基于C-F方法的露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性分析

郭 強(qiáng)，馬婧佳，王忠鑫，陳大偉

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)具有生產(chǎn)效率高、成本低、能耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，其自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)智能化控制的特點(diǎn)符合礦山智能化的發(fā)展方向[1-4]。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)集物料的采掘、運(yùn)輸和排棄三個(gè)環(huán)節(jié)于一身，屬于串聯(lián)系統(tǒng)[5，6]。需滿足其物料流連續(xù)才能發(fā)揮能效的特性決定了系統(tǒng)要具有高可靠性。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)設(shè)備組成復(fù)雜，使用工況多變，且存在地質(zhì)、氣候和管理等較多不確定性影響因素，所以對(duì)其進(jìn)行可靠性分析具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，也存在一定難度。

目前針對(duì)露天礦半連續(xù)系統(tǒng)的可靠性研究較多，不同學(xué)者使用模糊有效度模型、排隊(duì)論模型及故障樹(shù)分析方法等對(duì)其進(jìn)行了可靠性的計(jì)算和分析[7-13]。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性計(jì)算方面的研究主要集中于整套設(shè)備或單一設(shè)備，沒(méi)有將系統(tǒng)本身與外部環(huán)境等因素相結(jié)合進(jìn)行整體考慮。輪斗連續(xù)工藝現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中多會(huì)遇見(jiàn)外部環(huán)境、地質(zhì)及人為因素影響引起的系統(tǒng)能力降低的問(wèn)題，且這些因素具有不確定性。

針對(duì)上述問(wèn)題，嘗試將不確定性推理方法C-F方法(可信度方法)應(yīng)用到輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的可靠性分析上。通過(guò)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性影響因素分析，構(gòu)建可靠性評(píng)價(jià)體系，采用C-F方法對(duì)輪斗連續(xù)工藝可靠性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析薄弱環(huán)節(jié)，為輪斗系統(tǒng)提高可靠性及生產(chǎn)能力指明方向。

1 輪斗連續(xù)系統(tǒng)可靠性影響因素分析

1.1 輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)邏輯關(guān)系

根據(jù)露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)常規(guī)組成及相互關(guān)系建立了可靠性邏輯框圖，如圖1所示。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)備之間的可靠性邏輯關(guān)系可以用串聯(lián)模型描述。

圖1 輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)邏輯關(guān)系

整套系統(tǒng)包括采、運(yùn)、排三個(gè)環(huán)節(jié)，可據(jù)此簡(jiǎn)化系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，將輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)分為采剝系統(tǒng)、膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)和排棄系統(tǒng)三部分，由于為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以三個(gè)子系統(tǒng)任一出現(xiàn)故障均會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)故障，連續(xù)系統(tǒng)最大故障為系統(tǒng)中斷。

1.2 系統(tǒng)可靠性影響因素

根據(jù)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的邏輯關(guān)系及故障模式，影響系統(tǒng)可靠性的因素可分系統(tǒng)本身故障因素和外部影響因素。影響系統(tǒng)可靠性的因素可根據(jù)生產(chǎn)的三個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行分析。

1.2.1 采剝系統(tǒng)

輪斗連續(xù)工藝采剝系統(tǒng)主要包括輪斗挖掘機(jī)及工作面轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備。影響其可靠性的因素主要包括系統(tǒng)設(shè)備機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)零件及液壓系統(tǒng)等故障，輪斗挖掘機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)人為對(duì)中操作，還包括氣候(低溫冰凍、大風(fēng)等影響)、巖石硬度、物料含水率、工作面含水等外部因素。

1.2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括工作面帶式輸送機(jī)、端幫沿線帶式輸送機(jī)及排土帶式輸送機(jī)等設(shè)備。影響其可靠性的因素主要包括機(jī)械、電氣驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)零件等故障，地形沉降引起的帶式輸送機(jī)跑偏問(wèn)題，還包括物料含水率等外部因素。

1.2.3 排棄系統(tǒng)

排棄系統(tǒng)主要包括排土工作面轉(zhuǎn)載機(jī)及排土機(jī)等設(shè)備。影響其可靠性的因素主要包括系統(tǒng)的液壓、電氣、機(jī)械及結(jié)構(gòu)零件等故障，還包括氣候(大風(fēng)等)、人為操作、物料含水率、工作面含水等外部因素。

綜上所述，三個(gè)子系統(tǒng)本身的機(jī)械性能參數(shù)故障影響因素類似，由于作業(yè)區(qū)域及功能不同導(dǎo)致外部影響因素存在一定的差別。機(jī)械故障引起的系統(tǒng)可靠性是可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析等手段進(jìn)行度量的，外部環(huán)境及人為因素是不確定的，難以度量的。使用現(xiàn)有可靠性評(píng)價(jià)方法，人為及環(huán)境等不確定性因素將很難進(jìn)行評(píng)價(jià)，據(jù)此特點(diǎn)，采用C-F方法將各種因素進(jìn)行統(tǒng)一量化處理。

