煤矿节能减排多目标优化研究.pdf

第 4 3卷 第 6 期 2 0 1 7年 6月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo1 ． 4 3 NO ． 6 J u n．2 O 1 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 7 0 6 0 0 6 4 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 6 ． 0 1 5 黄华． 煤矿节能减排多 目标优化研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 6 6 4 6 8 ． 煤矿节能减排多目标优化研究 黄 华 重庆工程职业技术学院 现代教育技术 中心，重庆4 0 2 2 6 0 摘 要 针 对 传统 煤矿 节 能减排 优化 模 型选取 的 目标 函数 比较 单 一 的 问题 ， 构 建 了涵 盖 经济 效 益 、 能 源 消 耗 、 污染物 排放 量 等 目标 函数 的 煤矿 节能 减排 多 目标优 化模 型 ， 并应 用基 于改进 的蝙 蝠算 法 寻找 3个 目标 函 数之 间的优 化 解 ， 实现 了经 济效 益最 大化 、 能 源 消耗 最低 化 、 污 染物 排放 量 最 少化 的优 化 结果 。仿 真 结 果 表 明， 相 比于 P S O E、 NS GA I I 算法， 改进 的蝙蝠算法能够在较短的迭代步数 内获取较 高的个体适应度， 且能 够 实现较佳 的 多 目标优 化 结果 ， 符合 节能规 划 的 目标 需求 。 关键 词 煤矿 节能 减排 ；多 目标 函数 ；多 目标优 化 ；污染 物排放 量 ； 蝙 蝠 算 法 ；差分进 化 算 法 中图分类 号 TD6 7 文献标 志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 5 2 6 0 9 5 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 7 0 5 2 6 ． 0 9 5 8 ． 0 1 5 ． h t ml Re s e a r c h o n mu l t i o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n o f c o a l mi n e e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n H UANG H u a M o d e r n Ed u c a t i o n Te c h n o l o g y Ce n t e r ，Ch o n g q i n g Vo c a t i o n a l I n s t i t u t e o f En g i n e e r i n g， Cho ng q i ng 4 0 22 6 0，Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m o f s i n g l e o b j e c t i v e f u n c t i o n e x i s t e d i n t r a d i t i o n a l o p t i mi z a t i o n mo d e l o f c o a l e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n ，a mu l t i o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n mo d e l o f c o a l mi n e e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n wa s e s t a b l i s h e d ，wh i c h c o n t a i n s o b j e c t i v e f u n c t i o n s o f e c o n o mi c b e n e f i t s ，e n e r g y c ons umpt i on a nd po l l ut a nt e m i s s i on s． I mp r o v e d ba t a l go r i t hm wa s a pp l i e d t o l o ok f o r t he op t i mi z a t i o n 收稿 日期 2 O 1 6 1 1 - 2 5 ； 修 回日期 2 0 l 7 一 O 2 1 7 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 四川省教育厅理工科重点项 目 1 4 Z A0 2 8 7 。 