系统工程学在煤矿物资管理方面的应用 打印1_煤矿物资管理题

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基于物联网技术在智慧校园中应用的研究

王文 采矿工程2013-3班 201301030327

（山东科技大学 矿业与安全工程学院 青岛 266590）

摘要：如今现代化的大型煤矿，生产规模大、范围广、系统多，导致煤炭生产过程异常复杂。应用传统的企业管理方法现已远远不能适应新型的生产管理方式。因此，采用系统工程学的管理方法对于煤炭行业来说已经刻不容缓。本文利用系统工程学方面的知识，以电子计算机为工具，将煤炭系统分成了若干子系统，并从煤矿系统的结构、要素、信息和反馈等方面进行了分析，对于其中不合理的环节，采用建模模型分析优化的方式对其进行了优化实践，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。通过对个别子系统的优化分析，实现了煤矿在物资管理与分配方面更加经济化、合理化以及高效化的目标，对于我国煤炭企业来说意义重大。

关键词：系统工程

煤矿系统

物资管理

分析优化物联网的概念和层次结构概述1、1 物联网的概念

物联网引起了越来越多的关注，但是有关物联网的定义和技术的共性问题仍未明确统一。美国Auto-ID中心最早提出的“物联网”概念认为，基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，主要利用射频识别技术、无线数据通信技术等，将会构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of Things”（简称物联网）。国际电信联盟的报告认为，物联网的定义较之前已经发生了变化，并指出射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌 入技术将得到更加广泛的应用。在物联网时代，通过在各种各样的日用品中嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，在任何时间、任何地点的人与人之间的沟通将连接扩展到人—物和物—物之间。

目前，在国内较为多见的“物联网”定义为：物联网是指利用各种信息传感设备，如射频识别装置、红外传感器、全球定位系统、激光扫描等种种装置与互联网结合起来而形成了一个巨大网络，其目的就是使所有物品都与网络连接在一起，使得识别和管理更加方便。物联网把网络所实现的人与人之间的互联通过技术扩大到了所有事物之间的连通，不但使得现实世界的物品互为连通，而且实现了现实世界（物理空间）与虚拟世界（数字化信息空间）的互联，从而有效地支持人机交互、人与物品之间的交互、人与人之间的社会性交互。总之，物联网 是一个物—物相连的互联网，成了新一代信息技术的重要组成部分。

1.2 物联网的体系和特征

总体而言，物联网的技术体系主要包括四个层次：感知与控制层；网络层；平台服务层；应用服务层。物联网在高校的应用需要在这四个层次上作有效的整合形成物联网智能管理系统，从而真正发挥支持行业业务的作用。

感知与控制层：通过从传感器、计量器等器件获取环境、资产或者运营状态信息，在进行适当的处理之后，通过传感器传输网关将数据传递出去；同时通过传感器接收网关接收控制指令信息，在本地传递给控制器件达到控制资产!、设备及运营的目的。在此层次中，感知及控制器件的管理，传输与接收网关，本地数据及信号处理是重要的技术领域。

网络层：通过公网或者专网以无线或者有线的通讯方式将信息、数据与指令在感知控制层与平台及应用层之间传递“。其中特别需要对安全及传输服务质量进行管理以避免数据的丢失、乱序、延时等问题。

平台服务层：通过感知层及网络层获得数据后对数据进行必要的路由和处理（包括数据过滤、丢失数据定位、冗余数据剔除、数据融合）。数据处理的逻辑根据设备和应用的不同而不同，其产生的高质量以及融合的数据会传送给数据分析模块做进一步的数据挖掘处理。分析模块首先把数据与物理环境与设备和应用关联起来，根据当前数据和历史数据，评估和预测系统当前的状态以及风险因素。根据预警规则，分析模块把具有一定风险等级的分析结果通过业务流程及应用整合传送给控制与通知系统。如果需要对系统做优化，则可以运用仿真及优化方案，并提供决策支持。从而实现在实时感知基础上支持业务的即时优化与控制。

