基于opsis法的充填配比多屬性決策優(yōu)化

基于opsis法的充填配比多屬性決策優(yōu)化

0充填配比研究中國(guó)的金礦是在海水下開(kāi)采的金礦床。隨著平坦部分礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，礦體開(kāi)采繼續(xù)向深部推進(jìn)。充填體的力學(xué)特性、料漿流動(dòng)特性、充填成本及工藝等均受到充填料漿的配比影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在充填配比的問(wèn)題上進(jìn)行了大量的研究,李夕兵等上述研究現(xiàn)狀表明,充填配比的優(yōu)化方法需要進(jìn)一步改善。事實(shí)上,對(duì)比其他工程上的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者1填充材料的比例試驗(yàn)1.1充填液粒徑對(duì)充填效果的影響試驗(yàn)?zāi)z凝材料為425#普通硅酸鹽水泥,尾砂取自尾礦庫(kù),容重為15.29kN/m根據(jù)圖1中尾砂粒徑分布曲線可以計(jì)算得到粒徑特征參數(shù),即d式中:d由此表明,尾砂級(jí)配不均勻系數(shù)適中,連續(xù)性稍差,粒度偏細(xì),但20μm以上的粒徑占65%以上,經(jīng)濃密脫泥處理后,可提高料漿泵送性能和固化效果,用于井下采空區(qū)充填。為節(jié)約充填成本,可考慮將海水作為充填水源,但海水中Cl-1含量較高,具有一定的腐蝕性,充填性能可能受到一定的影響。因此,可由淡水進(jìn)行稀釋處理獲得不同海水比例的充填水源,綜合考慮多方面影響,最終選擇硅酸鹽水泥、尾砂及不同比例海水作為充填材料進(jìn)行配比試驗(yàn)研究。1.2充填水源海水比例的確定充填料漿性能主要反映在充填體強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性、泌水性、充填成本等因素上,尾砂成分、密度、級(jí)配、膠凝材料特性、灰砂比、養(yǎng)護(hù)溫度及海水比例等是影響充填料漿性能的一些主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中,由于某些影響因素例如骨料粒級(jí)、膠結(jié)料類別是不變的,因此,本文只針對(duì)充填水源海水比例(x由表2可知,充填水源的海水比例采用0%,50%和100%這3個(gè)水平,灰砂比使用1∶4,1∶8和1∶16這3個(gè)水平,料漿質(zhì)量濃度則根據(jù)尾砂最大沉降質(zhì)量濃度(79.1%)而采用68%,70%和72%這3個(gè)水平。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則,按照15個(gè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn),進(jìn)行了15組試驗(yàn),充填物料經(jīng)過(guò)制漿后,首先測(cè)量其塌落度和不同的泌水率;澆注模具后,讓其自然沉降,待初凝后對(duì)試塊進(jìn)行刮平、脫模處理,再放置于HSB-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱按照溫度20℃和濕度90%進(jìn)行28d的試塊養(yǎng)護(hù);最后采用WHY-200萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。試塊制作、養(yǎng)護(hù)及室內(nèi)單軸抗壓試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。2單因素對(duì)充填體強(qiáng)度、塌落度及90min泌水率的影響根據(jù)表3中的正交試驗(yàn)結(jié)果,分別建立28d充填體強(qiáng)度、塌落度以及90min泌水率與海水比例、灰砂比及料漿質(zhì)量濃度的高斯過(guò)程回歸模型,模型各響應(yīng)量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差絕對(duì)值如圖3所示。從圖3中可以看出,3個(gè)模型的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差絕對(duì)值均在6.0%以下,平均相對(duì)誤差絕對(duì)值分別為3.35%,2.20%和2.10%?？梢?jiàn)高斯回歸模型總體擬合較好,可靠度較高。在高斯過(guò)程回歸模型中,協(xié)方差矩陣中體現(xiàn)了變量之間的相關(guān)性程度。