燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)調(diào)整復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析

沈志斌　孫慶明　胡素峰　金樟民　潘辛敏　張博　沈健

摘 要：隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的深入，大氣污染問題成為關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是近年來“霧霾”成為常態(tài)已經(jīng)影響了人們的生活滿意度；燃煤鍋爐作為霧霾的主要成因，迫切需要進(jìn)行整改。在整改過程中需要考慮集中方案對企業(yè)、地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響以及政府在配套、補(bǔ)償資金方面的壓力。既不能為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展而犧牲了環(huán)境，也不能強(qiáng)調(diào)環(huán)保而粗暴的撲滅了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該文采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)整改進(jìn)行了分析，從理論上為政府、企業(yè)和監(jiān)管部門提供了充足的改造方案和背景數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 社團(tuán)結(jié)構(gòu) 相似性

中圖分類號：F407.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（b）-0091-03

工業(yè)化進(jìn)程的加深使得燃煤鍋爐被大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。然而燃煤鍋爐消耗大量煤炭，對大氣環(huán)境中PM2.5含量影響很大，是霧霾形成的主要因素。隨著生活水平的不斷改善，人們對生活質(zhì)量尤其是大氣環(huán)境提出更高的要求。國家對大氣指標(biāo)或者改進(jìn)進(jìn)度做出了嚴(yán)格的要求，迫切需要對燃煤鍋爐進(jìn)行整改。

以國家或者某一區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，研究能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用和發(fā)展的建模方式已成為國內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)之一[1-11]。其中，賈宏杰等[8]圍繞區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行優(yōu)化這一專題，分別對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的通用建模理論、綜合仿真理論與方法、規(guī)劃理論與方法、安全性理論與方法、運(yùn)行優(yōu)化與控制、效益評估與運(yùn)營機(jī)制等方面問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。李愛軍[9]以硫稅在區(qū)域間波及影響，以及評價(jià)電力部門的脫硫技術(shù)的區(qū)域間可計(jì)算一般均衡模型為基礎(chǔ)平臺，強(qiáng)調(diào)把能源技術(shù)模型融合在區(qū)域間可計(jì)算一般均衡模型的建模方法，以實(shí)施環(huán)境稅和排放權(quán)交易的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效果繼續(xù)進(jìn)行比較。魏一鳴等[11]從復(fù)雜系統(tǒng)分析與建模的角度出發(fā)，對目前國際上具有代表性的且應(yīng)用比較廣泛的能源-經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行了分析。沈瑩等[12]采用成本收益法分析工業(yè)部門對減排技術(shù)的選擇，并據(jù)此建立區(qū)域間模型。這類模型以區(qū)域規(guī)劃、布置為重點(diǎn)，對于區(qū)域內(nèi)現(xiàn)已經(jīng)存在的能源供給、消費(fèi)節(jié)點(diǎn)之間的動態(tài)變動關(guān)系。但是這類缺少動態(tài)優(yōu)化分析的手段和對相似技術(shù)影響的分析能力。陳衛(wèi)東等[13]以我國2011年31個地區(qū)能源產(chǎn)業(yè)的相似數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)的Weaver-Thomas模型確定我國能源重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行分析，其分析結(jié)論與我國“十二五”規(guī)劃相符。孫霄凌等[14]以市場占有份額作為度分布構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分析了我國能源供給狀況，模擬結(jié)果表明供應(yīng)節(jié)點(diǎn)滿足頂點(diǎn)度近似服從冪律分布的特點(diǎn)，驗(yàn)證了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在分析能源供給中的應(yīng)用。因此，該文采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法對溫州市某區(qū)燃煤鍋爐的結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行分析，從理論上為燃煤鍋爐的整改方案提供支撐。

1 燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

該文以燃煤鍋爐的熱效率、爐渣可燃物含量、排煙處過量空氣系數(shù)、散熱損失和鍋爐所屬企業(yè)年產(chǎn)值五個特征值組成燃煤鍋爐特征向量T。以燃煤鍋爐為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以燃煤鍋爐特征向量間的相關(guān)程度為邊，構(gòu)建燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。由熱效率、爐渣可燃物含量、排煙處過量空氣系數(shù)、散熱損失和年產(chǎn)值作為特征值構(gòu)成相似性系數(shù)的表達(dá)式為：

式中，為流動條件i 的特征向量；為流動條件j 的特征向量；m為特征向量的維數(shù)。通過計(jì)算不同燃煤鍋爐特征向量之間的相似，可以得出一個相似性對稱矩陣S，其中每個元素S （i，j）表示燃煤鍋爐i 和燃煤鍋爐j 之間的相似值。選擇一個適合的閾值，可以使相似性矩陣S 轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)連接矩陣A，其表達(dá)式為：

若相似程度因子≥，則認(rèn)為燃煤鍋爐i 與燃煤鍋爐j 的狀態(tài)是相似的，其在網(wǎng)絡(luò)連接矩陣A中相應(yīng)的元素值為1；若相似程度因子<，則認(rèn)為兩個燃煤鍋爐的狀態(tài)是不相似的，其在網(wǎng)絡(luò)連接矩陣A中相應(yīng)的元素值為0。

2 燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵閾值與社團(tuán)結(jié)構(gòu)

