復(fù)雜模糊評價系統(tǒng)中隸屬函數(shù)構(gòu)造及其優(yōu)化

1、復(fù)雜模糊評價系統(tǒng)中隸屬函數(shù)構(gòu)造及其優(yōu)化北京科技大學(xué) 朱建明中國礦業(yè)大學(xué) 高立新 摘 要 本文在研究煤層地質(zhì)條件開采工藝評價這樣一個復(fù)雜的模糊評價系統(tǒng)中 , 根據(jù)各評價因素的特點(diǎn) , 選擇不同的方法進(jìn)行構(gòu)造隸屬函數(shù) , 實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化組 合 。 并提出了對隸屬函數(shù) , 實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化組合 。 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)模型 , 了模糊評價系統(tǒng) , 關(guān)鍵詞 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)圖 1 煤層地質(zhì)條件開采工藝評價因素結(jié)構(gòu)1 進(jìn)行礦井建設(shè)和礦區(qū)規(guī)劃前 , 要從開采的 角度出發(fā) , 分析和評價礦井煤層地質(zhì)條件 , 以 便確定工藝方式 、 裝備水平 、 開采強(qiáng)度和礦井 生產(chǎn)能力 。 如對煤層地質(zhì)條件評價過低 , 相應(yīng) 地開采要求也低

2、, 礦井迅速達(dá)產(chǎn)和超產(chǎn)后仍有 相當(dāng)大的開采潛力 , 勢必要求提前改造 , 再度 投資 ; 但如評價過高 , 對開采期望過高 , 又將 使礦井投產(chǎn)后長期達(dá)不到設(shè)計能力 , 降低建設(shè) 投資效果 。 因而恰當(dāng)?shù)卦u價煤層地質(zhì)條件適于 開采的程度 煤層地層條件的開采工藝性 , 是關(guān)系礦井生產(chǎn)建設(shè)的重要問題 。影響煤礦開采的地質(zhì)因素很多 , 評價指標(biāo) 的選擇及評價體系的確定應(yīng) 遵循以下原則 :(1 系統(tǒng)性原則 。評價 因素的選擇應(yīng)從整體的角度 反映影響煤層開采工藝性的 地質(zhì) 因 素 , 并 體 現(xiàn) 層 次 性 , 層次同因素應(yīng)為遞進(jìn)關(guān)系 。 同層次間因素為獨(dú)立關(guān)系 。(2 簡易性原則 。如果 評價層次多

3、, 因素指標(biāo)過份 繁瑣甚至重復(fù)包含 , 不僅會 影響評價結(jié)果的可靠性 , 也降低了評論方法的可操作性 。(3 可行性原則 。 在確定因素指標(biāo)時 , 應(yīng) 注意指標(biāo)的可測性和普通性 , 即地質(zhì)勘探報告 中可獲得指標(biāo)計算的信息 , 并且評價指標(biāo)應(yīng)具 有較強(qiáng)的鑒別力 。較敏感地表征該因素的影 響 , 對已有的部分指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行必要的修正 。(4 定性定量相結(jié)合的原則 。 評價因素既 可選擇定量因素 , 亦可選擇定性因素 , 當(dāng)定性 因素難以量化時 , 可考慮以定性判斷為主的等 級量化 , 對地質(zhì)條件“ 一劣即劣”的情況應(yīng)予 考慮 。依據(jù)以上原則 , 在進(jìn)行煤層地質(zhì)條件影響 開采效果的大量典型調(diào)查分析和專家

4、調(diào)查的基 礎(chǔ)上 , 從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一為出發(fā)點(diǎn) , 建立了適合緩傾斜 、 傾斜煤層地層條件開采工 藝性塊段評價的層次結(jié)構(gòu) , 如圖 1所示 。圖中右側(cè)為特殊困難因素的綜合評價 , 它 是結(jié)合左側(cè)部的評價, 對地質(zhì)條件 “一劣即 劣”的情況進(jìn)行評價 , 圖中虛線表示箭頭因素 影響超過一定閥值對箭尾因素產(chǎn)生的劣化影 響 。 上述煤層地質(zhì)條件綜合適應(yīng)程度和特殊困 難條件的綜合評價兩部分有機(jī)的結(jié)合 , 能較好 地反映地質(zhì)條件影響漸變與突變的作用 , 能較 好地反映地質(zhì)條件影響漸變與突變的作用 , 是 煤層地質(zhì)條件開采工藝問題辯證的兩個方面 。 2 系統(tǒng)的核心 , , 直接決定著評價系的優(yōu)劣 。

