基于概念格粗糙集的采矿方法优选研究
Research on Mining Method Optimization Based on Concept Lattice Rough Set
收稿日期: 2018-03-05 修回日期: 2018-08-13 网络出版日期: 2019-04-29
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Received: 2018-03-05 Revised: 2018-08-13 Online: 2019-04-29
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邬书良, 杨珊, 黄温钢.
WU Shuliang, YANG Shan, HUANG Wengang.
1 采矿方法评价体系模型的建立
1.1 构建层次综合评价指标体系
构建采矿方法优选模型是一个系统工程,影响采矿方法选择的评价指标错综复杂,因此本文从开采条件、经济指标、地压控制程度和技术指标4个方面出发,利用层次分析法构建采矿方法层次综合评价指标体系,如图1所示。
图1
图1
采矿方法评价体系指标结构图
Fig.1
Structural diagram of evaluation indexes for mining method
该体系包括目标层、准则层和指标层,将采矿方案优选作为目标层,通过准则层中的4项指标构建包含17项评价指标的指标层,从而建立完整的采矿方法评价体系。
1.2 指标权重矩阵的确定
表1 指标间重要性比较标准
Table 1
标准值 | 意义 |
---|---|
1 | xi与xj重要性相同 |
3 | xi重要性稍微高于xj |
5 | xi重要性明显高于xj |
7 | xi重要性强烈高于xj |
9 | xi重要性绝对高于xj |
2,4,6,8 | 介于1和3,3和5,5和7,7和9之间的值 |
xij、xji分别表示xi对xj、xj对xi的比较,且xij×xji=1。n个评价指标的归一化权重为
评价指标的权重矩阵为
1.3 搜寻约简及生成决策规则
根据备选的采矿方法对矿山生产要求的适应性及各指标权重,得到各方案准则层指标的分值,进而得出各采矿方法的综合评分,生成采矿方法评价体系决策表。
根据采矿方案评价体系决策表中的评分及实际生产需要,将评价决策表划分为优、良、中、差4个级别,进而生成采矿方法的知识表达系统。属性约简是粗糙集理论中的核心问题。将概念格理论用于属性约简,通过将知识表达系统转化为形式背景并生成概念格对应的Hasse图,从概念格等价内涵中去掉冗余内涵并形成约简概念格,利用约简后的条件属性导出概率决策规则。
2 概念格的属性约简方法
2.1 概念格的概念
一个形式背景K=(G,M,I)由对象集G、属性集M及二者之间的关系I组成。对于一个形式背景的对象集A∈p(G),属性集B∈p(M)定义以下映射f和g:
则满足以上2个映射的二元组(A,B)为一个概念。若概念(A1,B1)和(A2,B2)满足
2.2 概念格属性约简
若概念(A1,B1)与(A2,B2)共有一个父概念(A,B),且(A,B)不包含决策属性,但
若原决策表中的条件属性
3 工程应用
国内某铅锌矿矿体沿走向长度为55~90 m,呈透镜状,厚度为3.5~9.0 m,倾角为65°~80°,矿石锌品位为8.5%~58.2%。矿体岩性主要为白云岩和粉砂岩,中等稳定,节理裂隙较发育,局部破碎不稳定。矿体上盘为白云岩,中等稳定;矿体下盘为白云岩或粉砂岩,中等稳定至不稳定。根据矿体的赋存特点和开采技术条件,初步提出5种采矿方案,分别是浅孔留矿法(n1~n3)、分段嗣后充填法(n4~n6)、下向分层胶结充填法(n7~n9)、上向分层胶结充填法(n10~n12)和上向进路胶结充填法(n13~n15)。
根据各采矿方法所选参数的不同,将上述各采矿方法均分为3种,共包括15个备选方案。各采矿方法的区别主要表现在爆破参数、充填材料和采场尺寸等不同,如浅孔留矿法(n1~n3)3个方案的炸药单耗分别为0.25,0.30,0.40 kg/t;分段嗣后充填法(n4~n6)3个方案的尾砂胶结充填料的灰砂比分别为1∶7.5、1∶9和1∶6;下向分层胶结充填法(n7~n9) 3个方案的矿块长度分别为40,35,30 m,宽度均为矿体水平厚度;上向分层胶结充填法(n10~n12)3个方案的底柱高度分别为5、0.9(钢筋混凝土土人工底柱)和0.7 m(钢筋混凝土人工底柱);上向进路胶结充填法(n13~n15)3个方案的矿块高度分别为50,55,60 m,进路宽度均为4.5 m。
