基于C-F方法的露天煤矿轮斗连续工艺系统可靠性分析

郭 强，马婧佳，王忠鑫，陈大伟

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

露天煤矿轮斗连续工艺系统具有生产效率高、成本低、能耗低、绿色环保等优势，其自动化程度高，可实现智能化控制的特点符合矿山智能化的发展方向[1-4]。轮斗连续工艺系统集物料的采掘、运输和排弃三个环节于一身，属于串联系统[5，6]。需满足其物料流连续才能发挥能效的特性决定了系统要具有高可靠性。轮斗连续工艺系统设备组成复杂，使用工况多变，且存在地质、气候和管理等较多不确定性影响因素，所以对其进行可靠性分析具有一定的工程实用价值，也存在一定难度。

目前针对露天矿半连续系统的可靠性研究较多，不同学者使用模糊有效度模型、排队论模型及故障树分析方法等对其进行了可靠性的计算和分析[7-13]。轮斗连续工艺系统可靠性计算方面的研究主要集中于整套设备或单一设备，没有将系统本身与外部环境等因素相结合进行整体考虑。轮斗连续工艺现实应用中多会遇见外部环境、地质及人为因素影响引起的系统能力降低的问题，且这些因素具有不确定性。

针对上述问题，尝试将不确定性推理方法C-F方法(可信度方法)应用到轮斗连续工艺系统的可靠性分析上。通过轮斗连续工艺系统可靠性影响因素分析，构建可靠性评价体系，采用C-F方法对轮斗连续工艺可靠性进行定量评价，分析薄弱环节，为轮斗系统提高可靠性及生产能力指明方向。

1 轮斗连续系统可靠性影响因素分析

1.1 轮斗连续工艺系统逻辑关系

根据露天煤矿轮斗连续工艺系统常规组成及相互关系建立了可靠性逻辑框图，如图1所示。轮斗连续工艺系统各环节设备之间的可靠性逻辑关系可以用串联模型描述。

图1 轮斗连续工艺系统逻辑关系

整套系统包括采、运、排三个环节，可据此简化系统逻辑结构，将轮斗连续工艺系统分为采剥系统、胶带运输系统和排弃系统三部分，由于为串联结构，所以三个子系统任一出现故障均会导致整体系统故障，连续系统最大故障为系统中断。

1.2 系统可靠性影响因素

根据轮斗连续工艺系统的逻辑关系及故障模式，影响系统可靠性的因素可分系统本身故障因素和外部影响因素。影响系统可靠性的因素可根据生产的三个环节分别进行分析。

1.2.1 采剥系统

轮斗连续工艺采剥系统主要包括轮斗挖掘机及工作面转载机等设备。影响其可靠性的因素主要包括系统设备机械、电气、结构零件及液压系统等故障，轮斗挖掘机与转载机人为对中操作，还包括气候(低温冰冻、大风等影响)、岩石硬度、物料含水率、工作面含水等外部因素。

1.2.2 运输系统

运输系统主要包括工作面带式输送机、端帮沿线带式输送机及排土带式输送机等设备。影响其可靠性的因素主要包括机械、电气驱动、结构零件等故障，地形沉降引起的带式输送机跑偏问题，还包括物料含水率等外部因素。

1.2.3 排弃系统

排弃系统主要包括排土工作面转载机及排土机等设备。影响其可靠性的因素主要包括系统的液压、电气、机械及结构零件等故障，还包括气候(大风等)、人为操作、物料含水率、工作面含水等外部因素。

综上所述，三个子系统本身的机械性能参数故障影响因素类似，由于作业区域及功能不同导致外部影响因素存在一定的差别。机械故障引起的系统可靠性是可以通过统计分析等手段进行度量的，外部环境及人为因素是不确定的，难以度量的。使用现有可靠性评价方法，人为及环境等不确定性因素将很难进行评价，据此特点，采用C-F方法将各种因素进行统一量化处理。

