一种膏体充填系统的模块化设计方法与流程

本发明属于煤矿膏体充填技术领域，尤其涉及一种膏体充填系统的模块化设计方法。

背景技术：

模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。模块作为一个独立单元，其概念出现于早期的软件领域，它是指本身可以完成特定功能、与其他程序相对独立却又相关联的独立程序片段。而随着研究的不断深入，现代模块化理论已经被应用到了许多方面，尤其在工程领域，模块化的设计思想为产品的系列化、规模化及通用性等带来新的发展。

煤矿充填采矿法是指采煤时不断向采空区充填煤矸石、建筑垃圾等的开采技术，主要工艺技术有固体材料充填、膏体材料充填以及高水材料充填等方法，其中以膏体充填采矿技术应用最广。煤矿膏体充填采矿法作为当前煤矿提升回采效率、有效控制地面塌陷及处理矿山固体废料的重要手段，已经得到广泛应用与发展。

目前充填系统均设计为一体固定式，其存在初期投资较高且在采矿完成后大多数设备无法回收、转移再利用的问题。本发明将模块化产品设计的思路引入到充填系统设计过程中，其能够有效的解决大综产品重复设计、投资等问题。

技术实现要素：

本发明提供的一种膏体充填系统的模块化设计方法，对模块式充填系统的设计具有指导意义。模块化的充填系统在充填完成后能够进行快速拆卸，并运输至下一站点进行重构，以达到重复利用、减少投资的目的。

本发明提出的膏体充填系统的模块化设计方法，主要分为两大部分，即模块划分与划分方案评价。模块划分产生多个初始划分方案，划分方案评价能够在众多划分方案中选择最优的方案作为最终结果。

模块划分部分主要包括以下六个步骤：第一对充填系统进行分析，得到系统关键零部件并进行编号，然后根据拆卸准则、功能结构相关性准则、重构性准则及运输性准则对两两零部件进行评分；第二根据粗糙集理论计算每一个评价值的粗糙区间；第三运用层次分析法确定各准则权重；第四将各项准则下的粗糙区间进行算术平均，得到平均粗糙区间，再利用层次分析法将基于四项准则的平均粗糙区间合并，得到综合评价区间矩阵；第五将综合评价区间矩阵分为粗糙下限矩阵和粗糙上限矩阵，分别求解其等价矩阵，再利用matlab软件分别求解其动态聚类图；第六根据粒度适中原则并结合动态聚类图得到粗糙上限和下限的聚类结果，选取两结果中模块数量一致的情况作为初始划分方案。

划分方案评价主要包括以下四个步骤：第一在模糊综合评价的基础上建立划分方案评价两级指标；第二建立第二级指标的隶属函数；第三利用层次分析法求解权重向量；第四逐层求取模糊综合评价矩阵，最终得到方案的评价向量，其中最大值所对应的方案为最佳方案。

有益效果：本发明将模块化产品设计的思路引入到充填系统设计过程中，其能够有效的解决产品重复设计、投资等问题。

附图说明

图1转场重构模块化设计层次结构模型图

图2层次分析法流程图

图3充填系统模块划分方案评价指标体系

具体实施方式

以下结合发明内容和附图对本发明的具体实施作进一步说明。

(1)模块划分步骤

第一步：对充填系统进行分析，得到系统关键零部件并进行编号。然后根据拆卸准则、功能结构相关性准则、重构性准则及运输性准则对两两零部件进行评分，得到相关性评价表。

第二步：根据式(1)计算每一个评分的粗糙区间。

式中：

其中：k为设计准则序号；l为评价组序号；

为对于膏体充填站中零部件i及j之间关于评价准则k的判定结果，评价组序列(e＝1，2，3...e)。

第三步：基于层次分析法(ahp)确定各准则的权重ωk。首先构建转场重构模块化设计层次结构模型，如图1所示该模型目标层0为膏体充填站可转场重构模块化设计，准则层c为设计c1、制造c2、装配c3三项，方案层为转场重构模块化设计的四项准则。然后在每个层次内利用如表1所示的固定比较尺度对各元素进行两两比较，从而构建层次结构矩阵，最后通过层次排序以及一致性检验，最终求得方案层的各元素相对于最高目标的相对权重，其基本流程如图2所示。