3.1 确定影响因数及相应的权重
根据所构建的采矿方法评价指标体系,准则层O={P1,P2,P3,P4}={开采条件,经济指标,地压控制程度,技术指标}。指标层P1={x1,x2,x3,x4,x5,x6}={走向长度,矿体厚度,矿体倾角,矿体稳固性,上盘稳固性,下盘稳固性};P2={x7}={采矿直接成本};P3={x8}={采空区最大暴露面积};P4={x9,x10,x11,x12,x13,x14,x15,x16,x17}={采场生产能力,矿石损失率,矿石贫化率,采切比,通风条件,采矿工效,方案灵活适应性,劳动强度,工艺复杂程度}。
3.2 建立评价决策表
根据所构建的采矿方法评价体系,结合矿山的实际生产情况,利用专家评分法对各采矿方案的适应性进行评分,如浅孔留矿法n1的开采条件指标评分为B1=[83 85 90 86 87 92],则综合得分为W1=R1*B1’=[0.10 0.20 0.20 0.26 0.14 0.10]* [83 85 90 86 87 92]’=88.04。类似地,采用同样的方法对待选采矿方法的各项指标进行评分,以此建立采矿方法评价决策表,见表2。
表2 采矿方法评价决策表
Table 2
方案 | 条件属性 | 决策属性E | |||
---|---|---|---|---|---|
开采条件A | 经济指标 B | 地压控制 程度C | 技术指标 D | ||
n1 | 88.04 | 87.16 | 92.65 | 80.42 | 87.3302 |
n2 | 86.36 | 82.25 | 87.75 | 82.78 | 84.6848 |
n3 | 85.79 | 79.65 | 85.62 | 90.27 | 84.9722 |
n4 | 80.63 | 78.21 | 75.47 | 88.72 | 80.2976 |
n5 | 78.26 | 80.12 | 65.31 | 85.23 | 76.6058 |
n6 | 79.25 | 68.47 | 82.45 | 86.32 | 78.6728 |
n7 | 78.34 | 66.26 | 66.46 | 72.87 | 69.8392 |
n8 | 80.45 | 62.96 | 68.65 | 68.15 | 68.7110 |
n9 | 72.32 | 63.13 | 71.24 | 67.67 | 68.1230 |
n10 | 88.65 | 92.36 | 95.18 | 88.78 | 91.7532 |
n11 | 90.15 | 88.26 | 92.79 | 88.62 | 90.0078 |
n12 | 88.32 | 89.35 | 95.68 | 80.58 | 88.9794 |
n13 | 81.46 | 75.62 | 78.64 | 76.45 | 77.6596 |
n14 | 85.13 | 77.98 | 77.32 | 75.24 | 78.2684 |
n15 | 82.96 | 82.61 | 80.13 | 81.35 | 81.6196 |
表3 决策知识表达系统
方案 | 条件属性 | 决策属性E | |||
---|---|---|---|---|---|
开采条件 A | 经济指标 B | 地压控制 程度C | 技术指标 D | ||
n1 | 良 | 良 | 优 | 良 | 良 |
n2 | 良 | 良 | 良 | 良 | 良 |
n3 | 良 | 中 | 良 | 优 | 良 |
n4 | 良 | 中 | 中 | 良 | 良 |
n5 | 中 | 良 | 差 | 良 | 中 |
n6 | 中 | 差 | 良 | 良 | 中 |
n7 | 中 | 差 | 差 | 中 | 差 |
n8 | 中 | 差 | 差 | 差 | 差 |
n9 | 中 | 差 | 中 | 差 | 差 |
n10 | 良 | 优 | 优 | 良 | 优 |
n11 | 优 | 良 | 优 | 良 | 优 |
n12 | 良 | 良 | 优 | 良 | 良 |
n13 | 良 | 中 | 中 | 中 | 中 |
n14 | 良 | 中 | 中 | 中 | 中 |
n15 | 良 | 良 | 良 | 良 | 良 |
从表3可以看出,若条件属性不同,则其决策属性也不同,进而能够找出条件属性与决策属性之间的关系,通过粗糙集生成采矿方法评价规则集。
3.3 约简概念格的属性约简
