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(xù)工藝系統(tǒng)具有生產效率高、成本低、能耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，其自動化程度高，可實現(xiàn)智能化控制的特點符合礦山智能化的發(fā)展方向[1-4]。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)集物料的采掘、運輸和排棄三個環(huán)節(jié)于一身，屬于串聯(lián)系統(tǒng)[5，6]。需滿足其物料流連續(xù)才能發(fā)揮能效的特性決定了系統(tǒng)要具有高可靠性。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)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(tǒng)本身與外部環(huán)境等因素相結合進行整體考慮。輪斗連續(xù)工藝現(xiàn)實應用中多會遇見外部環(huán)境、地質及人為因素影響引起的系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)的可靠性分析上。通過輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)工藝可靠性進行定量評價，分析薄弱環(huán)節(jié)，為輪斗系統(tǒng)提高可靠性及生產能力指明方向。

1 輪斗連續(xù)系統(tǒng)可靠性影響因素分析

1.1 輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)邏輯關系

根據露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)常規(guī)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(xù)工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設備之間的可靠性邏輯關系可以用串聯(lián)模型描述。

圖1 輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)邏輯關系

整套系統(tǒng)包括采、運、排三個環(huán)節(jié)，可據此簡化系統(tǒng)邏輯結構，將輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)分為采剝系統(tǒng)、膠帶運輸系統(tǒng)和排棄系統(tǒng)三部分，由于為串聯(lián)結構，所以三個子系統(tǒng)任一出現(xiàn)故障均會導致整體系統(tǒng)故障，連續(xù)系統(tǒng)最大故障為系統(tǒng)中斷。

1.2 系統(tǒng)可靠性影響因素

根據輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的邏輯關系及故障模式，影響系統(tǒng)可靠性的因素可分系統(tǒng)本身故障因素和外部影響因素。影響系統(tǒng)可靠性的因素可根據生產的三個環(huán)節(jié)分別進行分析。

1.2.1 采剝系統(tǒng)

輪斗連續(xù)工藝采剝系統(tǒng)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(tǒng)設備機械、電氣、結構零件及液壓系統(tǒng)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(tǒng)

運輸系統(tǒng)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(tǒng)

排棄系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)本身的機械性能參數故障影響因素類似，由于作業(yè)區(qū)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(tǒng)可靠性是可以通過統(tǒng)計分析等手段進行度量的，外部環(huán)境及人為因素是不確定的，難以度量的。使用現(xiàn)有可靠性評價方法，人為及環(huán)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(tǒng)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?？尚哦确椒╗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(fā)，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]?？紤]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(xù)工藝系統(tǒng)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(fā)生越是支持CF(h，e)越接近1；②條件e對結論h的發(fā)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?？紤]到輪斗連續(xù)工藝工程實際，各影響因素間對系統(tǒng)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(fā)，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(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)整套設備經安裝調試，2014年5月系統(tǒng)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(xù)系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)可靠性影響因素基礎上，構建了輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計分析要保證準確，實現(xiàn)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(tǒng)計數據為基礎，根據故障樹頂事件發(fā)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(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)各因素權重。

采剝系統(tǒng)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(tǒng)各因素權重：ω2=(0.1191，0.3949，0.3130，0.1730)T。

排棄系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)可靠度。

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0.6535

(10)

從推理過程中可以發(fā)現(xiàn)，采剝系統(tǒng)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(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)可靠度為0.6535，對照表1，屬于中等水平。

4 提高系統(tǒng)可靠性的方法

通過計算得出扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠度為0.6535，屬中等水平，其中采剝系統(tǒng)部分對輪斗系統(tǒng)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(xù)系統(tǒng)可靠性的方法。

首先分析輪斗作業(yè)區(qū)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(guī)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(xiàn)作業(yè)臺階含水量降低；疏干后輪斗作業(yè)條件改善，輪斗臺階含水量減少，進而提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)的可靠性及效率。

5 結 論

1)根據輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)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(xù)工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及外部影響因素的不確定性進行統(tǒng)一度量的新思路。

2)針對扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)構建了系統(tǒng)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(xù)系統(tǒng)實際生產故障統(tǒng)計數據作為輸入參數，采用C-F方法確定了系統(tǒng)的可靠度為0.6535，屬中等水平。

3)針對輪斗連續(xù)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)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(xù)工藝系統(tǒng)可靠性。