一种基于复杂网络的燃煤锅炉结构调整的分析方法与流程

本发明属于燃煤锅炉改造技术领域，涉及一种基于复杂网络燃煤锅炉结构调整的分析方法。

背景技术：

工业化进程中大气污染问题成为关注的重点，近年来“雾霾”成为常态已经严重影响了人们的生活满意度。在多种雾霾成因中，燃煤锅炉排放被列为首位(占30％以上)。为了提高人们生活质量改善大气环境，国家对大气指标或者改进进度做出了严格的要求，迫切需要对燃煤锅炉进行整改。

燃煤锅炉整改方案中，需要将国家或者某一区域为目标，综合考虑能源、环境、经济系统的相互作用与和谐发展的模式。目前可查解决方案包括将能源技术融合的均衡模型的建模方法，对比实施环境税和排放权交易的环境经济效果；利用成本收益法分析减排技术，建立区域间能源供给、消费节点之间的动态变动关系。但均缺少动态优化分析的手段和对相似技术影响的分析能力。

针对多资源、动态分析的复杂资源选择问题，一些学者将复杂网络模型用于能源供给与产业的优选过程中，取得了一定成果。陈卫东等改进的Weaver-Thomas模型确定我国能源重点发展地区，利用复杂网络对优选结果进行分析。孙霄凌等以市场占有份额作为度分布构造网络节点，分析了我国能源供给状况，成功验证了复杂网络在分析能源供给中的应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是在于针对燃煤锅炉改造技术中多目标、多资源选择上的问题，提供了一种基于复杂网络的燃煤锅炉结构调整的分析方法，以解决燃煤锅炉结构调整过程中经济、环境以及政府配套资源的全局优化选择问题。

本发明的技术方案：

一种基于复杂网络的燃煤锅炉结构调整的分析方法，步骤如下：

(1)选取某区域内的燃煤锅炉作为分析样本，确定燃煤锅炉结构调整的依据参量：将燃煤锅炉结构调整的参量作为特征值组成燃煤锅炉特征向量T；

(2)对特征值及特征向量进行约束关系分析：以燃煤锅炉为网络节点，燃煤锅炉特征向量间的相似程度为边，构建燃煤锅炉复杂网络；

(3)构建多特征值构成的网络节点相似程度因子：

式中：S(i,j)表示燃煤锅炉i和燃煤锅炉j之间的相似值，Ti为燃煤锅炉i的特征向量；T_j为燃煤锅炉j的特征向量，L为特征向量维数，k＝1，2，…，L；通过计算分析样本中任意两个燃煤锅炉特征向量之间的相似值，得出一个相似性对称矩阵S；

(4)采用近邻传播聚类算法(Affinity Propagation clustering,简称AP算法)划分燃煤锅炉复杂网络的社团结构：将燃煤锅炉作为网络节点，将所有的网络节点视为可能的聚类中心，然后通过网络节点间信息的传递，计算出分析样本的聚类中心；其中网络节点间信息主要有两种，即吸引度r(i,k)和隶属度a(i,k)。吸引度r(i,k)表示的是从节点i到候选聚类中心点k的数值消息，其反映的是候选聚类中心点k对节点i的吸引程度，其表达式为：

隶属度a(i,k)则表示的是从候选聚类中心k到节点i的数值信息，反映的是节点i对候选聚类中心k的隶属程度，即节点i是否选择节点k作为其聚类中心，其表达式为：

r(i,k)与a(i,k)越强，则k点作为聚类中心的可能性就越大，并且i点隶属于以k点为聚类中心的聚类的可能性也越大。AP算法通过迭代过程不断更新每一个点的吸引度和归属度值，直到找到高质量的聚类中心，同时将其余的数据点分配到相应的社团结构。

(5)采用基于网络模块度稳定的阈值选取方法，对燃煤锅炉复杂网络的阈值r_s进行选取，其中网络模块度的定义为：

式中，Q(F)为网络模块度；f_ij为社团结构内部边的比例；a_i为同一社团结构下随机连接网络节点的边比例的期望值；m为网络的总边数；A_ij为网络节点i与网络节点j的连边；k_i为网络节点i的度；k_j为网络节点j的度；c_i为网络节点i所在的社团结构；c_j为网络节点j所在的社团结构；δ为指示函数；当网络节点i和网络节点j属于同一社团结构时，δ(c_i,c_j)＝1，否则δ(c_i,c_j)＝0。

