基于信息熵的煤礦采煤設備選擇分析

蔣星星，李春香

(1.畢節(jié)市工業(yè)和能源委員會，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州工程應用技術學院，貴州 畢節(jié) 551700)

煤礦機械設備選擇是煤礦生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，大多數(shù)煤礦企業(yè)對煤礦機械設備選擇多停留在經(jīng)驗、商家宣傳等表面，目前選擇方法有定性選擇方法、經(jīng)驗選擇法等，存在偏重定性分析、經(jīng)驗分析，缺乏定量分析計算的問題。煤礦機械設備選擇是一種系統(tǒng)工程，要綜合考慮設備的生產(chǎn)、安全、經(jīng)濟等性能[1-7]。本文引進信息理論——信息熵，對市場上較多的4種型號設備進行設備性能熵分析，再利用熵值法對4種型號設備進行各項性能測試，為煤礦采掘設備選擇提供決策。

1 煤礦采煤設備性能層次分析

1.1 采煤設備的生產(chǎn)率

采煤設備的生產(chǎn)率一般利用設備額定功率、效率等指標來衡量，少數(shù)設備利用以某一段時間的產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量來衡量。煤礦企業(yè)在選擇設備時，必須考慮使采煤設備的生產(chǎn)率與煤礦企業(yè)的產(chǎn)能相匹配，在煤礦生產(chǎn)滿負荷運行時，采煤設備的生產(chǎn)率能夠達到產(chǎn)能需求，既能充分發(fā)揮設備的生產(chǎn)率，又能滿足煤炭產(chǎn)能需求。

1.2 采煤設備的經(jīng)濟性

采煤設備的經(jīng)濟性包括設備油耗、購買費用、耐用性、節(jié)能性等指標，煤礦在采購設備時，經(jīng)濟性指標往往是經(jīng)營性、盈利性煤炭企業(yè)最為關注的重要指標。煤礦企業(yè)要考慮設備的投資費和設備在整個壽命周期內(nèi)的使用費，設備的投資費包括研究、設計、制造費、購置費、運輸費、安裝調試費。設備在整個壽命周期內(nèi)的使用費包括維修費、維護費、保險費、能源消耗費等。設備經(jīng)濟性能越高，并能完成采煤任務，設備綜合效益好，煤礦企業(yè)利潤好。

1.3 采煤設備的安全性

隨著能源經(jīng)濟不斷發(fā)展，安全不斷被煤礦企業(yè)監(jiān)管部門和煤礦企業(yè)重視，安全政策體系不斷得到完善，采煤設備的安全性對煤礦生產(chǎn)安全有著十分重要的意義。設備的安全性包括人身安全和環(huán)境保護等。對于高風險的煤礦企業(yè)，采煤設備被安裝在采煤工作面，采煤工作面安全隱患因素多且復雜，采煤設備要防止漏電、爆炸、機械噪聲等，對設備安全性能要求高。

1.4 采煤設備的維護性

采煤設備的維護性是指在煤礦生產(chǎn)中設備的系統(tǒng)、零部件更換、磨損修復等所具有的維修程度和性質。采煤設備處于狹窄的采煤工作面，應易于檢修，便于拆卸，互換性好，能縮短維修時間，提高設備利用率，降低維修費用。在進行設備選擇時，應考慮設備結構的易修性，同時也要考慮生產(chǎn)廠家對配件的供應情況和提供維修服務的可能性等。

1.5 采煤設備的成套性

采煤設備的成套性是形成企業(yè)生產(chǎn)能力的前提條件。特別是選用國外設備時，成套選購往往比分開購買主機和輔機合適，可節(jié)約投資費用和節(jié)省外匯。對于工作對象可變的加工設備，要求能夠適應多種加工性能，通用性強，能與普遍設備進行很好地耦合和組裝，充分利用現(xiàn)有設備，適應不同的工作條件和環(huán)境。

1.6 采煤設備的環(huán)保性

采煤設備的環(huán)保性是指采煤設備對環(huán)境保護的性能。環(huán)境保護包括設備的噪聲、設備放射性、設備排放的有害物質對人和環(huán)境損壞和污染等。在選擇設備時，綜合考慮設備噪聲、放射性、污染性等指標。

采煤設備性能體系層次框架如圖1所示。

圖1 采煤設備性能體系層次框架

2 煤礦采煤設備的設備性能熵構建

2.1 設備性能熵

信息熵是離散隨機事件出現(xiàn)的概率，是某種特定信息的出現(xiàn)概率。而煤礦采煤設備的各項性能也具有離散隨機性[8-9]，引用信息熵的理論，構建設備性能熵[10-12]。設備性能熵是不確定的度量，那么整個設備性能的不確定度量——設備性能熵，可以用下式表示：

