張崇欣,李克民,肖雙雙
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)
自移式破碎系統(tǒng)作為近年發(fā)展迅速的一種半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng),受到業(yè)界越來越多的關(guān)注,在國(guó)內(nèi)礦山逐漸得到應(yīng)用。該系統(tǒng)可使礦山物料在運(yùn)輸過程中擺脫卡車的使用,避免了單斗卡車工藝昂貴的運(yùn)輸費(fèi)用和燃油費(fèi)用[1]。
自移式破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力受眾多因素影響,系統(tǒng)的正常運(yùn)行需機(jī)械鏟、自移式破碎機(jī)和帶式輸機(jī)緊密配合,故其對(duì)礦山生產(chǎn)管理水平提出了更高的要求。管理者需要了解各因素對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的影響,并能有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力,才能合理調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃[2]。因此,建立各影響因素與系統(tǒng)生產(chǎn)能力之間的關(guān)系模型,進(jìn)而預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力對(duì)礦山正常生產(chǎn)具有重要意義。
通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析,在設(shè)備參數(shù)和礦山地質(zhì)條件一定的情況下,影響自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的主要因素有:礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平、電鏟司機(jī)的操作水平、穿爆質(zhì)量、工藝參數(shù)設(shè)置、工作面準(zhǔn)備情況,而這五個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)又可用電鏟作業(yè)周期時(shí)間、炸藥單耗、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間三個(gè)指標(biāo)量化反映[3]。如圖1所示。
圖1 影響系統(tǒng)生產(chǎn)能力因素
自移式破碎機(jī)系統(tǒng)由電鏟、自移式破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)多個(gè)環(huán)節(jié)組成,每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備使用情況都直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的正常使用。只要一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備出現(xiàn)問題,整個(gè)系統(tǒng)便無法使用,故礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力有很大影響。礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平越高,各設(shè)備正常使用時(shí)間越長(zhǎng),系統(tǒng)時(shí)間利用系數(shù)就越大,其生產(chǎn)能力便越大[3]。
電鏟的滿斗系數(shù)、采裝周期等直接受電鏟司機(jī)操作水平的影響,電鏟司機(jī)的操作水平越高,平均滿斗系數(shù)就越大,采裝周期就越短,相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力也就越大[4]。同時(shí),電鏟司機(jī)的操作水平還對(duì)工作面臺(tái)階的平整度有影響,這對(duì)后期系統(tǒng)工作面膠帶的移設(shè)效率有影響。
穿爆質(zhì)量主要體現(xiàn)在礦巖破碎塊度、爆堆幾何參數(shù)和爆堆松散程度[2]等指標(biāo)上。在礦山生產(chǎn)中,絕大多數(shù)物料都需先經(jīng)過爆破才能挖掘,爆破的質(zhì)量直接影響著物料塊度大小。在用電鏟進(jìn)行鏟裝操作時(shí),其滿斗率受物料塊度的影響,故爆破質(zhì)量直接影響著系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。
在一定范圍內(nèi),炸藥單耗越大,爆堆的松散性越好,礦巖的破碎塊度越小,電鏟的滿斗系數(shù)就越大,系統(tǒng)的生產(chǎn)效率也就越高。
在設(shè)備參數(shù)一定的情況下,自移式破碎機(jī)工藝參數(shù)主要包括臺(tái)階開采組合方式(單臺(tái)階開采或多臺(tái)階組合開采)、采掘帶寬度、工作面膠帶移設(shè)周期、臺(tái)階坡面角、臺(tái)階高度、爆堆尺寸等,這些因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力造成影響。只有根據(jù)具體設(shè)備設(shè)置合理的系統(tǒng)工藝參數(shù),才能最大限度發(fā)揮設(shè)備能力,提高設(shè)備產(chǎn)量。
如合理采掘帶寬度能減少電鏟回轉(zhuǎn)周期時(shí)間,提高單位之間電鏟鏟裝量;合理的臺(tái)階開采組合方式能有效降低工作面膠帶移設(shè)次數(shù),提高系統(tǒng)有效工作時(shí)間,從而增加系統(tǒng)產(chǎn)量。
工作面膠帶是系統(tǒng)重要的組成部分,主要負(fù)責(zé)將經(jīng)自移式破碎機(jī)破碎的物料運(yùn)往端幫干線膠帶。工作面膠帶的特點(diǎn)在于其需隨著工作線的推進(jìn)周期性移設(shè),這就要求在工作面待移設(shè)位置為其準(zhǔn)備好平整的基礎(chǔ)。因此,工作面的準(zhǔn)備情況將直接影響工作面膠帶的移設(shè)周期,從而影響系統(tǒng)的有效利用率。
工作面準(zhǔn)備情況主要與礦山爆破水平與采裝管理水平有關(guān)。爆破時(shí)產(chǎn)生拉底或采裝時(shí)下挖過深都會(huì)影響工作平盤的平整度,對(duì)工作面膠帶移設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。
根據(jù)上文分析,由于各影響因素對(duì)目標(biāo)值產(chǎn)生直接影響,近似將其當(dāng)做線性關(guān)系處理[5]。將三個(gè)量化指標(biāo)作為自變量,以系統(tǒng)生產(chǎn)能力為因變量,構(gòu)建三元線性回歸模型。
多元線性回歸模型為
式(1)中,β0、β1、…、βm、σ2稱為回歸系數(shù),現(xiàn)得到n個(gè)獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)(yi,xi1,…,xim),i=1,…,n,n>m,由式(1)得
式(1)中,參數(shù)β0、β1、…、βm用最小二乘法估計(jì),選取估計(jì)值,使當(dāng)βj=,j=0,1,2,…,m時(shí),誤差平方和達(dá)到最小。誤差平方和計(jì)算公式見式(3)。
當(dāng)矩陣X為列滿秩時(shí),XTX為可逆方陣,式(4)的解為
將伊敏露天煤礦某年月生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)帶入,則可求解此模型。如表1所示。
表1 伊敏露天煤礦自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)
計(jì)算得=[327.12 -6.23 77.60 0.11]T,即。設(shè)顯著性水平α=0.05,F(xiàn)=87>F0.05(3,8)=4.07,所以拒絕H0,即自變量與因變量之間線性關(guān)系顯著,模型合理[6-7]。計(jì)算本模型模型誤差約為7%。