2.1 燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵閾值選取

目前基于相似性建立的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，閾值的選取還沒有一個確定的準(zhǔn)則。高忠科的研究[15]指出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)模塊度的變化范圍在某個閾值取值鄰域內(nèi)為±2%時(shí)，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的，該閾值即為關(guān)鍵閾值。因此，該文采用基于網(wǎng)絡(luò)模塊度[16， 17]相對穩(wěn)定性的閾值選取方法對煙煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的閾值進(jìn)行選取。模塊度的定義為：

式中，m為網(wǎng)絡(luò)的總邊數(shù)；A為網(wǎng)絡(luò)的連接矩陣；為節(jié)點(diǎn)i 與節(jié)點(diǎn)j 的連邊；為節(jié)點(diǎn)i 的度；為節(jié)點(diǎn)i 所在的社團(tuán)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i 和j 屬于同一社團(tuán)時(shí)，，否則。Q 值越大，網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)越明顯，通常認(rèn)為Q≥0.3網(wǎng)絡(luò)就具有明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)。圖1給出了不同延時(shí)參數(shù)下模塊度隨閾值變化的情況。延時(shí)參數(shù)是通過C-C算法確定的，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)值在0.9～0.95之間變化時(shí)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模塊度Q 相對穩(wěn)定且最大，因此選擇閾值作為關(guān)鍵閾值。

2.2 燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)劃分

在實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)并不都具有相同的重要性，這就使得具有重要地位或作用的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中具有較大的影響力。因此，通過節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要程度的不同，可以將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的社團(tuán)結(jié)構(gòu)。該文采用AP聚類算法劃分燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，其基本思想是將全部的樣本看成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并將所有的節(jié)點(diǎn)視為可能的聚類中心，然后通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間信息的傳遞，計(jì)算出樣本的聚類中心以及歸屬節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間主要有兩種信息的傳遞，即吸引度r（i，k）和隸屬度a（i，k）。吸引度r（i，k）表示的是從節(jié)點(diǎn)i 到候選聚類中心點(diǎn)k的數(shù)值消息，其反映的是節(jié)點(diǎn)k對點(diǎn)i 的吸引程度，其表達(dá)式為：

隸屬度a（i，k）則表示的是從候選聚類中心k 到節(jié)點(diǎn)i 的數(shù)值信息，反映的是節(jié)點(diǎn)i 對節(jié)點(diǎn)k的隸屬程度，即節(jié)點(diǎn)i 是否選擇節(jié)點(diǎn)k作為其聚類中心，其表達(dá)式為：

3 燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析

該文以溫州市某區(qū)30臺燃煤鍋爐為節(jié)點(diǎn)，燃煤鍋爐特征向量間的相似程度為邊構(gòu)建燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)后，通過AP聚類社團(tuán)劃分算法對燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析獲得的網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中所示的社團(tuán)結(jié)構(gòu)從左到右分別記為A、B和C，其中A社團(tuán)以節(jié)點(diǎn)27為中心節(jié)點(diǎn)包含10個節(jié)點(diǎn)、B社團(tuán)以節(jié)點(diǎn)6為中心節(jié)點(diǎn)包含11個節(jié)點(diǎn)、C社團(tuán)以節(jié)點(diǎn)6為中心節(jié)點(diǎn)包含9個節(jié)點(diǎn)。

通過與燃煤鍋爐信息進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，A社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)主要對應(yīng)于6 t/h的燃煤鍋爐，其與B社團(tuán)之間連接緊密的節(jié)點(diǎn)則主要對應(yīng)于6 t/h燃煤鍋爐與8噸/時(shí)燃煤鍋爐之間性能相似的燃煤鍋爐；B社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)主要對應(yīng)于8 t/h燃煤鍋爐，其與C社團(tuán)之間連接緊密的節(jié)點(diǎn)則主要對應(yīng)于8 t/h燃煤鍋爐與10 t/h燃煤鍋爐之間性能相似的燃煤鍋爐；C社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)則主要對應(yīng)于10 t/h燃煤鍋爐。從圖2可以發(fā)現(xiàn)隸屬于A社團(tuán)的節(jié)點(diǎn)22被劃入了對應(yīng)于8 t/h燃煤鍋爐的B社團(tuán)，而隸屬于B社團(tuán)的節(jié)點(diǎn)20則被劃入了主要對應(yīng)于6 t/h燃煤鍋爐A社團(tuán)。隸屬于C社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)11被劃入主要對應(yīng)于8 t/h燃煤鍋爐的B社團(tuán)，而B社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)10則劃入對應(yīng)于10 t/h燃煤鍋爐的C社團(tuán)，這種情況的出現(xiàn)主要是由于鍋爐使用年限和效率的綜合作用。過渡區(qū)域燃煤鍋爐的能耗、污染物排放率以及收益率的相似程度高，迫切需要對這些燃煤鍋爐進(jìn)行整改。因此，通過AP聚類社團(tuán)結(jié)構(gòu)劃分算法對燃煤鍋爐復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出了網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)與不同燃煤鍋爐的對應(yīng)關(guān)系，從而為燃煤鍋爐的整改提供了理論支撐。

4 結(jié)語

燃煤鍋爐的整改需要考慮對企業(yè)、地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響以及政府在配套、補(bǔ)償資金方面的壓力。既不能為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展而犧牲了環(huán)境，也不能強(qiáng)調(diào)環(huán)保而粗暴的撲滅了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該文在此基礎(chǔ)上，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)整改進(jìn)行了分析，從理論上為政府、企業(yè)和監(jiān)管部門提供了充足的改造方案和背景數(shù)據(jù)支持。

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