一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法与流程

技术领域：

本发明属于燃气应用领域，特别涉及一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法。

背景技术：
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燃气采暖热水炉是一种可用于家庭采暖又可用于提供家庭生活用热水的壁挂式家用燃气具，起源于欧洲，并于20世纪90年代末引进到中国并在国内开始发展。

目前我国北方地区家庭冬季采暖方式主要为集中供暖，南方地区采暖方式多为空调供暖。随着我国天然气大面积的普及应用，为了提高供暖效率和舒适度，以天然气壁挂炉为代表的水地暖系统也开始流行，并且随着国家对环保问题的逐渐重视，房地产市场的火爆，以及“煤改气”工程的逐步推进，燃气采暖热水炉行业迎来了突飞猛进的增长势头。中国土木工程学会燃气分会统计数据显示，从2009年至2016年，燃气采暖热水炉的年均增长率达到了27％，2017年中国市场燃气采暖热水炉的销量陡然升高，达到了550万台，2018年燃气采暖热水炉销量有所回落，达到了320万台。

目前，燃气采暖热水炉产品主要是依据gb25034-2010《燃气采暖热水炉》检验判定是否合格，并依据gb20665-2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》进行能效分级，并可依据gb/t36503-2018《燃气燃烧器具质量检验与等级评定》进行质量等级评定。但是燃气采暖热水炉产品的综合运行性能没有定量的评价方法，产品在检验指标全部合格的前提下，并不能定量的区分产品的相对好坏，用户在选择产品时可能会有一定的困难。

综上，当前的燃气采暖热水炉市场亟待需要一种能够定量评价燃气采暖热水炉产品运行性能的方法。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法，该方法基于主成分分析法展开研究，能够定量评价燃气采暖热水炉产品运行性能。

如上构思，本发明的技术方案是：一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法，包括以下步骤：

s1、结合燃气采暖热水炉的结构特性、燃烧特性和运行性能，确定其运行性能影响因素；

s2、采集多台燃气采暖热水炉运行性能影响因素的测试数据形成测试集合，获得评价矩阵；

s3、分别对每个影响因素的测试数据进行数据标准化处理，获得标准化评价矩阵；

s4、根据标准化评价矩阵及其转置矩阵，确定各影响因素之间的相关系数，获得相关系数矩阵；

s5、确定新的综合评价指标，获得运行性能评价模型；

s6、选择合适的样本验证评价模型的合理性，最终确定测试样本的综合排名。

进一步，所述步骤s2具体为：

确定每个影响因素的测试数据对运行性能的影响是正作用还是负作用，从而确定测试结果在数据处理时是按正值或负值处理，然后分别将处理后的每个影响因素的测试数据向量化成n×1维列向量后，将获得的所有列向量合并成n×m维的评价矩阵；其中，m表示测试集合中燃气采暖热水炉的数量，n表示燃气采暖热水炉运行性能影响因素的个数，

进一步，所述步骤s3具体为：

分别确定每个影响因素的样本均值和标准差，获得各标准化评价指标和标准化评价矩阵。

进一步，所述步骤s5具体为：

根据相关系数矩阵，获得矩阵的n个非负的特征值λ1、λ2、…、λw、…、λn，并按大小排序λ1>λ2>…>λw>…>λn，特征值对应的特征向量为qa1、qa2、…、qaw、…、qan或(q＝1或q＝-1)，其中，

aw＝[aw1,aw2,…,awj,…,awn]^t

awj为特征向量aw的元素，

每个特征值对应一个主成分即新的综合评价指标，根据特征值，获得第k个主成分的方差贡献率和前k个主成分的累计方差贡献率，按照主成分累计方差贡献率≥0.85的原则，获得主成分的个数，

可以获得第i台燃气采暖热水炉第k个主成分的指标值：

fik＝ak1zi1+ak2zi2+…+akjzij…+aknzin

或

fik＝-(ak1zi1+ak2zi2+…+akjzij…+aknzin)

其中fik为第i台燃气采暖热水炉第k个主成分的指标值，akj为特征值λk对应的特征向量的元素，

以每个主成分所对应的方差贡献率占所提取主成分的累计方差贡献率的比例作为权重计算主成分综合评价指标值，则第i台燃气采暖热水炉运行性能综合评价模型为：

其中ek为第k个主成分的方差贡献率，ek为前k个主成分的累计方差贡献率，t为主成分累计数量。

进一步，所述步骤s6具体为：

选取或构建能够确定排名先后顺序的样本，根据评价模型指标值fi的判断准则，可以确定计算时选取的特征向量是aw还是-aw，同样也可以确定主成分指标值fik，

根据第i台燃气采暖热水炉运行性能综合评价指标值fi的数值大小，按照降序的方法对燃气采暖热水炉运行性能进行综合排名，综合评价指标值的判断原则为fi越大，说明燃气采暖热水炉的运行性能越好，综合排名越高。

进一步，所述步骤s1根据燃气采暖热水炉的结构特性、燃烧特性和运行性能，选取燃气采暖热水炉运行过程中燃烧、换热和排烟三个主要阶段的7个影响因素，即额定热输入时供暖热效率、排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数、干烟气中co2体积分数、50％额定热输入时效率、nox权重值(nox)pond。

进一步，所述步骤s2将额定热输入时供暖热效率和干烟气中co2体积分数的测试结果在数据处理时按正值处理，将排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数和nox权重值(nox)pond的测试结果在数据处理时应该乘以-1按负值处理，即

