Fuzzy规划原理在矿井通风系统改造优化研究中的应用.pdf

F u z z y 规划原理在矿井通风系 统改造优化研究 中的应用 昆明工学 院谢贤平杨 立忠超 梓成 攫基 {本文应用F u z y 规划原理．对攀桂花冶盘 矿山公司兰尖铁矿双龙滩通风系统改凿优化研究中的三 个可行方粜进行决策分析．得鳓了满意的结果．表明Fu z z y 规划原理可用于矿井通风系统拄术经济方 案前可行性研究． 一 、引 言 规 划问题也 叫最 优化 问题 ，它 渗透 在数 学应用的 各个方 面。 例如 ，进行矿井 通风系 统技术改造 ，在 保证系统技术经济 合理 又安 全可靠的前提下，如何最大限度 地 降 低 能『 耗}又如给定系统方案集及 各种 目标 函数和 约束条件以后，寻求最忧方 案 等 等。这 类 问题都是一个优化 问题。普通 的规 划问题其 约束和目标都是清晰的，但在诸如矿井通风 系统技 术改 造之类 的许多实际 问题 中，约束 条件 和 目标函数往 往是模糊的，这就需 要用 F u z z y 集 来对 这类 问题进行数学处理 ，其 数 学 模型就 是F u z z y 规划。 根据 兰尖铁 矿与 昆明工学 院签定的 攀 枝花 冶 矿 山公司兰尖铁矿 双龙 滩通风系统 优化研究* 科学 技术 掷议 的要求，双方经过 两年多的协作努力，完成了该系统的技术改 造，在研 究过程 中，我们应 用模 糊 规 划 原 理，对该系统 的三 个 可行方案 进 行 决 策 分 析，得到 了满意 的结果。 这一研究表 明模糊 规划原 理 可用于矿井通 风系统技术经济方案 的可行性研究。 二、模糊规划原理 普通的规划 问题是指给 定U上的 一个 实 有色矿山一l 9 9 1 ． 2 奉篇编辑周致勤 值 函数， 即 目标函数 f uR，给定 限制集 合C∈￡ u ，要求u * ∈C，使 日 标 函数 f u ma xf u 兰 f 1 u∈C 取得极 大值 。满 足 1 式 的1 1 * Ⅱ q 做f 在C 上 的优 越点，称其全体为f 在c上的优 越集 ，f 。 叫做f 在C 上的条件极大值或优越值。 模糊规 划问题一般是指 目标 函数在 论域 U - 的一个模 糊子 集C 上的极值 问题 ，记 2 称 S 为f 在G 上的模糊优越集 ，其 中 M 表示 U的模糊子集 ，它具有隶属函数 r ，当1 1 ∈M O , M u 兰 A M u { 0，当u M 3 只要求 出模糊优越集 ，则可认为模糊规 划问题已经解决。在实际应用时，求目标函 数f 在模 糊约束 A F 的极大值 的基本 步骤有 三 求极 小值 的情形类似 1 ． 求出f的 模 糊 优 越 集 M， ，M r 可 以 看作是模糊 的 目 标 集J 2 ． 模 糊 判 决求 模 糊 约 束 集 A和 模 糊 目 标 集 M r的 交 BAnM r ；3 ．用 最 大 原 则 求 u ‘使 得 一 3 3 维普资讯 nB u h g t B。 在模糊判决这一步中，上面的模型把约 束 与 目标平等看待，如果 判决者认 为这两者 地位不 等，则可 以按实 际情况对两者 加 以不 同的权衡 ， 这样就 可 以把第 2 步 修改为 2 凸模糊判决设模糊约束集A 的权为a ，模糊 目标集M r 的权为b ，这 里a b1 ，a ≥ 0， b ≥ 0． 则 取Ba Ab Mf ， 即 B u u b f u vu∈ C。 对于多约束 和多 目标 的情 形，可 以把 若 干约束A ，A ，⋯，A 综合成一个 新 的 约 m m 束A 取A i N 1 A ，或 取A i三 l - A t ， 这里 m a ， ≥ 0． ∑a 1 ，对若 干个 目标函数f ， i 1 f 。