CN110070258B - 一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法 - Google Patents

一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法，涉及性能评估技术领域，该方法首先根据焦炉加热燃烧过程多方面的性能要求，选取合适的性能评估指标，并对评估过程进行层次划分，从而构建具有层次结构的性能评估体系；其次采用直觉乘法关系描述各层元素两两对比结果，从而得到对比矩阵；再是对各对比矩阵进行一致性检验与改进，并从中得到各层元素的权重；然后利用直觉乘法层次分析法进行逐层归纳，得到各方案相对总体目标的偏好度；最后对各方案进行排序得到评估结果；本发明能够从多方面来综合评估焦炉加热燃烧过程的性能状况，在专家决策中充分考虑犹豫度的情况，将专家意见与实时数据相结合，从而得到较为全面客观的评估结果。

Description

一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法
技术领域
本发明涉及性能评估技术领域，尤其涉及一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法。
背景技术
焦炭质量对高炉炼铁生产的技术经济指标和企业效益具有重要影响。随着冶金行业的发展，对焦炭质量的要求也越来越高。在焦炭生产中，焦炉加热燃烧过程是一个非常重要的环节。一旦燃烧过程的控制系统性能下降，相应会引起焦炭质量下降、能耗增加以及企业效益损失等问题。因此，实时掌握加热燃烧过程的性能状况对于维持焦炭生产过程的安全稳定和提高经济效益都具有重要意义。
传统方法往往侧重于使用焦炉火道温度这一单一指标进行焦炉加热燃烧过程的性能评估，尽管焦炉火道温度是燃烧过程中的关键因素，但是依旧难以全面地评估焦炉加热燃烧过程。直觉乘法层次分析法是一种多指标决策方法，能够通过层次结构分解复杂问题，在此基础上进行定性和定量分析，且充分考虑到了决策过程中的犹豫度问题，最终给出一个较为全面、客观的决策结果。将该方法运用于加热燃烧过程的性能评估中，为实现全面的性能评估过程提供了新思路。
发明内容
本发明针对背景技术的问题提供一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法，以解决或者至少部分地缓解现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法，包括如下步骤：
S10、根据性能评估要求选取评估指标，划分层次结构，搭建针对焦炉加热燃烧过程的性能评估系统；
所述的层次结构，包括目标层、准则层、子准则层和方案层；
所述的目标层为：将焦炉加热燃烧过程控制系统的性能状况作为总体目标；
所述的准则层包括：生产安全方面准则、平稳运行方面准则和经济效益方面准则；
所述的子准则层：根据准则层选择子准则层子指标；
所述的方案层：根据焦炉加热燃烧过程控制系统优化不同实时性要求，设置不同的优化方案；
S20、采用层次分析法，对同层的元素相对于其上层所属元素进行偏好度的两两对比，对比结果通过直觉乘法数进行表示，从而获得各层满足直觉乘法关系的对比矩阵；
S30、对各对比矩阵进行一致性的检测及改进，通过一致性检测后构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，即获得各元素的权重值；
S40、按照层次分析法，将各层元素的权重向量由底层到顶层逐层聚合，获得最底层的方案相对于最顶层的目标的权重向量；
S50、对于最终获得的各方案相对于目标的权重向量，以排序第一的方案作为性能评估的结果，根据性能评估结果采用优化措施对焦炉加热燃烧过程控制系统进行优化改进。
优选地，所述的根据准则层选择子准则层子指标，具体为：
生产安全方面准则包括：火道最高测温、非安全域运行频率、非安全域持续时间和累计热损伤四项子准则；
平稳运行方面准则包括：修正标准差、过程能力指数、合格运行持续时间和最大误差波动四项子准则；
经济效益方面准则包括：误差均值、平均绝对误差积分和LQG型指标三项子准则。
优选地，所述的根据焦炉加热燃烧过程控制系统优化不同实时性要求，设置不同的优化方案；包括：优化要求高、优化要求中、优化要求低三项备选方案。
