基于协同学的协同开采科学内涵诠释

陈庆发 黄 昊

(广西大学资源环境与材料学院,广西 南宁 530004)

“协同开采”作为固定表述,最早可追溯至笔者2008年提出的“碎裂矿段开采与空区处理协同理念”[1]。2011年,笔者与周科平教授、古德生院士合作发表了《协同开采与采空区协同利用》[2]一文,正式给出了“协同开采”的定义。时至今日,“协同开采”已成为我国采矿工程领域研究的热点词汇之一[3-5]。

对协同进行研究,最早的是美国著名战略管理学家安索夫(A.H.Ansoff)和德国斯图加特大学理论物理学家哈肯(H.Haken)。安索夫在1965年出版的《公司战略》中首次提出了协同的概念,主要从企业经济管理的角度对协同进行了研究[6]。哈肯于1971年提出了协同的概念[7],1976年完成《协同学导论》[8],创立了协同学,主要从自然科学的角度对协同进行了研究。比较二位学者的研究,显然哈肯的协同学对于工程类科学问题的研究更具有指导作用。

随着协同开采理念的发展,虽然笔者专门撰文阐述了协同开采内涵[9],但业内对于协同开采内涵的理解尚需深入;并且随着我国占比较大的大量复杂难采矿体开采的技术需求不断增大,亟需协同开采等新理论、新方法的指导。为此,本文基于哈肯协同学理论,系统诠释协同开采的科学内涵,厘清协同开采的基础概念、前置条件、协同效应、自组织过程等方面的深刻含义。

1 协同学基础概念及其在协同开采中的含义诠释

协同学是一门描述系统从无序到有序或从有序到有序转变的条件和规律的科学,其基础概念主要有系统与子系统、有序与无序、序参量与控制参量、平衡相变与非平衡相变、竞争与协同等。

1.1 系统与子系统

协同学研究的对象为系统,构成系统下一层次的“物体”为子系统。协同学以统一的概念与方法处理系统。这些系统的共同之处及使他们变得复杂的原因是它们都被高维状态空间所描述[10]。

协同学研究的系统与系统工程的系统有所区别:后者认为“系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体”[11],更强调整体与要素之间的关系;协同学更强调系统与子系统之间的组织状态及子系统之间的协同作用。此处的协同作用与子系统的性质无关,受相同原理所支配[12-13]。

协同开采所研究的系统,是拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素或者伴随有其他工程目的的矿山工程系统。它是一个开放系统,与外界有能量流、物质流和信息流的交换[14]。该系统有资源开采子系统、影响有序开采因素处理子系统或其他工程目的处理子系统,即有两个或两个以上的子系统构成。协同开采系统的协同,实质是指构成系统的各子系统之间的协同。

1.2 有序与无序

协同学中,当系统具有一定规律性的结构时,称为有序;有结构而无分布规律可循时,称为无序。所谓“系统结构”,是指构成系统与大量子系统之间的组织状态以及相互联系的反映。宏观上,系统结构分为有序结构和无序结构,其中有序结构又可分为空间结构、时间结构、功能结构和时—空—功能结构[15]。

系统协同的过程,体现在系统由无序到有序或有序到有序的动态转变中。有序是系统协同过程中不可缺少的状态。系统的有序,强调子系统之间的组织状态与相互联系有一定的规律可循,比人们一般理解的“有顺序、有条理”有着更丰富的内涵。

协同开采系统的有序,是指其各子系统(资源开采子系统、影响有序开采因素处理子系统或其他工程目的处理子系统)之间通过竞争、自组织,相互协调配合,促使系统由无序转向有序或由有序转向新的有序。协同开采系统的无序,对应的是各子系统之间的矛盾无法解决或者系统“有序”定态中再次出现混沌状态。传统矿山开采,主要体现的是“有顺序、有条理”的采矿工艺(作业)过程。从协同学的视角及观点来看,传统矿山开采在系统结构上缺失或者忽视其他子系统。

