綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制研究

石夢寒， 朱衛(wèi)兵， 任海兵

（中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

近年來，我國高產(chǎn)高效綜采工作面快速發(fā)展，已建成477 個(gè)智能化綜采工作面[1]。工作面開采結(jié)束后，下一個(gè)待開采工作面需提前做好準(zhǔn)備工作，以便及時(shí)開采，否則采煤工人空閑導(dǎo)致人力資源浪費(fèi)，且未使用的綜采設(shè)備堆放在倉庫中增加空間成本和設(shè)備維護(hù)成本。工作面接續(xù)作業(yè)效率低下使得工作面開采工期延長，這與工作面高產(chǎn)高效開采理念相悖。針對該問題，需制定綜采工作面接續(xù)計(jì)劃。傳統(tǒng)工作面接續(xù)計(jì)劃主要依靠人工編制，工作量大，效率低，特別是搬家倒面作業(yè)，由于涉及采礦作業(yè)、生產(chǎn)裝備、井下運(yùn)輸?shù)榷喾矫嬉蛩?，常出現(xiàn)調(diào)度沖突，導(dǎo)致工期延長。合理優(yōu)化綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃有助于提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，減少經(jīng)營成本。目前綜采設(shè)備快速搬家倒面主要依賴高度機(jī)械化作業(yè)，如自動(dòng)錨支、快速掘進(jìn)設(shè)備安裝回撤工藝等技術(shù)[2]。部分專家從運(yùn)籌學(xué)角度對縮短單一工作面綜采設(shè)備搬家倒面工期進(jìn)行研究，如韓國華[3]結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)，通過分析、研究和計(jì)算，求解礦井某一工作面設(shè)備的搬家倒面工期。對于綜采設(shè)備在不同礦井之間或同一礦井不同工作面之間進(jìn)行搬家倒面工作的優(yōu)化問題，還有待深入研究。

編制綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃時(shí)，考慮每個(gè)礦井包含1 個(gè)或多個(gè)工作面，每個(gè)工作面選擇不同綜采設(shè)備時(shí)對應(yīng)工期不同，工作面之間沒有先后開工順序約束，因此可將其看作特殊的柔性作業(yè)車間調(diào)度問題。目前大多采用智能優(yōu)化算法解決該問題[4]，如粒子群算法[5]、灰狼算法[6]、人工蜂群算法[7]、遺傳算法[8-10]等。其中遺傳算法具有魯棒性好、搜索過程靈活和全局尋優(yōu)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在求解柔性作業(yè)車間調(diào)度問題方面應(yīng)用廣泛。本文將遺傳算法引入工作面綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制工作，通過分析國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下稱神東集團(tuán)）綜采設(shè)備信息及開采情況，確定了搬家倒面工作中設(shè)備機(jī)械化水平、人員等關(guān)鍵表征參數(shù)，建立了綜采設(shè)備搬家倒面多變量數(shù)學(xué)模型；采用遺傳算法求解該模型，并通過實(shí)例驗(yàn)證了算法有效性；開發(fā)了一套基于B/S 架構(gòu)的綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)搬家倒面計(jì)劃編制工作的低效率問題。

1 研究背景

在煤礦生產(chǎn)過程中，煤炭開采前需在綜采工作面安裝設(shè)備并試運(yùn)行，開采結(jié)束后將所需設(shè)備移至下一個(gè)待開采工作面，該過程稱為工作面設(shè)備搬家倒面。編制綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃的實(shí)質(zhì)是確定各工作面開工順序、開工時(shí)間、完工時(shí)間、采用的綜采設(shè)備及選擇的施工隊(duì)伍，其中綜采設(shè)備主要為采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)（簡稱“三機(jī)”）[11]，安裝時(shí)須遵循“三機(jī)”配套原則[12]。編制綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃流程：① 確定完成該任務(wù)所需的安裝、回撤設(shè)備及開采工期數(shù)據(jù)。② 根據(jù)綜采設(shè)備選型和配套原則進(jìn)行“三機(jī)”配套工作，確定各工作面適用的配套設(shè)備。③ 確定綜采設(shè)備搬家倒面問題的假設(shè)條件和約束條件，進(jìn)行變量定義，以最小化最大完工時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。④ 設(shè)計(jì)算法進(jìn)行模型求解。⑤ 根據(jù)求解結(jié)果編制綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃。

