高爐軟熔帶位置狀態(tài)的二級(jí)模糊綜合評(píng)判

楊貴軍,蔣朝輝

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

高爐軟熔帶位置狀態(tài)的二級(jí)模糊綜合評(píng)判

楊貴軍,蔣朝輝

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

通過對(duì)高爐生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行提取、分類,提出一種基于熵權(quán)可拓理論的二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型來評(píng)估高爐軟熔帶的位置狀態(tài)的方法?？赏乩碚撏ㄟ^引入物元的概念建立物元模型,用熵權(quán)法計(jì)算各物元指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合對(duì)高爐軟熔帶位置狀態(tài)的進(jìn)行綜合評(píng)判,并以某鋼鐵廠2 650 m3高爐為實(shí)例對(duì)其軟熔帶位置狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)判,得出與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況反映的狀態(tài)相吻合的評(píng)判結(jié)果。

高爐；模糊數(shù)學(xué)；位置狀態(tài)；物元模型

高爐是鋼鐵生產(chǎn)中CO2的主要排放工序和能耗最大的環(huán)節(jié)。高爐軟熔帶由軟熔層和焦炭層相互交替排列構(gòu)成,是高爐內(nèi)徑向上礦焦比急劇變化的區(qū)帶,高爐解剖及實(shí)驗(yàn)?zāi)M已經(jīng)證實(shí)了它的存在[1],爐料的軟熔性及高爐操作制度是影響軟熔帶形成的主要因素。高爐軟熔帶不僅支配著氣流分布,直接影響高爐煤氣利用率,對(duì)爐內(nèi)熱交換、還原過程和透氣性也有極大影響。因此,正確評(píng)判一個(gè)高度適當(dāng)?shù)能浫蹘?對(duì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)具有十分重要的意義。

近年來高爐軟熔帶的研究分2個(gè)方向進(jìn)行[2],一是開發(fā)硬件裝置直接測(cè)定,如放射性同位素測(cè)定(RI法)、光脈沖測(cè)定法、爐溫度測(cè)定法等；二是根據(jù)高爐特有的檢測(cè)手段和生產(chǎn)操作參數(shù)，建立特定的數(shù)學(xué)模型間接推定。目前開發(fā)的數(shù)學(xué)模型[3]主要有兩種：一種從溫度場(chǎng)出發(fā),一種從壓力場(chǎng)出發(fā),建立高爐軟熔帶數(shù)學(xué)模型。但由于影響軟熔帶的因素多、關(guān)系復(fù)雜，高爐本身密閉、高溫的等運(yùn)行環(huán)境較為惡劣,且各高爐的檢測(cè)設(shè)備條件存在缺陷,上述硬件測(cè)定方法和模型模擬法僅用于試驗(yàn)性研究,無法用于真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)過程。因此，根據(jù)爐頂煤氣成分、爐頂壓力、爐頂溫度、十字測(cè)溫、冷卻壁溫度、鐵水溫度等過程參數(shù),結(jié)合機(jī)理和高爐操作者經(jīng)驗(yàn),研究大型高爐軟熔帶完整的評(píng)價(jià)體系和方法,正確評(píng)判高爐軟熔帶位置狀態(tài),對(duì)高爐工作者了解爐內(nèi)狀況，提高高爐監(jiān)控水平,降低能耗,減少排放都十分必要。本文對(duì)高爐生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行提取與分類，確立模糊綜合評(píng)判的兩級(jí)因素集,進(jìn)而建立二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。

1 參數(shù)的提取與分類

高爐軟熔帶形成主要受到爐料的軟熔性、高爐操作制度等因素的影響,而位置的改變直接反應(yīng)在煤氣利用率、爐頂溫度、鐵水質(zhì)量等狀態(tài)參數(shù)上。與高爐軟熔帶相關(guān)的因素眾多,關(guān)系復(fù)雜,且具有不確定性和模糊性,本文通過對(duì)某高爐所能檢測(cè)的參數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行提取、分類,確定1級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),每類參數(shù)下提取若干個(gè)因素作為2級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo) (如表1所示),從而建立2級(jí)模糊綜合評(píng)判模型對(duì)軟熔帶的位置狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。

