多风机多级机战通风系统优化的模糊群体决策法.pdf

第 5卷 第 5期 2009年 10月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vo.l 5 No. 5 Oc. t 2009 文章编号 1673- 193X2009 - 05- 0088- 05 多风机多级机站通风系统优化的模糊群体决策法 张黔生 1, 谢贤平2, 吴劭星2 1 . 云南巨星安全技术有限公司, 昆明 650106 2 . 昆明理工大学, 昆明650093 摘 要 矿井通风系统是一个复杂的非线性系统, 具有随机性、 模糊性和不确定性特征。为了实现 矿井通风的系统安全, 对系统的安全性进行了定性、 定量的预测分析和安全评价。按目标分层, 用 分层模糊优选理论对矿井通风系统设计方案进行优选, 分层时允许评价因素重叠, 从而便于确定 目标与评价因素的权重。对矿井通风系统建立了多个设计方案的评判指标体系, 并应用模糊群体 决策确定矿井通风系统方案评判指标的权值, 研究成果已应用于中条山有色金属公司胡家峪铜矿 通风系统优化研究中, 获得了满意的结果。 关键词 矿井通风; 模糊群体决策; 设计; 层次分析; 多目标决策支持系统 中图分类号 X936 文献标识码 A Study on opti m ization ofm ine ventilation system ofmultifan and multistage based on fuzzy population decision ZHANG Q iansheng 1, XIE Xianping2, WU Shao xing2 1 . Safety Technology company li mited ofYunnan Superstar , Kunm ing 650106, China 2. Kunm ing University of Science and technology , Kunming 650093, China Abstract M ine ventilation system is the complex nonlinear system, which is random,fuzzy and uncertain in char acteristics .In order to realize system safety of m ine ventilation ,a qualitative and quantitative pre measurement a nalysis and safety assessment is conducted for the syste m safety. The stages are divided according to the objectives . The factors of uation are allowed to overlap so that theweights of the objectives and factors of uation can be determ ined easily . Through the theoretical analysis and case study ,themodelhasbeen proved to bemore universal and efficient than the fuzzy comprehensive decision making mode.l This is applied to the opti m ization of re construction design of ventilation syste m in a copperm ine . Key words m ine ventilation ;fuzzy population decision ;design ;hierarchic analysis; multiobjective decision support system 收稿日期 20090910 1 前言 矿井通风系统整体优化应包括系统优化和网络 优化两方面的内容, 只有正确、 合理地确定了通风系 统, 进行网络优化才有意义。 