本文對神東集團(tuán)14 個(gè)煤礦73 個(gè)綜采工作面近3 a 的開采狀況進(jìn)行調(diào)研，收集了72 種液壓支架、68 種采煤機(jī)、69 種刮板輸送機(jī)的設(shè)備信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析處理，完成綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制[13]。

2 綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制數(shù)學(xué)模型

為簡化問題研究，便于數(shù)學(xué)建模，制定假設(shè)條件：① 所有設(shè)備在零時(shí)刻均可使用。② 每個(gè)工作面在可供選擇的設(shè)備范圍內(nèi)，選擇不同型號綜采設(shè)備進(jìn)行安裝、回撤和開采的時(shí)間可不相同。③ 在同一時(shí)刻，每個(gè)工作面只能選擇1 套綜采設(shè)備進(jìn)行安裝、回撤和開采。④ 在同一時(shí)刻，1 套綜采設(shè)備和1 支施工隊(duì)伍只能服務(wù)于1 個(gè)工作面。⑤ 綜采設(shè)備一旦開始在工作面上安裝、回撤和開采，便不能中途停止。⑥ 在設(shè)備調(diào)度過程中，設(shè)備均是可用的，無需修理。

定義i為工作面序號，i=1，2，…，n，n為工作面總數(shù)；k為綜采設(shè)備序號，k=1，2，…，m，m為綜采設(shè)備總數(shù)；l為施工隊(duì)伍序號，l=1，2，…，q，q為施工隊(duì)伍總數(shù)；aik為設(shè)備選擇變量，aik=1 表示工作面i選擇設(shè)備k，aik=0 表示工作面i未選擇設(shè)備k；hil為施工隊(duì)伍選擇變量，hil=1 表示工作面i選擇施工隊(duì)伍l，hil=0 表示工作面i未選擇施工隊(duì)伍l；bijk為工作面選擇設(shè)備順序變量，j=1，2，…，n，j≠i，bijk=1 表示工作面i先于工作面j選擇設(shè)備k，bijk=0 表示工作面i未先于工作面j選擇設(shè)備k；Lijl為工作面選擇施工隊(duì)伍順序變量，Lijl=1 表示工作面i先于工作面j選擇施工隊(duì)伍l，Lijl=0 表示工作面i未先于工作面j選擇施工隊(duì)伍l；si為工作面i開始安裝設(shè)備時(shí)間；ei為工作面i綜采設(shè)備回撤結(jié)束時(shí)間；tik為工作面i占用設(shè)備k的 時(shí) 間；Tij為設(shè)備在工作面i，j之間運(yùn)輸時(shí)間；Cmax為綜采設(shè)備回撤結(jié)束的最大完工時(shí)間。

根據(jù)綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制問題特點(diǎn)，將該問題的優(yōu)化目標(biāo)確定為最小化最大完工時(shí)間，即數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)為

對該問題建立約束條件，見表1。

表 1 綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制問題約束條件Table 1 Constraint conditions of fully mechanized mining equipment removal planning during sequencing working face

3 綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制遺傳算法

3.1 算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)遺傳算法求解綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制數(shù)學(xué)模型，流程如下。

（1） 確定染色體編碼規(guī)則。采用一種考慮設(shè)備、施工隊(duì)伍和工作面選擇的三段編碼方式。設(shè)染色體長度為S，由于表示設(shè)備和施工隊(duì)伍選擇部分的染色體要與工作面相對應(yīng)，所以S應(yīng)為工作面總數(shù)的3 倍，即S=3n。染色體的1～S/3 段表示設(shè)備選擇，每個(gè)基因位對應(yīng)工作面可選擇的設(shè)備序號；染色體的（S+3）/3～2S/3 段表示工作面選擇，每個(gè)基因位對應(yīng)工作面序號；染色體的（2S+3）/3～S段表示施工隊(duì)伍選擇，每個(gè)基因位對應(yīng)工作面可選擇的施工隊(duì)伍序號。

（2） 種群初始化。隨機(jī)產(chǎn)生初始種群。

（3） 構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)的有效性直接決定遺傳算法的搜索和進(jìn)化結(jié)果，定義適應(yīng)度函數(shù)為