5、因此 , 對隸屬數(shù)的構(gòu)造 一直是人們在建立評價系統(tǒng)中比較棘手的問 題 。 在以往評價系統(tǒng)中隸屬函數(shù)的構(gòu)造方法往 往都比較單一 , 而我們對評價因素構(gòu)造隸屬函 數(shù) , 實(shí)際上就是對其客觀規(guī)律的認(rèn)識 , 因此 , 對于一些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行評價時 , 各因素的變化 規(guī)律 、 原始數(shù)據(jù)收集的難易程度都不一樣 , 所 以 , 在具體實(shí)施時應(yīng)根據(jù)各自特點(diǎn) , 選擇合適 的最佳方法 。 本文下面介紹的統(tǒng)計類比法 、 待 定系數(shù)法 、 多元隸屬函數(shù)法三種方法都各有特 點(diǎn) , 通過在上述煤層地質(zhì)條件開采工藝性評價 系統(tǒng)中 , 根據(jù)各指標(biāo)的特征 , 靈活運(yùn)用了上述 三種方法 , 達(dá)到了最佳的優(yōu)化組合 。圖 1中有 7

6、個復(fù)合因素 , 即 15基因素 , 因篇幅有限 , 本文只舉其中典型的幾個因素分 別加以分析 。 211 統(tǒng)計類比法基因素如煤層傾角 、 煤層開采厚度等與工 作面單產(chǎn)之間關(guān)系明顯 , 便于統(tǒng)計對比 。 以單 產(chǎn)相對高低的比值作為因素隸屬函數(shù)確定依據(jù) 是簡便而有效的 。 考慮到單因素評價應(yīng)盡量消 除其它因素的干擾 , 以地質(zhì)條件較簡單的深采 工作面單產(chǎn)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計分析 , 得出深采范圍基 因素隸屬函數(shù)值 , 對于不適合深采技術(shù)的因素 以相對優(yōu)劣程度描述的語言值作為其隸屬函數(shù)值 , 統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)進(jìn)行線性插值 。 依此方法構(gòu)造煤層傾角 的隸屬函數(shù) 值如下 , 圖形見圖 2所示 。=1 0 <5&#

7、176;1111-01022 5° <10°1101-01012 10° <15°11085-01017 15° <25°1186-0104825° <30°180° <45°t 蓄圖 2 煤層傾角隸屬函數(shù)212 待定系數(shù)法基因素指標(biāo)如 :煤層可采性指數(shù) , 煤層變異系數(shù) 、 煤層堅硬性 、 巖侵等影響 , 這些因素 與開采工藝指標(biāo)之間統(tǒng)計關(guān)系不明顯 , 但存在 一些特殊點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)評價 , 可采用待定系數(shù)法確 定其隸屬函數(shù)表達(dá)式 。 文獻(xiàn) 12調(diào)查了 我國的 12個主

8、要礦區(qū) , 它們是大同 、西山 、 晉城 、鶴崗 、雞西 、兗州 、淮北 、準(zhǔn)南 、肥 城 、 開灤 、 豐城 、 漣邵礦區(qū) , 基本上代表了我 國煤層地質(zhì)諸因素差異和地質(zhì)條件的優(yōu)劣 , 其 采集塊段樣本 107個 。 在分析上述諸因素的有 關(guān)資料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上 , 首先根據(jù)特殊點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)評價 作出特殊點(diǎn)散點(diǎn)圖 , 大致確定隸屬數(shù)的形狀 (戒上型 、 戒下型 、 中間型 , 及定義域內(nèi)曲線 的變化趨勢 (先快后慢變化 , 先慢后快變化 , 均勻變化 , 然后與簡單的隸屬函數(shù)曲線對照 比較 , 選擇適當(dāng)?shù)碾`屬曲線 , 最后進(jìn)行擬合隸 函數(shù)的線性或非線性表達(dá) 。 依此方法 , 構(gòu)造煤 層可采性指數(shù) km

