高炉软熔带位置状态的二级模糊综合评判

杨贵军,蒋朝辉

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南长沙 410083)

高炉软熔带位置状态的二级模糊综合评判

杨贵军,蒋朝辉

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南长沙 410083)

通过对高炉生产过程参数进行提取、分类,提出一种基于熵权可拓理论的二级模糊综合评判模型来评估高炉软熔带的位置状态的方法。可拓理论通过引入物元的概念建立物元模型,用熵权法计算各物元指标的权重系数，实现定性分析和定量计算相结合对高炉软熔带位置状态的进行综合评判,并以某钢铁厂2 650 m3高炉为实例对其软熔带位置状态进行综合评判,得出与现场实际情况反映的状态相吻合的评判结果。

高炉；模糊数学；位置状态；物元模型

高炉是钢铁生产中CO2的主要排放工序和能耗最大的环节。高炉软熔带由软熔层和焦炭层相互交替排列构成,是高炉内径向上矿焦比急剧变化的区带,高炉解剖及实验模拟已经证实了它的存在[1],炉料的软熔性及高炉操作制度是影响软熔带形成的主要因素。高炉软熔带不仅支配着气流分布,直接影响高炉煤气利用率,对炉内热交换、还原过程和透气性也有极大影响。因此,正确评判一个高度适当的软熔带,对实现优质、低耗、高产具有十分重要的意义。

近年来高炉软熔带的研究分2个方向进行[2],一是开发硬件装置直接测定,如放射性同位素测定(RI法)、光脉冲测定法、炉温度测定法等；二是根据高炉特有的检测手段和生产操作参数，建立特定的数学模型间接推定。目前开发的数学模型[3]主要有两种：一种从温度场出发,一种从压力场出发,建立高炉软熔带数学模型。但由于影响软熔带的因素多、关系复杂，高炉本身密闭、高温的等运行环境较为恶劣,且各高炉的检测设备条件存在缺陷,上述硬件测定方法和模型模拟法仅用于试验性研究,无法用于真实工业生产过程。因此，根据炉顶煤气成分、炉顶压力、炉顶温度、十字测温、冷却壁温度、铁水温度等过程参数,结合机理和高炉操作者经验,研究大型高炉软熔带完整的评价体系和方法,正确评判高炉软熔带位置状态,对高炉工作者了解炉内状况，提高高炉监控水平,降低能耗,减少排放都十分必要。本文对高炉生产过程参数进行提取与分类，确立模糊综合评判的两级因素集,进而建立二级模糊综合评判模型。

1 参数的提取与分类

高炉软熔带形成主要受到炉料的软熔性、高炉操作制度等因素的影响,而位置的改变直接反应在煤气利用率、炉顶温度、铁水质量等状态参数上。与高炉软熔带相关的因素众多,关系复杂,且具有不确定性和模糊性,本文通过对某高炉所能检测的参数和相关文献进行提取、分类,确定1级评价指标,每类参数下提取若干个因素作为2级评价指标 (如表1所示),从而建立2级模糊综合评判模型对软熔带的位置状态进行评判。

表1 高炉软熔带2级评价指标

2 模糊评判模型的建立

自1965年美国自动控制专家L.A.Zadeh提出模糊集合理论(fuzzy sets)[4],迄今已形成一个完整的数学分支,并广泛应用于各领域。模糊综合评判主要涉及4个要素：评语集V,因素集X,隶属矩阵M和模糊权向量A。本文根据影响因素的层次性,采用二级模糊评判。

2.1 单因素评判

2.1.1 模型

设Wi为第2级模糊权向量,运用加权平均型合成运算,则第i类因素的模糊综合评判为：

2.1.2 基于可拓理论的隶属矩阵的确定

本文引入可拓学[5-6]中的关联函数来确定隶属函数,将评判集由单一的确定值转变为区间值,更全面地评判对象隶属集合的程度。

可拓学定义距的概念来描述点与区间的距离。将实轴上点x与区间X0=(=[a,b],[a,b),(a, b]or(a,b))的距定义如式(3),在距的基础上,设区间X0=,X=,且X0⊂X,建立关联函数如式(4)。

根据关联函数式(4),计算各参数与高炉软熔带各位置评判状态的关联度：

2.1.3 熵权法确定权系数矩阵

熵权法[7-8]是根据各评价指标数值的变动程度所反映的信息量大小确定权重的一种客观赋权法。它适用于多对象、多指标的综合评价,评价结果依据客观资料,在很大程度上避免了人为因素的干扰。

