随着矿山生产过程的机械化和大型化,露天矿生产系统成为一个包括离散过程和连续过程、定性和定量问题混合的复杂系统。本论文在分析总结了混合系统研究的主要方法的基础上,对混合Petri网提出改进,创新性的提出了符合矿山生产实际的过程混合Petri网。过程混合Petri网具有基础混合Petri网的基本性质,同时将过程控制库所加入基础混合Petri网,并且引入了控制流关系和抑制流关系对变迁的激发进行优化控制。同时结合常用的求解非线性模型的混沌搜索算法和遗传算法的优点,提出了基于混沌搜索机制的遗传算法。论文对露天矿的主要工艺进行了结构分解,提出了露天矿生产系统的层次递阶模型。结合过程混合Petri网和数学模型提出静态系统的仿真优化算法,给出了静态建模的方法和步骤;结合过程混合Petri网和经验规则时间逻辑树、事件逻辑模型而提出动态系统的仿真优化方法。论文的研究成果通过在黑岱沟露天矿轮斗铲连续工艺系统和Prominent Hill露天矿电铲卡车间断工艺系统的成功应用,证明本论文的研究方法对露天矿生产系统的建模和优化具有重要的理论意义。围绕露天矿生产系统的建模和优化,本论文的主要工作集中在以下几个方面:(1)对基础Petri网和相关扩展的Petri网进行了系统的总结,分析了各自的特点和优势,根据露天矿山生产系统的特点,对混合Petri网进行了改进,在其基础上进行了扩展,提出了基于过程的混合Petri网。改进后的过程混合Petri网即能准确描述露天矿生产系统,又能对生产系统过程进行有效控制,满足矿山生产系统的动态建模和调度需求。改进的混合Petri网是一种图形建模工具,既能直观的分析系统组成机理和相关关系,又可以利用系统可达树和状态转移矩阵对系统的状态进行分析。基于过程的混合Petri网是矿山生产系统静态建模和动态模型的基础,系统模型可以利用GPSS仿真语言进行进一步的计算机仿真优化。(2)按照三阶段的思路对露天矿生产系统进行了层次分解,将露天矿生产系统分成系统逻辑层、基本结构层、主要设备层构建了露天矿生产工艺系统的分解模型。根据分解模型,以生产系统的主要设备为中心,结合生产系统的具体组成机理和设备的作业性质将矿山生产系统分成了采装生产子系统、生产运输子系统和储运子系统三个部分,构建了露天矿生产工艺系统的层次递阶模型,并对主要设备建立了通用的过程混合Petri网模型,为模型的求解和模型扩展提供了手段和方法。(3)静态建模围绕生产系统当前的配置情况和运行情况进行研究,以实现生产能力最大化和生产成本最优为研究目标,协调和均衡生产,使得各生产环节的配合最优化。根据这一特点,从生产设备能力、储运设备能力、生产工艺环节、生产计划产量四个方面分析了露天矿生产工艺模型的约束条件,对系统约束条件及目标函数进行了合理设定。将采装生产过程、运输和储运过程的实际过程混合petri网模型连接起来,构建了生产系统的基于过程混合petri网的完整静态模型。(4)针对非线性的过程混合petri网矿山生产系统模型,将非线性模型求解的常用方法遗传算法和混沌搜索算法的优点相结合,提出了基于混沌搜索机制的遗传算法。该算法主要利用混沌算法的局部搜索能力,引导局部最优解不断进化,进而得到最优解。这种算法克服了目标函数非线性的特点,可以并行处理得到多个可能的优化解,另外算法克服了遗传算法的全局寻优速度问题。通过对典型函数的寻优求解过程可以看出,这种算法对模型的求解和优化是有效的。(5)利用过程混合petri网静态建模的方法对黑岱沟露天矿轮斗连续生产系统进行了建模和分析。对当前轮斗连续系统各工艺环节的设备故障情况和生产能力进行了详细的统计分析,并由此建立了轮斗铲过程混合petri网模型,进而求解了当前轮斗系统在未来五年的生产能力和生产情况,通过计算得到当前轮斗系统的生产成本较高,设备能力偏低,不能满足生产计划的需要。(6)对于露天矿生产系统而言,生产系统的突发状况是时常存在的,系统的组成不会像静态模型那样稳定,生产系统状态随着系统实时调度而更新,针对露天矿生产系统的这一特点,提出了基于过程混合petri网的露天矿生产系统动态优化方法,对生产系统动态优化的结构进行了设计,将数学模型、仿真模型和经验规则相结合,给出了用于生产系统动态分析和优化的事件逻辑树和事件逻辑模型。(7)利用过程混合petri网动态建模和优化的方法对澳大利亚阿德莱德地区prominenthill露天矿的电铲卡车生产系统进行了建模和优化分析。通过加入系统动态调度经验规则,对系统的卡车配置进行了分析,得到了系统当前生产条件下的最佳卡车配置数;对当前系统增加自动卡车调度系统进行了模拟运行和计算,结果显示电铲队列大幅下降约50%,但是系统生产能力仅提高5%,表明当前影响系统能力的主要因素不是卡车的调度问题;为了提高第三阶段上覆土岩的剥离能力,对增加一台剥离电铲的情况进行了系统仿真,同时将调度系统和第四台电铲共同引入系统的情况进行了研究,研究结果表明目前可优先考虑增加一台剥离电铲。经过从理论分析到实践应用,论文取得了以下研究成果:(1)结合露天矿生产系统的实际情况,分析了混合petri网在矿山生产系统建模中的局限,并对其进行了改进,增加了对过程的控制库所,提出了满足露天矿山生产实际过程建模需要的混合petri网的改进方法,即过程混合petri网。并且给出了过程混合petri网的定义、激发规则、动态性质、主要特点等相关内容。(2)对露天矿主要工艺系统进行了结构分解,将露天矿生产系统分成了三个基本模块:采装生产子系统、运输子系统和储运子系统,提出了露天矿生产系统分层结构建模的层次递阶模型以及主要设备的过程混合Petri网表示方法。(3)针对非线性的过程混合Petri网矿山生产系统模型,将非线性模型求解的常用方法遗传算法和混沌搜索算法的优点相结合,提出了基于混沌搜索机制的遗传算法,给出了该算法的优化流程。(4)分析了露天矿生产系统建模分析的特点,将过程混合Petri网和数学模型相结合,提出了静态系统仿真优化方法;将过程混合Petri网和经验规则事件逻辑树及事件逻辑模型相结合,提出了动态系统仿真优化方法。