作者简介 黄华 1 9 8 2 一 ， 男 ， 重庆永川人 ， 实验师 ， 硕士 ， 研 究方向为计算 机科学与技术 、 网络信息安全与管理 ， E ma il 0 3 0 3 1 0 6 8 1 6 3 ． C O IT I 。 [ 6] [7] [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] 周立 明 ， 陶洪亮 ， 周成 ， 等． 城 轨制 动能量 消耗 装置 控 制策 略研 究 与应 用 [ J ] ． 大功 率变 流 技 术 ， 2 O 1 4 1 38 41 ． 马伯 乐 ， 杨光 ， 忻力． 大功 率 I G B T直接并联 应用 技术 研究l- J ] ． 机车 电传动 ， 2 0 1 4 1 1 1 - 1 5 ． 胡兴 杰 ， 郭家虎 ， 马修情． 基 于 MMC的轻 型高压 直流 输 电系统控制装 置设 计[ J ] ． 电源技术 ， 2 o 1 4 ， 3 8 5 9 35 93 7． 李 云丰 ， 宋 平 岗， 江 浪 ， 等． 基于 E L模 型 的 MMC无 源控制器设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 3 7 4 7 9 ． 宋平岗 ， 林家 通 ， 李 云丰 ， 等． 基 于模块 化多 电平 的铁 路功率 调 节 器 直 接 功 率 控 制 策 略 [ J ] ．电 网技 术 ， 2 O1 5， 39 9 25 1卜25 1 8． GLI NKA M ， MARQUARDT R． A n e w s i n g l e p h a s e AC／ AC mu l t i l e v e l c o n v e r t e r f o r t r a c t i o n v e h i c l e s o p e r a t i n g o n AC l i n e v o l t a g e [ J ] ．E u r o p e a n P o we r El e c t r o n i c s a n d Dr i v e s J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 4 4 7 一 l 2 ． 陈晓森 ， 刘 万勋 ， 孔增辉 ， 等． 单相交 ／ 交 MMC的简化 模型 及 电 容 电 压平 衡 [ J ] ． 电 源 学 报 ， 2 0 1 5 ， l 3 6 36 43 ． GLI NKA M ，MARQUARDT R．A n e w AC／ AC mu l t i l e v e l c o n v e r t e r f a mi l y [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s ， 2 0 0 5 ， 5 2 3 6 6 2 6 6 9 ． 周诗嘉 ， 林卫星 ， 姚 良忠 ， 等． 两 电平 VS C与 MMC通 用 型平 均值 仿真 模型 [ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 2 0 1 5 ， 3 9 1 2 1 38 1 4 5． 许建 中 ， 赵 成勇 ， ANI R UD D HA M G ． 模块 化 多 电平 换 流器 戴维南等效 整体 建模 方法 [ j ] ． 中国电机 工 程 学 报 ， 2 0 l 5 ， 3 5 8 1 9 1 9 1 9 2 9 ． 口 口 口 2 0 1 7年 第 6期 黄 华 煤矿 节 能减排 多 目标优 化研 究 6 5 s o l u t i o n a mo n g t h r e e o b j e c t i v e f u n c t i o n s ，S O a s t o a c h i e v e t h e o p t i mi z a t i o n r e s u l t s o f t h e ma x i mi z a t i o n o f t he e c on o m i c be n e f i t s， t he mi ni mi z a t i on of e ne r gy c o ns umpt i on a nd t he m i ni mi z a t i o n o f p ol l u t a nt e mi s s i o ns ．