本文摘要：為了探討露天煤礦生產(chǎn)中鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度，本篇 鐵路論文 引入容量耦合理論建立耦合度模型，通過耦合分析對(duì)系統(tǒng)的耦合程度進(jìn)行了定量計(jì)算，并通過實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.在耦合分析的過程中，將不同參數(shù)轉(zhuǎn)化為可比較的同量綱數(shù)值.《 高速鐵路技術(shù) 》期刊
為了探討露天煤礦生產(chǎn)中鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度，本篇鐵路論文引入容量耦合理論建立耦合度模型，通過耦合分析對(duì)系統(tǒng)的耦合程度進(jìn)行了定量計(jì)算，并通過實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.在耦合分析的過程中，將不同參數(shù)轉(zhuǎn)化為可比較的同量綱數(shù)值.《高速鐵路技術(shù)》期刊是由中國中鐵股份有限公司主管，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司主辦的國家級(jí)科技期刊。本刊于2009年10月已獲國家新聞出版總署批準(zhǔn)， 2010年2月正式向國內(nèi)外公開發(fā)行。國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)：CN51—1730/U;國際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物號(hào)：ISSN1674—8247，郵發(fā)代碼：62-124。
煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位，國家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2010年我國能源消費(fèi)中，煤炭消費(fèi)量占70%[1].2010年國家鐵路運(yùn)輸貨物中，煤炭運(yùn)輸量為200043萬t，占總量的55%[1].我國的煤炭大省山西省2010年的煤炭運(yùn)能缺口仍在40%～50%之間.在當(dāng)前煤炭產(chǎn)、運(yùn)雙方相對(duì)獨(dú)立的背景下，造成了煤炭在中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)大量的堆積.在作為主要外運(yùn)手段的鐵路運(yùn)輸運(yùn)能緊張的情況下，探討露天煤礦生產(chǎn)與外運(yùn)之間的協(xié)調(diào)問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和耦合做了一些研究，文獻(xiàn)[2-5]對(duì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)程度的定量描述進(jìn)行了探討，部分學(xué)者引入了耦合理論研究子系統(tǒng)之間的配合程度[6-12].從上述研究可知，耦合在物理討論中用于分析兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)體相互依賴于對(duì)方的量度，在分析露天煤礦與鐵路運(yùn)輸雙系統(tǒng)關(guān)系中是可以借鑒的.但在耦合度分析與計(jì)算中需要對(duì)各參數(shù)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一量綱化處理，當(dāng)前進(jìn)行統(tǒng)一量綱常用的手段較多，實(shí)踐中多數(shù)采用均值方差法[13]，即通過描述各個(gè)指標(biāo)觀測值相對(duì)于均值的分布情況.但這類方法要求指標(biāo)變量線性變化，其變化值與其對(duì)系統(tǒng)的影響程度成正比關(guān)系，此外，這類方法要求較多的初始觀測值參與計(jì)算，這些都不符合新建礦山的要求.本文對(duì)依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較低的功效系數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，研究了露天煤礦采掘、運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)用指標(biāo)和鐵路外運(yùn)系統(tǒng)數(shù)量、載重、波動(dòng)等參數(shù)的選擇.
1參數(shù)選擇為探求露天煤礦企業(yè)生產(chǎn)與鐵路外運(yùn)組織之間的耦合程度，需要選取一定的參數(shù)[14].選擇參數(shù)時(shí)，以全面性、科學(xué)性、層次性、目的性、可比性及可操作性為原則.