应用服务层：根据高校业务的需要，可以在平台服务层之上建立相关的物联网应用，例如：高校未来发展情况的分析与预测；固定资产状态监控与分析；环境状态监控、分析等等。这些应用会以业务流程的方式整合感知与控制层，网络层以及平台层的服务及能力，从而实现及时感知、及时分析、及时响应的物联网智能管理业务模式，进而提升高校运营效率，推动业务模式创新并且降低运营与管理成本。

系统工程学是研究有关复杂信息反馈系统的动态趋势的学科。系统工程学以信息处理和计算机仿真技术等为基础，分析研究复杂系统随时间推移而产生的行为模式。系统工程学把系统的行为模式看成是由系统内部的信息反馈机制决定的。通过建立系统工程学模型，可以研究系统的结构、功能和行为之间的动态关系，以便寻求较优的系统结构和功能。我们平常所谓的系统工程学，就是把极其复杂的研究对象看成一个整体的大系统，即将研究对象看成由若干互相作用又互相依赖的部分结合而成的具有独立功能的有机整体。系统工程学是由应用系统的观点、信息的理论、控制的基础，现代数学的方法和电子计算机的技术综合而成的一门综合性的管理工程技术。它根据总体协调的需要，综合应用自然科学和社会科学中有关的思想、理论和方法，利用电子计算机作为工具，对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。煤矿物资管理系统

2、1 煤矿物资管理系统的概念

煤矿作为一个生产单位，其内在各要素构成一个相互联系，相互制约，相互促进的有机集合体。煤矿是一个复杂的系统，由许多子系统构成。煤矿企业管理同其它行业的企业管理一样，既要合理解决部门与区域之间的关系问题，又要合理解决区域与区域之间的关系问题。这就要求在各专业管理的基础上建立综合管理，或者叫系统管理。按照系统工程学的论点，要把企业管理看成一个“系统”，而把企业管理中的各专业管理看成为从属于这个大系统的分支系统。如今，现代化的大型煤矿，生产规模大、范围广、系统多，导致煤炭生产过程异常复杂。因此，应用传统的企业管理方法现已远远不能适应新型的生产管理方式。系统工程学就是一门在这种情况下逐步发展起来，以适应现代化企业管理需要的新兴科学。它既是一门综合性的技术科学，也是一种科学的组织管理技术，将逐渐进入企业管理的各个领域。

2、2 煤矿物资管理系统的的组成以煤矿物资供应管理为例。从系统的特征出发，依据分解协调原理，又可将煤矿物资管理分系统分为计划、库存、使用、运输、信息等五个子系统。它们相互联结，相互影响，构成一个整体并与外界环境相适应，实现着系统的整体功能，对降低成本、节约经费、保障供给起着积极作用。

2、2、1 物资计划分配子系统

物资计划分配子系统，可谓物资管理分系统的龙头。物资计划分配子系统根据国家相关的政策、相应的规章制度，制定合理的消耗定额和储备定额，用以维持矿井的连续生产。物资计划分配子系统可通过信息子系统传递给使用子系统、库存子系统以市场信息，再依据定额和任务量预测相应的物资需用量，用周转期或经验估算法确定储备量，从而发挥其功能。

2、2、2 物资库存子系统

物资库存子系统，是使生产连续进行的蓄水池。它通过物资运输子系统实现外界一仓库一使用的实物转移，实现物资的流程快速流通性；通过信息子系统接受市场信息与使用子系统的需求，根据信息子系统接受市场信息与使用子系统传递的信息，对物资库存量评估后采取相应的变化，从而实现库存量最小，库存费用最低的目的，发挥其在物质管理系统中不可或缺的作用。

2、2、3 物资使用子系统

物资使用子系统是物资的消耗者、利用者。在全国各个煤矿企业中，几乎所有的生产单位和辅助单位都不同程度的消耗着物资。其物资使用主要体现在采煤、巷道掘进、煤炭运输、通讯联络、电力供应、基础设施建设、煤炭洗选加工、煤矸石发电等其他方面。充分发挥物资使用系统的功能，使消耗的物资物尽其用，充分发挥所耗物资的功能，就可大大提高煤炭的产量、提高煤炭生产的效率、降低能源的消耗量、保证煤炭生产的安全，提高劳动生产率。

