露天矿山企业生产计划是矿产资源可持续开采和企业良性生产发展的重要规划,它具有等级森严的金字塔结构特征,制定科学合理的生产计划将是实现整个矿山服役年限内矿岩块体分期、有序开采生产的基础,借以达到矿山企业资源高效开采,防止资源过度消耗和环境污染的多重作用。在4D生产计划相关基础理论深入研究的基础上,将露天矿山企业地质数据、市场环境数据、开采过程数据和对象属性数据等进行统一组织与管理,对露天矿山企业4D生产计划信息模型和生产计划数学模型进行系统研究,提出适合不同类型生产计划模型求解的混合智能优化算法,形成露天矿山企业长期、短期、生产作业计划的层级递进优化模型,为露天矿山服役期内整体生产计划的协同优化与编制提供依据。主要研究工作如下:(1)构建了4D生产计划信息模型和时空数据库。在对露天矿山企业开采生产过程深入分析的基础上,将其抽象为3D地质空间信息模型与开采生产时间属性集成的4D生产计划信息模型,依据露天矿山开采生产过程的动态性和矿岩地质体的静态特征,建立了矿山开采对象位置变化的存储结构,并探讨了4D生产计划信息模型与数学模型中的时间粒度关系;采用对象关系数据库理论,构建了矿山生产计划时空数据库系统,并对开采生产基础数据进行了查询索引和优化应用。(2)研究了露天矿山企业长期生产计划问题建模理论与优化方法。针对矿产品价格、地质品位和生产处理成本波动对长期生产计划编制与优化的影响问题,以4D生产计划信息模型为基础,将矿产品价格、地质品位和生产处理成本等不确定性因素集成到长期生产计划模型,综合考虑块体空间开采顺序、开采深度、矿产资源回收利用率和开采处理能力等约束条件,构建了长期生产计划数学模型;并针对低品位矿石回收利用率问题,提出了低品位矿石回收处理策略,针对该模型的特点,提出了基于改进鸽群搜索算子的粒子群优化算法,该算法采用线性变异和非线性变异策略分别对鸽群算法中的地图罗盘因子进行改进,然后采用过渡因子将鸽群中两个独立算子进行融合,从而采用一个融合的鸽群算子对粒子群算法进行优化改进,并对算法的时空性能和复杂度进行了分析研究。(3)研究了露天矿山企业短期生产计划问题建模理论与优化方法。基于长期生产计划模型,将年计划期逐渐划分为以月为单位的短期生产计划,并以月为单位的矿石开采量和品位控制为目标,综合考虑了开采台阶、块体的时空顺序、开采数量和开采质量以及关键块体价值区域等约束条件,构建了短期生产计划数学模型;根据长期计划的年开采块体数量来计算短期生产计划中每个月的矿石开采量和品位波动的渐进研究思路,提出了元胞量子狼群优化算法,该算法采用双策略量子位对狼群中个体狼的位置进行初始化,采用量子位滑模交叉方法选取头狼,并采用元胞自动机中的一个元胞作为狼群搜索的解空间,从而拓宽了算法的搜索区域,并对算法的编码策略和量子旋转角策略进行了深入研究。(4)研究了露天矿山企业生产作业计划问题建模理论与优化方法。基于短期生产计划模型,将月计划期逐渐划分为以日或周为单位的生产作业计划,以短期生产计划模型中矿石开采量的开采和运输的日常作业单位成本最小化为目标,综合考虑矿石品位波动、采掘作业量和矿产资源利用率等约束条件,构建了生产作业计划数学模型;根据月矿石采剥生产量来计算开采和运输单位成本经济指标逐步细化的研究思路,提出了改进量子粒子群优化算法,该算法采用进化速度和聚集因子对惯性权重参数进行改进,并提出双可行域吸引子的粒子搜索策略,提高算法的收敛计算速度,增强算法逃逸局部最优问题。(5)实现了露天矿山企业4D生产计划的整体工程实例应用。以国内大型金属矿山—河南某露天矿作为实际案例,对该露天矿山企业生产计划基础数据进行组织,将本文模型与算法的求解结果与该大型露天矿山的原有设计方案的计算结果进行了比较分析,从而对4D生产计划数学模型进行整体应用、优化和经济评价。论文基于企业管理、矿业系统工程、三维空间建模、时空数据库、数学建模及智能优化算法等理论,通盘考虑了露天矿山4D生产计划数据组织、层级递进模型构建和整体工程优化应用,基于开采生产基础数据组织和生产计划协同优化方法,数学模型涵盖了矿山企业从宏观设计到微观作业的全过程,从理论上为露天矿山企业4D生产计划编制提供了参考作用;从技术上为露天矿山企业4D生产计划理论和实际工程应用的深入研究提供了算法基础,其本质是为矿山企业整体生产计划编制以及现有的矿业生产管控系统软件的优化升级提供理论和方法指导。