shù)。此外還有爆區(qū)編號和爆破效果評述。在系統(tǒng)內(nèi)部仍采用邏輯謂詞表示。具體格式如下:Case(實例編號,爆區(qū)編號,[爆破參數(shù)表],[爆破條件表],爆破效果描述)。其中,爆破條件仍然采用數(shù)字代碼表示,和實例規(guī)則中的數(shù)字代碼一樣。系統(tǒng)在礦山應用之后,每次爆破情況都存放在實例庫之中,對爆破效果較好的爆破實例,系統(tǒng)可以直接轉(zhuǎn)化為實例規(guī)則,并自動存入對應的規(guī)則庫。對工程爆破實例庫的管理,與實例規(guī)則庫的管理相似。包括工程爆破實例庫建立,工程爆破實例庫刪除,工程爆破實例庫添加,工程爆破實例庫修改,工程爆破實例庫調(diào)入和工程爆破實例庫顯示等功能。具體功能和實例規(guī)則庫管理中的對應項的功能相似。其中,工程爆破實例的添加和實例規(guī)則的添加有一些差別:在添加工程爆破實例時,需要用戶輸入爆區(qū)編號和對爆破效果的描述。通過對實例的分析,用戶既可以從爆破效果好的爆破實例中獲取成功的爆破經(jīng)驗,也可以從不良的爆破實例中吸取教訓。以便對規(guī)則庫進行修改和補充。BBES系統(tǒng)中,工程爆破實例庫的所有命名均以“Case”打頭,后面的符號可自定義。(2)礦巖特性庫管理。礦巖特性庫用來存放礦山常見礦石和巖石的常用物理力學性能和其在各個爆區(qū)相對應的爆破性等級。在實際設計時,調(diào)入礦巖特性設計庫,就能根據(jù)爆區(qū)編號、礦巖類型、礦體編號獲取其對應的爆破性等級,這樣就可在爆破參數(shù)選擇時,利用實例規(guī)則庫中儲存的爆破性等級與爆破參數(shù)的對應關系加以選擇。礦巖特性庫管理主要包括礦巖特性庫的裝入、顯示、添加和修改等。系統(tǒng)內(nèi)部礦巖特性是采用謂詞的形式表示的。具體表示為:rock(序號,礦巖名稱,[特性表])。添加一條礦巖及其特性時,系統(tǒng)首先提示用戶輸入礦巖特性名稱,其名稱可以用漢字,也可以用其它字符。然后系統(tǒng)顯示常用特性的名稱,用戶可用光標鍵進行選擇,選擇某一特性后,系統(tǒng)等待用戶輸入和選定該特性對應的特性值。依次輸入所有的特性,按“ESC”鍵,系統(tǒng)則按上述格式存入礦巖特性庫。系統(tǒng)并提問用戶是否繼續(xù)添加,否則,系統(tǒng)返回。3采場爆破效果自1997年以來,通過應用露天礦臺階爆破設計專家系統(tǒng)進行采場爆破設計取得了顯著的效果:一是提高了采場爆破效率,減少了穿孔工作量,降低了炸藥單耗;二是改善了爆破效果,降低了采剝電耗,降低了選廠破碎成本;三是保證了采場各水平的平整及匯水坡面的形成;四是在采場境界處運用新技術保證了邊幫的規(guī)整和安全。該系統(tǒng)應用后每年創(chuàng)造效益200萬元。4爆破分區(qū)的應用(1)該系統(tǒng)來自礦山用于生產(chǎn),是一項使計算機按照爆破專家的思維方式解決臺階爆破設計,以提高經(jīng)濟效益為目的的應用研究項目。(2