欒利建，馬鑫民，岳中文

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

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難題仍未得到很好解決。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，隨著計算機技術和人工智能領域的快速發(fā)展，專家系統(tǒng)在煤礦開采方面的應用，提高了煤礦開采的安全性、高效性，給煤礦開采技術的發(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用中的重要領域。

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術，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：①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。②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。③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、及時準確地為井下生產(chǎn)提供技術支持，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)展及應用

專家系統(tǒng)在采礦方面的應用較早，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及高等院校，就其在煤礦生產(chǎn)中的應用，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)展和應用，主要集中在方案決策、參數(shù)優(yōu)化設計、故障預測及診斷、災害預測與防治、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)化設計

專家系統(tǒng)的發(fā)展，打破了礦山傳統(tǒng)的設計理論和方法，使方案決策和參數(shù)優(yōu)化設計更合理、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備選型專家系統(tǒng)SCRAPER[9]，主要對露天煤礦的設備選型提供可靠、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計專家系統(tǒng)[10]，解決了巷道設計過程中圍巖分類的相關問題；李效甫，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)井下故障診斷及災害預防控制

采礦設計和生產(chǎn)，既需要研究、利用采礦科學技術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。王文銘等設計的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的礦山企業(yè)智能診斷專家系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡極強的學習能力，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)事故及時預報，楊志強等利用神經(jīng)網(wǎng)絡開發(fā)了地下采礦生產(chǎn)事故預報專家系統(tǒng)[14]。劉光慶等設計了礦井頂板水害預測與防治專家系統(tǒng)，結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測預報研究[16]，建立了基于模糊邏輯的礦壓沖擊預測預報模型，為模糊邏輯實際應用于礦井沖擊礦壓預測打下了基礎。

(3)煤礦生產(chǎn)信息化管理

隨著現(xiàn)代管理技術的應用和智能技術的發(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)了煤礦主管領導和技術部門、各技術部門之間的高效溝通和交流，實現(xiàn)了煤礦管理業(yè)務的有效整合和信息資源共享，提高了工作效率和管理水平。

中國礦業(yè)大學楊仁樹等結合煤礦生產(chǎn)實際，設計開發(fā)了煤礦井巷開挖工程管理信息系統(tǒng)，構建了基于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混合結構的煤礦作業(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)境負效應，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，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Expertech在微機上開發(fā)了露天礦邊坡設計專家系統(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)語言設計了土地復墾適宜性評價專家系統(tǒng)，解決了針對不同的立地類型，為大型露天煤礦復墾土地適宜性評價，提供了方便快捷的決策工具。

3 煤礦開采專家系統(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)越來越多地應用于礦業(yè)生產(chǎn)的各領域，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)服務領域單一，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，比如有巷道爆破設計專家系統(tǒng)、通風智能設計專家系統(tǒng)、設計瓦斯預警專家系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)之中，各種開發(fā)技術和推理方式良莠不齊。由于煤礦的開采是一個復雜的大型的生產(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域，而是多方面多領域的綜合性問題。

(3)系統(tǒng)種類繁多，缺乏現(xiàn)場應用

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，涉及到礦山領域的各方面。但是，煤礦生產(chǎn)是一項較為復雜的工程，受地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、地域等限制。只有充分結合煤礦具體的生產(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)應用的實際，功能強大的專家系統(tǒng)并不能很好的為技術人員掌握和應用。

(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、爆破設計、巷道支護設計、規(guī)程管理、瓦斯預測等等。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)建設服務。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)生了重復設計和開發(fā)，造成了一定程度的資源浪費。

4 煤礦開采技術專家系統(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，能夠形成知識節(jié)點與數(shù)據(jù)子類的對應關系；能夠進行快速、高效的知識管理；能夠反映出知識間的關聯(lián)程度。在系統(tǒng)的設計和開發(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)整合礦山領域?qū)＜蚁到y(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進行適當?shù)娜诤?，推理技術與大規(guī)模的并行處理技術結合等，均提高了專家系統(tǒng)的性能和效率。尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學理論等智能算法、Web 和XML 技術的引入，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)的設計，要嚴格結合煤礦生產(chǎn)實際情況進行。在系統(tǒng)的前期調(diào)研、知識庫的建立、模塊的設計，要與煤礦設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，與煤礦技術員深入溝通和交流。有條件的情況下，要與現(xiàn)場技術員共同進行設計和開發(fā)，力爭讓系統(tǒng)的每一個關鍵環(huán)節(jié)，都能很好的貼合應用的實際，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)領域，如巷道支護設計決策專家系統(tǒng)，地質(zhì)條件復雜、巷道類型多的煤礦，可以兼顧到地質(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，在技術上實現(xiàn)互補和對接工作。

5 結 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)在煤礦開采技術中的廣泛應用無疑會給這一產(chǎn)業(yè)帶來巨大的推動。在系統(tǒng)的開發(fā)中，要加強技術合作交流，充分結合現(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)在煤炭開采技術中的應用，對于人工智能、煤炭開采專業(yè)領域及其他產(chǎn)業(yè)領域的發(fā)展，將會起到重要的作用。

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