选择煤炭回采工艺方式的递阶结构模型与求解.pdf

1999年8月系统工程理论与实践第8期 选择煤炭回采工艺方式的递阶结构模型与求解 张朋柱 刘 军 西安交通大学战略与决策研究所 陕西 西安710049 摘要 对煤矿生产管理过程中影响经济效益较大的工艺方式选择问题 从煤矿生产的经济效益 社会 效益 技术因素 以及管理因素四个方面进行了系统的分析 提出了以综合评价指标为总目标的递阶式 结构回采工艺方式选择模型 并给出了基于层次分析法求解该模型的方法步骤 关键词 微观经济管理 决策模型 层次分析法 问题求解 Modeling Hierarchically and Solving the Problem of Choosing CoalM iningM ethods ZHAN G Pengzhu L I U Jun Xi an Jiaotong U nivesity Xi an 710049 Abstract W hat type of coalm ining methods is used in a working face w ill affect the out2 comes of the coalm ine In thispaper a combined decision modelw ith hierarchical structure has been built based on the systematic analysisof econom ic profits socialoutcomes techno2 logical factors and management levels Then the model solving approach is also given ref2 ered to AHP approach Keywords m icro2econom ic control decision2making model AHP problem solving 1 引言 在煤炭生产企业中 回采工艺方式的选择是在确定某一采区是否投产时必须考虑的问题 它决定产品 的成本 质量及与此相关的许多非直接的成本 具体来说 在新工作面投入生产之前 往往需要根据工作面 煤层地质条件选择回采工艺方式 如果工作面煤层地质条件与所采用的工艺方式相适应 则相应设备的效 能就能得到充分的发挥和利用 相反 如果工作面煤层地质条件与所采用的工艺方式不相适应 那么工作面 的生产能力就可能会受到限制 严重的情况下还可能导致工作面生产条件恶化 管理困难 因此 在煤矿实际生产管理过程中 生产工艺方式的选择是一个比较复杂的决策 以往工作面回采方式 的选择时 往往只考虑工作面煤层地质条件与所选择的生产工艺方式是否相适应的问题 1 但是 仅仅将这 一方面作为选择生产方式的准则是不够的 对企业而言 选择工作面的生产工艺方式的目的即是为使煤矿 综合效益最好 即选择工作面的生产工艺方式的多目标综合评价最佳 这不是由工作面煤层地质条件一个因 素决定的 为此 早在1989年 作者和俞书伟教授就曾从盈亏平衡的角度研究了回采工艺方式选择的经济 合理性问题 2 本文在煤矿生产的经济效益 社会效益 技术因素以及管理因素四个方面进行系统分析的基 础上 提出了以综合评价指标为总目的的递阶式结构回采工艺方式选择模型 并给出求解模型的层次分析方 法 收稿日期 1997210214 资助项目 国家自然科学基金资助项目 批准号 79600017 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 2 选择回采工艺方式的递阶结构模型 煤矿生产的目的首先是要取得经济效益 但又要保证生产安全和低强度劳动的社会效益要求 对于选择 回采工艺问题来说经济效益是由煤炭产量 获利能力 劳动生产率及初期投资决定的 社会效益即资源回收 率 劳动环境 完全性 同时 煤矿生产工艺的选用又必须考虑煤层埋藏地质条件适用的技术装备和煤矿管 理与作业人员操作使用设备的水平 这样我们将各项效益和因素给出如下 经济效益 产量 获利率 工效 初期投资 社会效益 资源回收率 劳动环境 安全性 技术因素 自然地质条件 采面技术装备条件 管理因素 管理人员素质 作业人员素质 我国煤矿目前可选择的工艺方式有打眼放炮采煤 普通机械化采煤和综合机械化采煤三种方式 所以有 图1所示的工艺方式选择递阶结构模型 图1 3 基于层次分析法的递阶结构模型求解过程 对于图1给出的生产工艺方式选择递阶结构模型 下面我们研究如何采用层次分析法 AHP 来进行生 产工艺方式的优选 层次分析法是美国匹兹堡大学教授T L Satty于70年代中期提出的 层次分析法本质上是一种决策 思维方式 它把复杂的问题分解为各组成因素 将这些因素按支配关系分组以形成有序的递阶层次结构 