基于规划模型的选煤工艺优化选择系统研究.pdf

第 4期 2 0 0 6年 8月 选 煤 技 术 C0AL PREPARAT1 0N TECHN0L0GY NO ． 4 Aug ． 2 0 06 文 章 编 号 1 0 0 13 5 7 1 2 0 0 60 40 0 0 30 3 基 于规划模型 的选煤 工艺优 化选 择 系统研 究 周 英 ，卓金 武 ，匡亚 莉 中国矿 业 大 学 化 工 学院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘 要 介 绍 了选 煤工 艺优 化选 择 系统 的设计 与 系统 功 能 ，分 析 了系统的数 据 流 ，并 结合人 工神 经 网络方 法建 立 了 以选 煤厂 效 益最 大化 为 目标 的选煤 工 艺优化 选择 单 目标 规 划模 型 。该 系统 可以给 出最佳的选煤工艺和最佳的工艺控制参数 ，对选煤厂设计和选煤过程控制具有一定的指导意义。 关 键词 选煤 工 艺 ；优 化 ； 系统 ；神 经 网络 ；规 划模 型 中图分 类号 T D 9 4 文献标 识码 A 选 煤 工艺 的选 择是选 煤 厂设 计 的第一 步 ，可 供 选择的选煤方法及其组合方式有多种 。由于通常都 是依 据经 验来 确定 选煤 工艺 ，因而 不能 保证 所 选 的 工艺 为最 佳 工艺 ，难 于 实 现选 煤 厂 的效 益 最 大 化 。 如果 每种 工 艺都 进行 计算 ，依 据计 算 结果 选择 一个 最优 的工艺 ，非 常 复杂 的计算 过 程和 大量 需要 处 理 的数据 又会 使整 个设 计 周期 拖长 。但 选煤 工艺 的计 算 过程 虽 然 比较 繁 琐 ，因有 固定 的计 算 步骤 ，所 以 很 适合 用 程 序 计算 。1 9 8 2年 开 发 、1 9 8 5年 投 入 使 用 的 “ 选煤 工 艺计算 软件包 ”，功 能虽然 已经很 完 收稿 日期2 0 0 60 41 2 作者简介周英 1 9 8 1一 ，女 ，中国矿 业 大 学在 读 硕士 研 究 生 ，研究方向 选煤工艺 的优化 。电话 O 5 l 6 8 3 8 8 3 5 3 0，E m a i l z h o u y i n g z j w1 2 2 2 1 6 3 ，c o rn。 善 ，可 以按 用 户 指 定 的 流 程 进 行 数 质 量 指 标 的 计 算 ，并 用 正交 设计 方 法按最 大 利润 原则 进行 选煤 流 程 的优 化 ⋯ 。但 由 于受 到 当 时 硬 件 和 软 件 方 面 的 限制 ，软件包 还存 在 一些 不 足之处 。随着 计算 机技 术 的发 展 ，编程 语言 的不 断进 步 ，先 进优 化方 法 的 不 断发 展 ，现在 编制 选 煤工 艺优 化选 择 软件 可行性 较 大 ，而且 计算 结果 会 更合 理 、更精 确 。 1 系统的分析 1 ． 1 功能 选煤 工 艺优 化选 择 系统 的主要 功 能是 根据 原煤 特性 和 产 品要求 给 出理论 上 的最 优选煤 工 艺及 最优 控 制参 数 。这 里 的 原 煤 特 性 包 括 原 煤 的 水 分 、灰 分 、挥 发分 、固定 碳 、真 密 度 、堆 密 度 、视 密 度 、 影 响 ，具有 较 强 的客观性 和 通用 性 ，是 一种 非常 有 效 的综 合评 价 方法 。为 了验证 评 价 的有 效性 ，同时 也 给 出 了模 糊综 合评 判 结果 ，结 果 表 明 ，两 方法 的 评 价结 果基 本 一致 。 3 结 论 由于影 响煤 炭质 量 的因素 很多 且很 复 杂 ，使 如 何评价其优质程度变得很困难。基于 B P神经网络 的动力煤 炭 质量 评价 通过 神 经网 络 的 自学 习 、 自组 织 能 力 和 强 容 错 性 ， 可 准 确 地 评 价 煤 炭 质 量 。 但它并不能取代其他评价方法，如层次分析法 、模 糊综合评判等 ，因为神经网络评价方法的学习训练 样 本需 要通 过 这些 方法 来获 得 ，当评 价 条件 变化 时 还 必 须借 助这 些传 统方 法来 获得 神 经 网络 的训 练样 本 。 参考文献 [ 1 ] 朱长军 ，李文耀 ，等 ．