以计算机模拟伟基础的矿井胶带煤仓系统动态优化模型.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期率新矿业学院学报自然科学版年 月 。 , 沁 。, 以计算机模拟为基础的矿井胶带 煤仓系统动态优化模型 南去张书屏 采矿工程系 摘要 在一个快速模拟模型的基础上 , 结合数学规划理论中的几种不同方法 , 开发了一个具有 内部优化过程的胶带煤仓系统的优化设计模型在这一模型中 , 既考虑了煤流的随机波动特性 , 也 考虑了系统的其它动态特征利用这一模型 , 可以通过一次计算选出系统中各胶带宽度 、 速度和各 煤仓仓容的最优组合方案这一模型己应用于巾国两个正在设计的大型系统 关锐词 计算机模拟优化模型数学规划动态特征胶带煤仓系统 中图分类号 。 引言 , 由于胶带运输具有连续和运 输能力大等优点 , 它 已日益成为现代化矿井 的主要运输方 式 。 因此 , 开发一个高效能 的胶带煤仓系统设计模型对子提高矿井的产量和生产率 , 减少 建设和运营费用均有重要意义 。 姗年来 , 计算机模拟技术在这一领域中得到广泛的应用并取得了显著成果 〔一们 。 虽 然也曾有人做过尝试 , 但到目前为止现有的计算机模型中均无内部优化功能 。 使用者必须 经受专门训 练凭经验挑选一系列方案进行计算 。 即使如此 , 最优的方案也可能疏漏掉 。 本文的主旨是将计算机模拟技术与数学规划论方法结合起来 。 以一个快速模拟模型为 基础 , 建立起一叠代优化模型 。 利用 这一模型 , 可以通过一次计算把系统中各胶带 宽度 、 速度和煤仓容积 的最优组合方案近似地选择出来 。 目标函数和搜寻方法 本模型 中 , 胶带和煤仓的最优组合方案 , 不是根据满仓 的程度 , 例如百分之几的运行 时间内出现 满仓情况来确定的 , 而是根据胶带和煤仓 的运营费用与析算成费用形 式的生产 损失的总和来确定 。 本模型的目标函数可用下式表示 本文年月日收到李晓光编 、 校 赞 本文原发表于 “运筹学与计算机在矿业 中应用 ” 第踢国际学术讨论会柏林 , 的 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期南岳等 以计算机模拟为基础的矿井胶带煤仓 系统动态优化模型 一 艺 ‘ 艺 , 艺 ‘笼 夕 式中 , 为系统在整个运行期间内所有预期费用 与溢流损失费的总和为 第 ￡个 胶带运输机预期的 、 包括基建 折旧在 内的运营费用 多 为第个煤仓预 期的 、 包括基 建折旧在内的运营费用 、为第 丸个工作面中的溢流损失费 。 本文中 一凡提 到 “ 溢流损失 ” 都是指 工作面中的损失的煤炭产量 , 即由于运 输系统能力 不足 或安排不妥 当造成的生产损失 。 “ 溢流损失 ” 或 “ 溢流量 ” 是指损失的产量 , 而 “ 溢 流损失费 ” 是指 折算成费用形式的生产损失 。 溢流量可用计算机模拟方法来估算 , 而单位 溢 流损失费 , 即每吨生产损失折合成多少费用 , 则由使用者在输入数据 中给定 。 为找出溢流损失与胶带运输机能力和煤仓仓容之间的基本关系 , 作者曾对 一个最简单 的单级系统做过长时间模拟 。 这一假想 系统 中只包括一个长壁工作面和一台胶带运输机 , 两者之间是一个缓冲煤仓 , 煤仓 的容量假定为无限大 。 模拟结 果表明 , 随着胶带能力的增 加 , 煤仓中出现的最大煤 量和平均煤量均大体呈指数形式下降 。 也就是说 , 对于一个给定 的随机波动的煤流来说 , 如果缓冲仓的容量小于最大煤量 , 则生产损失必将出现 , 其数量 是胶带能力大小的一个凸性的和单调 下降的函数 。 反之 , 如果胶带 的能力已经给定 , 则生 产损失量是仓容的一个凸性的和单调 下降的函数 。 尽管目前为止 准确的数学关系 尚不得而 知 。 如果包括折旧在内的胶带和煤仓的运营费用 , 也是胶带能力和仓容的凸函数 , 则这一 问题并不难求解 。 可惜计算的结果表明 , 运输机的运营费用既不是它的能力 的凸函数 , 也 不是一个单调函数 。 随着胶带能力 的增加 , 运营费用是来回上下跳动 的 。 