基于C-F方法的露天煤礦輪斗連續工藝系統可靠性分析

郭 強，馬婧佳，王忠鑫，陳大偉

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

露天煤礦輪斗連續工藝系統具有生產效率高、成本低、能耗低、綠色環保等優勢，其自動化程度高，可實現智能化控制的特點符合礦山智能化的發展方向[1-4]。輪斗連續工藝系統集物料的采掘、運輸和排棄三個環節于一身，屬于串聯系統[5，6]。需滿足其物料流連續才能發揮能效的特性決定了系統要具有高可靠性。輪斗連續工藝系統設備組成復雜，使用工況多變，且存在地質、氣候和管理等較多不確定性影響因素，所以對其進行可靠性分析具有一定的工程實用價值，也存在一定難度。

目前針對露天礦半連續系統的可靠性研究較多，不同學者使用模糊有效度模型、排隊論模型及故障樹分析方法等對其進行了可靠性的計算和分析[7-13]。輪斗連續工藝系統可靠性計算方面的研究主要集中于整套設備或單一設備，沒有將系統本身與外部環境等因素相結合進行整體考慮。輪斗連續工藝現實應用中多會遇見外部環境、地質及人為因素影響引起的系統能力降低的問題，且這些因素具有不確定性。

針對上述問題，嘗試將不確定性推理方法C-F方法(可信度方法)應用到輪斗連續工藝系統的可靠性分析上。通過輪斗連續工藝系統可靠性影響因素分析，構建可靠性評價體系，采用C-F方法對輪斗連續工藝可靠性進行定量評價，分析薄弱環節，為輪斗系統提高可靠性及生產能力指明方向。

1 輪斗連續系統可靠性影響因素分析

1.1 輪斗連續工藝系統邏輯關系

根據露天煤礦輪斗連續工藝系統常規組成及相互關系建立了可靠性邏輯框圖，如圖1所示。輪斗連續工藝系統各環節設備之間的可靠性邏輯關系可以用串聯模型描述。

圖1 輪斗連續工藝系統邏輯關系

整套系統包括采、運、排三個環節，可據此簡化系統邏輯結構，將輪斗連續工藝系統分為采剝系統、膠帶運輸系統和排棄系統三部分，由于為串聯結構，所以三個子系統任一出現故障均會導致整體系統故障，連續系統最大故障為系統中斷。

1.2 系統可靠性影響因素

根據輪斗連續工藝系統的邏輯關系及故障模式，影響系統可靠性的因素可分系統本身故障因素和外部影響因素。影響系統可靠性的因素可根據生產的三個環節分別進行分析。

1.2.1 采剝系統

輪斗連續工藝采剝系統主要包括輪斗挖掘機及工作面轉載機等設備。影響其可靠性的因素主要包括系統設備機械、電氣、結構零件及液壓系統等故障，輪斗挖掘機與轉載機人為對中操作，還包括氣候(低溫冰凍、大風等影響)、巖石硬度、物料含水率、工作面含水等外部因素。

1.2.2 運輸系統

運輸系統主要包括工作面帶式輸送機、端幫沿線帶式輸送機及排土帶式輸送機等設備。影響其可靠性的因素主要包括機械、電氣驅動、結構零件等故障，地形沉降引起的帶式輸送機跑偏問題，還包括物料含水率等外部因素。

1.2.3 排棄系統

排棄系統主要包括排土工作面轉載機及排土機等設備。影響其可靠性的因素主要包括系統的液壓、電氣、機械及結構零件等故障，還包括氣候(大風等)、人為操作、物料含水率、工作面含水等外部因素。

綜上所述，三個子系統本身的機械性能參數故障影響因素類似，由于作業區域及功能不同導致外部影響因素存在一定的差別。機械故障引起的系統可靠性是可以通過統計分析等手段進行度量的，外部環境及人為因素是不確定的，難以度量的。使用現有可靠性評價方法，人為及環境等不確定性因素將很難進行評價，據此特點，采用C-F方法將各種因素進行統一量化處理。

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，是可對不確定性的初始證據進行處理的一種推理方法。可信度方法[16-19]是以確定性理論(Thory of Comfirmation)為基礎結合概率論而進行不確定性推理的一種方法，表示根據經驗對事物的相信程度，是一個主觀性的概念。

可信度模型是從不確定初始證據出發，經過不確定合成、傳遞、疊加，最終得出事物可信度的過程[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合條件影響；h為結論，表示為e條件下對h的影響程度。C-F模型可寫成：

CF(h，e)=MB(h，e)-MD(h，e)

(1)

式中，MB(h，e)為條件e對結論h的信任增強度；MD(h，e)為條件e對結論h的不信任增強度。MB(h，e)和MD(h，e)可由P(h)與P(h|e)之間的關系確定，見式(2)與(3)，其中P(h)為h的先驗概率；P(h|e)為條件概率。

MB(h，e)和MD(h，e)取值范圍取[0，1]。考慮到實際應用條件下，同一個證據不可能既增加對h的信任程度，又增加對h的不信任程度，所以MB(h，e)和MD(h，e)是互斥的，所以根據可信度定義及式(1)—(3)，可得到CF(h，e)的計算公式：

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

2.1 賦值原則

根據輪斗連續工藝系統可靠性評價的實際需要，設定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對結論h的發生越是支持CF(h，e)越接近1；②條件e對結論h的發生越是不支持CF(h，e)越接近0；③條件e對應證據與h無關，CF(h，e)=0。