人 工神 经 网络在 水环境 质量 评价 中的应 用[ J ] ．工 业安 全 与 环 保 ，2 0 0 5 ，3 1 2 2 72 8 ． [ 2 ] 汤丽妮 ，张礼清 ，等 ．人工神 经 网络 在 生态环境质 量评价 中的应 用 [ J ]．四川环 境 ，2 0 0 3 ，2 2 3 6 9 7 2． [ 3 ] 张文鸽 ，李会安 ，等 ．水质评 价 的人 工神 经 网络 方 法 [ J ]．东北 水 利 水 电 ，2 0 0 4 ，2 2 2 4 3 4 2 45 ． [ 4 ] ‘林 吉海 ，谢 文兵 ．基 于 B P网络 算 法的矿 产 资源评 价方法 [ J ]．重庆 工商大学学报 ，2 0 0 4 ，2 1 5 ． [ 5 ] 杜 栋 ，庞 庆 华 ．现 代 综 合 评 价 方 法 与 案 例 精 析 [ M]．北 京清华大学 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 6 ] 孙修 东 ，李宗斌 ，等 ．基于人 工神 经 网络 的 多指标 综合评 价 方 法研 究 [ J ] ．郑 州 轻 工 业 学 院 学报 ， 2 0 0 3，1 8 2 l l一1 4 ． [ 7 ] 楼 高文 ．基 于人工神经 网络 的三 江平原 土壤质量 综 合 评价与预测模 型 [ J ]．中国管理科 学 ，2 0 0 2 ，1 0 1 7 98 3 ． [ 8 ] 周丽晖 ．一种新 的综合评 价 方法 [ J ]．北京统 计 ， 2 0 0 4， l l 1 7 55 15 2 ． 3 维普资讯 第 4期 选 煤 技 术 2 0 0 6年 8月 2 5 日 脆 度 、泥化 性 、安 息角 、摩 擦 角 、粒度分 布 、密 度 分布、含矸量和含硫量等。产品要求指产品的年产 量、粒度 、挥发 分 、灰分 、水 分 和硫 分等 J 。原 煤特性和产品要求相当于系统的输入 ，而选煤工艺 选择 的结 果及 其操 作参 数 就是 该 系统 的输 出 。 由于 产品的要求都是各项指标的下限 ，而当工艺和操作 参 数确 定 之 后 ，产 品 的各 项 指 标 也 就 可 以确 定 下 来 ，所 以该 系统 还 可 以输 出最终 产 品 的各 项 指标 的 预测 值 。该 系统 的功 能 如 图 1 所 示 。 鬈 H 选 H 妻 桑 佳的选煤工艺， 主要操作参 和产品各项指标的预测值 图 1 选 煤 工 艺 优 选 系 统 功 能 示 意 图 1 ． 2数 据流 系统 功 能 明确后 的任 务 就是 实 现系统 ，在具 体 实 现系 统之 前还 要 清楚 系统 中的数 据流 。由于该 系 统 是一 个优 化选 择 系统 ，因此 必然 要 以优化 模 型 为 基 础 ，所 以系统 中数据 流 主要 指 的是 数据 在模 型 中 的流向。该 系统中包含控制参数的优化和产品指标 的预测，优化问题既可以用规划模型来求解 ，也可 以用神经网络模型来求解 ，但 由于规划模 型的约束 关 系不好 确 定 ，所 以用 神经 网络 模 型 的可行 性 比较 大 。此 外 ，神经 网 络可 以很 好地 解决 预 测 问题 ，所 以产品指标 的预 测也用它 来实 现。对每种 工艺来 说 ，当原煤 特性 确 定后 ，该 工 艺对 应 的最 佳控 制参 数就 可 以 由一 个控 制 参数 优化 网络来 确定 。当控 制 参数确定后 ，就可以用一个产品指标预测网络来预 测该 工艺 处理 后所 得 产 品的 各项 指标 ，但 由于产 品 指标 不仅 与 控制 参 数有关 ，还 与原煤 特 性有 关 ，所 以原煤 特性 也是 产 品 指 标 预 测 网 络 输 入 端 的 内容 。 最 后根 据产 品要 求 ，由评价 函数 就 可 以选 择 出最 佳 的选煤 工艺 ，其对 应 的最 佳控 制参 数 和产 品指 标 的 预测值 也 就 随 即可 以得 到 。整 个 系统 的数 据流 如 图 2所示 。 4 原煤特 性 控 制参数 优 化网络 丽 预测 网络 产品要求 ． - 评价函数 最佳控制参数 产品预测指 标 最佳工 艺及 其控制参 数 和产品预测 指标 图 2 系 统 中 的 数 据 流 2系统的数学模型 2 ． 