表1 高爐軟熔帶2級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 模糊評(píng)判模型的建立

自1965年美國自動(dòng)控制專家L.A.Zadeh提出模糊集合理論(fuzzy sets)[4],迄今已形成一個(gè)完整的數(shù)學(xué)分支,并廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。模糊綜合評(píng)判主要涉及4個(gè)要素：評(píng)語集V,因素集X,隸屬矩陣M和模糊權(quán)向量A。本文根據(jù)影響因素的層次性,采用二級(jí)模糊評(píng)判。

2.1 單因素評(píng)判

2.1.1 模型

設(shè)Wi為第2級(jí)模糊權(quán)向量,運(yùn)用加權(quán)平均型合成運(yùn)算,則第i類因素的模糊綜合評(píng)判為：

2.1.2 基于可拓理論的隸屬矩陣的確定

本文引入可拓學(xué)[5-6]中的關(guān)聯(lián)函數(shù)來確定隸屬函數(shù),將評(píng)判集由單一的確定值轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)間值,更全面地評(píng)判對(duì)象隸屬集合的程度。

可拓學(xué)定義距的概念來描述點(diǎn)與區(qū)間的距離。將實(shí)軸上點(diǎn)x與區(qū)間X0=(=[a,b],[a,b),(a, b]or(a,b))的距定義如式(3),在距的基礎(chǔ)上,設(shè)區(qū)間X0=,X=,且X0?X,建立關(guān)聯(lián)函數(shù)如式(4)。

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)式(4),計(jì)算各參數(shù)與高爐軟熔帶各位置評(píng)判狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度：

2.1.3 熵權(quán)法確定權(quán)系數(shù)矩陣

熵權(quán)法[7-8]是根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的變動(dòng)程度所反映的信息量大小確定權(quán)重的一種客觀賦權(quán)法。它適用于多對(duì)象、多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果依據(jù)客觀資料,在很大程度上避免了人為因素的干擾。

熵權(quán)法的步驟如下：

Step 1,構(gòu)建評(píng)判矩陣Mi(本文即RiT),并對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化處理,為方便仍記為Mi。

Step 3,計(jì)算各因素的熵權(quán)

2.2 二級(jí)模糊綜合評(píng)判

2.2.1 模型

再對(duì)第1級(jí)因素集U={U1,U2,U3,U4,U5}作綜合評(píng)判,設(shè)W為二級(jí)模糊權(quán)向量,按加權(quán)平均型合成運(yùn)算,則二級(jí)模糊綜合評(píng)判為：

式中：R為二級(jí)評(píng)判隸屬矩陣,i=1,2,…,5，wi為第1級(jí)因素Ui其相對(duì)于評(píng)判集的權(quán)重,B為二級(jí)模糊評(píng)判最終結(jié)果矩陣。至此,高爐軟熔帶位置狀況的二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型已建立,最后根據(jù)B中元素按最大隸屬度原則進(jìn)行評(píng)判。

2.2.2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法是通過引入合適的標(biāo)度，對(duì)各特征用數(shù)值方式將相對(duì)重要性給出判斷。根據(jù)兩兩比較標(biāo)度[9]，結(jié)合高爐操作者經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造判斷矩陣J如表2所示。

表2 判斷矩陣

因無法求判斷矩陣的精確特征值和特征向量,本文采用方根法近似求得最大特征根λmax=5.110 4和正規(guī)化特征向量W=[0.114 4,0.213 8,0.356 6,0.080 3, 0.234 9]，并通過一致性檢驗(yàn)，所求結(jié)果有效。

3 實(shí)例分析

下文以某鋼鐵廠2 650 m3高爐軟熔帶位置狀態(tài)的二級(jí)模糊綜合評(píng)判為例說明。

3.1 一級(jí)模糊綜合評(píng)判

根據(jù)分析高爐生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù),確定高爐軟熔帶位置狀態(tài)的爐頂參數(shù)U1的單因素指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的各項(xiàng)待評(píng)數(shù)據(jù),規(guī)格化結(jié)果如表3所示.