在决策表中共有4个条件属性,利用概念格对决策表中的条件属性进行约简。决策表对应的部分形式背景见表4。
表4 知识表达系统对应的形式背景
Table 4
A_1 | A_2 | A_3 | A_4 | B_1 | … | E_3 | E_4 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
n1 | × | |||||||
n2 | × | |||||||
n3 | × | |||||||
n4 | × | |||||||
n5 | × | × | ||||||
n6 | × | × | ||||||
n7 | × | × | ||||||
n8 | × | × | ||||||
n9 | × | × | ||||||
n10 | × | × | ||||||
n11 | × | |||||||
n12 | × | |||||||
n13 | × | × | ||||||
n14 | × | × | ||||||
n15 | × |
表4中A、B、C、D、E分别代表开采条件、经济指标、地压控制程度、技术指标和决策属性。其中A_1、A_2、A_3、A_4分别代表开采条件中的优、良、中、差,其他依此类推;“×”表示对象包含此内涵。
由于决策表中有4个条件属性和1个决策属性,每个属性都有优、良、中、差4个取值,所以在形式背景中有20个属性。例如:n1采矿方法具有属性A_2,说明其开采条件属性为良。从表4可以看出,这种形式背景是单值的形式背景。
利用Lattice Miner工具构建形式背景所对应的概念格,概念格的Hasse图如图2所示。
图2
Hasse图中的每一个节点代表一个概念,每条线连接的2个概念中,上层概念为下层概念的父概念,顶端的点为最大父概念。每个节点标签上的字母代表该节点所包含的属性,百分比及节点颜色深浅代表包含该属性的对象所占比例。
采用第2.2小节中的方法,从这41个概念中找出16个相融可辨概念,其亏属性为{B,D,AC},即不可约简属性集合的最简形式。
条件属性{A,B,C,D}的幂集为{A,B,C,D,AB,AC,AD,BC,BD,CD,ABC,ABD,ACD,BCD,ABCD},将包含亏属性的集合从条件属性的幂集中删除,得到可约简属性集合{A,C},即属性A或C是可约简的。
为了选出较优的约简,将2种约简后的知识表达系统进行对比。当约简条件属性A之后,决策中的n1、n11、n12出现了不可辨识的关系,即n1、n11、n12的条件属性相同,但决策属性不同,这必定会影响最后的决策规则;而约简属性C没有出现不可辨识的关系,所以最后选择约简{开采条件,经济指标,技术指标}。
地压控制程度指标被约简,并非说明该指标对于采矿方法的选择不重要,仅仅是因为在备选方案中,该指标未影响决策属性值。当对其他矿山进行采矿方法优选时,应根据不同矿山的实际情况对指标进行分析,得到适合该矿山采矿方法优选的约简属性。
3.4 生成概率决策规则集
按照决策属性,综合评价可分为4类:Cl1={差},Cl2={中},Cl3={良},Cl4={优}。那么,决策类的并集为:Cl1≤= Cl1,综合评价为差;Cl2≤= Cl1∪Cl2,综合评价至多为中;Cl2≥= Cl2∪Cl3∪Cl4,综合评价至少为中;Cl3≤= Cl1∪Cl2∪Cl3,综合评价至多为良;Cl3≥= Cl3∪Cl4,综合评价至少为良;Cl4≥=Cl4,综合评价为优。
表5 D≥概率决策规则集
Table 5
概率规则集 | 支持数 | 置信度/% |
---|---|---|
if开采条件≥优∧经济指标≥良∧技术指标≥良then综合评价=优 | 2 | 100 |
if开采条件≥良∧经济指标≥良∧技术指标≥良then综合评价≥良 | 6 | 100 |
if开采条件≥中∧经济指标≥良∧技术指标≥中then综合评价≥中 | 4 | 100 |
if开采条件≤中∧经济指标≤差∧技术指标≤中then综合评价=差 | 3 | 100 |
表6 概率决策规则集
Table 6
概率规则集 | 支持数 | 置信度/% |
---|---|---|
if开采条件≥优∧经济指标≥良∧技术指标≥良then综合评价=优 | 2 | 100 |
if开采条件≤良∧经济指标≤良∧技术指标≤良then综合评价≤良 | 6 | 100 |
if开采条件≤良∧经济指标≤中∧技术指标≤中then综合评价≤中 | 2 | 100 |
if开采条件≤中∧经济指标≤良∧技术指标≤良then综合评价≤中 | 2 | 100 |