熵权法的步骤如下：

Step 1,构建评判矩阵Mi(本文即RiT),并对其标准化处理,为方便仍记为Mi。

Step 3,计算各因素的熵权

2.2 二级模糊综合评判

2.2.1 模型

再对第1级因素集U={U1,U2,U3,U4,U5}作综合评判,设W为二级模糊权向量,按加权平均型合成运算,则二级模糊综合评判为：

式中：R为二级评判隶属矩阵,i=1,2,…,5，wi为第1级因素Ui其相对于评判集的权重,B为二级模糊评判最终结果矩阵。至此,高炉软熔带位置状况的二级模糊综合评判模型已建立,最后根据B中元素按最大隶属度原则进行评判。

2.2.2 层次分析法确定权重

层次分析法是通过引入合适的标度，对各特征用数值方式将相对重要性给出判断。根据两两比较标度[9]，结合高炉操作者经验，构造判断矩阵J如表2所示。

表2 判断矩阵

因无法求判断矩阵的精确特征值和特征向量,本文采用方根法近似求得最大特征根λmax=5.110 4和正规化特征向量W=[0.114 4,0.213 8,0.356 6,0.080 3, 0.234 9]，并通过一致性检验，所求结果有效。

3 实例分析

下文以某钢铁厂2 650 m3高炉软熔带位置状态的二级模糊综合评判为例说明。

3.1 一级模糊综合评判

根据分析高炉生产历史数据,确定高炉软熔带位置状态的炉顶参数U1的单因素指标和现场实测得到的各项待评数据,规格化结果如表3所示.

表3 炉顶单因素的规格化指标与待评数据

Step1，运用式(5),计算各参数与高炉软熔带各位置状态的关联度,建立隶属矩阵

Step2,根据式(6),计算各因素的熵权W1为

Step3,由式(2),则炉顶参数的单因素评判为：

同理,计算炉身参数、炉底参数、原料参数、指标参数的单因素评判结果Bi，确定二级评判隶属矩阵R如下：

3.2 二级模糊综合评判

结合二级模糊权向量W和隶属矩阵R,则二级模糊综合评判为：

根据最大隶属度原则,二级模糊综合评判集中满足b2=max{b1,b2,b3}=0.099 8＞0,可知当前高炉软熔带位置分布处于良好的位置状态。

实际现场中,分析高炉料面中心偏移度、中心温度指数、边缘温度指数等参数[10],分别处于性能一般、良好、良好状态,煤气利用率>47%,高炉煤气流分布在良好的性能状态;铁水中硅含量在0.30%～0.60%,硫含量在0.015%～0.040%,铁水温度在149 5℃～ 152 5℃,高炉的铁水质量维持在较高水平。综上分析,现场高炉此时正运行在优质、高产的良好状态,高炉软熔带正维持一个高度适当的位置,与本文方法分析结果一致,验证了方法的合理性和可行性。

4 结论

1)本文基于模糊数学原理与最大隶属度原则,充分利用高炉实际生产中过程参数,对受诸多因素影响的高炉软熔带位置状态准确地作出综合评判。

2)可拓学定义距的概念将评价指标由单一的确定值转变为区间值,最大限度地利用了现场实际检测结果,实现了客观全面地评价现场高炉软熔带的位置状态,得出与实际相符合的结论。

3)熵权法根据指标数值变动程度反映的信息量来确定权重,与传统预警中同时考虑特征指标的量值和变化速率的思想相符。评价结果很大程度上避免了人为主观因素的干扰,保证了评价的客观性。

[1] 杨天钧,徐金梧.高炉冶炼过程控制模型[M].北京:科学出版社, 1995.

[2] 吴学贤.1号高炉软融带模型的研究[J].宝钢技术,1992(6):51-52.

[3] 黄武静,杨天钧,吴铿.高炉软熔带数学模型的开发及应用[J].控制理论应用,1996(5):32.

[4] L.A.Zadeh.Outline of a new approach to the analysis complex systems and decision porcesses[J].IEEE Trans on Syst Man Cybern,1973,3(1):28-44.

[5] 蔡文.可拓集合和不相容问题[J].科学探索学报,1983(1):83-97.

[6] 杨春燕,张拥军,蔡文.可拓集合及其应用研究[J].数学的实践与认识,2002,32(2):301-308.

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[8] Avci E,Avci D.An expert system based on fuzzy entropy for automatic threshold selection in image processing[J].Expert Systems with Applications,2009,36(2):3077-3085.

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[10] 汪波.基于D-S证据融合的高炉炉况诊断方法研究[M].长沙:中南大学,2011.

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

国家自然科学基金重大项目资助(61290325)。

杨贵军(1989—),男,主要研究方向为复杂过程建模与优化控制。