矿业可持续发展的神经网络评价.pdf

第5 2 卷第1 期 2000 年2 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 。N o ．1 F e b r u a r y 20 00 矿业可持续发展的神经网络评价 古德生1 ，彭怀生2 ，雷卫东2 1 ．中南工业大学，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．北京有色冶金设计研究总院，北京1 0 0 0 3 8 摘要本文在简述可持续发展这一全球的革命性发展观及我国矿业发展现状的基础上．提出了矿业可持续发展的神经 网络评价模型及评价标准。 关键词可持续发展；神经网络；地面塌陷 中图分类号T D 一0 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 1 一O 0 0 8 0 5 自工业革命以来，传统经济学发展观主宰了现 代人类几百年的历史进程。它驱使人们不顾后果地 追求物质财富、从而创造了无比巨大的物质财富。 但是与此同时，人类无理性地片面追求经济的无限 增长，使人类自身陷入工业文明的危机之中。现代 经济社会运行朝着自我毁灭的方向迅奔将要达到断 绝人类生活的地步。这种二律背反的严峻现实本身， 就是现代生态经济系统基本矛盾尖锐化的表现。一 方面当代人类经济活动不断扩大，对自然资源需求 迅速增加，实际已超过了自然资源的再生能力，从 而使资源急剧耗损，甚至引起资源枯竭，生态系统 的生产力下降。造成人类经济活动需求的无限扩 大与生态系统负荷过重而供给能力相对缩小之间的 矛盾日益尖锐与不断加深。另一方面，社会生产和 社会生活排放废弃物的迅速增长实际上已超过了生 态系统的净化能力。生态环境污染日益严重，造成 人类经济活动的不合理，使排污量迅速增长与生态 系统净化能力及环境承载能力下降的矛盾日益尖锐 与不断加深。因而现代生态经济的基本矛盾日渐加 深与尖锐。生态经济问题成为全球性的极其尖锐的 问题。极大阻碍着经济的可持续发展。给工业文明 抹上了重重的阴影。把它放在生态一经济一社会 三维复合系统运行中作动态考察，现代生态经济矛 盾已上升为现代人类生态与发展的主要矛盾。 工业革命以来，人类以极高的生态代价和社会 成本换取经济高速增长与物质财富急剧增加。这种 非持续发展的经济把工业文明引入绝境，才产生了 可持续发展这个当今世界各国都面临的共同课题。 因此当今中国和全世界各国探索可持续发展之路的 收稿日期1 9 9 9 0 6 2 5 作者简介古德生，男，6 l 岁，中国工程院院士，博士生导师 本文联系人彭怀生 根本点，就是在首先解决可持续发展这个轴心问 题。 可持续发展最初由国际自然保护联盟提出， 1 9 8 0 年3 月5 日国际自然保护联盟发表了世界 保护策略可持续发展的生命资源保护首先提出 “可持续发展”。同一天联合国大会也向全世界发 出呼吁，“必须研究自然的、社会的、经济的以及 利用自然资源过程中的基本关系，确保全球的可持 续发展”。可持续发展被明确提出。1 9 8 7 年联合国 环境与发展委员会在挪威首相布伦特兰的我们共 同的未来报告中第一次对可持续发展进行了全面 详细的阐述。并将可持续发展明确定义。 1 9 9 2 年6 月3 1 4E l 在巴西里约热内卢由联合 国召开的举世瞩目的“世界环境与发展”大会上通 过了“2 1 世纪议程”文件，可持续发展又一次被 提到十分重要的地位与高度。 中国政府积极响应这一国际重大举措．并相应 制定了中国的2 1 世纪议程。许多部门密切合作。 并寻求国际合作，进行社会可持续发展、资源可持 续利用的攻关。走可持续发展之路是我国在下一 世纪发展的自身需要和必然选择。党的十四届五 中全会上正确处理社会主义现代化建设中若干 重大关系一文中指出在现代化建设中，必须把 可持续发展作为一个重大战略。把控制人口、节 约资源、保护环境放在重要位置。使人口增长与社 会生产力发展相适应，使生产建设与资源、环境相 协调，实现良性循环。