1.1露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)在描述和評(píng)價(jià)露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇具有全局性的參數(shù)，并要求參數(shù)能夠直接反映露天礦生產(chǎn)狀況，參數(shù)變化對(duì)生產(chǎn)狀況有直接影響.考慮我國大量新建的大規(guī)模露天煤礦多采用單斗鏟-卡車工藝或以此為基礎(chǔ)的綜合工藝系統(tǒng)，故選擇如下參數(shù).(1)挖掘機(jī)數(shù)量挖掘機(jī)數(shù)量指標(biāo)能直接反映露天煤礦的生產(chǎn)能力，一般采用一定計(jì)量周期內(nèi)投入實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)備數(shù)量，即考慮出動(dòng)的挖掘機(jī)數(shù)量.(2)挖掘機(jī)斗容挖掘機(jī)斗容能夠直接體現(xiàn)挖掘設(shè)備的工作能力，不同斗容設(shè)備的計(jì)量周期生產(chǎn)能力存在較大的差距.為便于新建礦山的生產(chǎn)持續(xù)性和設(shè)備的易維護(hù)性，大部分新建礦山多采用同樣規(guī)格的設(shè)備.(3)卡車數(shù)量在露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，坑內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)有直接的影響.采用單斗鏟-卡車工藝的露天煤礦，其卡車數(shù)量能夠直接反映礦山生產(chǎn)情況.(4)卡車平均靜載重靜載重是指貨車在靜止?fàn)顟B(tài)下平均每車裝載的貨物重量，用以分析貨車完成裝車時(shí)車輛載重的利用情況.卡車平均靜載重能夠客觀的反應(yīng)卡車運(yùn)輸對(duì)煤礦生產(chǎn)能力產(chǎn)生的影響.(5)平均運(yùn)距露天礦卡車平均運(yùn)距是指一定計(jì)量周期內(nèi)平均每輛卡車完成每次生產(chǎn)周期所走行的平均距離.平均運(yùn)距包括裝車點(diǎn)重載至卸車點(diǎn)的距離、返程的空駛距離以及其間為完成作業(yè)所走行的其他路程長度.
1.2鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)參數(shù)選擇鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的描述和評(píng)價(jià)參數(shù)應(yīng)該能夠反映礦山外運(yùn)體系的服務(wù)水平，而不是對(duì)路網(wǎng)系統(tǒng)狀況進(jìn)行闡述，因此選擇以下參數(shù).(1)日平均入礦車數(shù)國家鐵路與礦區(qū)交換的空重載車數(shù)直接反映鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)資源外運(yùn)的服務(wù)水平.由于露天礦山生產(chǎn)具有持續(xù)性特點(diǎn)，當(dāng)前生產(chǎn)過程中，通常礦方會(huì)采用不停車裝車系統(tǒng)，使得入礦車輛不解體、不停車迅速完成裝載并返回國家鐵網(wǎng)絡(luò)，因此，日平均入礦車數(shù)能夠直觀的反映雙方交換車的情況.(2)車輛平均載重量利用系數(shù)鐵路車輛平均載重量利用系數(shù)指標(biāo)能夠反映車輛裝載的情況，采用這類指標(biāo)避免了不同貨車編組造成評(píng)判指標(biāo)不統(tǒng)一的問題.(3)列車到達(dá)不均衡系數(shù)考慮鐵路貨車常出現(xiàn)集中到達(dá)情況，往往與煤礦生產(chǎn)的持續(xù)平穩(wěn)特點(diǎn)產(chǎn)生較大的沖突，為反映外運(yùn)服務(wù)水平，引入列車到達(dá)不均衡系數(shù)指標(biāo).
2參數(shù)同度量化處理
設(shè):uij為煤礦生產(chǎn)-鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中各參數(shù)的功效貢獻(xiàn)值，其中:i為系統(tǒng)編號(hào)，i=1，2;j為參數(shù)編號(hào)，j=1，2，…，n;uij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)參數(shù)的貢獻(xiàn)值;Xij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)參數(shù)的實(shí)測值;XDij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值或經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)值;XOij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)最低值或經(jīng)驗(yàn)獲得的最小允許值.當(dāng)參數(shù)越大、系統(tǒng)評(píng)價(jià)越好時(shí)，取實(shí)測指標(biāo)與最小允許值的差值參與計(jì)算;當(dāng)參數(shù)越小、系統(tǒng)評(píng)價(jià)越好時(shí)，取實(shí)測指標(biāo)與設(shè)計(jì)值最優(yōu)值的差值參與計(jì)算，則有0
3耦合度函數(shù)
借鑒物理學(xué)中容量耦合(capacitivecoupling)的概念和容量耦合系數(shù)模型[15]，針對(duì)礦山生產(chǎn)與鐵路外運(yùn)雙系統(tǒng)的特點(diǎn)，推廣得到雙系統(tǒng)(或要素)相互作用的耦合度模型為由式(3)可知，礦山生產(chǎn)與鐵路外運(yùn)的耦合程度受2個(gè)子系統(tǒng)各自狀況的影響，且與子系統(tǒng)對(duì)整體貢獻(xiàn)情況的乘積成正比，與子系統(tǒng)對(duì)整體貢獻(xiàn)情況的和成反比.耦合度值應(yīng)為:C∈[0，1].當(dāng)C=1時(shí)，耦合度最大，系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間達(dá)到良性共振耦合，系統(tǒng)將趨向新的有序結(jié)構(gòu);當(dāng)C=0時(shí)，耦合度極小，系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間處于無關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)將向無序發(fā)展.具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[16]見表1.