优选地，所述的通过一致性检测后构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，模型如下：
Figure BDA0001987264290000021
Figure BDA0001987264290000022
其中，J表示模型目标值，n表示矩阵维度，ραij表示隶属度，σαij表示非隶属度；最优解
Figure BDA0001987264290000023
为所求的权重向量，其中
Figure BDA0001987264290000024
表示第i项元素权重的隶属度，
Figure BDA0001987264290000025
表示第i项元素权重的非隶属度。
本发明提出一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法，能够从多方面来综合评估焦炉加热燃烧过程的性能状况，在专家决策中充分考虑犹豫度的情况，将专家意见与实时数据相结合，从而得到较为全面客观的评估结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例中焦炉加热燃烧过程性能评估方法流程图；
图2为本发明一种实施例中层次评估模型结构图；
图3为本发明一种实施例中S20具体步骤流程图；
图4为本发明一种实施例中S30具体步骤流程图；
图5为本发明一种实施例中焦炉加热燃烧过程性能评估系统结构框架；
图6为本发明一种实施例中焦炉加热燃烧过程性能评估系统过程示意图；
图7为本发明一种实施例中焦炉加热燃烧过程中选取的三种特定工况下的火道温度变化图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明基于生产安全、平稳运行和经济效益三方面对焦炉加热燃烧过程的影响，设计了一种基于直觉乘法层次分析法的性能评估方法。首先，根据焦炉加热燃烧过程多方面的性能要求，选取合适的性能评估指标，并对评估过程进行层次划分，从而构建具有层次结构的性能评估体系；其次采用直觉乘法关系描述各层元素两两对比结果，从而得到对比矩阵；再是对各对比矩阵进行一致性检验与改进，并从中得到各层元素的权重；然后利用直觉乘法层次分析法进行逐层归纳，得到各方案相对总体目标的偏好度；最后对各方案进行排序得到评估结果。
本发明第一优选实施例中，如图1所示，包括以下步骤：
S10、根据性能评估要求选取评估指标，划分层次结构，搭建针对焦炉加热燃烧过程的性能评估系统；
本发明实施例中，如图2所示，所述的层次结构，包括目标层、准则层、子准则层和方案层；
所述的目标层为：将焦炉加热燃烧过程控制系统的性能状况作为总体目标(O)；
所述的准则层包括：生产安全方面准则(B1)、平稳运行方面准则(B2)和经济效益方面准则(B3)；
所述的子准则层：根据准则层选择子准则层子指标；本发明实施例中，选取了11项子指标，构成了子准则层，具体为：生产安全准则包含了火道最高测温(C11)、非安全域运行频率(C12)、非安全域持续时间(C13)和累计热损伤四项子准则(C14)，平稳运行准则包了修正标准差(C21)、过程能力指数(C22)、合格运行持续时间(C23)和最大误差波动(C24)四项子准则，经济效益准则包括了误差均值(C31)、平均绝对误差积分(C32)和LQG型指标(C33)三项子准则；
所述的方案层：根据焦炉加热燃烧过程控制系统优化不同实时性要求，设置不同的优化方案；本发明实施例中，方案层为优化要求高(A1)、优化要求中(A2)、优化要求低(A3)三项备选方案。
S20、采用层次分析法，对同层的元素相对于其上层所属元素进行偏好度的两两对比，对比结果通过直觉乘法数进行表示，从而获得各层满足直觉乘法关系的对比矩阵；
本发明实施例中，针对各层元素对于实时性的要求不同，两两对比也采用不同的方法进行；对于准则层和子准则的元素，其相对偏好度不会随工况发生频繁变化，故采用专家决策进行偏好性对比；对于方案层的元素，其相对偏好性会根据子指标数据发生实时变化，故采用质量函数实行两两对比。如图3所示，具体的步骤如下：
S201、准则层中，所有准则B1、B2和B3进行两两对比；
本发明实施例中，以B1对比B2为例，决策者可以根据自身对于两项准则的偏好度给出一个直觉乘法数α12＝(ρα12，σα12)。其中，ρα12为隶属度，表示决策者对于B1优于B2的支持度；σα12为非隶属度，表示决策者对于B1优于B2的反对度；τα12＝1/(ρα12σα12)为犹豫度，表示决策者对于B1优于B2的犹豫程度。隶属度ρα12与非隶属度σα12需要满足以下条件：0≤ρα12σα12≤1，ρα12,σα12∈[1/9,9]。