圖2 多元線性回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在擬合數(shù)據(jù)時(shí)有三大優(yōu)點(diǎn):可模仿包括非線性、分段等多種函數(shù);不需要預(yù)先假設(shè)數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系類型和參數(shù)分布;信息利用率高,避免了系統(tǒng)數(shù)據(jù)辨識(shí)方法在序列累加時(shí)因正負(fù)抵消而產(chǎn)生信息失真現(xiàn)象[8]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與線性模型組合使用,可綜合反映數(shù)據(jù)線性及非線性特征,體現(xiàn)數(shù)據(jù)變化過程中的趨勢(shì)性、周期性和隨機(jī)性特征[9]。因此,本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多元線性回歸模型進(jìn)行殘差修正,提出多元線性回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測(cè)模型。
模型建立具體步驟如下所示。
2)BP網(wǎng)絡(luò)模型修正殘差序列。設(shè) {e(0)(T)}為多元線性回歸模型的殘差序列,預(yù)測(cè)階數(shù)為S,即用e(0)(t-1)、e(0)(t-2)、…、e(0)(t-S)(t= 1,2,3…,n)的信息來預(yù)測(cè)t時(shí)刻的值,將e(0)(t-1)、e(0)(t-2)、…、e(0)(t-S)的值作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入樣本數(shù)據(jù),e(0)(t)的值作為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸出樣本。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法,通過一定量的殘差序列數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練這個(gè)網(wǎng)絡(luò)[10]。
由前文多元線性回歸模型得出的殘差序列為
對(duì)式 {e(0)(T)}建立BP網(wǎng)絡(luò)模型,設(shè)計(jì)采用輸入層3個(gè)節(jié)點(diǎn),隱含層1層,隱含層7個(gè)節(jié)點(diǎn),輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè),學(xué)習(xí)率為0.6,收斂率為0.01,均方差誤差限制在0.01的網(wǎng)絡(luò)[11]。利用 MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具性編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測(cè)試,最后得出4~12月產(chǎn)量的殘差序列預(yù)測(cè)值。
組合模型模型預(yù)測(cè)值誤差為1.42%,明顯優(yōu)于多元線性回歸模型。組合模型模型預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比見圖3。
通過上面實(shí)例可見組合模型預(yù)測(cè)精度明顯提高。
圖3 組合模型預(yù)測(cè)結(jié)果
1)自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)作為一個(gè)生產(chǎn)能力受眾多因素影響的綜合系統(tǒng),對(duì)其生產(chǎn)能力影響因素的分析以及對(duì)生產(chǎn)能力進(jìn)行合理預(yù)測(cè),對(duì)于合理安排露天礦生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃,保證露天礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行具有重要意義。
2)影響自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的主要因素有:礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平、電鏟司機(jī)的操作水平、穿爆質(zhì)量、工藝參數(shù)設(shè)置、工作面準(zhǔn)備情況,而這五個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)又可用電鏟作業(yè)周期時(shí)間、炸藥單耗和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間三個(gè)指標(biāo)量化反映。
3)自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力與影響因素之間既有線性關(guān)系,又有非線性關(guān)系,其中以線性關(guān)系為主。利用多元線性回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型組合預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力,預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4)礦山管理人員可根據(jù)本文提供的方法對(duì)自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)能力進(jìn)行預(yù)測(cè),也可以通過系統(tǒng)生產(chǎn)能力與各影響因素之間的關(guān)系,在系統(tǒng)生產(chǎn)能力及部分影響因素確定的情況下,通過對(duì)剩余指標(biāo)的調(diào)整使得系統(tǒng)順利完成既定生產(chǎn)任務(wù)。如某月設(shè)備出動(dòng)率不足,可適當(dāng)提高爆破質(zhì)量來保證系統(tǒng)完成計(jì)劃產(chǎn)量。
[1]張國(guó)營(yíng),才慶祥,周偉,等.伊敏河露天煤礦自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)可靠性研究[J].煤炭工程,2010(7):42-44.
[2]張達(dá)賢,張幼蒂.露天采礦新工藝[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.
[3]駱中州.露天采礦學(xué)(上冊(cè))[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)學(xué)院出版社,1986.
[4]張建平.露天礦電鏟鏟裝效率影響因素的分析[J].化工礦山技術(shù),1995,24(5):8-10.
[5]王惠文,孟潔.多元線性回歸的預(yù)測(cè)建模方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(4):500-504.
[6]Fisher R A.The use of multiple measurementsin taxonomic problems[J].Ann of Eugenics,1936(7):179-188.
[7]Roger A H,Charles R J.Translated by YangQi.Matrix Analysis[M].Beijing:Machinery Industry Press,2005.
[8]王旭,王宏,王文輝.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社,2007.
[9]李國(guó)勇.神經(jīng)模糊控制理論及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.
[10]朱大奇,史慧.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.
[11]董四輝,史卓屾.道路交通事故BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2010,20(9):15-19.