分别将处理后的每个影响因素的测试数据向量化成n×1维列向量后，将获得的所有列向量合并成n×m维的评价矩阵；其中，m表示测试集合中燃气采暖热水炉的数量，n表示燃气采暖热水炉运行性能影响因素的个数。

进一步，所述步骤s6选取能够确定排名先后顺序的样本，如样本#1的额定热输入时供暖热效率和干烟气中co2体积分数比#2高，排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数和nox权重值(nox)pond比#2低，则可以判定#1的评价模型指标值肯定大于#2，即f1>f2，根据上述评价模型指标值fi的判断准则，确定特征向量中的q＝1或q＝-1，可以确定计算时选取的特征向量是aw还是-aw，同样也可以确定主成分指标值fik。

本发明提供的一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法，具有以下优点：一方面考虑到特征向量的非唯一性，给出了特征向量选取是否合适的验证和确定方法；另一方面，本发明通过应用主成分分析法，能够对燃气采暖热水炉的运行性能做出定量的评价，并给出综合排名，可以有效的应用于多个燃气采暖热水炉运行性能的对比评价。

附图说明：

图1为本发明的流程图。

具体实施方式：

参照图1，本发明提供了一种基于主成分分析的燃气采暖热水炉运行性能评价方法，包括如下步骤：

s1、结合燃气采暖热水炉的结构特性、燃烧特性和运行性能，确定燃气采暖热水炉运行性能影响因素，即本实施例选取了燃气采暖热水炉运行过程中燃烧、换热和排烟三个主要阶段的7个影响因素，即额定热输入时供暖热效率、排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数、干烟气中co2体积分数、50％额定热输入时效率、nox权重值(nox)pond；

s2、采集多台燃气采暖热水炉运行性能影响因素的测试数据形成测试集合，获得评价矩阵，即确定每个影响因素的测试数据对运行性能的影响是正作用还是负作用，从而确定测试结果在数据处理时是按正值或负值处理，然后分别将处理后的每个影响因素的测试数据向量化成n×1维列向量后，将获得的所有列向量合并成n×m维的评价矩阵；其中，m表示测试集合中燃气采暖热水炉的数量，n表示燃气采暖热水炉运行性能影响因素的个数，

具体为，采集的额定热输入时供暖热效率和干烟气中co2体积分数越高，代表燃气采暖热水炉性能越好，其测试结果在数据处理时按正值处理；排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数和nox权重值(nox)pond越高，代表燃气采暖热水炉性能越差，其测试结果在数据处理时应该乘以-1按负值处理；

分别将处理后的每个影响因素的测试数据向量化成n×1维列向量后，将获得的所有列向量合并成n×m维的评价矩阵；其中，m表示测试集合中燃气采暖热水炉的数量，n表示燃气采暖热水炉运行性能影响因素的个数；

s3、分别确定每个影响因素的样本均值和标准差，获得各标准化评价指标和标准化评价矩阵；

s4、根据标准化评价矩阵及其转置矩阵，确定各影响因素之间的相关系数，获得相关系数矩阵；

s5、确定新的综合评价指标，获得运行性能评价模型，具体为：

根据相关系数矩阵，获得矩阵的n个非负的特征值λ1、λ2、…、λw、…、λn，并按大小排序λ1>λ2>…>λw>…>λn，特征值对应的特征向量为qa1、qa2、…、qaw、…、qan或(q＝1或q＝-1)，其中，

aw＝[aw1,aw2,…,awj,…,awn]^t

awj为特征向量aw的元素。

每个特征值对应一个主成分即新的综合评价指标，根据特征值，获得第k个主成分的方差贡献率和前k个主成分的累计方差贡献率，按照主成分累计方差贡献率≥0.85的原则，获得主成分的个数。

可以获得第i台燃气采暖热水炉第k个主成分的指标值：

fik＝ak1zi1+ak2zi2+…+akjzij…+aknzin

或

fik＝-(ak1zi1+ak2zi2+…+akjzij…+aknzin)

其中fik为第i台燃气采暖热水炉第k个主成分的指标值，akj为特征值λk对应的特征向量的元素。

以每个主成分所对应的方差贡献率占所提取主成分的累计方差贡献率的比例作为权重计算主成分综合评价指标值，则第i台燃气采暖热水炉运行性能综合评价模型为：

其中ek为第k个主成分的方差贡献率，ek为前k个主成分的累计方差贡献率，t为主成分累计数量；

s6、选择合适的样本验证评价模型的合理性，最终确定测试样本的综合排名，即选取或构建能够确定排名先后顺序的样本，根据评价模型指标值fi的判断准则，可以确定计算时选取的特征向量是aw还是-aw，同样也可以确定主成分指标值fik。

根据第i台燃气采暖热水炉运行性能综合评价指标值fi的数值大小，按照降序的方法对燃气采暖热水炉运行性能进行综合排名。综合评价指标值的判断原则为fi越大，说明燃气采暖热水炉的运行性能越好，综合排名越高。

具体为：

选取能够确定排名先后顺序的样本，如样本#1的额定热输入时供暖热效率和干烟气中co2体积分数比#2高，排烟温度、干烟气中o2体积分数、干烟气中co体积分数和nox权重值(nox)pond比#2低，则可以判定#1的评价模型指标值肯定大于#2，即f1>f2。根据上述评价模型指标值fi的判断准则，确定特征向量中的q＝1或q＝-1，可以确定计算时选取的特征向量是aw还是-aw，同样也可以确定主成分指标值fik。