这主要是 因为增 加胶带 宽度和增加胶带速度时其运营费用会牵涉到完全不 同的费用项目 , 而且这些项目只 能选用一 些标 准数值 。 为避免穷举所有各能力等级又不使搜寻过程停止于局部极值点 , 本模型采用了一种 叫 做 “ 最小差 分系数法 ” 的搜寻方 法 。 如图所示 , 首先取对 于某一 给定煤流来说是最小的 可行能力等级做 为起始 点 , 计算从这一点到所有更高可行能力等级的运营费用对 胶带运 输 机能力的差 分系数 。 然后 , 以差 分系数值最小 的能 力等级做为新的起始点 , 重复述计算过程 , 直到 最高 的可行能力等级 。 显然 , 所有这些差 分系数值 最小的起始点 , 将形成 一 条凸性的折线 , 即图中的 ,一, 一 尸一声。 这些点可简称 之为点 , 或 能力等级 。 搜寻过程自最低的可行能力等级开始 , 逐 级增加 , 直到 遇到不再比前面各点更有利的 点才停止搜寻 , 则运营费 与生产损失费用总和最低 的点将不会被疏漏掉 。 系统的动态特性 对于整个系统 , 特别是 那些多级缓冲系 统 来 说 , 必 须充分考虑以下 动态性质 。 ︵ 遨 叹 ﹀ 胶带运输机能力吨分 图最小差分系数值 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 享新矿 业学院学报自然科学版年 。 系统运行的动态特性 通常 , 胶带煤 一仓系统 在运行过程中总有许多随机的停顿与中断 , 此外 , 在现代的煤矿 中还有许多 自动或人工的监控设施 。 装带和装仓过程 , 甚至皮带的速度都是实时控制的 。二 对于这一个完 全是动态运 行的系统 , 溢流损失是不可能用数学方法求算的 , 而只能用模 拟 的方法估算 , 尽管 其结果未必很精确 。 然流强度的动态特性 一台胶带运输机上 的煤流大小在各个不同时期可能是完全不同的 。 众所周知 , 运输机 上的煤流不仅每分钟都在随机波动 , 而巨随着采矿作业 的发展 , 各个开采时期也不一样 。 胶带运输机的能力当然至少要不小于各个时 期平均煤流强度 , 但也不能为了减少一个短时 期 的生产损失 , 而装设一个相当大的运 输机 。 因此 , 我们必须一个时期 、 一个时 期地去计 算运营费用和溢流损失 , 以求出一个对整个运营期间的最小值 , 而不能只按某一个时间点 的状况进行计算 。 滋流报失的动态特性 当一个以上的分支向一个煤仓卸煤 , 而这一共同卸载仓的仓容或其下方 的胶带运输机 的能力又不是足够大时 , 增加一个分支 的胶带运输机能力 , 将增大这一分支煤流 的波动幅 度 , 增加共同卸煤仓的满仓机会 , 而使所有各分支都不得不停止 运行 。 于是 , 在其它各分 支服务的工作面中可能出现 附加 的溢流损失 , 从而使整个系统 的溢流损失量增加 , 或者减 少得不再 象单级系统 那样多 。 这就是说 , 在多级缓冲系统 中 , 一 台胶带运输机服务的各个 工作面 中的溢流损失量 , 不仅取决于这台运输机本身能力的大小 , 而且也受到 其它运输机 能力的影响 。 一般说来 , 增加一台运输机的能力只对减少其上游各工作 面 的 溢 流损失有 利 , 但可能对系统的其余部分产生不利的影响 。 模型说明 本模型 的计算机程序 , 由一个主程序 , 一个数据块和个子程序构成 。 总体结构如图 所示 。 。 模拟棋型 因为有了一个叫做等时差 的模拟模型 , 才使得我们有可能用叠代 的方 法来解 决这一 问 题 。 这一模拟模型与现有的 其它模型不同 , 它不是一个皮带段一个皮带段地去考 察煤炭在 胶带运输机上的移动过程 , 而只是按照各煤仓的 “ 当地时间 ” 处理各仓 的装煤和卸煤过 程 。 这一模拟模型不仅速度要比现有其它模拟模型快得多 , 而且可以很方便地模拟动态调 控 系统 的行为特征 。 模型 中有几种不同的调控方法和调控 准则 , 可供用户选用 。 。 经济棋型 本模型中 , 胶带运输机技术参数 的计算项目 , 包括运输机的能力 、 运行阻力 、 最大和 最小张力 、 电机及驱动装置 的数目和容量等 。 基建费用的计算 , 包括胶带购置费用 、 机架 购置费用 、 电机及驱动装置 购置费用 , 以及设 备安装费用等项 。 