2.2 組合證據可信度計算

對證據的組合形式，各證據間地位或對結論的支持程度相同時，可信度計算方法可分為合取和析取兩種情況，即選取各證據組合的合集與并集。考慮到輪斗連續工藝工程實際，各影響因素間對系統可靠性的支持程度不同，采用加權計算方法，引入權重概念，標記某個證據對結論成立的影響程度。

2.3 不確定性的傳遞算法

CF模型中的不確定性推理實際上是從不確定性的初始證據出發，不斷運用相關的不確定性知識，逐步推出最終結論和該結論的可信度的過程。傳遞算法如下：

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)

(7)

3 露天礦輪斗連續工藝系統C-F模型構建

3.1 露天礦概況

扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續工藝系統整套設備經安裝調試，2014年5月系統進行空載性能測試；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用已近6年，由于表土工作面涌水問題嚴重，輪斗工藝自投入使用以來一直沒有達到預期的生產能力。

輪斗連續系統由一臺生產能力為6600m3/h的輪斗挖掘機和生產能力為7900m3/h的帶式輸送機以及一臺生產能力為7900m3/h的排土機組成。

3.2 可靠性評價體系建立

在充分分析扎哈淖爾露天礦輪斗連續工藝系統可靠性影響因素基礎上，構建了輪斗連續工藝系統可靠性評價體系，如圖2所示。該評價體系包括3個一級證據，19個二級證據，包括了影響輪斗連續工藝系統可靠性的各項因素。

3.3 模型賦值

考慮到不同級別的各項證據內容，C-F模型的賦值將采用專家打分與實際生產數據統計分析相結合的方式進行，對于可量化的證據類型，相關數據的收集、統計分析要保證準確，實現可信度的準確量化；對于不可量化的模糊性證據，采用專家打分進行模糊評價，專家打分要保證客觀、科學、公正的原則。打分標準采用0.1～1標度法[16，19]見表1。

部分不可量化證據類型專家打分結果見表2。以參考文獻[5]表3.1中的扎哈淖爾露天礦統計數據為基礎，根據故障樹頂事件發生概率計算公式對部分可量化證據類型的可靠性概率進行了計算，計算結果見表3。

圖2 輪斗連續工藝系統可靠性評價體系

表1 可信度專家打分標準

表2 不可量化證據類型專家打分結果

表3 可量化證據類型數據計算結果

3.4 權重計算

對于最底層證據，認為各項因素對輪斗連續工藝系統的可靠性影響程度不相同，權重系數采用主客觀綜合賦權法[20-22]確定；對于中間層證據，認為其對上一層證據影響程度相同，權重系數取1/n(n為最低層證據數)。

權重計算過程：根據1～9尺度打分規則構造判斷矩陣，利用層次分析法計算主觀權重；利用熵權法計算客觀權重，以“加法集成法”計算綜合權重作為系統各因素權重。

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

運輸系統各因素權重：ω2=(0.1191，0.3949，0.3130，0.1730)T。

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

3.5 證據合成及傳遞計算

首先對底層證據進行合成計算，根據賦值結果及權重取值原則，結合表2和表3數據代入式(8)，組合證據可信度計算得：

根據底層初設證據所得結論傳遞至中間層作為證據，根據權重指標，中間層證據可信度為：

最終根據不確定性的傳遞算法計算輪斗連續工藝系統可靠度。

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0.6535

(10)

從推理過程中可以發現，采剝系統可靠度最低為0.8337，說明其受外部因素影響最大；膠帶運輸系統可靠度最高為0.9399，說明其受影響最小。通過對各項影響因素進行可信度的組合與傳遞，計算出扎哈淖爾露天礦輪斗連續工藝系統可靠度為0.6535，對照表1，屬于中等水平。

4 提高系統可靠性的方法

通過計算得出扎哈淖爾露天礦輪斗連續工藝系統可靠度為0.6535，屬中等水平，其中采剝系統部分對輪斗系統可靠性影響最大，結合分析過程及露天礦生產問題，外部條件下工作面含水導致承壓力下降的影響占主導因素，因此針對此方面提出了提高輪斗連續系統可靠性的方法。

首先分析輪斗作業區域地下水賦存情況，建立三維水文地質模型，為輪斗布置水平提供參考依據；其次結合輪斗布置將疏干與采礦工藝相結合，提出通過滲水孔(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不需充填水泥基質漿液，利用旋挖機鉆孔，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律，將被薄隔水層阻隔的上層潛水疏降至基巖面層，最終實現作業臺階含水量降低；疏干后輪斗作業條件改善，輪斗臺階含水量減少，進而提高輪斗連續系統的可靠性及效率。

5 結 論

1)根據輪斗連續工藝系統邏輯關系，全面分析了可靠性的影響因素，提出采用C-F方法對輪斗連續工藝系統各環節及外部影響因素的不確定性進行統一度量的新思路。

2)針對扎哈淖爾露天礦輪斗連續工藝系統構建了系統可靠性評價體系，包括3個一級證據和19個二級證據；將輪斗連續系統實際生產故障統計數據作為輸入參數，采用C-F方法確定了系統的可靠度為0.6535，屬中等水平。

3)針對輪斗連續系統薄弱環節及重點影響因素提出了改進方法，將疏干與采礦工藝相結合，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，改善臺階含水情況，最終提高輪斗連續工藝系統可靠性。