⋯，f 。 求出其模糊 目标集Mf I ， Mf ， ⋯， Mf 。 。再综合成一个新的模糊目标集M r 取 M M ， ， 或取M 兰b M ， 这里 i 1 i 口 1 n b． ≥ 0。 ∑ bt 1 ，就 可对A和Mf 使 用上 i 1 面的模型。下面举一个倒子来说明多约束的 模型 。 倒如某人外出购买一件大衣，他给 自己 提出如下标准 1 式样是一般性的} 2 质 量要好J 3 大小要比较合身} 4 价格 要尽可能便宜。这里式样，质量、大小都可 看作是约束条件，而价格看作是目标函数。 设有 5件大衣供选择，c{ 1 ，2 ， 3， 4， 5 ，调查后得 到表1 的结果 。定 义 三 个模糊约束集A 式样一般}A z 质量好j A 。 大小合身。将该表中的语言变量转换为 隶属度。价格 函 数 f 转 换 为 模 糊 目标 集 ／ v l f M 一f 。得 到表2 。 作一个新朐模糊束集约A A n A 。 n A 。 o ／ 1 0 ． 7 ／ 2 0 ． 5 ／ 3 0 ． 4 ／ 4 0 ． 6 ，5 ，若对 裹 1 丈 表I j 2 4 5 式 样 过时j 较弥旧 时髦 较新 一般 质 星 报 好 较好 好 较差 一般 大 小 台身 较台身 台身 台身 较台身 价 格 4 0 i 8 0 8 5 7 0 袭 2 1 0． 0． 5 0． 8 A 2 0． 8 0． 4 0． 6 A 3 0． 8 0． 8 0． 3 3 O 25 0． 5 A和mf 采 用 凸模糊判决 ， 令a0 ． 4 ， b0 ． 6 ， 计算B 0 ． 4 A0 ． 6 mf 0 ． 6 ／ 1 0 ． 4 7 8 ／2 O ． z ／ a0 ． 3 1 ／ 4 O ． 5 4 ／ 5 。因 B 1 0 ． 6 h g t B ，应购买标号l 的那件大衣。若 采 用模 糊判 决，Anm r 0／1 0 ． 3 3 ／2o ／3 0 ． 2 5 ／4 0 ． 5 ／ 5，按最太原 则应 购买 大衣 “5 。两 种判决所得结论不 同，这是 不奇 怪 的。采用凸模糊判决，偏 重于价格 ，价格 的权重为0 ． 6 ，采用模糊判决，认为价 格 这 一 目标函数同式样、质量、大小等约束条件 相比，具有同等的重要性，即权重相等，各 为0 ． 5 。 可见权重絮数韵计算是方案 决策 中的 重要基础 ，对于实际工程项 目中的多 方案 ， 多目标、多约束决策分析，尤其重要。 席 用 攀 枝花冶金矿 山公司兰 尖铁 矿 屉我国的 大型金属露天矿 山。兰尖铁 矿年产 矿 石6 5 0 万t 。排放废 石1 0 4 0 万t 。其 中 兰 山 采 场 在 1 5 1 0 m水平 以下，矿 石和废石 都 由 溜 井 下 放。用机车从 平硐 运 出。兰 尖铁 矿为排除兰 山采场1 2 8 4 m水平矿石 平硐及 1 3 5 4 m水 平 废 石 平碉装运矿石 、废 石产 生的烟尘，确保运 输 工人 的健康而设 计建设 了兰尖铁矿 双龙滩 有 色矿 山一1 9 9 1 。 2 维普资讯 通风系统。1 9 8 8 年 6月I 8 日至2 0 日兰尖铁矿 与昆明工学院共同对该系统进行 了较 全面的 测定， 测定结果 表明诙 系统 的通 风 效 果 不 良，装矿雨 室的 劳动卫生条件不好 ，鉴 定指 标中的综合指标仅为O ． 4 8 9 ，一般要求 该 指 标须 达到0 ． 2 ～0 ． 9 之间方可 。因此该 系统需 要进行技术调 整或改造。无论是调 整或改造 都应本着使该系统在满足生产要 求 的 前 提 下．