1 问题 的 一般描 述 选煤 工 艺优化 选择 的一般 问题 为 有 m种 选煤 工艺 ， 其编号集合为 X [ 。 ， ， ⋯， ] ， 已知原煤 的特性参数值集合 A [ a 。 ， a ， ⋯， a ]和产品的指 标参数集合B[ b 。 ， b ； b 2 ， b ． ． ． ； 6 ， ， b ； I ． ． ； 6 ， b ] ， 其 中 s为 原 煤 特 性 参 数 的个 数 ， n为产 品指 标 的个 数， b 和 b 分别为产 品的第_ 『 项指标 的下限和上限， 当指 标 值 越 大越 好 时 ， b 就 为 ∞ ， 当指 标 值 越 小 越 好 时 ， b ， 就 为 0 。 我 们 的任 务 是依 据 一 定 的 准则 选 择 一 个最 佳 的选煤 工 艺 ， 并 确 定 该 工艺 的最 优控 制 参 数集 D 。 2 ． 2问题 的分 析 若想寻找最佳 的选煤工艺必须先确定衡量工艺 优劣 的准 则 ，一个 最 佳 的工 艺 应该具 备 以下 两个基 本特征 一是该工艺可以保证产品的质量要求，即 能 够满 足产 品 的各项 指标 ；二是该 工 艺产 生 的经济 效 益最 大 ，也就 是说 选煤 厂 的收 益最 大 。如果 从数 学 的角度 来看 待这 两个 特征 ，它们则 是 问题 的两个 目标 ，如 果能 够找 到描 述这 两个 目标 的 函数 ，则 可 以建 立优 化该 问题 的规 划模 型 ，但 由此得 到 的是 多 目标 规划 问题 ，不 便 于 问题 的求解 。事 实上 ，人们 最关 心 的问题 还 是选 煤工 艺产 生 的效益 ，效 益越 大 越好 ，所 以可 以选择 工艺 的经济效 益作 为该 问题 的 目标函数 ，而产 品的质量要 求则可 以充 当约束条 件 ，也就是说 ，需要在保障产品要求的条件下 ，使 选 煤 厂 的效益 最大 。 选煤 厂 的效 益可 以用 下面 的 函数来 表示 F c Q d p， 式 中 F为效 益 ； Q 为产 品的年 产量 ； C 和 d分别 为产 品 的单 价 和单 位成 本 。 令 K 。C d ， 则 有 FK ， Q。 这 里 ， K． 为效 益 系数 ， 它 又与煤 的质 量 指标 有 关 ， 而 产 量 Q也属 于煤 的指标 集 ， 所 以效 益 F应该 是煤 的 各 项指 标 的 函数 。 设 选 用工 艺 后 所得 产品 各项 指 标 的预测值集为 c [ C C ⋯， c 。 ] ， 则效益与指 标 的函数 关 系可 以表示 为 F f C ‘ l ， C 2 ， ⋯ ， C 。 ， 其 中 C C ， ⋯ ， C 。 为 产 品各 项 指 标 对效 益 的 函 数关 系 ， 如 果知 道该 函数 关 系 和各 种 工 艺 对 原煤 处 理 后 所得 产 品的各 项指 标 ， 该 问题就 容 易解 决 了。 2 ． 3 模 型 的准 备 2 ． 3 ． 1 控制 参数 优化 神 经 网络 C是 产 品指标 集 的具 体 指 标 值 ， 其 数 值 由原 煤 维普资讯 第4 期 周 英等基于规划模型的选煤工艺优化选择系统研究 鱼 生 ． ． 旦 特性 A和工 艺 决 定 ， 更确切 地 说 应该 是 由 A和该 工艺 对 应 的控 制参 数值 D 共 同确 定 ， 所 以需 要 先 来 确 定 D 。 该 问 题 为一 个 多 输 人 多 输 出 的优 化 问 题 ， 中间 的函数 关 系难 以确 定 ， 所 以 这 里选 择 神经 网络 模 型来 解决 该 问题 。 该 网络 的作 用 就 是 当 指 定选 煤 工艺后 根 据原煤 特 性 确 定 该 工 艺 的 最佳 控 制 参 数 。 每种 工艺 都对 应一 个 网络 ， 网络 的输 入 端 是 原 煤 的 特性 参数 值 ， 输 出端是 控制 参 数值 ， 其示 意 图如 图 3 所 示 。 通 过对 现有 的经 验 数 据 进 行 反 复训 练 便 可 以 得 到工 艺 对应 的参 数优 化 网络 P n e t ， 然后 将 新 的 特性参 数 值代 入 网络 ， 便 可 以得 到 此 时 对 应 的 最佳 控制参数 。 其数学表达式为 D P n e t i A 。 