新建矿井在进行通风系统设计或生产矿井进行 通风系统技术改造设计时, 根据矿井的地质条件、 矿 床开拓和生产布局可拟定出多种设计方案, 并且各 个方案各有优缺点。要从众多的方案中确定出最优 的通风系统方案, 必须首先确定矿井通风系统的评 判指标。 如何定义系统评价指标 怎样评价 原冶金工 业部和原中国有色金属工业总公司共同制定了冶 金矿山矿井通风系统鉴定指标 , 提出 6项基本指 标和 4项辅助指标, 但是其中大部分指标是针对投 产运行后的通风系统而定义的, 即 事后把关 ∀, 因 此在系统设计阶段进行方案比较时, 不宜直接采用 它们, 而要定义、 补充与之相关的技术指标, 这样系 统方案才有比较的标准, 对系统优化才有意义。 通常, 一个通风系统的好坏常取决于若干指标, 而且不同的指标对通风系统的总体影响不同, 即各 指标重要性不同。从非定量表示的指标中确定出各 自指标的重要性是困难的。采用 Delphi法虽然可 以确定矿井通风系统的评判指标, 但这些评判指标 对矿井通风系统影响的重要程度并不同, 不能同等 对待。为了确切地反映出各评判指标对矿井通风系 统影响的重要程度, 要选用一定的数值来量化指标, 这些数值称为 权值 ∀或称为 重要系数∀。如何科 学地确定评判指标的重要性和权值, 是矿井通风系 统优化的一个重要步骤。 2 矿井通风系统的评判指标 21 矿井通风系统评判指标的确定 表明矿井通风系统的指标较多, 且每一类中也 有较多的指标, 如果直接用这些指标对矿井通风系 统进行评判则太繁琐, 并且有的指标物理意义相同, 只是从不同的侧面说明同一个问题而已, 如矿井风 阻和矿井等积孔都是用来说明矿井通风难易程度 的。为了从这些指标中确定出评判矿井通风系统的 指标, 采用了 Delphi法, 即把事先印制好的 矿井通 风系统评判指标征求意见表 ∀发给专家, 请专家们 根据实际工作经验、 知识和综合分析能力, 对矿井通 风系统指标进行评议和打分, 依靠专家们的经验、 知 识和综合分析能力, 确定评判矿井通风系统设计方 案的指标。 矿井通风系统是否优良, 主要取决于以下三个 方面 1技术合理性; 2经济效益性; 3安全可 靠性。根据确定的指标必须符合多数专家的意见, 指标能够确切地反映出矿井通风系统的状况和质量 特征, 指标应有独立的物理意义并符合科学、 可测、 可比和简明等原则要求。 22 表征技术合理性的指标 1矿井总等积孔 它是评价矿井通风难易程度的指标。矿井等积 孔越大, 井巷通风越容易; 反之, 井巷通风越困难。 等积孔 A m 2 的计算式为 A 119 Q h 1 多风机并联作业系统的矿井等积孔计算式为 A 119 n i 1 Qi 3/2 n i 1 hiQi 2 多风机多级机站通风系统等积孔计算式为 A 119 T i 1 [ Bi j 1 Qijhij/ Bi j 1 Qij 3 ] 3 式中, T 为系统机站级数, 一般 T 3或 4 ; Bi为第 i 级机站的井联装机点数。 2风量分配合理度 风量分配合理度 Er是反映扇风机的工况点风 量与其设计要求负担的风量之间差异程度大小的指 标, 我们提出它的计算式为 Er Nf i 1 Qi- Qqi 2 Nf i 1 Qqi 4 式中, Nf为系统装机点数; Qqi为第 i个装机点的设 计风量, m 3 / s ; Qi为第 i 个装机点的工况点风量, m 3 / s 。 明显地, Er越大, 风量分配越不均衡, 合理程度 越差; 反之则越均衡, 合理程度越好。Er 0的充要 条件是 Qqi Qi i 1 , 2 , ∃, Nf, 即每个装机点的工 况点风量正好达到设计要求。 3风机种类及型号 对于多风机多级机站通风系统, 风机种类越多, 型号越杂, 则管理维修工作量越大, 当系统建成运行 后, 突出的问题就是系统管理复杂。因此, 一个好的 多风机多级机站通风系统应当使风机种类及型号尽 量简单统一。 4系统管理 这是一个定性指标。我们提出它的定量化计算 式为 89 第 5期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Sg 15Zn 9Jm 12Jf 10 Fg 5 Na 9 Nf Nb 5 Re 5 No 8 Nt 6 Mt 7 Ks 9 Fs Gt 5 式中, Zn为增阻风窗数; Jm为降阻扩帮数; Jf 为降阻 局扇数; Fg为通风构筑物数 主要指风门 ; Na为可 调节风道数; Nf为系统装机点数; Re为系统通风管理 人员数; No为系统附加设备总数 如空气幕 ; Nt为 需要建设或清理的主要通风井巷数; Mt为系统年材 料消耗项数; Ks为风机扩散器总数; Fs为风机防腐设 备总数;Nb为系统总风道数; Gt为系统年产矿石量, 万 t 。 