党的十五大报告中指出资 源开发和节约并举，把节约放在首位，提高资源的 利用效率，统筹规划国土资源开发和整治。严格执 行土地、水、森林、矿产、海洋等资源管理和保护 的法律，实施资源有偿使用制度，加强对环境污染 的治理。植树种草，搞好水土保持，防治荒漠化， 万方数据 第1 期古德生等矿业可持续发展的神经网络评价 9 改善生态环境，这实际上是中国走可持续发展之路 的宣言。 1可持续发展的概念和内涵 根据环境管理术语国际标准I S 0 1 4 0 5 0 D I S ，可 持续发展可以表述为既满足当前需要，同时又不 牺牲未来世代满足其需要的能力的发展。可持续发 展是一个高度概括和浓缩的概念，有其丰富的内 涵。依其侧重点不同所给出的定义也不尽相同。归 纳起来有如下几类生态方面、经济方面、社会方 面和世代伦理方面。尽管其定义侧重点不同、表达 方式各异，但其内涵是相近的。侧重于生态方面的 可持续发展定义强调资源的开发利用不要超过生态 系统的承受能力，保持生态系统的可持续性。侧重 于经济方面的可持续发展定义强调的是经济的可持 续性，更强调的是经济上是合理的。侧重于社会方 面的可持续发展定义，包含了政治、经济、社会各 方面，是一个广义的可持续发展的定义。同时也包 含了代际之间公平地利用资源，平等地享有发展的 权利。 对于可持续发展概念。可以从三个不同层次， 即高层次、中层次和低层次上进行理解。从高层次 上讲可持续发展就要保持人与自然的共同协调进 化，达到人与自然共同繁荣。是着眼于人类与整个 大自然．是天人之间的关系。从中层次上讲，可持 续发展是既满足当代人需求又不危害后代人需求的 能力，既符合局部人口利益，又符合整体人口利益 的发展。从低层次上讲．可持续发展是资源、环 境、经济和社会协调发展。是在资源和环境得到合 理利用保护的条件下，取得最大的经济效益和社会 效益。低层次的可持续发展的理解着眼于区域性， 这个层次上的概念具有可操作性。本文采用的可持 续发展的概念正是低层次上的可持续发展的概念。 2 我国有色金属矿山开采现状 我国有色金属矿产资源经多年勘探，生产和发 展。形成五多五少的资源特征小型矿多、大型矿 少；地下矿多、露天矿少；贫矿多、富矿少；复杂 共生矿多、单矿少；分散在边远山区多、集中于 沿海发达地区少。这样的资源特征加上发展模式使 我国有色金属矿山形成了开发早、规模小、效率 低、转产难的行业特征。经近2 0 3 0 年的开采， 现有2 ／3 的国有大、中型矿山已陆续进入中、晚 期，1 ／3 矿点资源即将枯竭，生产能力大幅度下 降，开采矿石品位急剧降低。一些矿山只顾近期利 益或受资金影响．致使采掘失调，或采富弃贫、采 易弃难、或只采硫化矿不采氧化矿。一段时期以来 受一些错误口号的影响，地方、集体、个体进入矿 区、致使发展无序、管理失控、秩序混乱。集约化 程度低的小矿和国有大矿抢资源，乱挖滥采，使资 源遭到严重破坏，开采中损失、浪费十分严重，同 时造成环境污染和生态破坏。资源与环境是相互依 存、相互影响的关系，环境的恶化很大程度上是不 合理的、不科学利用资源所致。一是由于矿产开发 破坏地形地貌，据统计全国仅因采矿引发地面塌陷 量已达3 0 余亿t 。二是露天采矿和各种废石、尾矿 破坏、侵占土地已达2 万k m 2 左右，并以每年 2 0 0 k m 2 的速度增加。三是废水废气，目前全国各 类矿山每年共排放工业废水3 0 多亿t 。排放废气 5 4 1 4 万m3 是形成酸雨的重要污染源。统计表明 整个采矿损失率达3 0 ％～4 0 ％以上，比发达国家 多2 0 个百分点以上。由于矿山建设投资大、建设 周期长、生产条件恶劣，设备的有形磨损和无形磨 损比一般工厂大，随开采时间的推移，品位下降、 开采难度加大以及传统的计划经济模式的矿办小社 会等原因，使矿山企业大面积亏损、效益低下、企 业越老困难越大。矿山企业是一个传统工艺为主的 行业，采矿技术、工艺本身变革不大，其变化主要 体现在设备的变化上。机械化促进了采矿工艺的变 革。以铲运机为核心的配套无轨采运设备及工艺、 连续出矿设备及工艺是当今地下采矿技术发展趋 势。