相应的，B2相比B1也可以得到一个直觉乘法数α21＝(ρα21，σα21)，ρα21表示决策者对于B2优于B1的支持度，σα21表示决策者对于B2优于B1的反对度，τα21表示决策者对于B2优于B1的犹豫程度。这两个直觉乘法数之间应当满足以下条件：ρα12＝σα21,σα12＝ρα21。
集合准则层的所有直觉乘法数，可以得到对比矩阵A0＝(αij)3×3，具体如下所示：
Figure BDA0001987264290000051
S202、子准则层中，同属一个准则类中的各项子准则进行两两对比；
本发明实施例中，决策者对于对比的支持度、反对度和犹豫度同样通过直觉乘法数来进行表达，将同一准则下的对比结果进行集合得到对比矩阵A1＝(αij)4×4,A2＝(αij)4×4和A3＝(αij)3×3，分别代表B1、B2和B3三个准则包含的子准则的对比结果，具体如下所示：
Figure BDA0001987264290000052
Figure BDA0001987264290000053
Figure BDA0001987264290000054
S203、方案层中，对于每项子指标，各方案均要进行偏好度的两两对比；
本发明实施例中，以子指标C11为例，在相对于该项子指标的对比中，先要利用该子指标的实时数据来计算各方案A1，A2和A3的实时质量得分q(A1)，q(A2)和q(A3)。再以q(A1)为例，具体公式如下：
Figure BDA0001987264290000055
其中，V为子指标C11的实时数据，[L,U]为设定的可接受范围，当V趋向于U时q(A1)的值越大，说明方案A1适合于当前状况，选取A1的优先度越高，反之若V越趋向于L则选取方案A1的优先度越低。
基于实时质量得分，方案层的元素对比也能够实现，以方案A1和A2的比较为例，具体公式如下：
Figure BDA0001987264290000056
其中，m12表示方案A1优于A2的程度。显然，m12∈[1/9,9]，m12m21＝1，由此可以构成一个直觉乘法数M12＝(m12，m21)。集合各直觉乘法数，可以得到对比矩阵R1＝(Mij)3×3，表示各方案相对于子指标C11的对比结果。同样的，可以得到Ri＝(Mij)3×3，表示各方案相对于各子指标的对比结果，其中i＝1,2,…11。
S30、对各对比矩阵进行一致性的检测及改进，通过一致性检测后构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，即获得各元素的权重值；
本发明实施例中，不能满足一致性要求的对比矩阵会导致最终的决策排序出现错误，必须保证所有的对比矩阵满足一致性要求。对于满足一致性要求的矩阵，构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，求得最优解就是各元素的权重值。所有对比矩阵的一致性检测与改进步骤都是一致的；
本发明实施例中以方案层的对比矩阵A0＝(αij)3×3为例，如图4所示，具体步骤为：
S301、对比矩阵的一致性检测。
本发明实施例中，对比矩阵A0＝(αij)3×3一致性检测公式具体为：
Figure BDA0001987264290000061
其中，n＝3代表矩阵维度，r＝9。设定矩阵一致性的阈值t＝0.9，仅当CI(A0)≥t时，该对比矩阵满足一致性要求。
S302、对比矩阵的一致性改进。
本发明实施例中，若对比矩阵A0＝(αij)3×3不满足一致性要求，则必须进行一致性改进，使其达到一致性要求。具体为：
根据原矩阵建立满足一致性要求的矩阵
Figure BDA0001987264290000062
具体如下：
Figure BDA0001987264290000063
Figure BDA0001987264290000064
Figure BDA0001987264290000065
其中，n＝3代表矩阵维度，r＝9。
利用矩阵
Figure BDA0001987264290000066
对原矩阵A0＝(αij)3×3进行一致性改进，可以得到改进后的矩阵