Th e s i m u l a t i on r e s ul t s s h ow t ha t t he i mpr o ve d ba t a l g or i t hm c a n o bt a i n a hi g he r i n d i vi du a l f i t n e s s wi t h i n s h o r t e r i t e r a t i o n s t e p s ，a n d c a n a c h i e v e b e t t e r mu l t i o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n r e s u l t s a n d me e t t a r g e t de m a n d o f t he e ne r gy s a v i ng p l a n c o mpa r e d wi t h PS O E，t he NSGA I I a l go r i t h m ． Ke y wo r d s e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n o f c o a l mi n e ；mu l t i o b j e c t i v e f u n c t i o n；mu l t i - o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n；p o l l u t a n t e mi s s i o n s ；b a t a l g o r i t h m；d i f f e r e n t i a l e v o l u t i o n a l g o r i t h m 0 引言 全球 经济一体化背景下 ， 煤炭等高耗能行业普 遍 面临 产 业 转 型 升 级 问 题 。在 国 家 能 源 节 约 背 景 下 ， 煤 炭 等行业 普 遍存 在节 能减 排要 求 。 目前 ， 我 国 煤 炭 行业 普遍 重节 能减 排 技 术 ， 重 后 期 尾 端 弥 补 控 制 ， 重 大 一统 的解 决思 路与 方案 ， 反 而忽 视节 能减 排 体 系建设 ， 忽 视前 端初 期有 效控 制策 略 ， 忽视 因地 制 宜 、 因时 制宜 的针 对 性 措 施 ， 导 致 能 源 利用 率 较 低 、 生态环境破坏程度较高、 经济效益波动大 。因此 ， 加 强煤 炭等 高耗 能行 业 节 能减 排 体 系 研 究 ， 是 主 导 高 耗 能 行 业 转 型 升 级 、 提 升 企 业 效 益 的 必 要 途 径 之一[ 。 国 内诸多 研究 机构 及相 关学 者开 展 了节 能减排 的研 究并 取得 了不 少成 果 。基 于 目标 权重 向量 的粒 子群优化算法 ， 基于灰关联分析法、 遗传算法与支持 向 量 机 的 混 合 算 法 ， 基 于 P S 0 P a r t i c l e S wa r m Op t i mi z a t i o n ， 粒 子 群 算 法 与 NS GA I I No n d o mi n a t e d S o r t i n g Ge n e t i c Al g o r i t h m， 第 二 代 非支 配排序遗传算法 的混合算法等多种混合智能优化 算法相继应用到了煤炭等行业的节能减排综合评价 体 系 中 ， 利 用这 些 算 法 的优 化 解 集 特 性 对 煤 炭行 业 节 能减 排 的参 数 或 者是 优 化 目标 函数 进 行 优 化 处 理 ， 以此获得 目标优化结果 效益最大、 能耗最 低或 污 染物 排 放量 最 少 [ 2 - 3 ] 。但 是 ， 这 些 常用 混 合 智 能 优化算法设定的 目标 函数要么是单一 目标 ， 要么是 优化 目标 中任意 2种 的结合 ， 并未从真正意义上实 现 煤炭 节 能减 排 的多 目标 优 化 _ 4 ] 。基 于此 ， 本 文将 一 种改 进 的蝙蝠 算 法应 用于 煤炭 节能 减排 的多 目标 优化问题 中， 以期 获得具 有创 新意 义 的理论 研究 成果 。 1 基本蝙蝠算法及其改进 1 ． 1基 本蝙蝠 算 法 根 据 蝙 蝠 回 声 定 位 的 生 理 特 征 ， 英 国 学 者 x． S ． YANG于 2 0 1 0年 提 出蝙 蝠 算 法 ， 其 核 心 机 理 如 下 进 行捕 猎 时 ， 蝙 蝠通 过 嘴 发 出超 声 波信 号 ， 当 遇到障碍物时被 自动弹回。蝙蝠根据 自身需求进行 回声的频率 、 脉冲信号分析 ， 然后通过各种特征来准 确计算障碍物的位置及性质。该算法成功模拟了蝙 蝠 捕猎全 过程 ， 通 过增 大脉 冲 、 减 小 响度进 行局 部搜 索 ， 进而 精准 地判 定 出猎物 的位 置 。 设定蝙蝠种群的特征参数主要为 ， z ， ， 分 别 表示 第 i 只 蝙 蝠 在 t时 刻 的速 度 、 位 置 、 声 波 频 率 ， i 一1 ， 2 ， 3 ， 4 。 ， ， z 满 足如下 更新 定 义 一 f m i f m 一 ， m i fl 1 一 ； 4 - x T - 一 z ． 2 z； 一 x7 7d ； 3 式中 ， _厂 i 分别为声波频率更新 的最大值 、 最小 值 ； 为随机数 ， 卢 ∈[ 0 ， 1 ] ； z t 为蝙蝠种群在 t 一1 时刻 的 瞬时位 置 ； x 为 当前 迭代 周 期 内 蝙蝠 种 群 的 最优 位置 解 _ 7 ] 。 加入 随机 扰 动 e ， 进 行 局 部 搜 索 后 ， 通 过 式 4 获取 蝙蝠 位置 全新 最优 解 。 