做到技术先进 投资合理、节约能氍和 安全可靠 。因此提出 了 三 个 方 案 进 行 比 较 “ ， 见示 意图。 第 一 方 案 利 用 已 安 装 的 6 2 A1 4 -- 1 I N0 ．2 4 主扇通风。但为了满 足 设 计 风 量 1 I 5 ． 3 m 3 ／ s 要求， 应将其叶片安装角增大 到3 5 。 ，形成抽出式统一 风系统。 第二方案。把圄风育井封闭，将兰尖铁 矿双龙滩通风系统划分 成两个独立的分 区通 风系统 。系 统一{ 利 用6 2 A1 4 1 1 N0 ． 2 4 风 机 叶片安装角为2 O 。 或者在总回风 井 安 装新型节自 B K系列风枫，实行抽出式通 风， 系统二{用K系列风机 取代 4 - 7 2 一 l l N0 ． 2 o B 离 心式风机，将 风机安 装在 1 3 2 3 米水 平的回 风 乎巷 口，建成抽 出式 通风系统。 第三方案 废 除 6 2 A 1 4 1 I N0 ． 2 4轴 流 兰央铁矿兰山平硐溜并邂衄系统示意匣 三个改造方 寨的鼓据 夏评謦 表8 权 太 投 、 、＼ 方案 评 评 评 项 第一方案 第二方案 第 三方棠 数 目 数 小项目 、 ＼ 语 语 语 安 o ． 1 8 4 风质状况 风质好 较高 风质好 较高 风质 比前两方案好 离 0 ． 1 8 4 风量分 配状 况 分 配不 均 匀 较 低 分 配均匀 较高 风 置分 配 比前方 案 好 高 生 0 ．1 8 4 风流调节 控箭 调节．控制捆 较低 易于调节、控 一般 调节 控稿灵皤 鞋高 o ． o 可 赡 制 0 ． 3 4 9 通风效果状况 I通风皱果璀以 较僻 若进风能满足 一般 谴风效果好 较高 靠 I保证 要求，通风效 果 良好 性 0 ．0 9 风机运转工况相互影晴 相互影响不太 较高 相互影响一般 一般 相互影响较为突出 较低 技 O O 9 是否产生循环 鼠 币产生 好 不产生 好 可饶产生循环 风栽反风 较芒 柬 0 ． 2 2 蔼风状提 罱风大 较差 蔼风更大 差 罱风小 一般 0 ． 1 2 6 压力分布状 陡 峭 ， 高 较差 陡 ．峭． 高 较差 平缝 低 0 2 0 台 0 ．2 2 系统阻力 阻力土 较差 阻力报大 差 通风 阻力小 艘 理 0 ． 1 2 5 系统建设困难程度 建设容易 好 比较麻蚵 一般 系统安装 调试量大 较差 性 0 ． 2 2 系统营理工作量 风机少管理方 好 比第一方案蜡 一般 比第一方案稍麻烦 较差 便 经 0 ， 2 4 7 扁风 机效率 2 5 较低 一般 8 8． 5 较高 济 0 ． 1 4 1 电机输功率 k w 2 1 0 6 I 较低 3 0 7 ． 8 l 低 8 1 ． 2 5 高 0 ． 4 0 效 0 ．1 4 l 年耗电赞 万元 1 8 ． 0 5 较低 2 6 ． 8 2 低 7 ． I 2 高 益 0 ．1 l 年经营费 万元 1 9 5 7 较低 2 8 ． 1 2 低 0 ． 5 B 2 高 性 0 ．0 3 系统建设投资 投资少 较高 投资较大 一般 投资比方案大 鞍 低 有 屯矿 山一1 9 9 1 ． 2 3 5 ～ 维普资讯 式 风机 ，分 别在 1 2 8 9 m水平 的 总 回 风 道 、 1 3 5 4 m水平的兰 4 和兰 5 溜井的回风道 安 装K系列风机 ，建 成 多风机并联的抽 出式 通 风 系统 。 上述三个改 造方案的 技术 经济指标 原始 数 据如 袭 3所示 。 