地下矿床开拓系统空间优化的粒子群方法

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1、一◆武汉理工大学硕士学位论文研究开拓系统的空间状态和行为，要综合考虑开拓井巷的不同类型具有不同的基建费用、支护费用和运输成本；各采场矿石储量不同，则矿石运输成本不同、井巷维护费用不同；井巷所处工程地质环境不同，则井巷支护率不同，这些空间因素之间存在复杂联系，对现有的开拓系统叠加网络图，存在众多开拓井巷布置和矿石运输路径的可能组合方案实现矿床开采运输，对一个确定方案很容易验证其是否可行并计算综合成本，那么从中寻找最优组合最简单的思路就是采用精确算法穷举计算，比较选取结果。但是这样算法的复杂程度是指数级的，算法计算时间随着问题的规模呈指数型增长，很快就变得理论上可行而实际不可计算了。矿床开拓系统优

2、化是典型的NP．hard问题，其空间状态和行为涉及诸多复杂联系的影响因素使问题求解变得困难，传统的线性规划、非线性规划、随机规划、模糊规划等方法均难以解决。论文的研究意义：把开拓系统优化抽象为车辆路径问题，具有组合优化的典型特征，可行性方案选择具有多解性，据此借鉴车辆路径问题求解思路，应用粒子群算法搜索满意解，在计算过程中引入Dijkstra算法计算最短路径，实现两点问路径单一化；由开拓系统优化具体到开拓系统空间状态和空间行为，联系到车辆路径问题，提供了崭新的问题解决思路，采用PSO算法和Dijkstra算法混合使用解决多路径选择车辆路径问题，提出解决复杂车辆路径问题的新方法，拓展了粒子群算法

3、的应用。1．3研究内容本文针对开拓系统优化，以初步设计方案投影叠加网络图为对象，针对矿床开拓系统空间状态和行为特性，选取影响因子构建开拓系统优化评价体系。开拓系统优化过程作为存在多路径选择的车辆路径(VRP)问题，建立数学模型，以粒子群和Dijkstra混合算法为数学工具，依托GIS和Maflab平台实现空间表达和算法开发，基于粒子群算法对开拓系统空间状态和行为组合方案进行量化分析，搜索系统满意解。搜索过程中引入Dijkstra算法实现两点问路径单一化处理。通过对空间行为和状态的优化最终获取开拓系统井巷布置和运输路径的最优组合，实现综合成本最低。主要研究内容如下：(1)抽象建立开拓系统空间优化

4、模型。将开拓系统优化的空间和属性性质进行归纳概括，提取空间状态和行为分析影响因素，构造优化目标函数；把开拓系统优化问题作为车辆路径(VRP)问题建立数学模型，通过对模型求解计算获取最优化组合策略。3武汉理工大学硕士学位论文(2)PSO与Dijkstra混合算法解决VRP问题。VRP问题已经被证明属于NP难题行列，是一个困难的组合优化问题，而粒子群算法为连续空间算法，在借鉴学习前人对粒子群算法解决VRP问题研究基础上，分析开拓系统优化过程，发现两点间存在多路径选择、成本不固定的问题，影响到PSO算法的运行。针对此，将Dijkstra算法引入粒子群算法实现过程，负责对路径进行单一化处理。进一步对粒

5、子群算法编码方式、适应度函数、粒子更新过程等进行改进，以混合算法解决存在多路径选择的VRP问题。(3)基于GIS的数据管理和基于Matlab的算法编程实现。开拓系统优化涉及开拓井巷布置这一空间状态和矿石运输这一空间行为，分析优化的最终目标是确定开拓系统各井巷布置的空间位置和空间结构，寻找矿石运输的最优路径。GIS强大的空间数据分析管理功能为数据管理和表达提供了一个方便的平台。数据计算分析需要Dijkstm算法和PSO算法的混合使用，要满足需求必须有强大的算法开发功能支持，本研究以Matlab为开发平台，充分发挥其在算法开发、数据分析以及数值计算方面的独有优势，实现算法编程和模型求解计算。1．4

6、国内外研究现状1．4．1开拓系统优化研究现状当前国内外矿业工作者对地下矿床开拓系统优化研究主要集中在对多个可行开拓方案的比较优选方面，在诸多采矿工程著作、研究论文以及大量工程实际中，一般采用综合比较方法、经济比较法等工程类比方法，在多个技术上可行而经济上不易区分的开拓方案中进行比较，通过方案初选、对方案做技术经济分析、技术经济综合分析比较等步骤，最终确定最优方案【12,13】。这种传统的开拓方案选择方法长期以来得到了采矿界的广泛认同和应用，首先是开拓方案的初选，根据矿床条件和地形条件，结合考虑选矿厂的可能位置及地表运输条件等因素，提出几个技术上可行、经济上无重大或明显缺点的方案，大致确定主要开

7、拓巷道的类型、位置、断面尺寸等；其次是开拓方案的初步分析比较，根据工程量和主要经济因素进行进行大致分析，去除有重大缺点或难以实现的方案；最后是开拓方案的技术经济比较，通过详细的技术经济计算，对影响矿床开拓方案选择的各项指标进行综合分析比较，从中选定最优开拓方案Il纠6】。该方法既考虑了开拓方案技术上的可行性，又考虑了经济上的合理性，具有一定的科学性和可借鉴之处，但是传统的开拓方案选择方法在主要靠专