z 一 ￡ A； 4 式中 表示上一个迭代周期的局部位置优化解 ； ￡ ∈[ 一1 ， 1 ] ； A 为脉冲响度。 蝙蝠捕猎全过程的脉冲频度 R ； 及 脉冲响度 A 更新 式定 义为 R 一R0 [ 1 一e x p 一 ] 5 A7 一 a A 6 式 中 R 为 初始 脉 冲频 度 ； y为脉 冲频 度增 加 系数 ， y 0 ， 且 为 常数 ； 为 脉 冲响度 衰减 系数 ， 通 常取 O X f 11 X f2 R 式 中 R 为 回采 率 ， 为常数 ， 本 文 取 R一0 ． 4 5 ； P 为 既 定 区域煤 炭生 产 总量 。 3 节能投资效益 约束 条件 节能设备改造投 资及排放物综合治理投资应该满足如下投资总金额 的 约束 条件n 。 一 f 0 不 投 资第 忌种 排放 物综 合 治理 “ ” ＼ 1 投资第五 种排放物综合治理 。 ， f 0 不投资第 n道工序设备节能改造 “ I 1 投资第 道工序设备节能改造 1 4 ∑ ∑F y y ， ∑ ∑F Z ≤C 1 5 式 中 F y ⋯ 、 F z _ 。 、 分 别 表示 第 t 年 第 道 工 序 设 备 L I t - J 改造 费用 、 第 志种 排放 物综 合治 理 费用 ； C为 用 于设 备改造与污染物综合治理的最大投资费用。 4 排放 物综 合 治 理 效 益 约 束 条 件 针 对 不 同 排放 物所 采取 的 不 同综 合 治 理 项 目措 施 ， 其 累计 治 理效果 不 能超 过 1 0 0 [ “ ] 。 2 0 1 7年 第 6期 黄 华 煤矿 节 能减排 多 目标优 化研 究 6 7 ∑n Z f 1 ≤1 1 6 k一 1 5 其 他 约束条 件 ] X ≥ 0 1 7 式 1 0 与式 1 1 一 式 1 7 构成 煤矿 节 能减排 多 目标 优化 数学 模 型 。 3实验 结果 及分 析 3 ． 1 实验数 据 以某 煤 矿 调 研数 据 为 原 始 数据 ， 通 过 实 验 研究 基 于 DE B A 的煤 矿 节 能 减 排 多 目标 优 化 模 型 的节 能效 果 。某 煤 矿 2 O 1 0 2 O 1 5年 相 关 生 产 数 据 见 表 1 一表 3 。 表 1某煤矿 2 o 1 0 --2 o 1 5 年 煤炭产量 表 2 某煤矿生产每 吨煤 的能源消耗量 表 3 某煤矿 生产每吨煤的污染物排放量 3 ． 2 参数初 始 化 初始 参数 选取 如 下 丁一5 ， N一4 ， I 一4 ， J一 3 ， R一0 ． 4 5 ， 群体数 一5 0 0 ； P一6 8 2 4 t ， C一4 0 0 0万 元 ， K一2 ； X ∈E o ， 2 5 0万 t 3 ； e 一0 ． 1 。 此外 ， D E B A算 法初 始参 数 见表 4 。 表 4 DE AB算法初始参数 参 数 参 数 值 参 数 参 数 值 脉冲频率最大值 1 脉冲响度最 大值0 ． 2 5 脉冲频率最小值 一1 脉冲响度 衰减系数0 ． 9 5 脉 冲频度初始值0 ． 5 种群 大小 5 O 脉 冲频 度增 加系数0 ． 0 5 最 大迭代次数 1 0 0 0 3 ． 3 改进 蝙蝠 算 法的优 化应 用 结果 分析 根据 前 述 多 目标 函数及 相 应 的约束 条 件 ， 在 应 用 Ma t l a b进行 仿 真得 到 1 0 0组非 支 配解后 ， 得 到如 下 结论 1 该 煤矿 未来 5年煤 炭 生产 总量 为 9 5 3 ． 8 9 ～ 1 4 9 4 ． 6 1万t ； 能 源 消 耗 总 量 为 1 4 2 1 ．4 6～ 2 5 7 2 ． 4万 t ；污 染 物 排 放 总 量 为9 8 ． 6 2 5～ 2 2 1 ． 3 9 5万 t 。 2 煤 炭生 产 总量 、 能源 消 耗量 、 污 染 物排 放 量 相互 之 间 的关 系曲线 如 图 1所示 。 R 删 耀 涎 麟 镒 一 a 煤 炭生产 总量与能 源消耗量之 间的关系 曲线 b 煤炭生产总量 与污染物排放量之 间的关系 曲线 2 2 薹 曩 1 能 源 消 耗 量 ／ 刀 t c 能源消耗量与污染物排放量之间的关系曲线 图 1 煤炭生产总量 、 能源消耗量 、 污染 物排放 量 相互之 间的关 系曲线 由 图 1可 知 ， 当 煤 炭 生 产 总量 超 过 1 4 0 0万 t 时 ， 能 源消耗 量 变为 2 2 0 0万 t 左 右 ， 这 取 决 于能 源 消耗 的有效 控制 。当煤炭 生 产 总量 为 1 2 5 0万 t 左 右 时 ， 污染 物排放 量 达到 最大值 ， 约 2 2万 t 。在采 取 相应的污染物排放措施后， 随着煤炭 生产总量 的增 加 ， 污染 物排 放 量呈 现 下 降趋 势 。能 源 消 耗 与 污 染 物 排放 之 间呈现 明 显 的非 线 性 趋 势 ， 当能 源 消 耗 量 达 到 1 9 0 0万 t时 ， 污 染 物 排 放 量 达 到 最 大 值 ， 约 2 4万 t 。 