式中，S為設備性能熵；Pj為第j個性能不確定度；n為設備性能數(shù)；K為常數(shù)。

當各個性能發(fā)生的概率相等時，即Pj=1/n，S取值最大，此時設備性能熵S最大。

利用信息熵的概念確定權重，假設采煤設備多種性能決策矩陣為：

式中，M為采煤設備多種性能決策矩陣；Ai為第i方案；m為方案數(shù)；xij為表示第i個方案下的第j個性能值；Pij為第j個性能下第i個方案的貢獻度。

用Ej來表示所有方案對性能的貢獻總量：

式中，Ej為方案對屬性的貢獻總量；Pij為第j個性能下第i個方案的貢獻度；K為常數(shù)，K=1/lnm。

當采煤設備某個性能下各方案的貢獻度趨于一致時，Ej趨于1，特別當采煤設備各項性能均值時，也就可以不考慮該設備的性能在此次設備選擇的作用，性能的權重為0?？梢娦阅苤涤伤蟹桨覆町惔笮頉Q定權系數(shù)的大小，定義dj為第j個性能下各方案貢獻度的一致性。

設備性能權重可表示為：

式中，Wj為設備性能權重；dj為第j個性能下各方案貢獻度的一致性。

當dj等于0時，設備的第j個性能可以忽略，其在設備選擇中權重等于0。

3 評價實例

貴州某煤礦是新建礦井，預采購2臺采煤機，目前通過初步篩選，有4種型號的采煤機供煤礦選擇，采煤機1、采煤機2、采煤機3、采煤機4。廠家對于采煤機購買客戶進行電話回訪，采煤機的生產(chǎn)率性能總分4分，采煤機的經(jīng)濟性能總分20分，采煤機的安全性能總分8分，采煤機的維護性能總分8分，采煤機的成套性能總分8分，采煤機的環(huán)保性能總分12分。購買客戶對以上6種性能進行打分，最后分別求出平均分，構成4種型號采煤機性能分值，詳見表1。

3.1 購買方案貢獻度計算

利用設備性能熵的概念確定權重，采煤設備多種性能決策矩陣為：

表1 4種型號采煤機性能分值

經(jīng)過計算得：

用Ej來表示所有方案對屬性Xj的貢獻總量：

式中，K為常數(shù)，K=1/ln 4=0.7213。

所有方案對采煤機生產(chǎn)率、經(jīng)濟性、安全性、維護性、成套性、環(huán)保性等性能的貢獻總量，詳見表2。

表2 購買方案對設備性能的貢獻度

3.2 設備性能權重計算

設備性能權重可表示為：

式中，Wj為設備性能權重；dj為第j個性能下各方案貢獻度的一致性，dj=1-Ej。

采煤機各項性能在各種方案下的性能貢獻一致性見表3，經(jīng)過設備性能權重公式計算，得設備性能權重，見表4。

表3 設備性能對購買方案的一致性程度

表4 設備性能權重

通過表4，可知采煤機的性能(生產(chǎn)率、經(jīng)濟性、安全性、維護性、成套性、環(huán)保性)權重分別為11%、35%、21%、5%、3%、25%，在購買采煤機時，采煤機的經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性占主要權重，為主要考慮性能，4種型號采煤機的綜合性能值見表5。

表5 4種型號采煤機的綜合性能值

通過4種采煤機的生產(chǎn)率、經(jīng)濟性、安全性、維護性、成套性、環(huán)保性等綜合性能值可知，優(yōu)先選擇采煤機2，其次是采煤機4，再選擇采煤機3，最后是采煤機1。

4 結束語

(1)通過層次分析法對煤礦采煤設備的生產(chǎn)率、經(jīng)濟性、安全性、維護性、成套性、環(huán)保性等6個性能進行分析，構建采煤設備性能體系層次框架圖；引入信息熵理論，將信息熵概念應用于煤礦設備性能定性和定量分析，并構建設備性能熵。

(2)將設備性能熵應用于貴州某煤礦采煤機型號選擇上，通過計算4種型號采煤機性能對不同購買方案的貢獻度及性能對不同型號采煤機的權重，得出預采購采煤機2為優(yōu)選設備。該方法可為周邊區(qū)域煤礦企業(yè)定性和定量選擇合適的采煤機提供了判斷依據(jù)。