Figure BDA0001987264290000067
具体如下：
Figure BDA0001987264290000068
Figure BDA0001987264290000071
其中t＝0.9代表一致性的阈值。
S303、确定指标权重。
本发明实施例中，对于满足一致性要求的矩阵
Figure BDA0001987264290000072
可以构建相应的数最小二乘模型，具体如下：
Figure BDA0001987264290000073
Figure BDA0001987264290000074
其中，n＝3代表矩阵维度，目标的最优解WB＝[(w1 u,w1 v),(w2 u,w2 v),(w3 u,w3 v)]就是三个准则的权重向量，权重向量同样利用直觉乘法数进行表示，WB(i)u＝wi u表示隶属度，WB(i)v＝wi v表示非隶属度，i＝1,2,3；该模型的最优解可以利用Lingo11来进行求取。
通过同样的方法，可以得到子准则层的3个权重向量W1 C＝[(wc11 u,wc11 v),(wc12 u,wc12 v),(wc13 u,wc13 v),(wc14 u,wc14 v)]、W2 C＝[(wc21 u,wc21 v),(wc22 u,wc22 v),(wc23 u,wc23 v),(wc24 u,wc24 v)]、W3 C＝[(wc31 u,wc31 v),(wc32 u,wc32 v),(wc33 u,wc33 v)]，分别代表三个准则下各子准则的权重，以及方案层的11个权重向量组成的3个权重矩阵，分别代表了三类子准则下各方案的权重，具体为：
Figure BDA0001987264290000075
Figure BDA0001987264290000076
Figure BDA0001987264290000077
S40、按照层次分析法，将各层元素的权重向量由底层到顶层逐层聚合，获得最底层的方案相对于最顶层的目标的权重向量；
本发明实施例中，以子准则层的W1 C和方案层的G1 C为例，可以得到聚合后的权重向量WBA1＝[(wb1a1 u,wb1a1 v),(wb1a2 u,wb1a2 v),(wb1a3 u,wb1a3 v)]，代表各方案相对于准则B1的权重，其聚合方式具体如下：
Figure BDA0001987264290000081
Figure BDA0001987264290000082
Figure BDA0001987264290000083
Figure BDA0001987264290000084
其中，n＝4代表子准则个数，i＝1,2,3,4，l＝1,2,3。
按照以上方法对各层元素进行逐层聚合，最终能够得到各方案相对于目标的权重向量WOA＝[(woa1 u,woa1 v),(woa2 u,woa2 v),(woa3 u,woa3 v)]。
S50、对于最终获得的各方案相对于目标的权重向量，以排序第一的方案作为性能评估的结果，根据性能评估结果采用优化措施对焦炉加热燃烧过程控制系统进行优化改进。
本发明实施例中，排序过程按照直觉乘法数的大小比较方法进行，计算三个直觉乘法数的得分函数s(WOA(i))和精确度函数h(WOA(i))，i＝1,2,3，计算公式如下：
s(WOA(i))＝WOA(i)u/WOA(i)v (14)
h(WOA(i))＝WOA(i)u*WOA(i)v (15)
本发明实施例中，根据得分函数和精确度函数对三项优化方案进行排序，选取排序最为优先的方案作为性能评估结果。优化要求高、中、低三项方案对应的得分函数分别为s(WOA(1))、s(WOA(2))和s(WOA(3))，比较这三个数，数值最大者对应的优化方案排序第一；若出现得分函数一致的情况，则观察精确度函数h(WOA(1))、h(WOA(2))和h(WOA(3))，数值较大者对应的优化方案排序优先。
本发明实施例中，如图5所示，操作站对焦炉加热燃烧过程的性能进行实时评估及优化操作，并通过PLC控制系统获得现场设备仪表的检测数据并通过PLC控制系统下发执行指令至现场的执行机构，最终实现对焦炉加热燃烧过程的优化；
本发明实施例中，如图6所示，根据评估方案采用优化措施。以常见的模糊控制器为例，若评估结果为优化要求高(A1)，控制器优化过程采用单一参数进行寻优，缩短寻优时间，满足较高的实时性要求；若评估结果为优化要求中(A2)，控制器优化过程采用多参数进行寻优，求取最优参数，实现控制器优化，寻优时间略长；若评估结果为优化要求低(A3)，则无需进行控制器优化。