2、2、4 物资运输子系统 物资运输子系统，是实现物资空间转移的桥梁。物资运输子系统的主要功能就是借助运输机具，保证在煤炭生产中所需的物资能够快速有效的在矿井空间来回的运输和转移，并且使整个运输过程中的运费最少。物资运输子系统主要包括矿井地面运输和井下运输两个相对独立的小系统。

2、2、5 物资信息子系统

物资信息子系统，是物资管理分系统的中枢神经系统，可称得上物资管理系统的大脑。物资信息子系统主要为以上诸子系统及时传播有用信息，保证计划、库存、运输、使用等环节协调发展、流畅运行，以求最好地发挥物资管理系统的整体功能。煤矿物资管理系统的优化

煤矿物资管理系统是一个动态系统。为了充分发挥其功能，必使各子系统得到合理控制以实现最佳组合。以往采用的经济批量法和ABC分类法虽可发挥其一定的作用，但由于煤矿生产有工作地点移动、生产波动性大、物耗不均、进货不等、库存不稳定等特点，因而使其本身的功能受到很大的约束。在进行大量的总结反思的基础上，采用另外的多种管理方式进行试验。实践表明：只有从系统整体出发，抓住库存和使用两个环节，采用控制论中的系统工程办法—动态规划法，才能适应其动态变化的特点，使物资管理系统在煤炭生产过程中发挥其真正的作用和功能。

3、1 煤矿物资管理系统中库存管理子系统的优化及实践

在煤矿，物资库存系统是一个非均衡耗用动态系统，其使用量、库存量、进货量均随时间的变化而变化。在不考虑回收复用、修旧利废的情况下，本期库存量等于期初库存量加本期进货量减本期使用量。其数学模型如下：

I（k+1）=I（k）+r（k）-u（k）（k=1，2，„，11）

式中，I（k）为k+1月初库存量；r（k）为k+l月进货量；u（k）为k+1月使用量。此处，I（k）为系统状态变量，u（k）随产量正比变化，有了定额，使用量就可求得，只剩下r（k）这一决策变量。

这里的最优控制问题，就是确定最优的（k）以使性能指标了取最小值。其实，就是如何确定每月进货量，使库存量与进货量最接近理想值。用数学描述如下：

JhIk1Ixk1trkrk2h0112

式中，I为计划库存量；r为计划进货量；h、t为库存量和进货量的权重（即侧重程度），其余符号同上。

这一模型要求满足以下条件：

I0I0

即第1月初库存量等于I0为已知，约束条件为：

IkI保险

这就是求Ik（k=0，1，2，„，11）使J最小的12阶决策问题。最优策略一部分也构成一个最优策略序列，如r(0)，„，；r(n1)。对这种动态规划二次型问题，计算时需要逐步加以迭代，根据别尔曼最优性原理，去求最优策略。

现通过这一原理，附和辅助手段，编制某矿2015年度的物资进货和库存计划。已知条件如下：①该矿2015年原煤产量315万吨，回采产量300万吨；②计划吨煤材料消耗为

8、7元/吨；③储备资金额为554万元（不包括洗煤配件）；④上年末库存量为1500万元；⑤保险储备量，经用常规方法计算得161。1万元；⑥用以往资料，求得各月产量所占百分比，从而计算出2015年各月计划预测产量；⑦用公式：材料消耗量=计划产量x消耗定额，计算各月材料消耗量；⑧本月计划进货量=下月计划消耗量。根据以上条件，运用数学模型，经计算机（IMB一PCXT）运行，结果见表1。得到使库存达最优，保证生产正常消耗的计划进货量。又由于库存是一个空间矢量，还需要对进货和库存物资进行结构控制，于是确定各类、各项物资的数额界限如表2，以防止不必要的库存积压，同时又贻误了生产。