因此,海水比例、灰砂比及料漿濃度對(duì)各響應(yīng)量存在著相互作用的影響,但各因素對(duì)各響應(yīng)量的影響顯著程度又不盡相同。為了更加直觀地表現(xiàn)單因素對(duì)各響應(yīng)的影響,分別對(duì)海水比例、灰砂比及料漿質(zhì)量濃度通過(guò)式(2)作歸一化處理,在分析其中1個(gè)因素對(duì)某一響應(yīng)的影響時(shí),將其他2個(gè)因素保持在均值0.5處。通過(guò)高斯回歸模型計(jì)算出不同單因素條件下各響應(yīng)量的變化情況,由此可以獲得28d充填體強(qiáng)度、塌落度及90min泌水率隨著各單因素的變化曲線,如圖4所示。從圖4(a)中可以看出,在28d充填體的回歸模型中,充填體強(qiáng)度隨海水比例的增大而減小,表明海水比例的增大會(huì)降低充填體的強(qiáng)度,充填體強(qiáng)度與灰砂比及料漿質(zhì)量濃度近似呈線性正相關(guān)關(guān)系。從曲線斜率可以看出,充填體隨料漿質(zhì)量濃度增加而增大的幅度要高于充填體隨灰砂比增加而增大的幅度,由此可以說(shuō)明料漿質(zhì)量濃度對(duì)于改善充填體強(qiáng)度的效果最為顯著。塌落度隨料漿屬性變化規(guī)律見(jiàn)圖4(b),可以看出海水比例對(duì)塌落度的影響程度不及灰砂比和料漿質(zhì)量濃度顯著。其中,塌落度隨著灰砂比和料漿質(zhì)量濃度的增大而顯著增大,隨著海水比例的增大先增大后減小,在海水比例為50%左右時(shí),塌落度存在極大值。圖4(c)為單因素對(duì)90min泌水率的影響。其中,海水比例對(duì)料漿泌水率的影響不大,泌水率變化值在1%以內(nèi),泌水率隨海水比例總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在海水比例為50%左右時(shí),塌落度存在極小值。綜上可知,海水作為充填水源會(huì)在一定程度上降低充填體強(qiáng)度,采用海水作為充填水源需權(quán)衡成本與強(qiáng)度之間的矛盾關(guān)系;料漿泌水率隨灰砂比及料漿質(zhì)量濃度的增大而顯著減小,當(dāng)灰砂比增大到1∶16～1∶4,料漿質(zhì)量濃度增大到70.8%～72%時(shí),料漿泌水率基本上保持穩(wěn)定;灰砂比對(duì)泌水率的影響主要是由于硅酸鹽水泥等膠凝材料與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),具有吸附水分的作用,因此,膠凝材料越多,吸附水分越多,泌水率越小;而料漿質(zhì)量濃度越大,泌水率越低。這與工程實(shí)際是相符合的。3充填體強(qiáng)度相應(yīng)滿足基于滿意度的充填配比多目標(biāo)優(yōu)化在以往研究中得到了一定的應(yīng)用,將各響應(yīng)量滿意度的加權(quán)線性組合進(jìn)行優(yōu)化,歸根到底又變成了單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。而在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中,各響應(yīng)量之間極有可能是互相矛盾的,同時(shí)滿足各目標(biāo)函數(shù)的唯一最優(yōu)解幾乎是不存在的,為此,在不能求得同時(shí)滿足每個(gè)響應(yīng)量的最優(yōu)參數(shù)情況下,基于Pareto非劣解的概念Pareto前端及其對(duì)應(yīng)非劣解如表4所示,當(dāng)滿足28d充填體強(qiáng)度最高或塌落度最低時(shí),解4是最優(yōu)解,當(dāng)滿足泌水率最低時(shí),解2是最優(yōu)解。因此,在一定范圍獲得的優(yōu)化解不存在同時(shí)滿足各目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。采用多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法獲得一系列的Pareto非劣解,這是單目標(biāo)優(yōu)化所做不到的。4充填配比的確定及驗(yàn)證多目標(biāo)優(yōu)化產(chǎn)生的Pareto解不存在唯一性,這與實(shí)際需求不相符。在基于TOPSIS法的方案優(yōu)化問(wèn)題上,對(duì)滿意度函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)量的優(yōu)化僅僅是一方面,不同充填配比對(duì)于方案的優(yōu)選結(jié)果也能產(chǎn)生一定的影響。