2 C-F方法基本原理

可信度方法是由Edward H.Shortliffe[14，15]等人提出的，是可對(duì)不確定性的初始證據(jù)進(jìn)行處理的一種推理方法?？尚哦确椒╗16-19]是以確定性理論(Thory of Comfirmation)為基礎(chǔ)結(jié)合概率論而進(jìn)行不確定性推理的一種方法，表示根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)事物的相信程度，是一個(gè)主觀性的概念。

可信度模型是從不確定初始證據(jù)出發(fā)，經(jīng)過(guò)不確定合成、傳遞、疊加，最終得出事物可信度的過(guò)程[16]。其中不確定性度量采用可信度CF(h，e)表示，取值范圍可取[-1，1]。e為前提條件，可為單一條件影響也可為多種復(fù)合條件影響；h為結(jié)論，表示為e條件下對(duì)h的影響程度。C-F模型可寫(xiě)成：

CF(h，e)=MB(h，e)-MD(h，e)

(1)

式中，MB(h，e)為條件e對(duì)結(jié)論h的信任增強(qiáng)度；MD(h，e)為條件e對(duì)結(jié)論h的不信任增強(qiáng)度。MB(h，e)和MD(h，e)可由P(h)與P(h|e)之間的關(guān)系確定，見(jiàn)式(2)與(3)，其中P(h)為h的先驗(yàn)概率；P(h|e)為條件概率。

MB(h，e)和MD(h，e)取值范圍取[0，1]?？紤]到實(shí)際應(yīng)用條件下，同一個(gè)證據(jù)不可能既增加對(duì)h的信任程度，又增加對(duì)h的不信任程度，所以MB(h，e)和MD(h，e)是互斥的，所以根據(jù)可信度定義及式(1)—(3)，可得到CF(h，e)的計(jì)算公式：

當(dāng)P(h)和P(h|e)已知時(shí)，可通過(guò)式(4)直接得出CF(h，e)值；而在實(shí)際問(wèn)題中，P(h)和P(h|e)通常難以得到，此時(shí)CF(h，e)可采用專家賦值進(jìn)行確定。

2.1 賦值原則

根據(jù)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的實(shí)際需要，設(shè)定CF(h，e)取值范圍為[0，1]。下面給出初始條件專家賦值的原則：①條件e對(duì)結(jié)論h的發(fā)生越是支持CF(h，e)越接近1；②條件e對(duì)結(jié)論h的發(fā)生越是不支持CF(h，e)越接近0；③條件e對(duì)應(yīng)證據(jù)與h無(wú)關(guān)，CF(h，e)=0。

2.2 組合證據(jù)可信度計(jì)算

對(duì)證據(jù)的組合形式，各證據(jù)間地位或?qū)Y(jié)論的支持程度相同時(shí)，可信度計(jì)算方法可分為合取和析取兩種情況，即選取各證據(jù)組合的合集與并集。考慮到輪斗連續(xù)工藝工程實(shí)際，各影響因素間對(duì)系統(tǒng)可靠性的支持程度不同，采用加權(quán)計(jì)算方法，引入權(quán)重概念，標(biāo)記某個(gè)證據(jù)對(duì)結(jié)論成立的影響程度。

2.3 不確定性的傳遞算法

CF模型中的不確定性推理實(shí)際上是從不確定性的初始證據(jù)出發(fā)，不斷運(yùn)用相關(guān)的不確定性知識(shí)，逐步推出最終結(jié)論和該結(jié)論的可信度的過(guò)程。傳遞算法如下：

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)

(7)

3 露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)C-F模型構(gòu)建

3.1 露天礦概況

扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)整套設(shè)備經(jīng)安裝調(diào)試，2014年5月系統(tǒng)進(jìn)行空載性能測(cè)試；2014年11月正式交付使用。截止2020年，輪斗工藝在扎哈淖爾露天煤礦的應(yīng)用已近6年，由于表土工作面涌水問(wèn)題嚴(yán)重，輪斗工藝自投入使用以來(lái)一直沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)能力。

輪斗連續(xù)系統(tǒng)由一臺(tái)生產(chǎn)能力為6600m3/h的輪斗挖掘機(jī)和生產(chǎn)能力為7900m3/h的帶式輸送機(jī)以及一臺(tái)生產(chǎn)能力為7900m3/h的排土機(jī)組成。

3.2 可靠性評(píng)價(jià)體系建立

在充分分析扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性影響因素基礎(chǔ)上，構(gòu)建了輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系，如圖2所示。該評(píng)價(jià)體系包括3個(gè)一級(jí)證據(jù)，19個(gè)二級(jí)證據(jù)，包括了影響輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性的各項(xiàng)因素。

3.3 模型賦值

考慮到不同級(jí)別的各項(xiàng)證據(jù)內(nèi)容，C-F模型的賦值將采用專家打分與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方式進(jìn)行，對(duì)于可量化的證據(jù)類型，相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)分析要保證準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)可信度的準(zhǔn)確量化；對(duì)于不可量化的模糊性證據(jù)，采用專家打分進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，專家打分要保證客觀、科學(xué)、公正的原則。打分標(biāo)準(zhǔn)采用0.1～1標(biāo)度法[16，19]見(jiàn)表1。