在 采取 相应 控制 措施 后 ， 随着 能 源 消耗 量 的 逐 渐增 加 ， 污 染物 排放 整体 呈现 下 降趋势 。 平 均煤 炭产 量 、 平 均 能源消 耗量 、 平 均污染 物 排 放 量 与 D E B A 算 法 迭 代 步 数 之 间 的 关 系 曲 线 如 图 2所示 。 6 8 工矿 自动化 2 0 l 7年 第 4 3卷 R 磐 露 ．； L R k 40 0 20 0 00 0 8 0 0 60 0 40 0 20 0 0 4 00 8 00 1 2 00 1 6 00 2 0 00 迭代步数 a 平均能源消耗量 4 0 2 0 O 0 8 0 60 40 20 0O 80 6 00 5 00 0 40 0 80 0 1 2 00 1 60 0 2 0 00 迭代步数 b 平 均污染 物排放 量 4 结语 根 据某 煤 矿 规 划 期 内经 济 效 益 最 大 、 能 源 消耗 最低 、 污 染 物 排 放 量 最 少 的 优 化 需 求 ， 结 合 煤 炭 产 量 、 能源 消耗 量 、 污染 物排 放量 、 煤 炭开 采关 键 工序 、 投资经济效益等多方面因素 ， 构建 了煤 矿节能减排 多 目标优 化数 学 模 型 ， 并 将 改 进 的 蝙蝠 算 法应 用 于 煤矿 节 能减排 多 目标 优 化 中 。仿 真 结 果 表 明 ， 相 比 于 P S O W 算法 、 NS GA I I 算法 ， 改进的蝙蝠算法可 以在 较 低 的迭代 步 数 下 获 得 较好 的优 化 性 能 ， 且适 应度 最 优值 、 适应 度平 均 值均 能够 满 足最小 化 要求 ， 符合节能规划的 目标需求。 参 考 文 献 [1] [2] [3] [4] [5] [ 6] [ 7] [ 8] 表 5多种算 法在煤矿节能减排多 目标 优化 中的性 能比较结果 [ 9] 由表 5可知 ， 相 比于 P S O W 算 法 、 NS GA I I 算 法 ， D E B A算 法 的适 应 度 最 优值 、 标 准 方 差 、 适 应 度 平均值等指标均为最小 ， 这符合本文经济效益最大、 能 源消 耗最 低 、 污染 物排放 量最 少 的优 化要 求 。 [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 黄瑞敏 ． 煤矿节能减排 中的问题与优化措 施E J 3 ． 产业 科技 与论 坛 ， 2 0 1 5 1 0 2 3 7 2 3 8 ． 李整 ， 秦金磊 ， 谭文 ， 等． 基 于 目标 权重 导 向多 目标粒 子群 的节 能减排 电力 系统 优化 调度 [ J ] ． 中国 电机工 程 学 报 ， 2 0 1 5 ， 3 5 增 刊 1 6 7 - 7 4 ． 毛君 ， 杨辛未 ， 潘德 文 ， 等． 基于改 进粒 子群 算法 的刨 煤机 多 目标 优 化 设 计 [ J ] ． 机 械设 计 与 研 究 ， 2 O 1 6 ， 3 2 1 1 6 8 - 1 7 O ． 薛胜 雄 ， 韩彩 红 ， 操松林 ， 等． 矿 山用 大型 主排水 泵 站 节能 目标与对策[ J ] ． 流体机 械 ， 2 O 1 5 ， 4 3 1 1 4 3 4 6 ． 史 晓光 ． 基 于 S VM 的 煤炭 企 业 节 能减 排 评 价研 究 [ D ] ． 邯郸 河北工程大学 ， 2 0 1 4 ． 张书征． 煤 矿 主排 水 系统节 能 措施 综 述 [ J ] ． 中州煤 炭 ， 2 O 1 5 1 0 9 3 - 9 6 ． 马祥 丽 ， 张 惠珍 ， 马 良． 蝙蝠算 法在物流配送 车辆路 径 优化问 题 中 的 应 用 [ J ] ． 数 学 的实 践 与 认 知 ， 2 0 1 5 ， 4 5 24 80 86 ． 张斯 嘉 ， 郭建 胜 ， 钟夫 ， 等． 基于 蝙蝠算 法 的多 目标 战 备物资 调 运 决 策 优 化 [ J ] ． 火 力 与 指 挥 控 制 ， 2 0 1 6 ， 4 1 1 5 8 - 6 1 ． 肖辉辉 ， 段艳 ． 基 于 D E算 法改进 的蝙 蝠算法 的研 究 及应用[ J ] ． 计算机仿 真 ， 2 0 1 4 ， 3 1 1 2 7 2 2 7 7 ． 杨娟． 煤炭 矿 区节 能减 排 多 目标 优 化决 策研 究 [ D] ． 武汉 中国地质大学 武汉 ， 2 0 1 4 ． 赵永椿 ， 马斯 鸣 ， 杨建平． 燃煤 电厂 污染 物超 净排放 的 发展及现状 E J G ． 煤 炭学报 ， 2 O 1 5 ， 4 0 1 1 2 6 2 9 2 6 4 0 ． 孙继平． 煤 矿监控新 技 术与新 装 备E J J ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 5， 4 1 1 1 5 ． 徐通． 低碳 经济 背景下煤炭行业节 能减排 方法创新 问 题探讨[ J ] ． 煤 炭经济研究 ， 2 0 1 2 ， 3 2 6 4 5 4 6 ．