灰色关联分析法在平六矿通风系统方案优化中的应用.pdf

文章编号 0253- 99932001 03- 0290- 04 灰色关联分析法在平六矿 通风系统方案 近期 优化中的应用 武卫东1, 景国勋2, 魏建平2 1 上海理工大学 动力工程学院, 上海 200093; 2 焦作工学院 资源与材料工程系, 河南 焦作 454000 摘 要 应用灰色系统理论中的灰色关联分析法, 对平顶山煤业集团六矿 平六矿 近期通风系 统若干改造方案进行了优化选择, 最终得到了最优化的通风方案, 即 戊二采区的部分供风由丁 二风井担负, 同时其风机叶片安装角度提高到 5. 该研究结果不仅指导了生产实际, 同时也为 今后的方案优化工作以及多目标决策问题提供了一种新的思路和科学的理论依据. 关键词 矿井通风系统; 方案优化; 灰色关联分析 中图分类号 T D724 文献标识码 A 收稿日期 2000-10-13 矿井通风系统方案优化是一个由定量和定性的众多因素构成的复杂系统的决策问题. 在矿井通风系统 中, 影响其优劣的各因素 指标 之间并不相互独立, 而呈现灰色特性. 因而, 矿井通风系统是一个灰色系 统. 本文在对平顶山煤业集团六矿通风系统的现状进行详细调查与测定的基础上, 针对其通风系统的不合 理状况以及近期的开拓、生产布局和需要解决的问题, 拟定了多种可行改造设计方案, 然后根据所建立的 优化指标体系, 运用灰色系统理论分析方法 灰色关联分析法, 进行了方案优化选择, 最终确定出了最 优的通风系统方案. 1 灰色关联分析法的基本思想及特点[ 1] 灰色关联分析法是灰色系统理论中提出的可供分析系统各因素或系统各方案关联程度的一种方法. 它 的基本思想是根据系统动态过程发展态势即有关统计数据的几何关系及相似程度来判断各因素或方案间的 关联程度, 其实质就是比较数据到曲线几何形状的接近程度. 该方法克服了系统分析中传统定量分析法 如数理统计法等 的缺陷, 具有对样本量大小要求不高和不需要其具有典型概率分布等优点, 而且其分析 的结果更客观、符合实际. 2 灰色关联分析的方法步骤[ 2] 21 确定比较数据列和参考数据列 在进行灰色关联分析时首先要指定参考数据列, 通常记为 X0 k, 即 X0 k {X01, X02,, X0 n }. 设与参考数据列 X0 k 进行比较的数据列有 m 个, 每个数据序列方案有 n 个因素指标, 则这些 比较数据列可记为 X1 k, X2 k , , Xm k k 1, 2, , n. 其中参考方案数据列 X0 k的各项指 标值是从各比较方案的指标数据列中选出的最优值, 由此而组成最优的参考数据列. 对于矿井通风系统方案优化指标值, 希望其中有的越大越好, 而有的越小越好. 对于前者, 在各比较 第 26卷第 3期煤 炭 学 报 Vol. 26 No. 3 2001 年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune2001 数据列中取其最大值为最优值; 后者, 则取其最小值为最优值. 22 数据的无量纲化处理 在非时间序列中, 同一序列往往有许多不同的物理量, 它们的取值单位一般来说也各不相同, 且其数 值大小相差过分悬殊, 为避免非等权情况, 必须对原始数据进行无量纲化处理. 对非时间序列数据无量纲 化的方法有指标区间值法、归一法和标准化法等. 本文采用归一化处理方法. 归一化是指在非时间序列中, 数列中大小相差较大的不同指标或空间的数, 在同一指标下人为设定一个数处理, 使同一指标下的数量级 相同, 从而得到一个新数列. 23 关联系数 对于一个参考方案数据列 X0 k, 有若干个比较方案数序列 X1 k, X2 k,, Xm k, 第 i 个比较 方案数据列与参考方案数据列在对应第 k 个指标的相对差, 即关联系数, 可以表示为 0 i k min i min k | X0 k - Xi k | max i max k | X0 k - Xi k | | X0 k - Xi k | max i max k | X0 k - Xi k | i 1, 2,, m; k 1, 2,, n ,1 式中, 0i k为关联系数; 为分辨系数, 取值范围 01 10, 一般取 05. 24 关联度 因为关联系数是比较方案数据序列与参考方案数据序列在第 k 个指标上的相对差, 所以它的数据很 多, 信息过于分散, 不便于从整体上进行比较. 因此有必要将各比较方案的关联系数集中为一个值, 求关 联系数列的平均值 考虑加权后, 则求其加权平均值 就是作这种信息处理的一种方法. 