托辊及机尾装置 的购置费 用 包括在机架费用中 。 在运营费用的计算中 , 包括了基建折旧费 、 电费 、 维修费 、 工资及其 它等项费用 。 胶带的更新费已计入到维修 费中 , 所有这些费用项目既可以利用反映各时期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期南丢等 以计算机模拟为基础的矿井胶带煤仓 系统动态优化模型 长度不等的权值进行静态计算 , 也可以利用各种不 同的贴现系数进行动态计算 。 对较长的 胶带运输线 , 模 型将预先算出各种能力条件下 , 该胶带运 输线 中接续运输的最佳胶带机台 数和大小 。 篇恶黔赢 赢 嘿编 匕 图模型的总体结构 。 优选摸型 工作面 中的溢流损失 , 不仅取 决于服务于这些工作面 的运 输机能力本身 , 而且受其它 分支运输机能力的影响 。 因此在优选同一级各分支能力组合的过程中 , 采用了一种 叠代的 方法 , 本质上类似于非 线性规划理论中的最速下降法 。 另外 由于各级之间也有相互影响 , 因此在优选多级缓冲系统时 , 采用 了一种本质上类似于动态规 划理论中递 归 法 的叠代方 法 。 做为 一个原始方案 , 系统 中各胶带运 输机均取各自的最小可行等级 。 在这一外部条件 下 , 首 先按最速下降法确定的顺 序 , 逐 级逐分支增加能力 , 并用模拟方 法估算溢流损失 , 从最内一 级即最上游一 级开始进行各分支能力的优选 。 然后 , 优选过程转入下 游的缓冲 级 , 、但 是 , 每当那些有上游级的分支胶带运输机能力改动时 , 叠代过程都必须返回上游各 级 , 以便 在新的外部条件下 , 对分支 的能力的最优组合重新进行优选 。 这一过程将如此往 复进行 , 直到最外一 级即最下 游一 级各分支能力的最优组合优选完 毕 。 为减少叠代的次数 , 模型 中引入了一些判别 准则 。 这些准则都是从胶带煤仓系统中固 有的特征 推导出来的 , 它们在叠代过程中起 到定 界规则和终止规则 的作用 , 用于删除那些 已无希望的方案 , 并合理终止 整个叠代过程 。 借助这些准则 , 叠 代的次数可以大大减少 。 与胶带运输机的运营费用和 溢流损失相比 夕 煤仓的基建 折旧只占整个费用很少的一 部 分 。 此外 , 在采犷 实际工作中 , 煤 仓 的仓容大都受到矿井开拓巷道的总体布置和许多技术 因素的限制 。 所以 , 在本模型 中 , 将煤 仓仓容 的优选列入第二级优选过程 , 尽管这样做从 数学上来讲未必严格 。 各煤仓 的各级仓容及相应的基建费用是在输入数据 中给定的 。 何个煤仓 最高可输入 个仓容等级 , 最大一 级即为采矿实际条件限定的最大仓容 。 与运输机能力的优选相反 , 做为初始 方案 , 各仓均首 先取各自的最大仓容进行模拟 , 模拟之后 根据记 录到 的存留于各级仓容 中的煤量 , 与基建折旧进行比较 , 如 果在最大一级 仓容比次一 级仓容多出的空间中存留过 的煤量乘以单位溢流损失费小于这二级仓容的基建 费用对同一期间的折旧费用 之差 , 则取次一 级仓容并将这些煤计入溢流损失 。 如此 自上而 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 卒新矿业学院学报自然科学版年 下进行 , 这一过程 叫做 “ 经济压仓 ” 。 对于源仓 , 即自工作面到胶带煤仓系统的第一级缓冲仓来说 , 用这种方 法压缩 仓容已 经足够了 。 但是对于系统中的其它煤仓 , 即各级的中间仓和井底煤仓来说 , 仅仅经济压仓 是不够的 , 因为对于这些煤仓来说 , 当一级仓容被砍掉时 , 该级仓容里存留过的煤炭未必 会全部损失掉 。 如果恰好这时上游的各仓还有剩余空间卜则其 、部或拿部可能会暂时存留 于 上游仓中 。 因此 , 在每一个胶带运输机的能力组合方案进行模拟评优之后 , 都必须再对 一些 中间仓和井底仓仓容不 同的子方案进行模 拟评选 。 这一叠 代过程 也是自最 内一级开始 向外逐级进行的 。 每 当外边一 级 , 即下游一级的仓容进行模拟压仓之后 , 叠代过程都必须 返回上游各级 , 这一过程将一直进行到井底仓仓容已经模拟优化为止 。 