R在礦業(yè)系統(tǒng)工程教學(xué)中的應(yīng)用初探

單耀 朱權(quán)潔 薛彥濤

摘要：礦業(yè)系統(tǒng)工程是采礦工程大學(xué)生知識(shí)體系的重要一環(huán)。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)R語(yǔ)言代碼向?qū)W生介紹礦業(yè)系統(tǒng)工程具體問(wèn)題的解題過(guò)程，取得了較好的教與學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：礦業(yè)系統(tǒng)工程;R語(yǔ)言;教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）44-0176-02

我校在采礦工程課程的設(shè)置中，增加了礦業(yè)系統(tǒng)工程課程，目的在于健全與拓展學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)，鍛煉了學(xué)生用系統(tǒng)、整體的觀點(diǎn)思考與解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法解決實(shí)際問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)是數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用以及實(shí)際問(wèn)題的解決及優(yōu)化。本研究從計(jì)算機(jī)編程的角度討論了礦業(yè)系統(tǒng)工程教學(xué)方法的改進(jìn)與教學(xué)效果的提升。

一、研究方法

系統(tǒng)工程的方法眾多，應(yīng)用廣泛。從教學(xué)內(nèi)容安排的角度來(lái)看，礦業(yè)系統(tǒng)工程主要包括數(shù)學(xué)規(guī)劃法、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、預(yù)測(cè)方法、系統(tǒng)穩(wěn)定性等內(nèi)容。礦業(yè)系統(tǒng)工程方法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其背后堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)原理。由于計(jì)算量大的問(wèn)題，多數(shù)的問(wèn)題不適合用手算，造成了學(xué)生的學(xué)習(xí)理解難以深入，并難以操作實(shí)際案例的問(wèn)題?；谝陨峡紤]，選用了一些程序解決方案，包括Excel、R、Python等。這些工具的應(yīng)用一般包括以下幾個(gè)層次與步驟：（1）教師在概念上介紹程序工具的背景、主要功能與使用方法;（2）針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)，教師在備課階段編寫相應(yīng)的程序代碼，并在課堂上詳細(xì)介紹代碼的原理與過(guò)程及運(yùn)行結(jié)果;（3）選取合適的問(wèn)題，讓學(xué)生動(dòng)手操作解決其中一些問(wèn)題。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以達(dá)到以下的目的：首先，學(xué)生更加直接地理解具體礦業(yè)系統(tǒng)工程方法的原理和具體的計(jì)算步驟;其次，通過(guò)學(xué)生具體的操作，掌握計(jì)算的每一個(gè)細(xì)節(jié)，達(dá)到真正掌握礦業(yè)系統(tǒng)工程的使用方法;最后，通過(guò)編程語(yǔ)言的使用，提高學(xué)生編寫程序的水平。

二、結(jié)果與討論

1.數(shù)學(xué)規(guī)劃法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法是運(yùn)籌學(xué)及系統(tǒng)工程里較為重要的一部分內(nèi)容，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。但是由于該方法需要線性代數(shù)，并且需要對(duì)高維空間的理解，因此給初學(xué)者帶來(lái)了一定的困難。另一方面，手算解決數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題的能力相對(duì)有限，在決策變量較多，問(wèn)題較復(fù)雜時(shí)，手算數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題往往不切實(shí)際。在教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)規(guī)劃法的應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)劃法程序可能就是Excel了，通過(guò)在Excel里加載“規(guī)劃求解”宏，可以很容易求得數(shù)學(xué)規(guī)劃的解。Excel解數(shù)學(xué)規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺少靈活性，且達(dá)不到鍛煉學(xué)生編程能力的效果，因此可以用計(jì)算機(jī)程序來(lái)解答。在實(shí)際教學(xué)中，使用了經(jīng)典的數(shù)據(jù)分析的軟件R，對(duì)一個(gè)整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了求解。代碼1是用R解這個(gè)問(wèn)題的具體代碼。首先加載了R中專門用來(lái)計(jì)算數(shù)學(xué)規(guī)劃的包——Rglpk。在之后的賦值中，對(duì)該問(wèn)題的決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行了賦值?？梢钥吹剑搯?wèn)題有兩個(gè)決策變量，約束條件中有兩個(gè)函數(shù)，決策變量的取值要求是整數(shù)。最后通過(guò)Rglpk_solve_LP函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)運(yùn)行代碼文件，可以快速地求解該整數(shù)規(guī)劃的解。學(xué)生通過(guò)手算，可以熟悉計(jì)算的各個(gè)步驟。通過(guò)Excel和R的程序計(jì)算，可以更加深入地理解計(jì)算過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)及各個(gè)步驟的意義。