1.3 序参量与控制参量

1.3.1 序参量

当系统出现自组织时,表现出有序的集体运动。宏观上这种有序运动的形式,称为模式。描写这种模式的宏观参量,称之为序参量[16]。哈肯从朗道的平衡相变理论中引入序参量,旨在描述系统在时间的进程中会处于什么样的有序状态,具有什么样的有序结构和性能,运行于什么样的模式之中,以什么模式存在和变化等。序参量支配着宏观系统的有序状态和结构性能以及各子系统及其微观参量的存在和行为。序参量是系统相变前后所发生质的飞跃的最突出的标志,表示着系统的有序结构和类型,是所有子系统对协同运动的贡献总和,是子系统介入协同运动程度的集中体现。协同学中,一般通过伺服原理中的绝热消去法消去“稳定模”和“快弛豫变量”,得到序参量方程,求解序参量。

复杂系统可通过子系统和序参量两个层次来研究,比起研究所有的子系统,通过序参量来研究系统整体则相对简单[17]。通过序参量来研究系统,一是研究序参量与其他参量之间的合作或联合作用,二是研究序参量之间的合作或联合作用。前者主要描述序参量从众多参量中的产生及其役使其他参量的过程,后者主要指系统中有几个序参量同时存在时,各个序参量之间相互役使、合作起来共同控制整个系统有序化的过程。协同开采系统中每个子系统存在1个序参量,所有序参量构成总序参量。总序参量为关键核心技术集成模式,如图1所示。如:资源开采子系统的序参量为采矿方法;影响有序开采因素处理子系统或其他工程目的处理子系统中的序参量,为和谐处理影响有序开采因素或实现其他工程目的的“某种工程技术模式或某些工程技术集成模式”。

图1 协同开采系统及其序参量Fig.1 Synergetic Mining system and its order parameter

1.3.2 控制参量

控制参量指控制系统发展的外参量[18]。系统有序化(无序到有序、有序到新的有序)过程中,首先需要环境提供能量流、信息流和物质流作保证。即控制参量需要达到阈值时才能出现如下转变:子系统之间的关联和子系统的独立运动,从均势转变到关联占主导地位,此时系统中出现了由关联所决定的子系统之间的协同运动,出现了宏观的结构或类型[19]。

协同开采系统中,控制参量为人为因素及环境因素所提供的能量流、信息流和物质流,即为和谐处理影响有序开采因素或实现其他工程目的的某种或某些工程技术措施所需要提供的能量、物质与信息。当这些能量流、信息流和物质流达到某个阈值时,协同开采系统内部通过自组织产生相变,最终实现整个系统有序化的转变,实现在资源开采的同时和谐处理相应因素的不利影响或达到多种工程目的,从而取得双赢或多赢的工程效果。

1.4 平衡相变与非平衡相变

人们把物质所处的不同结构或状态称为不同的相。在一定条件下,系统从一种相转变为另一种相的现象称为相变。平衡相变在平衡系统中发生,非平衡相变在远离平衡的系统内发生[20]。

平衡相变的特点是它研究的系统是一个与外界没有接触的,处于热力学平衡状态的孤立系统,与外界没有能量、物质与信息的交换。非平衡相变除了研究的是一个开放系统(与外界有能量流、物质流和信息流的交换)外,还具有以下主要特点:①控制参量达到阈值后,非平衡相变的突然发生是一种临界现象;②系统新态具有更为丰富的时空功能结构;③系统新态需要外界提供能量流、物质流、信息流来保证;④系统新态具有一定的稳定性,不会因为外界条件的微小改变而消失。

发生在协同开采系统内的相变是非平衡相变。协同开采系统在实现从无序到有序的相变转变过程中,首先需要控制参量达到阈值,其次还需要外界提供能量流、物质流、信息流保证其有序的定态,最后形成的有序开采系统具有更为丰富和稳定的时空功能结构。

1.5 竞争与协同

1.5.1 竞 争

竞争是指竞争主体为最大限度地获取所需的资源或取得支配地位,以一种相互排斥、相互争胜、优胜劣汰的行为获取最终的结果。竞争包含着矛盾与冲突,冲突是矛盾的尖锐化和表面化体现[21]。

竞争也是协同学的核心观点。竞争促进发展,协同形成结构,是协同系统相变过程中的普遍规律。因为存在竞争这种内在驱动力,系统才能在竞争的前提条件下进行协同。因为存在竞争,才能使系统间产生双赢或多赢的局面。系统协同的前提,是系统内的各子系统之间要有竞争关系。

协同开采系统中的竞争主要表现在其子系统之间。如一方面,矿山需要进行安全、高效、有序地开采;另一方面,影响有序开采的因素和其他工程目的又约束着矿山安全、高效、有序开采。