由式 5可见, 系统管理是一个综合指标, 它全 面反映了本系统管理工作的各个方面, 如风窗、 局 扇、 通风构筑物等的管理和布局。在给出式 5时, 我们考虑了如风窗、 局扇、 通风构筑物等 12项分指 标在 Sg中所占的相应权重, 即它们给系统管理所带 来的工作量之大小是不一样的, 如式 5中的 15 、 9 、 12、 ∃∃所示。 23 表征经济效益性的指标 1总装机功率, 2 年通风成本, 3年经营 费用, 4基建总投资。明显地, 总装机功率、 年通 风成本、 年经营费用和基建总投资四个评判指标都 是经济性指标。关于经济性指标, 人们对此作了大 量的讨论, 因此不再赘述。 24 表征安全可靠性的指标 1调节设施及构筑物 原则上, 系统内的调节设施及构筑物应越少越 好。但为了保证供给作业面足够的新鲜风量, 以减 少漏风和避免风流紊乱, 又必须安装足够的调节设 施和砌筑必要的通风构筑物。因此, 这一指标反映 了系统安全可靠性的高低, 其计算式是 Dk 25Zn 20Jm 30Fg 10 Na 15Jf 6 式中各变量的意义与式 5同。 2风机总台效 一般我们总是希望系统内的风机安装得越少越 好, 然而为了降低系统的总装机功率和减少年经营 费用, 且能更有效地控制系统内的压力分布状态, 随 着系统生产时期的变化风量调节灵活, 又总是避不 开多台风机串、 并联运行, 因此, 这一指标也用于评 价系统安全可靠性。 3风机串、 并联作业 多风机多级机站通风中风机运转稳定性问题, 涉及到同一断面多台风机并联运转的稳定性及全网 络中多台风机运转的稳定性。这一定性指标的定量 化计算式为 St Nf i 1 Nei Mei 18 Nf 7 式中, Nei为同一断面并联风机的稳定性评价值, 单 台工作最好, 则 Nei 090 ; 两台并联作业次之, Nei 060 ; 三台并联作业最差, 令 Nei 030。Mei为同一 装机地点串联风机级数的稳定性评价值, 单级最好, Mei 090 ; 两级串联最差, 则Mei 030 。 4风机运行稳定度 在风机合理有效运行区域内, 我们定义 Nf i 1 [ Qi- Qd m i n i 2 Qem ax mi- Qi 2 Hi- He m in i 2 Hd m ax i- Hi 2 ] Nf 8 式中, 为该通风系统风机运行稳定度。显然, 越 太, 可靠性越高; Qd min i、 Qe max i分别表示第 i台扇风 机性能曲线有效工作压段的最小和最大风量值, m 3 /s ; Hd m ax i、 Hem in i分别表示第 i台扇风机性能曲线 有效工作区段的最高和最低风压值, Pa 。 至此, 我们采用 Delphi法确定了矿井通风系统 的三大类 12项评判指标。但是上述评判指标对矿 井通风系统影响的重要程度并不同, 不能同等对待。 为了确切地反映出各评判指标对矿井通风系统影响 的重要程度, 本文运用模糊群体决策, 给出了确定以 上各项指标的重要性及权值的一种有效方法。 从个体的优先次序出发得到群体的优先次序, 从而作出决策, 称之为群体决策, 又叫意见集中, 群 体决策有着广泛而深刻的实际背景。 3 模糊群体决策法 模糊群体决策法假设有 n个方案 指标 可供 选择, 构成决策问题的备择方案集, 参与决策的 m 个个体 专家 构成一个群体, 个体的意见都可以表 90 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 5卷 示为某个效用函数, 如果 m 个专家的效用函数为 f1, f2, ∃fm, 则群体的效用函数为 f m j 1 fj 9 即 f f u1, fu2, ∃, f un 如果 maxf 1 i, j 1 , 2 , ∃, 12] 对于式 11, fpui k /n, 因为 k 从数值上来 说与表 1中标准化过的元素值 Ap i相同 虽然意义不 同 , 故可用 Ap i来代替式 11的 k, 即 fpui Ap i/n 