一 般我们从 合理性 、经济性 和 安 全 可 靠性 三方面综台 评价矿 井通风系统方案 的优 劣，这里我们将 合理性 和安全可靠性作 为约 束条件，经济性作为目标。约束条件和目标 用语言变量 来描 述，并 根据实际经济 和推 理 将 语言变量 转换 成隶属度，如表 4所 示 。 从 表 3可知 ，方案 的评判是一个多 目标 多约束的决策问题。根据F u z z y 规划 原理， 拟采用 多 目标多约束的 凸F u z z y 判决方法 柬 计算每个方案 的B 值 。 兹 以第一 方案 为例，介绍具体的计算 方 法 。 约束和 目标 的语言变量厦其隶属度 裹4 很低 低 较低 一般 较 高 高 安 全可 靠性隶 属度 o． 1 o o． 2o o． 5 0 o 6 0 o 8 0 很差 差较差 一般 较 好 好 技术 台理性隶 属度 o． 【 o o Z 0 o． 5 0 o． 8 0 o．8o 很低 低较低 一般 较高 高 经 教 盏性隶 属睦 o． 【 o o． 2 0 o． 5 0 o． 6 o o． 8 O A可靠 ∑ b J a 0． 1 84 0． 6 0． 1 84 x 0． 2 0． 1 84 0． 2 0． 349 x 0． 2 0． 0 990． 6 0． 3 13 2 6 A ∑bj a 】 1 0． 090． 8 0． 22 x 0． 2 0． 1 25 0． 20． 2 20． 2 0 。 1 2 5x 0． 8 36一 0． 2 2 0． 8 0． 4 6 1 m f 经济 ∑ b‘ ‘ 0． 24 7 x 0． 2 0． 1 4 l 0． 2 0． 1 4l 0． 2 0． 1 4l 0． 2 0． 3 3 0． 6 0． 3 32 根据F u z z y 判 决， Bg一 0． 40Ag 0 ． 2 0A台理 0 ．40 m 经 济 0． 4 0 0． 31 3 2 0． 2 x 0． 46 l 0． 4 x 0． 332 0． 3 50 28 同理，得 B第二 0． 4 09 7 4， B第 三 0 ．5 413 2 可见，B gzB 第二Bg --，故 应该 选 择 第 三方案作为该系 统的技术改造方案 。 四、结束语 1 ． 本文探 讨了 应用F u z z y 非线性规 划 原理对兰尖铁矿 双龙滩通 风系统三个技术改 造方案进行决策分析 ，其 结果 与 ’ 中 结 论 一 致。兰尖铁矿 即按 第三方案 进行 施工，于 1 9 8 9 年2 月系统建成 。 同年2 月1 5 日至2 0日双 方进行了验 收测定，结果 表嘲 该 系统的技术 改造是成功 的， 综合指标 达 到0 ． 8 9 2 ，每 年 可节省 电费 l 1 ． 5 9 万元 。 2 ． 在矿井通 风系统 的新建 、改建 和扩 建 设计 中，如何选 择既经济台理 又安全可靠 的系统方案，是 一个十分 重要 的问题。由于 系统方案的 决策分析 过程 本身所具有 的复杂 性，因此应 用模 糊数 学方法 来处理就 容易一 些 “’ ，本文所 作的工作也 明了这 一 点。 3 ． 表 3中的权数值 是应 用层 次分 析法 计算得到的” ，层次分析法“， 是一种很有 用的决策方法， 限于 篇幅 ，本文就 略去了。 下转 第1 6 页 有 色矿山一 l 9 9 1 ． 2 维普资讯 岩移监测资料、地压的来压方向 和 来 压 规 律、地质构造以及岩性变化状况等，对其资 料 、数据进行及 时的综合整理 、分 析研究 ， 绘制岩移曲线。 以期制定相应技术措施和治 理方案，保证 安全生产。 该 矿地压 活动与边邦稳 定性关系 ， 已由 科研 单位 与矿 山共 同进行 了调查研究．并将 开 展治理 工作 。 