通 过两两比较判断的方式确定每一层次中因素的相对重要性 然后在递阶层次结构内进行合成以得到决策因 素相对于目标的重要性的总顺序 3 这里我们记第一层目标层为Z 第二层子目标层Z 因素为Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 第三层准则层因素为y1 y2 y11 第四层决策层供选方式变量为x1 x2 x3 经过对专家的咨询调查 我们有各准则相对重要性两两比较的判断矩阵如表1 2 3 4 5 6所示 821系统工程理论与实践1999年8月 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 表1 判断矩阵Z Z 综合评价指标技术因素经济效益社会效益管理因素 技术因素1536 经济效益1 511 33 社会效益1 3315 管理因素1 61 31 51 max 4 1503 C I max n n 1 0 0501 C R C I R I 0 0557 0 5554 0 1195 0 2661 0 0589 T 表2 判断矩阵Z 1 Y 技术因素自然地质条件采面技术装备条件 自然地质条件15 采面技术装备条件1 51 max 2 C I max n n 1 0 R I 0 0 8333 0 1667 T 表3 判断矩阵Z 2 Y 经济效益产量获利率工效初期投资 产量11 275 获利率2197 工效1 71 911 3 初期投资1 51 731 max 4 1025 C I max n n 1 0 0342 R I 0 90 C R 0 0380 0 3286 0 5390 0 0439 0 0885 T 表4 判断矩阵Z 3 Y 社会效益资源回收率劳动环境安全性 资源回收率11 31 7 劳动环境311 5 安全性751 max 3 0649 C I max n n 1 0 0324 R I 0 58 C R 0 0559 0 0810 0 1884 0 7306 T 表5 判断矩阵Z 4 Y 管理因素管理人员素质作业人员素质 管理人员素质15 作业人员素质1 51 921第8期选择煤炭回采工艺方式的递阶结构模型与求解 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved max 2 C I max n n 1 0 R I 0 0 8333 0 1667 T 由上述方法得到准则因素y y1 y2 y11 对回采工艺方式选择这个总目标Z的影响程度的权值 z y 1 2 11 汇总得到表6 表6 指标体系权重汇总表 准则层Z 权值准则层y权值合成权重 Z y 技术因素0 5554 自然地质条件0 83330 4628 采面技术装备条件0 16670 0926 经济效益0 1195 产量0 32860 0393 获利率0 53900 0644 工效0 04390 0052 初期投资0 08850 0106 社会效益0 2661 资源回收率0 08100 0215 劳动环境0 18840 0501 安全性0 73060 1944 管理因素0 0589 管理人员素质0 83330 0491 作业人员素质0 16670 0098 C I 0 5544 0 0 1195 0 0342 0 2661 0 0342 0 0589 0 0 0092 R I 0 5544 0 0 1195 0 90 0 2661 0 58 0 0589 0 0 2167 C R C I R I 0 0424 同样 对三种工艺方式x x1 x2 x3 运用成对比较法得到x x1 x2 x3 对第三层准则yi的成对比较 阵为Bi i 1 2 11 再算出x对yi的权向量 yi x 并检验一致性 可得到x对y的权值矩阵 Ry x y1 x1 y1 x2 y1 x3 y2 x1 y2 x2 y2 x3 y3 x1 y3 x2 y3 x3 y11 x1 y11 x2 y11 x3 在第三层的11项的准则中 对除自然地质条件外的10项准则 我们可以运用专家评分法 由炮采 机采 和综采三种方式相对各准则进行两两比较 得出其排序量 yi x i 2 3 11 表7所示为某矿采区设计 时选择工艺方式的专家评分处理结果 对于自然地质条件准则来说 要在具体工作面情况条件下确定 y1 x 由于在该准则中包含考虑的因 素较多 不能简单由人比较判断而定 因此我们采用更准确的方法来确定其排序向量 根据文献 1 在考虑选择回采工艺方式需考虑的因素及指标时 从煤层自然地质条件着手 选择9项影 响回采工艺方式选择的地质技术因素和指标 工作面采高 煤层倾角 煤层顶板条件 煤层底板条件 煤厚变 异系数 断层综合影响系数 夹矸系数 工作面走向长度 工作面长度 针对工作面地质因素的隶属函数大多凭个人经验确定 