（4） 選擇操作。采用輪盤賭法進(jìn)行染色體選擇操作。

（5） 交叉操作。對于表示工作面選擇部分的染色體，采用均勻交叉方式；對于表示設(shè)備和施工隊(duì)伍選擇部分的染色體，采用兩點(diǎn)交叉方式。

（6） 變異操作。對于工作面和施工隊(duì)伍選擇部分，變異方式為在染色體上的基因位任意取2 個(gè)位置，將其基因進(jìn)行倒位；對于設(shè)備選擇部分，變異方式為任取工作面可用設(shè)備范圍內(nèi)除當(dāng)前設(shè)備之外的其他設(shè)備。

（7） 考慮最晚開采時(shí)間對染色體合法性進(jìn)行判斷和調(diào)整。在實(shí)際煤礦開采過程中，對于特定工作面，存在最晚開采時(shí)間限制，即該工作面的開采時(shí)間不能晚于最晚開采時(shí)間。對染色體來說，無法直接判斷特定工作面的開采時(shí)間。因此，新生成的染色體（通過初始化、交叉、變異等操作生成的染色體）可能無法滿足最晚開采時(shí)間限制，本文將該情況稱為染色體不合法。

染色體的合法性判斷需要先對染色體進(jìn)行解碼，解碼后即可獲取每個(gè)工作面的開采時(shí)間。對于有最晚開采時(shí)間要求的工作面，如果其開采時(shí)間滿足最晚開采時(shí)間要求，則稱該染色體合法，否則為不合法。出現(xiàn)不合法的染色體時(shí)，需對其進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整思路是將有最晚開采時(shí)間要求的工作面提前，具體步驟如下。

步驟1：將不滿足最晚開采時(shí)間要求的工作面存儲(chǔ)至集合A，并按工作面在染色體中的位置從前到后排列。

步驟2：令r=1，對于A中第r個(gè)個(gè)體，如果該個(gè)體在染色體中的位置為1，則該問題無解，過程執(zhí)行完畢，否則將其與染色體中該個(gè)體前一個(gè)位置的工作面交換，即將該工作面提前1 位。令r=r+1，重復(fù)步驟2，直到r大于A中的個(gè)體數(shù)量。

步驟3：對步驟2 得到的調(diào)整后的染色體進(jìn)行合法性判斷，如果合法，過程執(zhí)行完畢，否則轉(zhuǎn)至步驟1。

（8） 終止算法。設(shè)置一定迭代次數(shù)來終止算法的搜索過程并輸出結(jié)果。

3.2 算法有效性驗(yàn)證

神東集團(tuán)2021 年度11 個(gè)綜采工作面設(shè)備的搬家倒面計(jì)劃如圖1 所示，其中綠色矩形塊表示綜采設(shè)備安裝工期，藍(lán)色矩形塊表示回采工期，黃色矩形塊表示綜采設(shè)備回撤工期，該計(jì)劃中搬家倒面工期為103 d。

圖 1 優(yōu)化前的綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃Fig. 1 Fully mechanized mining equipment removel plan during sequencing working face before optimization

利用本文算法得到優(yōu)化的綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃，如圖2 所示。該計(jì)劃中搬家倒面工期為91 d，與原計(jì)劃相比縮短了12 d，可看出本文算法在求解綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制問題方面是有效的。

圖 2 優(yōu)化后的綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃Fig. 2 Fully mechanized mining equipment removel plan during sequencing working face after optimization

4 綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃管理系統(tǒng)

4.1 需求分析

根據(jù)煤礦企業(yè)對綜采工作面設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制要求，結(jié)合本文算法，設(shè)計(jì)綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要需求如下。

（1） 對管理員、工作面、施工隊(duì)伍和綜采設(shè)備等基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理。

（2） 在滿足工期、資源等約束的條件下，制定優(yōu)化的綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃。

（3） 系統(tǒng)滿足易操作、穩(wěn)定性高、易維護(hù)等要求。

系統(tǒng)E-R 關(guān)系如圖3 所示，其中p為任務(wù)總數(shù)。

圖 3 綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃管理系統(tǒng)E-R 關(guān)系Fig. 3 E-R relationship of management system of fully mechanized mining equipment removel plan during sequencing working face

4.2 模塊設(shè)計(jì)