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，是可对不确定性的初始证据进行处理的一种推理方法。可信度方法[16-19]是以确定性理论(Thory of Comfirmation)为基础结合概率论而进行不确定性推理的一种方法，表示根据经验对事物的相信程度，是一个主观性的概念。

可信度模型是从不确定初始证据出发，经过不确定合成、传递、叠加，最终得出事物可信度的过程[16]。其中不确定性度量采用可信度CF(h，e)表示，取值范围可取[-1，1]。e为前提条件，可为单一条件影响也可为多种复合条件影响；h为结论，表示为e条件下对h的影响程度。C-F模型可写成：

CF(h，e)=MB(h，e)-MD(h，e)

(1)

式中，MB(h，e)为条件e对结论h的信任增强度；MD(h，e)为条件e对结论h的不信任增强度。MB(h，e)和MD(h，e)可由P(h)与P(h|e)之间的关系确定，见式(2)与(3)，其中P(h)为h的先验概率；P(h|e)为条件概率。

MB(h，e)和MD(h，e)取值范围取[0，1]。考虑到实际应用条件下，同一个证据不可能既增加对h的信任程度，又增加对h的不信任程度，所以MB(h，e)和MD(h，e)是互斥的，所以根据可信度定义及式(1)—(3)，可得到CF(h，e)的计算公式：

当P(h)和P(h|e)已知时，可通过式(4)直接得出CF(h，e)值；而在实际问题中，P(h)和P(h|e)通常难以得到，此时CF(h，e)可采用专家赋值进行确定。

2.1 赋值原则

根据轮斗连续工艺系统可靠性评价的实际需要，设定CF(h，e)取值范围为[0，1]。下面给出初始条件专家赋值的原则：①条件e对结论h的发生越是支持CF(h，e)越接近1；②条件e对结论h的发生越是不支持CF(h，e)越接近0；③条件e对应证据与h无关，CF(h，e)=0。

2.2 组合证据可信度计算

对证据的组合形式，各证据间地位或对结论的支持程度相同时，可信度计算方法可分为合取和析取两种情况，即选取各证据组合的合集与并集。考虑到轮斗连续工艺工程实际，各影响因素间对系统可靠性的支持程度不同，采用加权计算方法，引入权重概念，标记某个证据对结论成立的影响程度。

2.3 不确定性的传递算法

CF模型中的不确定性推理实际上是从不确定性的初始证据出发，不断运用相关的不确定性知识，逐步推出最终结论和该结论的可信度的过程。传递算法如下：

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)

(7)

3 露天矿轮斗连续工艺系统C-F模型构建

3.1 露天矿概况

扎哈淖尔露天煤矿轮斗连续工艺系统整套设备经安装调试，2014年5月系统进行空载性能测试；2014年11月正式交付使用。截止2020年，轮斗工艺在扎哈淖尔露天煤矿的应用已近6年，由于表土工作面涌水问题严重，轮斗工艺自投入使用以来一直没有达到预期的生产能力。

轮斗连续系统由一台生产能力为6600m3/h的轮斗挖掘机和生产能力为7900m3/h的带式输送机以及一台生产能力为7900m3/h的排土机组成。

3.2 可靠性评价体系建立

在充分分析扎哈淖尔露天矿轮斗连续工艺系统可靠性影响因素基础上，构建了轮斗连续工艺系统可靠性评价体系，如图2所示。该评价体系包括3个一级证据，19个二级证据，包括了影响轮斗连续工艺系统可靠性的各项因素。

3.3 模型赋值

考虑到不同级别的各项证据内容，C-F模型的赋值将采用专家打分与实际生产数据统计分析相结合的方式进行，对于可量化的证据类型，相关数据的收集、统计分析要保证准确，实现可信度的准确量化；对于不可量化的模糊性证据，采用专家打分进行模糊评价，专家打分要保证客观、科学、公正的原则。打分标准采用0.1～1标度法[16，19]见表1。