1.5.2 协 同

“协同(Synergy)”一词最早来源于古希腊[22],协同是指在序参量支配下子系统统一步调的运动过程。这个运动过程主要体现在当控制参量变化时,系统出现的相变及有序化。哈肯将协同定义为“系统的各部分之间互相协作,使整个系统形成微观个体层次所不存在的物质结构和特征”。也可解释为系统中诸多子系统相互协同、合作或同步的联合作用和集体行为[23]。

协同系统中各部分之间的互相协作关系如图2所示。

图2 协同系统中各部分之间的相互协作关系Fig.2 Mutual collaboration relationship among components of a synergetic system

协同有两层含义:一是指子系统之间的协调合作产生宏观的有序结构;二是指序参量之间的协调合作决定着系统的有序结构。第一层含义主要体现协同的宏观现象,强调子系统及其协调合作使系统最终产生了宏观有序结构,即控制参量达到阈值时,子系统间的关联和子系统的独立运动从均势转变到关联占主导地位,由此出现子系统之间的协同运动,形成宏观有序结构。第二层含义主要体现协同的具体过程,强调序参量及微观组态,即有时系统中有几个序参量同时存在,每个序参量都包含着一组微观组态,每个微观组态都对应着一定的宏观结构,每个序参量都企图独自主宰系统,但彼此因处于均势状态而相互妥协协同一致共同控制系统,进而决定系统的宏观结构[24]。

协同开采中的“协同”也存在着如下两种含义:

(1)从宏观现象来看,协同开采子系统协调合作产生了协同开采系统的有序结构,即在实现资源开采的同时能和谐处理相应因素的不利影响或在资源开采的同时能达到多种工程目的。

(2)从具体过程来看,协同开采子系统的序参量(采矿方法、为和谐处理影响有序开采的因素或实现其他工程目的的某种工程技术模式或某些工程技术集成模式)之间产生合作或联合作用,它们合作起来一起控制着协同开采系统,协同开采有序的宏观结构便在这些序参量的相互合作、役使中共同确定。

系统及其要素(控制参量、子系统、涨落、序参量、其他参量)在协同过程中的变化过程见图3。

图3 系统及其要素在协同过程中的变化过程Fig.3 Change process of system and its elements in synergy process

2 协同开采与开采活动前置条件的关系分析

“协同开采”的定义历经2次修改。文献[9]给出最新修订后的定义,即:“协同开采”指拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素(如产状、裂隙环境、空区隐患、水灾隐患等)时或者伴随有其他工程目的(如同步开采地下水、地热等自然资源,同时降低某种开采损害的程度、强化围岩的支护等),通过采取某种或某些工程技术措施(包括采矿方法、岩层控制技术、灾害控制技术及其他相关技术等),能够在实现资源开采的同时和谐处理相应因素的不利影响,或者在实现资源开采的同时达到多种工程目的,从而取得双赢或多赢的工程效果。

协同开采要解决的开采技术难题,往往根源于矿床地质条件、水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件、其他开采技术条件或特殊工程条件中的一些基础性因素。为全面阐述影响开采活动的条件及基础性因素,笔者在研读大量专业资料的基础上,提出了“开采活动前置条件”表述,包括了开采技术条件和特殊工程条件,其结构关系与基础性因素位置如图4所示。

图4 开采活动前置条件知识体系Fig.4 Know ledge system of pre-conditions for mining activities

开采技术条件主要为影响开采活动的自然技术条件,包括矿床地质条件、水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件和其他开采技术条件等[25]。

特殊工程条件主要为影响开采活动的人为工程条件,包括“三下一上(建筑物下、铁路公路等线性构筑物下、水体下和承压水体上)”开采条件[26]、既有工程技术条件、其他需要保护及防护的工程条件[27]等。

开采活动前置条件中某一个或一个以上基础性因素的复杂,将导致矿山无法按照常规开采顺序进行或按常规开采顺序进行出现较为严重的技术或经济后果,技术难题解决的方向对应拟开发的协同开采技术模式。如:矿床地质条件中的矿体产状因素复杂,将干扰正常的开采顺序或者按常规开采顺序无法进行下去,可开发出“产状复杂矿体分区协同开采技术”;煤与瓦斯为异质共采资源,可开发出煤与瓦斯协同开采技术。