4實(shí)例驗(yàn)證
為驗(yàn)證上述模型能否真實(shí)有效地反映和評(píng)價(jià)實(shí)際生產(chǎn)的協(xié)調(diào)程度，采用內(nèi)蒙古東部某露天煤礦為例進(jìn)行驗(yàn)證.該露天煤礦是國家煤炭工業(yè)“十一五”規(guī)劃的10個(gè)千萬噸露天煤礦之一，該煤礦位于勝利煤田的中部，礦權(quán)境界東西長7.3～8.0km，南北寬6.1～6.3km，面積49.63km2，總儲(chǔ)量703826萬t，露天開采資源儲(chǔ)量為531872萬t，可采儲(chǔ)量397002萬t，平均剝采比2.93m3/t.對(duì)應(yīng)前述參數(shù)選擇，提取煤礦生產(chǎn)和外運(yùn)參數(shù)如表2和表3所示.表2、3中，考慮新建礦山工作量推進(jìn)多采用外包方式，且受鐵路網(wǎng)能力和建設(shè)程度的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，采用1/3外運(yùn)量通過鐵路運(yùn)輸方式進(jìn)行外運(yùn).運(yùn)用層次分析法，得到不同系統(tǒng)的參數(shù)權(quán)重如表4所示.依據(jù)表4取值，分別將Xij、XDij、XOij、λij代入式(1)～(3)，計(jì)算結(jié)果見表5.從表5可以看出，該礦生產(chǎn)與鐵路外運(yùn)系統(tǒng)之間的耦合度為0.61.參考表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，煤礦生產(chǎn)與鐵路外運(yùn)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)情況較好，但偏向一般水平.鐵路外運(yùn)系統(tǒng)對(duì)整體的協(xié)調(diào)工作造成較多不便，其對(duì)整體的貢獻(xiàn)度僅為煤炭生產(chǎn)的43%，影響了系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性.由表5還可以看到，對(duì)于鐵路外運(yùn)系統(tǒng)，與預(yù)期相比，較低的入礦車數(shù)對(duì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)造成了較大的影響，其貢獻(xiàn)率僅為其他指標(biāo)中最小數(shù)值的20%，而接發(fā)列車的不均衡系數(shù)卻對(duì)系統(tǒng)不協(xié)調(diào)影響較小.經(jīng)調(diào)查，這一結(jié)果與現(xiàn)場人員反映的情況一致.所以對(duì)于該礦，可以考慮購置自備車入鐵路網(wǎng)運(yùn)行、建設(shè)坑口電站等方式提高參數(shù)的貢獻(xiàn)率.若日平均入礦車數(shù)能夠提高到計(jì)劃數(shù)量的80%，系統(tǒng)耦合度能夠提高17%.這對(duì)于礦山合理生產(chǎn)和企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重要的意義.
5結(jié)論
實(shí)例計(jì)算表明，模型取得的結(jié)論與實(shí)際生產(chǎn)中的狀況相似，能夠反映現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中露天煤礦生產(chǎn)-鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的耦合情況，并能夠定量得到不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)耦合的影響，有利于改進(jìn)生產(chǎn).研究表明:(1)露天煤礦生產(chǎn)-鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系與不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)有序性的貢獻(xiàn)有關(guān)，且該貢獻(xiàn)與指標(biāo)的實(shí)際表現(xiàn)和設(shè)計(jì)期望相關(guān).(2)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的原因與個(gè)別參數(shù)達(dá)到期望值的程度較低有關(guān).(3)若企業(yè)能夠改良表現(xiàn)較差的參數(shù)，縮小其與期望值的差距，將使系統(tǒng)協(xié)調(diào)性有較大的提升.
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