我国有色金属矿山除少数矿山陆续从国外引进 先进设备和应用国产新设备以外，其余大多数矿山 仍然延用5 0 6 0 年代的设备。致使我国有色矿山 的劳动生产率与发达国家矿山企业存在很大差距。 目前我国有色矿山企业的全员劳动生产率仅为 0 ．5 t ／d ，仅为发达国家矿山企业的1 ／1 0 到1 ／2 0 ，随改 革开放的不断深入，我国有色金属矿山企业面临从 计划经济向市场经济转型，但目前仍沿袭计划经济 体制下形成的旧有人事制度、生产管理制度、工资 福利制度。现有的一些管理制度，使矿山企业很难 适应市场对产品、品质等作出相应调整。致使不仅 设备陈旧的矿山，即使引进国外先进设备和工艺的 矿山，其劳动生产率也与国外先进的矿山企业存在 相当大的差别。 由此可见，我国有色金属矿山的现状离矿业可 持续发展的要求存在很大差距。这是由于传统的矿 产资源管理的准则主要考虑的是经济效益、技术效 万方数据 1 0有色金属 第5 2 卷 率和实施的可靠性。这些准则与可持续发展的管理 目标有较大的差别。因此研究矿山企业的可持续 发展显得十分紧迫和必要。 3 矿业可持续发展的神经网络评价 3 ．1 人工神经网络 N N 原理 人工神经网络 N N 是近年发展起来的模仿 人体大脑模式的信息处理技术。如人脑神经元组成 一样，人工神经网络由相互关联的节点组成，每个 节点可以接受、传递和输出信息。每个节点对其输 人量加权相加，其和即为该节点的输入值。各节点 之间的联系强度由一个权值矩阵表示。节点的输出 值是输入值的一个函数，即作用函数。人工神经网 络可以从实际的一系列关系高度复杂的样本中总结 出一套关系，并能把这种关系应用到别的样本中 去。理论上讲，人工神经网络可以应用于任何输入 和输出因素之间存在可知或未知关系的情形。 在所有人工神经网络模型中，三层B P N N 模 型是一种应用最广．最有效的神经网络模型。占人 工神经网络应用的9 5 ％。本文中推荐使用三层 B P N N 模型。图1 表示一个三层B P N N 结构。 权可调 投可调 y f l f f 为 f 施 图1三层B P N N 结构 F i g ．1T r i p l eB P N Ns t r u c t u r e 输出层 隐层 输入层 3 ．1 ．1 节点模型。一般地，节点模型如图2 所 示。图示节点是一个多输入单输出的非线性阀值器 件。它有三方面的功能，接受信息、处理信息和输 出信息。假定均，地，⋯％表示某一节点的n 个输 入值，w 表示第7 个节点与第i 个节点的连接权 值，圆表示第i 个节点的输入总和，Y 表示第f 个 节点的输出值，口；表示节点的阀值。则该节点的 输出可描述为 至姜④⋯“一∞ 图2 节点模型 F i g ．2 N o d em o d e l q ∑w Ⅳx 『一0 i Y ； ， a _ [ 式中， 口i 是表示节点输入一输出关系的作用 函数。作用函数有多种类型，本文中使用的为最常 见的S i g m o i d f 功 1 ／ 1 e 一】 函数，即S 型函数。 3 ．1 ．2B P N N 的学习。B P N N 网络的学习过程， 就是通过权值的调节，实现输入和输出映射的过 程。它由正向传播和反向传播组成。在正向传播过 程中，输入信息从输入层经隐含层处理，并传向输 出层。每一层节点的状态，只影响下一层节点的状 态。如果在输出层不能得到期望的输出。则转向反 向传播，将误差信号沿原来的连接通路返回。通过 修改各层节点的权值，使得误差信号满足要求。 一般地，最基本的误差修正学习方法．即6 学 习规则可由以下四步来描述 a ．选择一组初始权值，w ， O ． b ．计算某一输人模式对应的实际输出与期望输 出之误差。 c ．更新权值w J t 1 w J t ，7 [ 吃一y 工f 】x j t 式中，7 为学习因子，正、Y j 分别表示第J 个节 点的期望输出与实际输出，x f 为第J 个节点的输入。 d ．返回b ，直到网络输出能满足要求。 B P 网络学习的方法是对简单的6 学习规则的 推广与发展。 假设B P 网络某层有n 个节点，m 个训练样 本。对第p 个训练样本 P l ，2 ，3 ，⋯m ．