因此,如何權(quán)衡好充填成本與充填體強(qiáng)度的綜合關(guān)系,是獲得最優(yōu)方案應(yīng)考慮的問(wèn)題。TOPSIS方法作為方案優(yōu)選的1種有效方法,在眾多工程方案優(yōu)選問(wèn)題中獲得廣泛應(yīng)用,因此,可以采用TOPSIS方法對(duì)表4中的非劣解方案進(jìn)行綜合優(yōu)選。TOPSIS法對(duì)非劣解進(jìn)行排序優(yōu)選的步驟為1)建立初始評(píng)價(jià)矩陣。將表3中充填配比的各影響因素及響應(yīng)量依次記為a式中:a2)根據(jù)初始評(píng)價(jià)矩陣建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。海水比例和28d充填體強(qiáng)度屬于越大越優(yōu)的指標(biāo),其余屬于越小越優(yōu)的指標(biāo),為消除評(píng)價(jià)指標(biāo)值之間量綱影響,標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(b(1)對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)(2)對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)經(jīng)過(guò)式(4)、(5)的處理,獲得標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣為:3)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。指標(biāo)權(quán)重對(duì)優(yōu)選結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文基于博弈論的思想,綜合采用層次分析法及熵權(quán)法的主客觀的組合賦權(quán)方法,對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。獲得各指標(biāo)的組合權(quán)重為W=(0.038,0.200,0.117,0.361,0.190,0.093),各指標(biāo)不同計(jì)算方法下的權(quán)重對(duì)比如圖5所示。從圖5中可以看出,組合賦權(quán)結(jié)合了主客觀權(quán)重的特點(diǎn),使得權(quán)重計(jì)算更為合理。4)計(jì)算獲得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z=(Z5)計(jì)算方案貼近度。分別計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象到正、負(fù)理想解的歐式距離,其計(jì)算公式如下:則Z式中:T6)確定最佳方案。經(jīng)過(guò)式(8)、(9)計(jì)算得到表4中各方案的貼近度,如圖6所示。由圖6可知,采用TOPSIS法獲得貼近度排序最高的為表4中的非劣解14,其貼近度為0.832;非劣解9的貼近度次之,為0.756;非劣解10的貼近度最低,僅有0.271。由此可以得出,當(dāng)海水比例為38.92%,灰砂比為1∶6.18,料漿質(zhì)量濃度為70.79%時(shí),非劣解的貼近度最高,對(duì)應(yīng)的響應(yīng)量為:28d充填體強(qiáng)度2.09MPa,坍落度為282.2mm,料漿泌水率為5.68%,滿足充填強(qiáng)度要求。為了對(duì)優(yōu)選充填配比的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。按照“攪拌—灌?！撃！B(yǎng)護(hù)—測(cè)試”的步驟進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果為料漿塌落度279.6mm,泌水率5.62%,28d充填體平均強(qiáng)度為2.04MPa,如圖7所示。充填配比的優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果基本一致,采用GPR-TOPSIS模型優(yōu)化得到的充填材料最優(yōu)配比是合理可靠的。5各影響因素的影響1)基于海下金礦充填配比試驗(yàn)結(jié)果,建立不同充填料配比與各響應(yīng)量的高斯回歸模型,其模型相對(duì)誤差絕對(duì)值小,可靠性高。2)采用高斯回歸模型分析不同影響因素對(duì)各響應(yīng)量的敏感性發(fā)現(xiàn),灰砂比及料漿質(zhì)量濃度對(duì)充填體強(qiáng)度等的影響