表1层次分析法比较尺度

根据ahp基本理论定义一致性指标：ci＝(λ-n)/(n-1)，其中λ为层次比较矩阵的最大特征值，n为该矩阵阶数。

随机一致性指标ri按照表2确定：

表2随机一致性指标数值表

且当一致性比率cr＝ci/ri＜0.1时，则认为该矩阵通过一致性检验，否则需要重新构造层次比较矩阵。

准则层比较矩阵为0，其特征向量为ωo；方案层中设计、制造、装配的比较矩阵分别为c1、c2、c3，其特征向量为ωc1、ωc2、ωc3，令方案层的最终权重为ωc＝(ωc1，ωc2，ωc3)；则权重ωk＝ωc×ωo。

第四步：根据式(2)～(3)以及由ahp所求基于转场重构的煤矿膏体充填站模块化设计评价系统四项准则的权重ωk计算平均粗糙区间及综合评价值。最终得到综合评价粗糙区间矩阵。

式中：为各项评价准则的权重，∑ω^k＝1。

第五步：将综合评价粗糙区间拆分为区间下限矩阵t下及区间上限矩阵t上，应用matlab根据式(4)二次方法求解传递闭包t(t下)及t(t上)。

t→t²→t⁴→...→t²ⁱ(4)

当第一次出现时，则t^k具备了传递性，此时称t(t)＝t^k为模糊相似矩阵t的传递闭包。

λ截矩阵：设模糊矩阵a＝(aij)∈μm×n，对任意λ∈[0，1]，称为模糊矩阵a的λ截矩阵。其中：

根据以上所定义的λ截矩阵，将λ取尽传递闭包中的每一个数值，由此得出传递闭包t(t下)及t(t上)的所有截矩阵并得出动态聚类图。

第六步：根据模块划分粒度适中的原则对动态聚类结果进行分析，找到粗糙上限及粗糙下限的划分结果相同时的模块数，进而得到初始模块划分方案。

(2)划分方案评价步骤

第一步：图3为充填系统模块划分方案评价指标体系，以拆卸性、工艺性及模块度三个指标建立评价体系，其中拆卸性包含了模块的拆卸可达性及模块拆卸的成本，工艺性则包含了模块的功能连续及模块内的结构相关，模块度则包含了模块内的聚合性以及模块间的耦合性，由此构成了充填系统模块划分方案评价指标体系。

第二步：第二级指标隶属函数的建立。

①由式(5)计算可达性隶属函数u11：

式中：uki为每个模块的可达性数值，i＝1，2，k，n；

②由式(6)计算拆卸成本uc：

式中：uc为拆卸成本；uci为拆卸第i个模块的成本；m为第i个模块的约束数量；ucij为拆卸第i个模块时完成第j个工序的成本。

采用广联达(河北)预算计价软件完成各方案模块的运输及安装成本预算，得到模块的运输及安装费用uyz。

方案的总成本为：：u′12＝uc+uyz，对其进行标准化处理可得u″12，并取最终成本指标评价隶属函数为：u12＝1-u″12。

③方案的功能性指标评价隶属函数为：m为功能模块数，n为总模块数。

④设方案包含n个模块，模块包含的零件数为i，最小模块中的零件数量为g个，最大模块中的零件数量为h个，以模块中包含的零部件数量的多少进行分类，取数量区间为[a，b]：定义每个模块的隶属函数uji为：

⑤方案的平均聚合性为方案中所有模块聚合性的平均值，代表方案中所有模块内的零部件的实际关联与可能关联关系总和的比值：

式中：mi为模块中零部件的数量；t(k，j)为两零部件的惯量强度值，对u′31进行数据标准化处理，最终得到方案的聚合性。

⑥方案的耦合性代表了同一方案中模块与模块之间的实际关联关系与可能的关联关系之比：

式中：mi为第i个模块中零部件的数量；mj为第j个模块中零部件的数量；t(h，k)为两零部件的关联强度值，最终方案耦合性为：u32＝1-u′32。

第三步：根据层次分析法逐层建立层次比较矩阵并进行一致性检验。得到一级指标比较矩阵的特征向量为ωo，二级指标比较矩阵的特征向量为ωi1、ωi2(i＝1，2，3)。

第四步：假设有l个划分方案，则膏体充填系统各划分方案在各二级指标下的隶属度：wli＝(ui1ui2)^t(i＝1，2，3)，每个方案的一级指标隶属度及所有方案的一级评价矩阵分别为：

所有方案的最终评价向量为：则v中的最大值所对应的方案及为膏体充填站最优模块划分方案。