基于Clifford代数的露天矿山路径优化算法

露天矿山路径优化问题是指在满足特定物理和经济约束之下,搜索最佳运输线路的组合优化问题,对于降低矿山运营成本具有重要的现实意义。但目前常规的露天矿山路径优化算法,主要从静态的道路有向图网络优化出发,无法实现大规模时变动态网络的高效分析和优化决策。本文以扎哈淖尔露天矿为例,将欧式空间内经典的有向图网络分析方法扩展至Clifford代数空间,建立了节点、有向边以及路径的统一表达,提出了路径几何拓扑连通性和标量约束指标的计算方法,实现了几何拓扑计算和数值最优化求解问题的分离;针对传统静态网络分析方法无法动态表达系统能耗变化的问题,建立了基于时变运输功最小化的路径优化模型,并结合行驶阻力特征给出了时变阻力的计算方法;研究了因路面频繁碾压破坏和周期性维护而导致的滚动阻力系数周期性时变效应,并提出计算时变滚动阻力系数的方法;最后为进一步提高算法收敛效率,提出了两组推论和一组数值计算优化策略对遗传算法的数值计算进行了改进。经多次仿真实验验证,算法能快速收敛于全局最优解,说明了算法对于解决矿山实际路径优化问题可行且有效。其次,几何代数化方法的引入也为传统路径优化问题求解提供了一种有效实现拓扑关系计算和数值计算解耦的新方法,弥补了静态网络无法实现时变动态网络分析的不足,为提高露天矿运输系统大规模路网模型的快速效率,提供了一种全新的求解思路。     

露天矿计划阶段内离散块体物料运距预测算法

矿岩运距是衡量露天矿山卡车运输经济性的重要指标之一,但多年因受运输系统复杂、多变等多种综合因素限制,在进度计划编制期间进行逐条带的运距计算问题一直并未得到有效解决。特别是需要进行离散化的物料规划时,传统逐阶段的运距量测方法无法对离散块体进行逐个推估。因此,为有效解决计划阶段内离散块体物料运距计算问题,根据露天矿外排土场出入口选址及排土运输干线相对固定等空间特征,将非线性预测理论、因子分析法等技术方法应用于实际的矿山优化问题中,研究了排土场计划阶段内块体运距波动变化的主要控制因素;结合外排土场内运距波动变化的影响要素,提出了采用加权最小二乘支持向量机技术(WLS-SVM)拟合非线性运距曲线的预测算法,并对权向量、核参数等主观经验指标进行了动态修正,以实现对计划阶段内(两阶段工程位置间的)离散块体物料过程运距的时变预测;最终,利用拟合出的时变曲线,实现两连续工程位置间逐个物料块体运距的高效计算。实验结果表明:预测算法的误差期望分别为:训练集0. 93 m,测试集0. 84 m,且在实验中表现出模型精度易受样本规模影响的特性,且当样本规模N90时,可控制绝对误差水平稳定在0. 8%～1. 2%。结论表明:试图应用非线性预测理论处理计划阶段内缺乏时变路网条件的运距预测问题是可行的,提出的算法模型对解决计划阶段内的逐块体运距赋值问题具有现实有效性。常规的露天矿山运输优化问题其优化目标和特征参数之间往往存在紧密耦合关系,无法直接应用特定的优化、规划模型进行计算求解,尝试采用全新的解耦思想和求解思路对于有效解决露天矿山运输优化问题是十分有益的,也应该是今后露天矿山系统工程学科研究的热点问题之一。     

基于时空演化的露天矿运输线路存留状态判别算法

露天矿采场是一个随时间协变的有源时空场,其内部的时空演化规律是露天矿开拓运输系统定线的重要基础,直接制约着露天矿运输道路的废除、重建和更新等相关决策。但多年受露天采场的自身复杂性限制,开拓定线仍以经验化的手工定线为主,尚缺乏一种科学化、系统化的定线方法,特别是对于已确定的运输线路随采、剥工程发展而发生的时空状态演化规律的判别与分析,直接制约着露天矿山道路运输系统设计的经济性。以开拓定线过程中既定坑线的存留问题为切入点,首先对露天矿采场内采、剥物料的运输线路的演化规律进行了有效分析和描述,并结合采、剥物料的场内流动特性,构建了不同坑线状态下的迁移模型。同时,为进一步定量化的描述运输道路的状态迁移模型,文中从分析运输线路与物料流之间的功能联系入手,引入矢量分析和场论的理论方法,结合采场采、剥物料实际给出了满足矢量场分析条件的均质流体假设,并进一步提出散度的概念、时空状态描述子的判别指标及利用散度的量化计算实现采、剥物料的迁移状态判别,从而为承载运输任务的运输线路的废除、重建和更新状态提供更为科学、合理的量化决策指标。最后,以不同计划工程位置上的开拓定线问题(混合坑线)为仿真实验,验证文中算法模型对于判别运输线路存留问题的有效性。实验结果表明:抽象散度的引入能有效地将采场内的有源矢量场划分为有源和无源区域,并能进一步判别出有源区域内流体的吸收或发散特性,且上述特性能极为理想的对应于运输线路的废除、重建、更新以及继续服务等几种状态,从而保证了这种区域化指标能为开拓定线过程中的区域性坑线布设提供更为理想的前期决策,有效解决了主观定线过程中线路更新难题。将应用数学、理论物理学中的通量、散度的概念引入到解决露天矿山的现实优化问题中,提出了一种定量化描述露天采场时空状态演化过程的新方法,弥补了现阶段手工定线主观经验化更新的不足,同时也为开拓运输系统的自动化优化定线算法的实现提供了一种路径更新判别的新思路。