3 协同效应及其在协同开采系统中的内涵阐释

3.1 协同效应内涵

协同效应是指在一个复杂的、开放的系统中,子系统之间发生协同作用时而出现的最终结果,这也是系统有序状态得以产生的内在驱动力。系统发展到临界状态时,不同子系统间的相互作用则产生协同效应,促使系统发生质变,引导系统从无序走向有序、从不稳定结构变为稳定结构[28]。

3.2 整体效应与协同效应比较

整体效应在系统工程中提及较多,系统理论最重要的观点就是整体效应。整体效应是系统的综合性、整体性。根据系统功能的“非加和性原理”,整体效应可能是整体大于、等于或小于部分之和[29]。

整体效应与协同效应的主要区别在于:

(1)整体效应多强调结果,这种结果主要体现在整体与要素所产“效应”的差值上;协同效应既强调结果又强调过程,即在结果上强调高度有序(使整个系统形成微观个体层次所不存在的物质结构和特征),又在过程中强调系统间的一系列动态变化。

(2)整体效应由要素之间的单纯合作产生;协同效应在系统内各子系统的竞争与合作、合作与竞争中产生。

(3)整体效应在系统内部产生;协同效应不仅在系统内部产生,还在系统内部与外部环境的共同作用下产生(系统内部与外部之间物质、能量与信息的交换)。

(4)整体效应主要由各要素间的组合、整合所产生。组合、整合意指将两个或两个以上的要素集合成为一个整体,目的在于更大程度地提高整体的功能,多属于他组织的范畴;协同效应由系统中各部分之间的高层次合作产生[30],具有动态性和发展性,既涉及他组织范畴,又涉及自组织范畴[31]。

3.3 协同开采系统的协同效应内涵

3.3.1 从其产生的结果来看

协同开采系统“通过各子系统之间相互协作,最终形成微观个体层次所不存在的新质的结构与特征”。如协同开采系统中的关键核心技术集成模式能够同时开采资源、处理影响有序开采的因素或处理其他工程目的,这种关键核心技术集成模式是每个子系统中所不单独存在的。

3.3.2 从其产生的过程来看

首先,基于其子系统之间固有的竞争(如资源开采与影响有序开采因素处理的竞争,资源开采与其他工程目的处理之间的竞争),这种竞争非人为将两个子系统拼凑所产生,而是其固有的、内生的。协同开采系统中这种内生的竞争是其产生协同效应的前提条件。

其次,基于子系统的序参量之间的相互竞争、役使与合作(如采矿方法、某种工程技术模式或某些工程技术集成模式在相互矛盾、顾此失彼的状态下产生役使与合作、相互制约,最终构成一个每个子系统都不单独具有的、全新的协同开采关键核心技术集成模式)。协同开采系统中子系统序参量之间的竞争、役使与合作是其产生协同效应的必要途径。

然后,协同开采系统的协同效应是在系统内部与外部环境之间共同作用下产生的,协同开采系统与外部环境时刻发生着物质、能量与信息的交换,其中包括人为为其提供的物质能量与信息,还包括非人为提供的如围岩、水体等物质,地应力、重力等能量、生物信号等信息。这是协同开采系统产生协同效应的必要手段。

最后,协同开采系统的协同效应主要由系统内的自组织产生,这种自组织下的协同效应并非仅仅取决于人为主观意愿,而是将人为因素视为协同开采系统的一部分,运用对所有系统都具有普适性自组织理论,在客观规律下产生的。这是协同开采系统产生协同效应的科学依据。

4 协同开采系统的自组织过程探讨

4.1 协同学中的自组织概念

自组织理论是协同学的核心理论之一,协同学的目的是揭示开放复杂系统中自组织的基本原理[32-33]。哈肯将自组织定义为:如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中,没有外界的特定干预,系统便是自组织的。这里的“特定”一词是指,那种结构和功能并非外界强加给系统的,而且外界是以非特定的方式作用于系统[34]。

4.2 自组织在协同开采系统中的适用性

一些理解认为,自组织应该是在完全没有人为干预的情况下的系统自我组织,其实不然,理由如下:

(1)协同学是对所有复杂系统所遵从的普遍规律的探索与研究,这里的复杂系统包含了物理学、生物学、化学等自然科学及经济学、社会学等社会科学中的各种系统,其中既有完全没有人为干预的系统,也有包含了人为因素在内的系统。协同开采系统就是有人为因素参与的系统,同样遵从着协同学所研究的复杂系统所遵循的普遍规律。即人造系统或非人造系统的自组织都是协同学自组织研究的对象。