总之 ，露天转 地下 的矿 山， 已具有 高大 险峻 边坡塌方 的威胁 时，对井下岩 体势必产 生牵弓 f 作用，而井下开采工程的进行势必引 起地压的活动。 为此 ，露 天边皱稳定性 和地 下开采的地压活动情况，要同时进行监测与 研究，分析其相关影 响，也是实 现 正 常 生 产、安 全生产的 重要条件 。 4 ． 井下通 风工程 露天转地下矿山的通风条件，由于上部 露天坑的存在，增加 了复杂性。因此。必须 针 对不 同条件的井下矿 山， 采取有 效的通风 方式方法，是露 天转 地下矿 山建 设 的一 项重 要工程 。 深部铜矿的通风系统，原设计为中央压 入、两翼出风的对角式通 风系 统，见图 1。 这种通风 方式在 本矿条件下 ，系统上还 是 比 较合理 的，但实践的通 风效果并不 佳 ，主要 由于潦部铜 矿在 露天转 地下后 ，存在着 “ 西 高东低、西贫东富一的状况 ，矿 山投产 时东 西部 地下采 场高差达 6 8 m，见 图2 。 造 成东西 部采场通风 和回采顺序不协调，这种实 际状 况是不可能在短时间内调整过来的。同时， 由于 是露天转地下的井下矿 山，其 采场 ，巷 上接第3 6 页 ● ●0“ 砷 。● 们啪● 们啪● 们 参考文献 [ 1 汪 培庄 ；搂糊 集台论 及其应用 ．上海科 学技术 出 版社 ．1 g 8 3 年 [ 2 ]兰尖铁 矿通风 系缔列定报 告爰设 计说 明书 ，昆 明工学 院 ．兰尖 铁矿 。l g B 8 年 一 16 一 道等多处有与露天边皱裂缝相通，形成自然 漏风点多的状况，风流到此处形成 “ 短路” 现 象，致使通 风不畅，影 响井下通 风效果 。 有 鉴于此， 该矿 已着手进行通风 系统 的 技术改造 ，拟 采用 “ 多级机站分 区接力”式 通风系统 。 以改善 井下 作业环境 降低通 风能 耗。 5 ． 采矿方 法 采用有利于露天边坡稳定的采矿方法， 是 露天转地下 矿 山开采的 研究课题 。 露 天转 地下 矿 山，存在边 坡 稳 定 性 问 题，甚至有滑坡 和坍 塌情 况。为此，地下 各 作业区的开采下 降速 度， 应尽量做 到较均衡 的下 降，使 露天 、地下岩 移变 动情 况维持相 对均衡 状度 。有 条件的 地方 ，如 富矿地段 或 多金属矿体 ，尽力采用 胶结充填 采矿 方法， 既能提 高资源回采率，又有 利于 露天边坡 的 稳定。 目前 该矿 东部采 区已 由分段崩落采 矿 法改为 胶结 充填采矿方法开采。 三、结束语 白银有 色金 属公司深部铜矿，是 国内大 型露天转地下的矿山，初步实践班明，露天 转地下效果较 好。建设 投产 四年来，生产能 力每 年都有较 大 幅度的提 高，1 9 8 7年 出 矿 3 0 ． 3 万t j 1 9 8 8 年4 6 ． 1 万 }1 9 8 9 年出 矿6 1 万 ‘ ；1 9 9 0 年将达到7 4 万t ， 原矿 铜金属含量 可 超过9 0 0 0 t 。经济技术效果是 好的 。 它的开发 建设，将为我国露天转地下矿 山生产建 设提 供许多有 益的宝贵经验 。 巾 啪哟 巾● 们砷 。0 口 缸 [ 3 谢贤平砸土毕业论文．1 9 5 9 年 4 赵梓成，谢贤平 模糊数字在选择矿井通风系 统方案 中的应用， 有色矿山 ．1 9 8 g 年第 1 0 卿 ， 1 4 ～ 1 T 页 [ 5 ]许 树柏 实用诜 策方怯 屡 次分析 法啄 理 ． 天津大学出版社．1 9 8 8 年 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 2 维普资讯