月份 进货量 1 228 2 189 3 ******5260 库存量 554 554 554 554 554 554 554 554 553 553 553 554

表1 2015年度月计划进货量库存量

类别 1～6类 7～8类

9～10类

11～15类

16～23类

24～32类

总计

限额 163 110 45 38 72 134 554

表2 2015年分类物资限额

库存不仅有量的限制少也要考虑时间的限制。为了保证库存的经济性，还需用保本储备期予以控制。保本储备期可利用资金等值的概念求出。下面列举该矿几种主要物资的保本储备期见表3：

物资名称 保存储备期（年）

钢材

2、5

木材

1、9

表3 保本储备期

水泥

2、1

乳化油

1、4

以上对库存总量、库存结构作了分析，这样就能科学地控制进货量，使库存少，供应好，效益高。

3、2 煤矿物资管理系统中使用子象统的优化与实践

库存的目的为了使用。为使有限的物资在生产中发挥最大的作用，加强对物资使用系统的管理更为重要。为使全矿井的产量最大，消耗最小，下面采用动态规划法，对每一个基本生产单位（如回采、掘进等）的产量与材料消耗建立内在联系，计算最优用量，最后实现全矿井的最优组合。

在基础工作较完善的情况下，各生产单位的物资使用量与产量（进尺）大小形成逻辑联系，即本期材料使用量等于上期材料使用量加（减）本期超（减）产部分的材料消耗量。数学描述如下：

Ik1Ikmrkrk

式中，I为材料消耗量，Ik为第k月材料消耗，为状态变量；r为产量(进R)，rk为第k+l月产量，为决策变量；rk为第k十1月计划产量；m为吨煤材料消耗定额；k为月份，（k=0，1，„，11）。

现在欲求得月产量，使材料消耗与产量接近理想的计划值，这一性能目标（J）数学公式为：

JhIk1Ik1trkrk2k0112

式中h，t为消耗量与产量的权值；I为计划消耗量。系统的初始状态为：

I0I0

若知2015年该矿计划进尺18000米，实际完成18871米，详见表4：

月份 1 2

总计

进尺（米）1563 1458 1370 1430 1776 1372 1200 1600 1757 1704 1794 1787 18871 单位成本（元/米）256 323 387 279 233 279 410 249 300 231 294 297 30512 总成本（万元）40 47 53 40 41 38 49 43 52 56 52 52 572

表4 进尺计划

将以上已知数据输入计算机，经运算得如表5结果：

月份 1 2

总计

进尺（米）1582 1584 1583 1584 1582 1581 1586 1582 1583 1584 1580 1752 19175 材料消耗（万元）49 48 47 48 47 48 48 48 47 47 48 53 578

表5 计算结果（各月进尺与材料消耗）

计算结果，掘进进尺为19175米，比实际大

1、6%，说明该矿准备工作完成较好，但均衡性略差；掘进消耗材料费，计算为578万元，比实际消耗大

1、0%，说明基本上合理。可见，这种方法有实用价值。

同样，将各掘进队、各采煤队、洗选厂的历史指标输人计算机均可得到验证。

结束语 以上对矿井各个主要物资消耗部门分析计算了使用与生产的关系，并从各个子系统的角度加以优化，经组合汇总整理得到整个矿井物资使用系统的控制与优化方案，达到了预期目标。运用系统工程方法对煤矿物资管理系统进行控制与优化刚刚进行尝试，不足之处在所难免。相信随着现代化管理方法和手段进一步的推广，该方法必将结出丰硕之果。

[参考文献]

1、肖黎明、系统工程学在煤矿中的应用概况、江苏煤炭科技

2、杜有志、系统工程学在煤矿物资管理中的应用、煤炭技术

3、刘惠生、煤矿物资管理的系统工程方法——现代化矿井物资最优管理和合理使用的实践、中国系统工程学会

4、张钟俊、系统工程学综述、上海交通大学学报