计算过程中Q(F)值越大，网络的社团结构越明显，通常认为Q(F)≥0.3网络就具有明显的社团结构，此时找出Q(F)变化幅度位于±2％范围内波动的起始吸引度r(i,k)，即网络整体结构稳定的起始点，规定此时r(i,k)为带选取的阈值r_s。

运用选取的阈值r_s，按照若尔当典范形理论将步骤(3)中相似性矩阵S转换为网络连接矩阵A：

规定：若相似程度因子|S(i,j)|大于等于r_s，则认为燃煤锅炉i与燃煤锅炉j的状态是相似的，其在网络连接矩阵A中相应的元素值为1；若相似程度因子|S(i,j)|小于r_s，则认为两个燃煤锅炉的状态是不相似的，其在网络连接矩阵A中相应的元素值为0。

(6)根据复杂网络结构中网络连接矩阵A的元素取值，找出社团结构与不同燃煤锅炉间的对应关系，确定燃煤锅炉改造选择和资源优化配套的方案。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法从燃煤锅炉的结构和动态参量出发，提出了一种基于复杂网络的燃煤锅炉结构调整的分析方法，具备动态优化和对相似技术影响分析的能力，对于燃煤锅炉结构改造具有工程指导意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的燃煤锅炉复杂网络的阈值结果图；

图2是本发明实施例的燃煤锅炉节点复杂网络示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚说明，结合一下实施例对本发明进行进一步详细说明。然而此处所述具体实施例仅用以解释，并不用于限定本发明的应用条件。

本发明的实施例步骤如下：

(1)本例以浙江省温州市某区90台燃煤锅炉作为研究案例，将燃煤锅炉结构调整的主要依据参量热效率、炉渣可燃物含量、散热损失和锅炉所属企业年产值作为特征值组成燃煤锅炉特征向量T；

(2)对特征值及特征向量进行约束关系分析，以90台燃煤锅炉(6吨/时、10吨/时和15吨/时三种)为网络节点，燃煤锅炉特征向量间的相似程度为边，构建燃煤锅炉复杂网络。

(3)构建多特征值热效率、炉渣可燃物含量、散热损失和年产值的网络节点相似程度因子。

(4)采用AP聚类算法划分燃煤锅炉复杂网络的社团结构，计算出90个样本的聚类中心以，如图2所示。其中A社团以节点86为中心节点包含40个节点、B社团以节点36为中心包含29个节点、C社团以节点6为中心点包含21个节点。

(5)采用网络模块度相对稳定性的阈值选取方法，图1给出不同延时参数下模块度随阈值变化的情况，阈值在之间变化时，相应的网络模块度Q相对稳定且最大，因此选择阈值作为关键阈值。

(6)根据复杂网络结构中相似程度因子，确定A社团中的节点主要对应于6吨/时的燃煤锅炉，其与B社团之间连接紧密的节点则主要对应于6吨/时燃煤锅炉与10吨/时燃煤锅炉之间性能相似的燃煤锅炉；B社团中的节点主要对应于10吨/时燃煤锅炉，其与C社团之间连接紧密的节点则主要对应于10吨/时燃煤锅炉与15吨/时燃煤锅炉之间性能相似的燃煤锅炉；社团C中的节点则主要对应于15吨/时燃煤锅炉。确定燃煤锅炉改造选择和资源优化配套的方案。从图2可以发现隶属于A社团的节点51和节点58被划入了对应于10吨/时燃煤锅炉的社团B，而隶属于B社团的节点48则被划入了主要对应于6吨/时燃煤锅炉A社团。隶属于C社团中的节点19和20被划入主要对应于10吨/时燃煤锅炉的B社团，而B社团中的节点23和24则划入对应于15吨/时燃煤锅炉的C社团，这种情况的出现主要是由于锅炉使用年限和效率的综合作用。过渡区域燃煤锅炉的能耗、污染物排放率以及收益率的相似程度高，迫切需要对这些燃煤锅炉进行整改。因此，通过AP聚类社团结构划分算法对燃煤锅炉复杂网络社团结构进行分析，找出了网络社团结构与不同燃煤锅炉的对应关系，从而为燃煤锅炉的整改提供了理论支撑。