if开采条件≤中∧经济指标≤差∧技术指标≤中then综合评价=差 | 3 | 100 |
概率决策规则为“if…then…”的形式,由条件和决策2个部分组成。支持数表示符合该决策规则的方案数量,置信度表示符合该决策规则的方案数量占比只需符合决策规则中if条件的方案数量的比例。
3.5 结果分析
表7 分辨矩阵
Table 7
n1 | n2 | n3 | n4 | n5 | n6 | n7 | n8 | n9 | n10 | n11 | n12 | n13 | n14 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
n2 n3 | C BCD | BD | ||||||||||||
n4 | BC | BC | CD | |||||||||||
n5 | AC | AC | ABCD | ABC | ||||||||||
n6 | ABC | AB | ABD | ABC | BC | |||||||||
n7 | ABCD | ABCD | ABCD | ABCD | BD | CD | ||||||||
n8 | ABCD | ABCD | ABCD | ABCD | ABD | CD | D | |||||||
n9 | ABCD | ABCD | ABCD | ABD | BCD | CD | CD | C | ||||||
n10 | B | BC | BCD | BC | ABC | ABC | ABCD | ABCD | ABCD | |||||
n11 | A | AC | ABCD | ABC | AC | ABC | ABCD | ABCD | ABCD | AB | ||||
n12 | C | BCD | BC | AC | ABC | ABCD | ABCD | ABCD | B | A | ||||
n13 | BCD | BCD | CD | D | ABCD | ABCD | ABC | ABCD | ACD | BCD | ABCD | BCD | ||
n14 | BCD | BCD | CD | D | ABCD | ABCD | ABC | ABCD | ACD | BCD | ABCD | BCD | ||
n15 | C | BD | BC | AC | AB | ABCD | ABCD | ABCD | BCD | AC | C | BCD | BCD |
由分辨矩阵可得出分辨函数:
f=(C)∧(B)∧(A)∧(D)=A∧B∧C∧D
4项条件属性均被保留,所以利用传统粗糙集的分辨矩阵对条件属性进行约简时,没有搜寻到约简集合,即分辨矩阵的结果认为所有属性都是不可约简的。2种约简方法的性能对比见表8。
表8 约简概念格与分辨矩阵约简的对比
Table 8
对比内容 | 约简概念格 | 分辨矩阵约简 |
---|---|---|
约简结果 | {经济指标,地压控制程度,技术指标}和{开采条件,经济指标,技术指标},通过概念对比,选择后者为最终约简结果,该结果符合实际 | 未能搜寻到约简,仍然需要4个条件属性进行决策 |
约简效率 | 通过求得相融可辨概念的亏属性, 得到约简结果,搜寻速度快 | 需根据条件属性进行两两对比,执行效率低,搜寻时间较概念格要长 |
4 结论
(1)应用粗糙集构建采矿方法评价体系,从决策系统中导出规则集,待评价对象均被正确分类,分类质量达到100%;与一般的采矿方法选择相比,利用粗糙集建立的采矿方法评价体系可根据优劣程度对初选方案进行分类,从而导出一批最优方案以供选择;同时,可搜寻出条件属性在不同属性状态下相应决策属性的状态,结果表明应用粗糙集构建采矿方法评价体系是可行的。
(2)将概念格作为约简工具,对条件属性进行约简,在得到多个约简结果时,可通过对约简后属性的知识表达系统进行对比,分析其中存在的不可辨识关系,从而选出可靠的、关系明确的约简属性。对于地压控制程度指标被约简的结果,并非说明该指标对于采矿方法的选择不重要;针对不同矿山进行采矿方法评价时,需根据矿山实际情况进行分析。
(3)与分辨矩阵相比,概念格的属性约简方法能够在分辨矩阵不能搜寻到约简的情况下对条件属性进行约简,说明概念格的约简方法具有更好的数据处理能力,而且其搜寻约简的效率比分辨矩阵高,将概念格用于粗糙集构建采矿方法优选模型,为指标分析提供了新的手段和方法,为丰富采矿方法优选理论提供了新思路。
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