(2)在协同学研究的系统中,本身就包含了人为因素在内的系统往往将人为因素视为系统本身的一部分,其中人为因素对系统产生的各种作用也是系统自组织的结果。

(3)哈肯对自组织的定义“如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中,没有外界的特定干预,系统便是自组织的”中的“外界”并非仅指人为干预。研究不同的系统时,“外界”的范围也不同,如在研究生物化学反应等系统时,人为因素的干预作为外界干预,但在研究协同开采系统时,人为因素带来的能量流、信息流、物质流等本身就是协同开采系统中的一部分,并非属于系统外界的干预。

(4)协同开采系统在获得有序结构时并不是外界强加给系统的,而是在开采活动前置条件与人为适当的约束下自发形成的,这种约束是通过对开采活动前置条件与相应技术措施的适切匹配,在协同学研究的对复杂系统所遵从的普遍规律的指导下对系统的控制参量(人为因素及环境因素为开采系统提供的能量流、信息流和物质流)进行适当的控制、调整,在达到其自组织现象产生的阈值时实现有序开采,并在这种自组织的形成过程中形成序参量,序参量也反过来役使控制自组织,最终实现有序开采。综上所述,协同学中的自组织理论在协同开采系统中是适用的。

4.3 协同开采系统的自组织过程

自组织过程是一个复杂系统各子系统之间的相互作用引起模式、结构或功能自发出现的有序化过程[35]。当一定的条件使得序参量原来所处的稳定平衡位置变成非稳定时,在涨落(无规力、随机力)作用下,序参量由非稳定位置过渡到新的稳定平衡位置,而系统的其他微观参量紧跟序参量变化,形成系统的自组织活动。协同开采系统中的自组织过程可进行如下分析:

(1)由于开采活动前置条件中一个或一个以上基础性因素的复杂性,在协同开采关键核心技术集成模式未形成之前或协同开采系统由稳定状态再次失稳,导致协同开采系统的序参量不存在或者处于非稳定状态。

(2)协同开采系统的控制参量达到阈值(如通过在协同学所研究的对复杂系统都遵从的普遍规律的指导下,对协同开采过程中的某种或某些工程技术措施需要的能量流、物质流与信息流进行创新、控制、调整)。

(3)在涨落(无规力,随机力)作用下,协同开采系统从非稳定位置过渡到新的稳定平衡位置(如能克服开采活动前置条件复杂性的协同开采技术的产生),且在此过程中形成序参量(如协同开采关键核心技术集成模式)。

(4)开采系统中其他微观参量紧随序参量运动变化(如协同采矿方法及相应的采场结构参数、采场回采工作随同协同开采核心技术模式而运动变化,以适应系统的有序开采模式),表现出资源开采与复杂开采活动前置条件之间矛盾的有序化解,最终实现在资源开采的同时和谐处理相应因素的不利影响或者在实现资源开采的同时达到多种工程目的,达到一种宏观有序状态,形成协同开采系统的自组织活动。

5 结 论

(1)协同开采系统由资源开采子系统、影响有序开采因素处理子系统或其他工程目的处理子系统中两个或两个以上的子系统构成。协同开采系统的总序参量为协同开采关键核心技术集成模式,其子系统对应的序参量分别为采矿方法和某种工程技术模式或某些工程技术集成模式。协同开采系统的控制参量为人为及环境因素提供的能量流、信息流和物质流。协同开采系统中的协同有“子系统之间的协调合作产生宏观的有序结构”和“序参量之间的协调合作决定着系统的有序结构”两层含义。

(2)提出了“开采活动前置条件”表述,分析认为开采活动前置条件中某一个或一个以上基础性因素的复杂性对应拟开发的协同开采技术模式。

(3)协同开采系统的协同效应内涵包含两部分:一是在其产生结果上所表现的“最终形成微观个体层次所不存在的新质的结构与特征”;二是在其产生过程中所表现的“子系统与序参量的竞争、役使与协作”“系统内部环境与外部环境的共同作用”和“系统内的自组织过程”。

(4)论证了自组织理论在协同开采系统中的适用性,探讨了协同开采系统中的自组织过程。