13 将式 13代入式 10, 得 RIJ 1 2n n Ar- ap 14 43 群体决策的严格模糊偏好矩阵 R 将式 14代入式 12, 得 rij 1 2 1 2nm m p 1A p- m j 1 An 15 表 1 矿井通风系统方案评判指标相对重要性序列表 专 家 号 码 技术合理性经济效益性安全可靠性 矿井总 等积孔 风量分配 合理度 风机种类 及型号 系统 管理 总装机 功率 年通风 成本 年经营 费用 基建总 投资 调节设施 及构筑物 风机总 台数 风机串并 联作业 风机运行 稳定度 u1u2u3u4u5u6u7u8u9u10u11u12 Ar1 1111392104876512 2378219106541112 ∃ 23185107611324912 24612171011832549 本文所讨论的矿井通风系统, n 12 , m 24 , 因此 rij 1 2 1 576 24 r 1A ps- 24 r 1 Ap 16 91 第 5期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 将表 1中的数据代入式 15可得严格模糊偏 好矩阵 R, 对严格模糊偏好矩阵 R取 1/2截矩阵得 R 1 2 rij 1 2 rij 1rij 1 2 0rij u2 u11 u7 u6 u4 u8 u9 u3 u5 u10 u1。 即, 风机运行稳定度, 风量分配合理度, 风机串 并联作业, 年经营费用, 年通风成本, 系统管理, 基建 总投资, 调节设施及构筑物, 风机种类及型号, 总装 机功率, 风机总台数, 矿井总等积孔。 根据上述计算结果, 我们得到矿井通风系统评 判指标的权值, 见表 2 。由表 2可得各类指标 技术 合理、 经济效益、 安全可靠 的权值, 见表 3 。表 3 中, 权值如用 aj表示, 则 a1 4 i 1 p1/ 12 i 1 p1, a2 4 i 5 p1/ 12 i 1 p1, a3 4 i 2 p1/ 12 i 1 p1 表 2 矿井通风系统方案评判指标的权值 指标名称权值指标名称权值 矿井总等积孔008年经营费用075 风量分配合理度083基建总投资050 风机种类及型号033调节设施及构筑物042 系统管理058风机总台数017 总装机功率033风机串并联作业083 年通风成本067风机运行稳定度1 00 表 3 各类指标的权值 指标名称权值 技术合理性0280 经济效益性0347 安全可靠性0373 5 结束语 模糊群体决策法是一种新的科学决策方法。在 使用时可根据所需解决问题的实际情况, 来构造严 格模糊偏好矩阵处理解决问题, 它不仅适用于复杂 的工程技术方案选定、 有关指标的重要性及权值的 确定, 而且也可用于其它领域, 如经济、 社会等重大 问题的决策, 是一种具有生命力的决策方法。 矿井通风系统优化决策涉及的许多问题中, 评 判指标的确定及其权值的计算占据重要的位置, 直 接影响到设计方案决策的科学化。本文主要针对非 煤矿山通风系统应用多风机多级机站通风方法的特 点, 探讨了多个设计方案优化决策时的评判指标体 系, 并在中条山有色金属公司胡家峪铜矿多风机多 级机站通风系统优化布局研究中得到应用, 获得了 较满意的结果。 参考文献 [ 1] 汪培庄等. 应用模糊数学. 北京 北京经济学院出版 社. 1989 231 248 [ 2] 谭允祯. 矿井通风系统优化. 北京 煤炭工业出版社. 1992 34 43 [ 3] 谢贤平等. 矿井通风系统的决策与评价模型体系研究 及其应用. 云南冶金. 19931 1 4, 15 [ 4] 谢贤平等. 矿井通风系统多目标模糊优化的数学模 型. 河北理工学院学报. 1996 , 18 3 1 7 [ 5] 赵伏军等. 基于层次分析法 - 模糊综合评价 [AHP FCE]模型优化矿井通风系统的研究. 中国安全科学学 报. 2006, 16 4 91 96 [ 6] 邱进伟等. 基于模糊优选的矿井通风系统决策研究. 煤矿安全. 2007 4 1 4 [ 7] 董宪伟等. 矿井通风系统优化方案评价的逼近理想解 方法. 煤炭科学技术. 2008 , 36 8 58 61 92 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 5卷