表3 爐頂單因素的規(guī)格化指標(biāo)與待評(píng)數(shù)據(jù)

Step1，運(yùn)用式(5),計(jì)算各參數(shù)與高爐軟熔帶各位置狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度,建立隸屬矩陣

Step2,根據(jù)式(6),計(jì)算各因素的熵權(quán)W1為

Step3,由式(2),則爐頂參數(shù)的單因素評(píng)判為：

同理,計(jì)算爐身參數(shù)、爐底參數(shù)、原料參數(shù)、指標(biāo)參數(shù)的單因素評(píng)判結(jié)果Bi，確定二級(jí)評(píng)判隸屬矩陣R如下：

3.2 二級(jí)模糊綜合評(píng)判

結(jié)合二級(jí)模糊權(quán)向量W和隸屬矩陣R,則二級(jí)模糊綜合評(píng)判為：

根據(jù)最大隸屬度原則,二級(jí)模糊綜合評(píng)判集中滿足b2=max{b1,b2,b3}=0.099 8＞0,可知當(dāng)前高爐軟熔帶位置分布處于良好的位置狀態(tài)。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中,分析高爐料面中心偏移度、中心溫度指數(shù)、邊緣溫度指數(shù)等參數(shù)[10],分別處于性能一般、良好、良好狀態(tài),煤氣利用率>47%,高爐煤氣流分布在良好的性能狀態(tài);鐵水中硅含量在0.30%～0.60%,硫含量在0.015%～0.040%,鐵水溫度在149 5℃～ 152 5℃,高爐的鐵水質(zhì)量維持在較高水平。綜上分析,現(xiàn)場(chǎng)高爐此時(shí)正運(yùn)行在優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的良好狀態(tài),高爐軟熔帶正維持一個(gè)高度適當(dāng)?shù)奈恢?與本文方法分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了方法的合理性和可行性。

4 結(jié)論

1)本文基于模糊數(shù)學(xué)原理與最大隸屬度原則,充分利用高爐實(shí)際生產(chǎn)中過程參數(shù),對(duì)受諸多因素影響的高爐軟熔帶位置狀態(tài)準(zhǔn)確地作出綜合評(píng)判。

2)可拓學(xué)定義距的概念將評(píng)價(jià)指標(biāo)由單一的確定值轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)間值,最大限度地利用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了客觀全面地評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)高爐軟熔帶的位置狀態(tài),得出與實(shí)際相符合的結(jié)論。

3)熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)數(shù)值變動(dòng)程度反映的信息量來確定權(quán)重,與傳統(tǒng)預(yù)警中同時(shí)考慮特征指標(biāo)的量值和變化速率的思想相符。評(píng)價(jià)結(jié)果很大程度上避免了人為主觀因素的干擾,保證了評(píng)價(jià)的客觀性。

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Two-stage Fuzzy Synthesis Evaluation Method for the Position State of Blast Furnace Cohesive Zone

YANG Guijun,JIANG Zhaohui
(School of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha,Hunan 410083，China)

This paper proposes two-stage fuzzy synthesis evaluation method,on the basis of extracting and classifying the production process parameters of the BF,the matter-element model was determined by using extension theory.And the entropy method is introduced to determine the fuzzy weight vectors so that the position state of the BF cohesive zone can be evaluated with both quantitative calculation and qualitative analysis methods.The proposed method is applied to evaluate the position state of the BF cohesive zone of a 2 650m3steel plant,and the result indicates that appraisal conclusion can reflect practical situation well.

blast furnace；fuzzy maths；position state；matter-element model

TP15

A

1004-4345(2014)04-0018-03

2014-07-28

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助(61290325)。

楊貴軍(1989—),男,主要研究方向?yàn)閺?fù)雜過程建模與優(yōu)化控制。