部分不可量化證據(jù)類型專家打分結(jié)果見(jiàn)表2。以參考文獻(xiàn)[5]表3.1中的扎哈淖爾露天礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率計(jì)算公式對(duì)部分可量化證據(jù)類型的可靠性概率進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系

表1 可信度專家打分標(biāo)準(zhǔn)

表2 不可量化證據(jù)類型專家打分結(jié)果

表3 可量化證據(jù)類型數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

3.4 權(quán)重計(jì)算

對(duì)于最底層證據(jù)，認(rèn)為各項(xiàng)因素對(duì)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的可靠性影響程度不相同，權(quán)重系數(shù)采用主客觀綜合賦權(quán)法[20-22]確定；對(duì)于中間層證據(jù)，認(rèn)為其對(duì)上一層證據(jù)影響程度相同，權(quán)重系數(shù)取1/n(n為最低層證據(jù)數(shù))。

權(quán)重計(jì)算過(guò)程：根據(jù)1～9尺度打分規(guī)則構(gòu)造判斷矩陣，利用層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重；利用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重，以“加法集成法”計(jì)算綜合權(quán)重作為系統(tǒng)各因素權(quán)重。

采剝系統(tǒng)各因素權(quán)重：ω1=(0.02849，0.08816，0.05811，0.18773，0.15999，0.17758，0.03061，0.26942)T。

運(yùn)輸系統(tǒng)各因素權(quán)重：ω2=(0.1191，0.3949，0.3130，0.1730)T。

排棄系統(tǒng)各因素權(quán)重：ω3=(0.0554，0.0411，0.2962，0.1726，0.0822，0.1337，0.2188)T。

3.5 證據(jù)合成及傳遞計(jì)算

首先對(duì)底層證據(jù)進(jìn)行合成計(jì)算，根據(jù)賦值結(jié)果及權(quán)重取值原則，結(jié)合表2和表3數(shù)據(jù)代入式(8)，組合證據(jù)可信度計(jì)算得：

根據(jù)底層初設(shè)證據(jù)所得結(jié)論傳遞至中間層作為證據(jù)，根據(jù)權(quán)重指標(biāo)，中間層證據(jù)可信度為：

最終根據(jù)不確定性的傳遞算法計(jì)算輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠度。

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0.6535

(10)

從推理過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，采剝系統(tǒng)可靠度最低為0.8337，說(shuō)明其受外部因素影響最大；膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)可靠度最高為0.9399，說(shuō)明其受影響最小。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)影響因素進(jìn)行可信度的組合與傳遞，計(jì)算出扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠度為0.6535，對(duì)照表1，屬于中等水平。

4 提高系統(tǒng)可靠性的方法

通過(guò)計(jì)算得出扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠度為0.6535，屬中等水平，其中采剝系統(tǒng)部分對(duì)輪斗系統(tǒng)可靠性影響最大，結(jié)合分析過(guò)程及露天礦生產(chǎn)問(wèn)題，外部條件下工作面含水導(dǎo)致承壓力下降的影響占主導(dǎo)因素，因此針對(duì)此方面提出了提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)可靠性的方法。

首先分析輪斗作業(yè)區(qū)域地下水賦存情況，建立三維水文地質(zhì)模型，為輪斗布置水平提供參考依據(jù)；其次結(jié)合輪斗布置將疏干與采礦工藝相結(jié)合，提出通過(guò)滲水孔(墻)疏降第四系砂層含水層的疏干降水新方式方法，本方法在旋挖樁鉆孔時(shí)不需充填水泥基質(zhì)漿液，利用旋挖機(jī)鉆孔，沖擊、切割、破碎地層土體，擾亂原本地層中含水層和隔水層的分布規(guī)律，將被薄隔水層阻隔的上層潛水疏降至基巖面層，最終實(shí)現(xiàn)作業(yè)臺(tái)階含水量降低；疏干后輪斗作業(yè)條件改善，輪斗臺(tái)階含水量減少，進(jìn)而提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)的可靠性及效率。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)邏輯關(guān)系，全面分析了可靠性的影響因素，提出采用C-F方法對(duì)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及外部影響因素的不確定性進(jìn)行統(tǒng)一度量的新思路。

2)針對(duì)扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)構(gòu)建了系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系，包括3個(gè)一級(jí)證據(jù)和19個(gè)二級(jí)證據(jù)；將輪斗連續(xù)系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，采用C-F方法確定了系統(tǒng)的可靠度為0.6535，屬中等水平。

3)針對(duì)輪斗連續(xù)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)及重點(diǎn)影響因素提出了改進(jìn)方法，將疏干與采礦工藝相結(jié)合，采用滲水孔(墻)疏降新方法，打破第四系薄弱隔水層，降低水位，改善臺(tái)階含水情況，最終提高輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性。