节点j 的输入总和为口所，瑜出为o ∥，则 ％2 二％D p i O p j f 口p21 ／ 1 e Ⅶ 如果任意设置网络初始权值，则对每个输入样 本误差为 E 艺乓 岛 l ／砭 d p 『- D ≯2 式中d 一表示对第p 个输入样本，输出节点- 7 的期望输出。6 学习规则的实质是使用梯度最速下 降法，’使权值沿误差函数的负梯度方向改变，若权 值w Ⅳ的变化量记为A p w Ⅳ则 O E ． △p w J ∞一赢 因为鼍 鼍哥 鼍％一饥 万方数据 第1 期古德生等矿业可持续发展的神经网络评价 1 1 这里令6 力2 一毒 于是A p w J ，7 6 护∥ 叩 0 这即通常所说6 学习规则。 在B P 网络学习过程中。输出层节点与隐含层 节点的误差计算是不同的，下面分别讨论 当O 。；表示输出层节点的输出时，其误差为 一旦一旦丑 “ O a 日 O on O a n 一f ’ 嘲f - d p j o A 】 则6 ∥ f7 a E j X d p j - D ≯ 当0 。，表示隐层节点输出时，其误差为 驴一鲁一番鬻一篑八口p 每O o ；卺O a 备d o 一弛w 盯 可 争 肚 创 } “肚”盯 则％2 f ， 口≯∑6 ∥q 这里，k 为与节点7 相连的上一层节点。 一般地，B P 网络学习算法描述为如下步骤 a ．初始化网络及学习参数； b ．提供训练样本，训练网络，直到满足要求； C ．前向传播，对给定训练样本模式输入，计算 网络的输出模式，并与期望模式比较。若有误差则 执行e ，否则执行6 e ．后向传播，①计算误差6 p J ；②修正权值与 阀值；③返回b 。 3 ．1 ．3B P 网络的训练与测试。B P 网络的学习是通 过给定的训练样本实现的，学习过程进展如何 什 么时候认为网络学习好了 训练效果如何 要回答 这些问题，必须有定量的误差指标来衡。 通常用网络的均方根 R M S 误差来定量的 反映学习性能。其定义为 式中m 为训练集内样本个数 t 1 ．为网络输出层单元个数 3 ．2矿业可持续发展神经网络系统的建立 3 ．2 ．1 矿业可持续发展的评判准则。矿山企业可 持续发展的目标实际上是一个综合性的指标。归纳 起来包含以下几个方面生态方面、经济方面、社 会方面、世代伦理方面、空间方面、自然协调方 面、技术方面。本文基于文中应用的人工神经网络 技术，提出如下的评判准则，用以评判矿山企业的 可持续发展，按等级由高向低，即矿业可持续发展 到矿业不可持续发展I 可持续发展；1 I 中 等可持续发展；／I I 传统的较落后的发展。 3 ．2 ．2 矿山可持续发展目标的影响因素。矿产资 源开发与利用的系统是一个开放的复杂系统。矿山 可持续发展问题是极复杂的，涉及到开发、建设、 生产、经营、经济增长、社会发展、生态环境、交 通运输诸多因素。时间上涉及过去、现在、将来， 是一个动态的变化过程。空间上不仅涉及开采与加 工。还要涉及相关的产业。系统的基本要素有四个 即经济发展水平、社会发展水平、环境容量与资 源承载能力。 经济发展水平方面，矿山企业经济发展应着重 研究资源开发模式，实行综合开发，大力推动科技 进步，提高劳动生产率，增加积累，增强实力，扶 持地方经济建设，促进经济发展。 社会发展水平方面，矿山地区社会发展首先应 依靠企业及所在地区地方经济的发展，其次要重视 教育工作，加强岗位培训，提高劳动者文化技术素 质，解决如矿区人口就业问题，实施医疗、养老、 住房等福利保障。 环境容量方面，要正确选用开采方式方法，减 少对生态的破坏，重视污染问题，减少三废排放， 加强复垦，控制水土流失。 资源承载能力方面，要更新消费观念，树立资 源充分利用原则，充分认识到矿产资源是一种不可 再生资源，要重视矿产资源管理，改进采矿方法。 提高回收率，降低损失率，加强综合利用。 3 ．2 ．3 矿山企业可持续发展神经网络模型。如前 所述，矿产资源的开发。直到把它变成各种产品的 整个过程中都是人与这一系统之间相互制约、相互 作用的过程。