部分不可量化证据类型专家打分结果见表2。以参考文献[5]表3.1中的扎哈淖尔露天矿统计数据为基础，根据故障树顶事件发生概率计算公式对部分可量化证据类型的可靠性概率进行了计算，计算结果见表3。

图2 轮斗连续工艺系统可靠性评价体系

表1 可信度专家打分标准

表2 不可量化证据类型专家打分结果

表3 可量化证据类型数据计算结果

3.4 权重计算

对于最底层证据，认为各项因素对轮斗连续工艺系统的可靠性影响程度不相同，权重系数采用主客观综合赋权法[20-22]确定；对于中间层证据，认为其对上一层证据影响程度相同，权重系数取1/n(n为最低层证据数)。

权重计算过程：根据1～9尺度打分规则构造判断矩阵，利用层次分析法计算主观权重；利用熵权法计算客观权重，以“加法集成法”计算综合权重作为系统各因素权重。

采剥系统各因素权重：ω1=(0.02849，0.08816，0.05811，0.18773，0.15999，0.17758，0.03061，0.26942)T。

运输系统各因素权重：ω2=(0.1191，0.3949，0.3130，0.1730)T。

排弃系统各因素权重：ω3=(0.0554，0.0411，0.2962，0.1726，0.0822，0.1337，0.2188)T。

3.5 证据合成及传递计算

首先对底层证据进行合成计算，根据赋值结果及权重取值原则，结合表2和表3数据代入式(8)，组合证据可信度计算得：

根据底层初设证据所得结论传递至中间层作为证据，根据权重指标，中间层证据可信度为：

最终根据不确定性的传递算法计算轮斗连续工艺系统可靠度。

CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0.6535

(10)

从推理过程中可以发现，采剥系统可靠度最低为0.8337，说明其受外部因素影响最大；胶带运输系统可靠度最高为0.9399，说明其受影响最小。通过对各项影响因素进行可信度的组合与传递，计算出扎哈淖尔露天矿轮斗连续工艺系统可靠度为0.6535，对照表1，属于中等水平。

4 提高系统可靠性的方法

通过计算得出扎哈淖尔露天矿轮斗连续工艺系统可靠度为0.6535，属中等水平，其中采剥系统部分对轮斗系统可靠性影响最大，结合分析过程及露天矿生产问题，外部条件下工作面含水导致承压力下降的影响占主导因素，因此针对此方面提出了提高轮斗连续系统可靠性的方法。

首先分析轮斗作业区域地下水赋存情况，建立三维水文地质模型，为轮斗布置水平提供参考依据；其次结合轮斗布置将疏干与采矿工艺相结合，提出通过渗水孔(墙)疏降第四系砂层含水层的疏干降水新方式方法，本方法在旋挖桩钻孔时不需充填水泥基质浆液，利用旋挖机钻孔，冲击、切割、破碎地层土体，扰乱原本地层中含水层和隔水层的分布规律，将被薄隔水层阻隔的上层潜水疏降至基岩面层，最终实现作业台阶含水量降低；疏干后轮斗作业条件改善，轮斗台阶含水量减少，进而提高轮斗连续系统的可靠性及效率。

5 结 论

1)根据轮斗连续工艺系统逻辑关系，全面分析了可靠性的影响因素，提出采用C-F方法对轮斗连续工艺系统各环节及外部影响因素的不确定性进行统一度量的新思路。

2)针对扎哈淖尔露天矿轮斗连续工艺系统构建了系统可靠性评价体系，包括3个一级证据和19个二级证据；将轮斗连续系统实际生产故障统计数据作为输入参数，采用C-F方法确定了系统的可靠度为0.6535，属中等水平。

3)针对轮斗连续系统薄弱环节及重点影响因素提出了改进方法，将疏干与采矿工艺相结合，采用渗水孔(墙)疏降新方法，打破第四系薄弱隔水层，降低水位，改善台阶含水情况，最终提高轮斗连续工艺系统可靠性。