这个平均值便是作 为关联程度的数量表征 关联度, 用 R0i表示, 即 R0i 1 n ∀ n k 1 w k 0i k i 1, 2,, m; k 1, 2,, n,2 式中, n 为方案优化指标的个数; w k 为各指标的权重值. 3 平六矿通风系统近期改造方案的优选 31 矿井通风系统方案优化指标 影响矿井通风系统优劣的因素指标很多, 为能科学地对每一备选方案作出评价, 以准确优选出最佳方 案, 在方案优选之前, 必须首先建立一套合理、 全面、科学的优化指标体系. 本文在参阅大量文献资料的基 础上, 结合平六矿实际, 遵循有关指标确定的原则, 从技术、 经济、安全 3 方面共选取了 11 项指标作为矿 井通风系统的方案优化指标, 即矿井风压 I1、矿井有效等积孔 I2、 风量供需比 I3、 有效风量率 I4和回风段 阻力分布百分比 I5; 通风机效率 I6、 吨煤通风机电费 I7、通风井巷工程费 I8; 风机运转稳定性 I9、 用风地 点风流稳定性 I10和矿井抗灾能力 I11[3]. 32 平六矿近期改造概述 平六矿近期生产阶段有两个主采区和两个残采区, 年生产能力 260 万 t. 全矿主要由丁二、 戊二两大采 区担负生产任务. 该时期存在的主要问题是 丁二大仓处于丁、戊二两大采区的大角联通风中; - 190 m 水 平皮带机头硐室温度偏高; 戊二通风上山 技改 、戊二高强皮带上山以及戊二轨道暗斜井存在对头进风现 象, 戊二采区部分地点风流不稳定. 根据该时期的开拓、生产布局和需要解决的问题, 经反复论证和初步的技术经济比较, 拟定了 3 个可 行方案[3], 分别用 X1 k , X2 k, X3 k表示第 ∃方案. 由计算机解算求得各方案指标值见表 1. 其 中定性指标由专家根据各方案的实际情况评定给出. 33 灰色关联分析与计算 1 建立参考方案数据序列 由各优化指标的物理含义可知, 矿井风压、吨煤主要通风机电费、通风井巷工程费和回风段阻力分布 291第 3 期武卫东等 灰色关联分析法在平六矿通风系统方案 近期 优化中的应用 百分比 4 项指标应越小越好; 风量供需比则有一个最佳值为 11, 其合理范围为 10 12, 该项指标越靠 近 11, 则越优; 除了以上 5 项指标外, 其余则均是越大越好. 根据参考方案的选择原则, 从表 1 中 X1 k , X2 k 和 X3 k三个方案各项指标中选出最优值构成参考方案数据序列见同一表中的 X0 k. 表 1 通风系统方案优化指标原始数据 Table 1 Ventilation system scheme optimization indices original data 指 标I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I11 X0 k2 58945311008303450600712309990 X1 k2 669453110083034506007753359981 X2 k 3 21045010808203590580712939872 X3 k 2 58944510808203520580717308890 2 数据的归一化处理 根据归一化处理原则, 对表 1 中的数据进行处理, 相应方案的数据列变为 Xj k j 0 3, 见表 2. 表 2数据归一化处理结果 Table 2 Data s unitary treatment results 指 标 I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I11 X0 k258945311083345607120309990 X1 k266945311083345607753359981 X2 k321045010882359587120939872 X3 k 258944510882352587170308890 3 求关联系数 根据式 1 和表 2, 可计算各方案的关联系数 0i k i 1 3, 结果见表 3. 表 3 关联系数计算结果 Table 3 Relevancy coefficient calculation results 指 标 I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I11 01 k 09501000100010001000100007080333100010000629 02 k07110981098709390916088410000710100006040459 03 k10000950098709390956088409661000060406041000 4 确定各指标的重要性系数 在实际工程中, 各指标 因素 的重要性及对方案优劣的影响程度往往是不相同的, 因此可给各指标赋 以相应的权值 w k, 从而使优选结果更准确, 符合实际. 