2.系統(tǒng)評(píng)價(jià)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)的計(jì)算過(guò)程不涉及很深的數(shù)學(xué)原理，但是涉及的參數(shù)與計(jì)算過(guò)程較多。在講述系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)，涉及了三個(gè)主要方法——關(guān)聯(lián)矩陣法、層次分析法與模糊評(píng)價(jià)法。本文以層次分析法為例展示R語(yǔ)言的計(jì)算過(guò)程。代碼2是用R解決該問(wèn)題的具體代碼。首先根據(jù)層次模型建立了目標(biāo)層與準(zhǔn)則層的判斷矩陣。該問(wèn)題目標(biāo)層有一個(gè)判斷矩陣，準(zhǔn)則層有四個(gè)判斷矩陣。這五個(gè)判斷矩陣分別求特征值與特征向量。以特征值為基礎(chǔ)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以特征向量為基礎(chǔ)計(jì)算出四個(gè)方案的重要性順序。

在礦業(yè)系統(tǒng)工程教材中，計(jì)算判斷矩陣特征值的方法是求和法和方根法。該方法假設(shè)計(jì)算過(guò)程中因手算而不便計(jì)算特征值特征向量，但實(shí)際上用計(jì)算機(jī)程序的方法計(jì)算特征值特征向量的過(guò)程更簡(jiǎn)單。通過(guò)講解計(jì)算的整個(gè)過(guò)程，每一行代碼的具體含義以及布置學(xué)生自己動(dòng)手操作計(jì)算，可以讓學(xué)生更加深入并準(zhǔn)確地理解層次分析法的每一個(gè)步驟。

3.預(yù)測(cè)方法。預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)步而展示出其廣闊的應(yīng)用范圍與前景。對(duì)于大學(xué)生，特別是工科的學(xué)生來(lái)說(shuō)，理解并掌握一些預(yù)測(cè)技術(shù)的方法有益于工作及自身的思維方式的培養(yǎng)。相比較前述的數(shù)學(xué)規(guī)劃與系統(tǒng)評(píng)價(jià)等，使用R進(jìn)行預(yù)測(cè)則更加體現(xiàn)出其便利性。但是由于課程內(nèi)容安排與學(xué)時(shí)的限制，授課中僅簡(jiǎn)單介紹了線性回歸與灰色預(yù)測(cè)技術(shù)的R計(jì)算方法。以上是在礦業(yè)系統(tǒng)工程授課過(guò)程中使用程序輔助教學(xué)的示例，通過(guò)概念理論的講解，書本計(jì)算練習(xí)與計(jì)算機(jī)編程練習(xí)的立體教與學(xué)模式，使學(xué)生對(duì)礦業(yè)系統(tǒng)工程的理解更加深入，取得了較好的效果。

三、結(jié)論

從數(shù)學(xué)規(guī)劃法和系統(tǒng)評(píng)價(jià)等礦業(yè)系統(tǒng)工程中R語(yǔ)言應(yīng)用對(duì)教學(xué)的效果來(lái)看，學(xué)生可以更加深入地理解該方法的計(jì)算細(xì)節(jié)，有益于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與方法的應(yīng)用。該方法在礦業(yè)系統(tǒng)工程的教學(xué)中較為適用。另一方面，編程技術(shù)是今后的大學(xué)生，特別是工科大學(xué)生的一項(xiàng)重要技能，希望在以后的教學(xué)中，進(jìn)一步發(fā)掘與開(kāi)拓類似的教學(xué)方法，使學(xué)生能夠把編程技術(shù)應(yīng)用到學(xué)習(xí)與工程的實(shí)踐中，提高自身的綜合能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張子杰，魯杰.礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國(guó)的應(yīng)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016，（01）.

[2]張俊文.礦業(yè)系統(tǒng)工程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2015.