模型应用 为了系统检 查这一模型 , 年曾用不同的数据 , 在一大型计算机上做 过一系列计算 。 这些数据取自国内一个正在设计的特大型胶带煤仓系统 的可行性研究报 告 。 这些计算表明 , 模 拟的内部优化过程有很高效能 , 计算结果合理 。 每次计算的时 间大 约分钟 。 为了能够在微机上应用这一模型 , 年又对该模型做 了若干修改和简化 , 然后将它 应用于另一个正在由郸邢煤矿设计院设计的大型胶带运输系统 。 这次应用的目的是检验和 评价该 系统 由人 工完成 的初步设计 。 该 系统 的设计能力为每年万 吨原煤 , 达产后 , 将有个综采工 作 面和个综掘 面 , 分别布置于个采区内工作 。 系统总体布置如 图所示 。 输入数据大多取自该系统的初步设计 , 只有部分数据 , 主要是与工作面生产有关的一 些参数 , 取自一个邻 近矿井 。 为估算总计在年的整个运行期间的平均费用和生产损失 , 对生产 计划做 了一些简化处理 , 以 个典型 的不同煤流分布时期为基础进行了计算 。 其它 技术经济数据取自中国现行 的参考资料 。 采煤工作面 日 匀 亡乃 亡 日 卜哪 图系统的总体布置图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 期南岳等 以计算机模拟为基础的矿井胶带煤仓 系统动态优化 模型 此 次计算是在 一机上进行的 。 计算过程中 曾对个方案进行了内部模 拟 优选 , ’其 中包括个子方案 , 共进行了次模拟 , 每次模拟个班 , 总计时间约为个 小 时 , 主 要数据列于表和表之中 。 表胶带翰送机选型参教 度长皮,号宽 。“ 速度带强能力 富余系数 最大张力电机功率 介‘任心厅 ‘ ⋯ , ﹄ 介 丹 匕 品口甘 八八八︸八︹甘民口卜口民︺ ,自勺‘‘,‘勺‘几‘,‘几‘ ,‘行‘行‘门且且,自翻」 表仓容优选结果 仓容 示 容仓容 ’ 仓容 ‘ 仓容 仓” ⋯ 仓号 ⋯ 仓号 ⋯ 仓号 ⋯ 仓号 下 一吓石一下 一犷 一厂 百 ‘石 一 一 一示下丽 一 ⋯ “‘ ””‘马 ‘‘ ““ ”了 了” “ ’ ⋯ ‘ ‘ ” ⋯ ’ “ ⋯ ’ “ ” 一一 ’ “ “ 】 这些输出数据 , 非常 接 近初步设计选 定的参数 , 只有少数胶带运 输机的能力 , 原 因不 同地略大或略小于初步设计选定的数值 。 设计的主要缺陷是 、 和煤仓仓容限定 为零 , 这样不仅需要能力较大的运 输机 , 当运输机出现 随机停顿时仍会有若干 溢流损失 , 因此 , 建议最好 在这些地 点设置某种 “ 水平机械煤仓 ” 。 主要结论 由于 引入 了等时差模型 , 可以快速 模拟随机波动的煤流在系统中的运动过程 , 这就为采 用叠 代方 法解决这一系统优化问题提 供了可能 。 本文采用数学规划论 中不同分支学科的基 本原 理 , 在对系统 的各种动态特性做 具体的分析的基础上 , 发展了一种合乎工程精度要求的 优选方法 。 初步的应用情况表明 , 模型的效能很高 , 结 果合理 。 即使是相当大 的胶带煤仓 系统 , 其计算时 间也仍在可容忍的范围内 , 而且仍有很大的潜 力进一 步减少运算时间 。 某 些与系统优化有关的问题 , 例如如何准确估计单位溢流损失费用等问题 , 有待于今后进一 步深入研究 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 享新矿 业学院学报自然科学版年 参考文献 〔〕 ,,,, , ” , 万 , , , 产 , 、己 , 执 一 卜 、月、、沪 ,山 ‘认︸ 、 产气沪、 〔〕 作者简介 南岳 , 男 , 年生 , 工学博士 , 教授 。 年毕业于抚顺煤矿学校 , 现任阜新矿业学院副院长 , 长期从事采矿 工程方面的教学与研究 , 曾发表 “矿并主生产系统计算机模拟研究”等十余篇论文 张书屏 , 男 , 年生 , 工学硕士 , 工程师 。 年毕业于焦作矿业学院采矿系 , 年阜新矿业学院硕士研究 生毕业 , 曾参加十佘对矿井的设计工作 , 发表学术论文多篇 一 , 一 , , 即 , 口 训 ￡ 七 。 卜 一