因而具有较大的局限性的情况 采用将随机性和 031系统工程理论与实践1999年8月 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 模糊性联系起来 用数理统计的方法确定影响回采工艺方式选择的地质因素的隶属函数 吸取了工程技术人 员及设计人员的成功经验 从而使所确定的隶属函数更切实际 表7 三种工艺方式对准则层y的排序向量 炮采机采综采准则层y 0 090 180 73采面技术装备条件 0 080 230 69产量 0 090 270 64获利率 0 070 320 61工效 0 780 140 08初期投资 0 220 670 11资源回收率 0 090 240 67劳动环境 0 120 170 71安全性 0 140 290 57管理人员素质 0 090 180 73作业人员素质 设论域为U A1 A2 A3分别表示综采 机采 炮采三种回采工艺方式 它们是H U 中的模糊子集 H U 为U上全部模糊子集所构成的集合类 C是U上的样本 它可用一多维向量来表示 即C C1 C2 C9 T Ai C i 1 2 3 表示样本C从属于Ai模糊子集程度的隶属函数 而 Ai Cj i 1 2 3 j 1 2 9 表示由样本C的Cj指标考察C而给出的样本C从属于Ai模糊子集程度的隶属函数 其隶属函数 Ai Cj 定义为 A i Cj PA i Cj 6 3 k 1 PAk Cj i 1 2 3 j 1 2 9 式中PAk Cj 是表示Ak模糊子集的样本相对于Cj指标变化的概率密度 经对116个回采工艺方式选择较好的工作面进行分析 利用概率论和数理统计方法求得概率密度 PA i Cj i 1 2 3 j 1 2 9 如下表8 9 10所示 表8 地质因素指标的概率密度 分布形式及其参数 指标概率密度分布形式 参 数 1 工作面采高 PA1 C1 正态2 310 63 PA2 C1 正态1 600 59 PA3 C1 截尾正态1 310 90 煤层倾角 PA1 C2 负指数12 66 PA2 C2 正态25 1510 27 PA3 C2 正态30 2513 19 煤厚变异系数 PA1 C5 负指数0 28 PA2 C5 正态0 470 23 PA3 C5 正态0 620 29 131第8期选择煤炭回采工艺方式的递阶结构模型与求解 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 续表8 地质因素指标的概率密度 分布形式及其参数 指标概率密度分布形式 参 数 1 断层综合 影响系数 PA1 C6 负指数0 12 PA2 C6 正态0 260 14 PA3 C6 正态0 380 13 夹矸系数 PA1 C7 负指数0 10 PA2 C7 正态0 240 11 PA3 C7 正态0 350 14 工作面 走向长度 PA1 C8 正态1108212 PA2 C8 正态816138 PA3 C8 正态61394 工作面 长度 PA1 C9 正态14119 PA2 C9 正态11222 PA3 C9 正态9028 表9 煤层顶板条件的概率密度 顶板稳定性稳定中等稳定不稳定极不稳定 PA1 C3 0 470 380 150 PA2 C3 0 220 390 250 14 PA3 C3 0 160 280 310 25 表10 煤层底板条件的概率密度 底板稳定性稳定中等稳定不稳定极不稳定 PA1 C4 0 420 390 190 PA2 C4 0 250 390 250 11 PA3 C4 0 190 280 310 22 根据以上求出 A i Cj 可利用模糊综合评价方法求得 A i C 6 9 j 1 Wj A i Cj i 1 2 3 式中Wj j 1 2 9 为Cj的权值 它满足6 9 j 1 Wj 1 各指标的权值用专家评议方法求得 其结果见表11 表11 指标的权值 指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9 权值0 0850 1300 1370 0610 1160 2930 0710 0480 059 由此得到隶属度向量 A1 C A2 C A3 C 可作为 y1 x 即三种工艺方式根据自然地质条件准则 的排序向量 下转第139页 231系统工程理论与实践1999年8月 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 可靠性奠定了基础 参 考 文 献 1 KellerA Z KamathA R ReliabilityA nalysisof CNCM achine ToolsReliability Engineering 1982 3 449 473 2 Rex Thompson Partne