因此，针对这一巨系统的规划与决 策，无法回避人的经验知识以及决策者个人主观意 向所起的作用，如果采用经典的优化决策理论、技 术等方法来解决这一巨系统中的全局性的决策规划 问题，将有一定困难。而这一方面正是人工神经网 络系统最成功应用的范畴。 本文采用三层B P 网络模型，输入层为2 3 项 矿山可持续发展目标的影响因素，输出层即矿山可 持续发展目标的评判指标，其模型如下 万方数据 1 2有色金属 第5 2 卷 矿 山 可 持 续 发 展 目 标 矿 区 经 济 发 展 矿 区 社 会 发 展 环 境 容 量 资 源 承 载 能 力 I 些王墅墨』壁圣茎墨 I 9 ．社会贡献率 lo ．员工平均受教育程度 1 3 ．矿区社会福利保障体系完善程度 1 9 ．用于充填的尾砂比率 I 垫竺垦垦竺旦坚兰J 图3矿山可持续发展的影响因素 F i 9 3 I n f l u e n t i a lf a c t o r sc o n c e r n i n gs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti nm i n i n gi n d u s t r y 因素1 O 一 因素2o - 因素2 3o 一 输 入 层 。矿业可持续发展目标评判指标 图4矿山可持续发展评价模型 F i g ．4 A s s e s s m e n tm o d e lf o rs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti nm i n i n gi n d u s t r y 参考文献 冯夏庭，王永嘉．采矿工程智能系统人工智能及神 经网络在矿业中的应用．北京冶金工业出版社 金永铎．国外矿产资源综合利用现状及发展方向．矿产 综合利用，1 9 9 6 ，2 邱定蕃，丁淑云．有色金属工业可持续发展与环境保 护．长沙中南工业大学出版社，1 9 9 7 ．1 0 廖成林．磷矿可持续发展的综合评判法，化工矿山技 术，1 9 9 8 ，2 7 3 N E U R A LN E r W o R KA s S E s S M E N To FS U S T ．A I N A B I 甩D E l n Ⅱo P M E I 盯’ I NM 【N I N GI N D U S T R Y G UO e s h e ．g J ，P E N GH u a i s h e n 9 2 ，L E IW e i d o n 9 2 1 ．C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，C h a n o s h a4 1 0 0 8 3 ； 2 ．B e i j i n gC e n t r a lE n o i n e e r i n ga n dR e s e a r c h I n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，B e i j i n o1 0 0 0 3 8 A B S T R A C I ． O nt h eb a s i so ft h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fm i n i n gi n d u s t r i e s i nC h i n a ，t h i sp a p e rs e t su pan e u r a ln e t w o r ka s s e s s m e n t m o d e lf o rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm i n i n gi n d u s t r ya n di t ss t a n d a r d ． K E YW O R D Ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ；n e u r a ln e t w o r k ；g r o u n ds u b s i d e n c e 万方数据