运用层次分析法计算各优化指标相对应的重要 性系数[3], 得各指标的具体权值 w k 008, 003, 005, 015, 001, 007, 003, 001, 015, 024, 018 k 1 11. 5 求解关联度并排序 根据式 2 和表 3 中的有关数据计算关联度为 R01 1 11∀ 11 k 1 w k 0i k 0083; 同理可得 R02 0069, R03 0075. 由上述求得的关联度, 将其由大到小排序, 得 R01 R03 R02. 292 煤 炭 学 报 2001 年第 26 卷 由此可以看出, 方案的关联度最大, 也就是它接近参考方案的程度最大, 故方案 即为所求的最优 通风系统方案[ 3]. 这一优选结果与实际情况相符, 方案被现场作为最终方案实施. 4 结 论 1 灰色关联分析法优选矿井通风方案的实质是根据各比较方案的指标数据列, 确定参考方案指标数 据列, 从而构成最优的参考方案数据列, 这使得方案在比较分析时, 有一个最优的参照系, 目标明确, 且目 标值现实而可靠. 2 矿井通风系统优化涉及到许多模糊性、随机性即呈现灰色特性的因素, 应用灰色关联分析法对矿 井通风系统方案进行优化, 能定量地处理设计中的灰色因素. 所以, 灰色关联分析的数学模型更接近客观 实际, 确定的方案更合理、更优. 3 本文通过对平六矿通风系统近期改造方案的优选, 实现了系统的优化, 指导了生产实际, 具有一 定的理论指导意义和实用价值. 4 实践表明, 运用灰色关联分析法优选的方案结果是可靠的, 符合实际的. 灰色关联分析法作为一 种优选方法是合理的、科学的, 且具有简便、实用的特点, 因此具有一定的推广价值. 参考文献 [ 1] 邓聚龙. 灰色系统基本方法[M] . 武汉 华中工学院出版社, 1987. [ 2] 罗庆成, 徐国新. 灰色关联分析与应用[ M]. 南京 江苏科学技术出版社, 1989. [ 3] 武卫东. 平顶山煤业集团六矿通风系统优化研究[D] . 焦作 焦作工学院, 2000. 作者简介 武卫东1973- , 男, 山西介休人, 2000 年毕业于焦作工学院, 获硕士学位, 现为上海理工大学博士研究生, 主要从事 矿井通风、安全系统工程及其相关领域的研究工作. The application of the grey relevancy analyzing in ventilation system schemein the near future optimization of Pingdingshan Coal Mine No. 6 WU Weidong1, JING Guoxun2, WEI Jianping2 1Power Engineering Institute, Shanghai University of Technology, Shanghai 200093, China; 2Department of Resource and Material , Jiaozuo Institute of T echnology , Jiaozuo 454000, China Abstract Using the grey relevancy analyzing of grey system theory, optimization and selection on sever al feasible ventilation system alteration schemes of Pingdingshan Coal Mine No6 is made, and finally the opti mal ventilation scheme is gotten, which some air supply in Wu 2 mining area are borne by Ding 2 airshaft, and the fans angles of rootingin of blades will be increased to 5. It not only guides practical production, but also provides a new way and scientific theory basis for future scheme optimization work and mutiobject decision making problems. Key words mine ventilation system; scheme optimization; grey relevancy analysis 293第 3 期武卫东等 灰色关联分析法在平六矿通风系统方案 近期 优化中的应用