（1） 登錄/退出模塊?？紤]到企業(yè)信息安全，系統(tǒng)由具備相關(guān)權(quán)限的用戶使用。用戶輸入賬號和密碼后登錄系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。

（2） 人員管理模塊。該模塊用于系統(tǒng)用戶信息展示和修改，普通員工可在該模塊查看和修改個(gè)人信息，管理人員還可修改其他用戶信息。

（3） 工作面管理模塊。該模塊用于管理工作面信息，包括添加、刪除、修改等操作，還可錄入綜采工作面安裝、回撤和開采工期。該模塊的管理人員需能根據(jù)各工作面特點(diǎn)和采用的配套設(shè)備預(yù)測工期。

（4） 施工隊(duì)伍管理模塊。該模塊用于錄入施工隊(duì)伍信息，包括添加、刪除、修改等操作。

（5） 綜采設(shè)備管理模塊。該模塊用于對綜采設(shè)備基本信息進(jìn)行管理，包括添加、刪除、修改等操作。

（6） 工作面距離信息管理模塊。在研究綜采設(shè)備搬家倒面問題時(shí)，需考慮施工隊(duì)伍在不同礦井之間或同一礦井不同工作面之間運(yùn)輸設(shè)備的時(shí)間。該模塊用于錄入各工作面之間的距離信息。

（7） 搬家倒面計(jì)劃管理模塊。該模塊主要功能是根據(jù)其他模塊的信息生成搬家倒面計(jì)劃。本文設(shè)計(jì)的遺傳算法是該模塊的核心，算法參數(shù)由人工選擇。員工在使用系統(tǒng)過程中積累經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)面對不同規(guī)模的問題時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇高效的算法參數(shù)。因此，該模塊具有算法參數(shù)管理功能。

搬家倒面計(jì)劃生成是系統(tǒng)核心功能，從本質(zhì)上說，其他模塊都是為該功能服務(wù)的，因此，搬家倒面計(jì)劃管理模塊可自動(dòng)讀取工作面、施工隊(duì)伍和綜采設(shè)備等信息，并根據(jù)其狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，將篩選后的數(shù)據(jù)作為算法輸入，經(jīng)算法計(jì)算生成搬家倒面計(jì)劃。系統(tǒng)采用甘特圖和數(shù)據(jù)表相結(jié)合的方式展示搬家倒面計(jì)劃。

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫需滿足數(shù)據(jù)交換的安全性、可靠性、擴(kuò)展性等原則，以便對系統(tǒng)進(jìn)行有效維護(hù)和管理。根據(jù)系統(tǒng)E-R 關(guān)系設(shè)計(jì)員工表、工作面表、綜采設(shè)備表、施工隊(duì)伍表、工作面距離表、任務(wù)表等數(shù)據(jù)庫表。算法配置表和搬家倒面計(jì)劃表見表2、表3。

表 2 算法配置表Table 2 Algorithm configuration table

表 3 搬家倒面計(jì)劃表Table 3 Fully mechanized mining equipment removal plan table during sequencing working face

4.4 系統(tǒng)主要頁面設(shè)計(jì)

工作面管理頁面如圖4 所示，其為系統(tǒng)主頁面，可對工作面信息進(jìn)行添加、刪除和修改，并生成搬家倒面計(jì)劃。

圖 4 工作面管理頁面Fig. 4 Working face management interface

點(diǎn)擊“添加工作面”按鈕，可展示工作面設(shè)備選型頁面，如圖5 所示。每個(gè)工作面適用的綜采設(shè)備不局限于1 套，因此系統(tǒng)可對1 個(gè)工作面添加多套設(shè)備。

圖 5 工作面設(shè)備選型頁面Fig. 5 Equipment selection interface of working face

點(diǎn)擊“立即生成計(jì)劃”按鈕，會(huì)展示施工隊(duì)伍數(shù)量設(shè)置頁面，完成設(shè)置后，系統(tǒng)自動(dòng)生成綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃。

5 結(jié)論

（1） 以最小化最大完工時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，建立了綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對該模型進(jìn)行求解，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該算法的有效性。

（2） 基于綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃編制遺傳算法，開發(fā)了綜采設(shè)備搬家倒面計(jì)劃管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)搬家倒面計(jì)劃編制方式的低效率問題，有利于提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本。