图 3 控 制 参 数 优 化 神 经 网络 示 意 图 2 ． 3 ． 2 产 品指标 预测 神经 网络 C由 A和 D。 共 同确 定 ， 这里 A和 D 相 当于 自变 量 ， C [ c c ， ⋯ ， c ]则相当于函数值 ， 但它们间 的具体 关 系 比较 复杂 ， 不 具有 明显 的 函数关 系 ， 所 以 仍用神经网络代替这里的函数关 系， 并记工艺 。 对 应 的用 于预 测产 品指 标 的神经 网络为 Qn e t ， 那 么就 有 C Q n e t A， D 。 。 每种 工艺 对应 的预测 神经 网络 可 以通 过对现 有 的经 验数 据进 行 反复训 练 而得 到 ， 进行训 练 时 。 输 入 端是 原煤 的特 性 参数 值 和 控 制 参 数 值 ， 输 出端 是 产 品的指 标值 。 其 示意 图如 图 4所示 。 图 4 产 品指 标 预 测神 经 网 络 示 意 图 2 ． 4 模 型 的建 立 当得到 所 有 工 艺对 应 的 指标 预测 网络后 ， 只要 知 道原 煤 的特性 参 数值 ， 就 可 以得 到 每种 工 艺 的产 品指标 值 。 产 品指标 与效 益 的具体 函数 关 系 中有 多个 自变 量 ， 所 以 函数 关 系 也 非 常 复 杂 ， 可 以用 神 经 网 络 代 替 。 也可以依据经验数据进行 多元非线性 回归而得 到 ， 考虑 目标 函数 的稳 定性 ， 在 此采 用后 者来 研究 该 函数 关 系 。 各 自变量对 函数 的贡献 无非 有两 种情 况 一 是 自变量 越 大 函数 值越 大 ； 二 是 自变量 越 大 函数 值 越小 。 所 以可 以先 根 据经 验 确 定 各 自变 量 与 函数 间 的定性 关 系 ， 然 后 用 经 验数 据 进行 多元 非 线 性 回 归 ， 这样 就可 以得 到 产 品指 标 与 效 益 的具 体 函数 关 系， c 。 知 道 了 函数 ， C 。 ， 也 就 确 定 了模 型 的 目标 函 数 。 在该 问题中主要 的约束就是产 品各项指标 必须 达到最低要求， 可以用 C E [ b f ， b ]来表示。 至此可 以建 立如 下 的选煤 工 艺优 选单 目标 规划 模 型 m a x [ F i 、 ]， c ； D 。P n e t f C i ， C i Q n e t A， Df ， [ C c ⋯ ， c ]C ， c E [ b ， b ] ， i 1。 2， ⋯ 。 m 。 J 1 ， 2。 ⋯ ， n 。 该 模 型 的求 解 比较容 易 ， 只 要将 每 种 工 艺对 应 的控 制参 数优 化神 经 网络 和产 品指标 预测 神经 网络 训练好 ， 并用多元非线性 回归得到 函数， c 的具 体表 达式 。 就 会寻 找 到 最 优 的工 艺 及 其 对 应 的操作 参数 。 3 结语 选 煤工 艺 优化选 择 系统 能完 成工 艺 的选择 和控 制 参 数 的确 定 ，但 这 只是 选 煤 厂 设 计 中 的一 个 环 节 。需要 做 的工作 还很 多 。如工 艺 流程 的计算 、设 备 的选 型和计 算 、车 间工艺 布置 、选 煤 厂总 平面 布 置 和技术 经济 评 价等 。 “ 选 煤 工艺 计 算 软件 包 ” 可 以在 一 定 程 度 上 解 决 选 煤 厂 设 计 中 的大 量 计 算 问 题 。但其功能还需要进一步完善。本文设计 的选煤 工艺优化选择系统如果和软件包组合在一起 。将会 使 软件 包 的功 能得 到进一 步 的完 善 。随着 现代 计算 机 技术 和科 学计 算 方法 的发 展 ，又 涌现 出 了很 多功 能强 大 的计算 、绘 图 和设计 等方 面 的软件 。所 以该 系统 的另 一个 扩展 方 向就 是和这 些 软件 实现 联合 和 嵌套 ，形 成 功能 丰富 、操作 灵 活 、人机 对话 式 的选 煤 厂设计 软件 。 参 考 文 献 [ 1 ] 路 迈 西 ．“ 选煤 工 艺 计 算软 件 包”使 用 十年 回 顾 [ J ]．选煤技 术，1 9 9 6 ， 3 4 5 4 7 ． [ 2 ] 谢 广元 ．选矿 学 [ M]．徐 州 中国矿 业大 学 出版 社 ．2 0 0 5 ． 5 维普资讯