采用本发明的性能评估方法，分别对以上三种工况进行性能评估，最终得到各工况下三种方案的权重值及权重值的得分函数s(WOA(i))，由于此优选例通过得分函数已经能够得到排序结果，故没有列出精确度函数。
评估结果如下表所示：
表1
Figure BDA0001987264290000091
由表1中可以看到，工况1下方案A3排序第一，这代表优化要求低，符合中工况良好的实际情况。工况2下方案A1排序第一，这代表优化要求高，符合工况异常的实际情况。以上结果证明本发明所述方法能够准确识别异常工况，为是否优化提供意见。工况3下三项方案得分接近，但是方案A3略高一些排在第一，这代表综合考虑下在这种不良工况中优化措施仍不是最优选择，符合控制系统仍能发挥作用的实际情况，证明了本发明的所述方法能够减少部分非必要的优化操作。综合而言，以上优选例证明了本发明所述方法的可行性和准确性，说明了本方法可以基本准确地实行焦炉加热燃烧过程的性能评估。
本发明实施例中，如图7所示，从图中可知：工况1为良好工况，控制系统表现良好，火道温度变化平稳；工况2为异常工况，控制系统出现异常，火道温度波动较大；工况3为不良工况，控制系统表现不佳，但仍在发挥作用，火道温度有所波动但仍在可接受范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种焦炉加热燃烧过程性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、根据性能评估要求选取评估指标，划分层次结构，搭建针对焦炉加热燃烧过程的性能评估系统；
所述的层次结构，包括目标层、准则层、子准则层和方案层；
所述的目标层为：将焦炉加热燃烧过程控制系统的性能状况作为总体目标；
所述的准则层包括：生产安全方面准则、平稳运行方面准则和经济效益方面准则；
所述的子准则层：根据准则层选择子准则层子指标；
所述的方案层：根据焦炉加热燃烧过程控制系统优化不同实时性要求，设置不同的优化方案；
S20、采用层次分析法，对同层的元素相对于其上层所属元素进行偏好度的两两对比，对比结果通过直觉乘法数进行表示，从而获得各层满足直觉乘法关系的对比矩阵；
S30、对各对比矩阵进行一致性的检测及改进，通过一致性检测后构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，即获得各元素的权重值；
S40、按照层次分析法，将各层元素的权重向量由底层到顶层逐层聚合，获得最底层的方案相对于最顶层的目标的权重向量；
S50、对于最终获得的各方案相对于目标的权重向量，以排序第一的方案作为性能评估的结果，根据性能评估结果采用优化措施对焦炉加热燃烧过程控制系统进行优化改进。
2.根据权利要求1所述的焦炉加热燃烧过程性能评估方法，其特征在于，所述的根据准则层选择子准则层子指标，具体为：
生产安全方面准则包括：火道最高测温、非安全域运行频率、非安全域持续时间和累计热损伤四项子准则；
平稳运行方面准则包括：修正标准差、过程能力指数、合格运行持续时间和最大误差波动四项子准则；
经济效益方面准则包括：误差均值、平均绝对误差积分和LQG型指标三项子准则。
3.根据权利要求1所述的焦炉加热燃烧过程性能评估方法，其特征在于，所述的根据焦炉加热燃烧过程控制系统优化不同实时性要求，设置不同的优化方案；包括：优化要求高、优化要求中、优化要求低三项备选方案。
4.根据权利要求1所述的焦炉加热燃烧过程性能评估方法，其特征在于，所述的通过一致性检测后构建对数最小二乘模型并对模型求最优解，模型如下：
Figure FDA0001987264280000021
Figure FDA0001987264280000022
其中，J表示模型目标值，n表示矩阵维度，ραij表示隶属度，σαij表示非隶属度；
最优解
Figure FDA0001987264280000023
为所求的权重向量，其中，
Figure FDA0001987264280000024
表示第i项元素权重的隶属度，
Figure FDA0001987264280000025
表示第i项元素权重的非隶属度。
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