9、, 煤層變異系數(shù) r 、煤層堅 硬性指標(biāo) R , 工作面平均可推進(jìn)長度 S m 以及 其它圍巖因素 (如直接頂 、 偽頂 、 老頂 、 直接 底 的隸屬函數(shù) , 由于篇幅有限 , 本文僅列出 工作面平均可推進(jìn)長度 S m (m 的隸屬函數(shù)Sm , 如下式 , 圖表見圖 3所示 。sm = 0 S m 100 01434L n S m -2100 100 S m <1000 110 S m 1000, 能 圖 3 m 313 多元隸屬數(shù)法其實(shí)質(zhì)為多相模糊統(tǒng)計法 , 它適合于因素特征需要多指標(biāo)表征 , 且可劃為 若干影響等級的基因素隸屬函數(shù)的構(gòu)造 , 其構(gòu) 造方法分為以下四個步驟 : 確定論

10、域 U 和集合 P m , 以斷層影響論 域 U 為例 , 將其分為 5類 :斷層影響很少的 塊段 A 1, 斷層影響較少的塊段 A 2; 斷層影響 中等的塊段 A 3; 斷層影響較大的塊段 A 4; 斷 層影 響 很 大 的 塊 段 A 5; 則 P 5=A 1, A 2, , A 5。 判斷某塊段斷層影響程度大小 , 是 依據(jù)表征斷層影響的多個指標(biāo)來判別它對棋糊 子集的隸屬度 。 確定特征指標(biāo)向量和選取樣本 :對于一個具體煤層塊段 , 選擇下面三個 指標(biāo) :q 1 斷層密度條 /km 2;q 2 斷層長度指標(biāo) , km/km 2; q 3 斷層落差系數(shù) (已被修正后的系數(shù) , 文獻(xiàn) 1 ,

11、 無量剛 ; 樣本來自 12個礦 區(qū) , 共 107個樣本 , 其中屬于 A i 的樣本數(shù)為n i , 樣本 i 可表示這三維向量 i =(q i1,q i2,q i3 ,i =1,n ,n =107。 構(gòu)造多元隸屬函數(shù) :作論域 u 列集合 Pm 的映射 f , 則 :f (u =1 當(dāng) 被劃歸為 A 1時 ; 2 當(dāng) 被劃歸為 A 2時 ; 3 當(dāng) 被劃歸為 A 3時 ; 4 當(dāng) 被劃歸為 A 4時 ; 5 當(dāng) A 5時 ; , :f 1i12i2+3q i3(logistic 函數(shù)形狀構(gòu)造斷 : A (q 1,q 2,q 3 =1+exp <0+1q i1+1q i2+3q i3按

12、最小二乘估計參數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化數(shù)列 : 0=11801×10-3; 1=411847×10-2, 2=61361×10-2; 3=71133×10-4; =2(4 根據(jù)多元隸屬函數(shù)計算新樣本隸屬 度 , 由此 , 斷層影響的多元隸屬函表達(dá)式 :A (q 1, q 2, q 3 =1+exp(11801×10-3+411847 ×10-2q 1+61361×10-2q 2+71133×10-4q 3 上述三種方法分別采用 , 成功地完成了對 煤層地質(zhì)件開采工藝性評價這樣復(fù)雜大系統(tǒng)多 指標(biāo)隸屬函數(shù)的構(gòu)造 , 達(dá)到了優(yōu)化組合

13、的目 的 。3 隸屬函數(shù)修正的自學(xué)習(xí)評價因素隸屬函數(shù)的修正是基于三個方面 考慮 :其一是對評價系統(tǒng)中隸屬函數(shù)構(gòu)造中差 錯的糾正 :其二是由于技術(shù)進(jìn)步 , 特別是一些 困難條件下機(jī)械化開采手段的提高 , 新技術(shù) 、 新工藝 、 新設(shè)備的應(yīng)用 , 使某些地質(zhì)因素對于 開采的影響減弱 ; 其三就是樣本的獲取越來越 多 , 信息量越來越大 , 對某些評價指標(biāo)規(guī)律性 的認(rèn)識將需深入 , 因此 , 對因素的隸屬函數(shù)的 修正是合理的 , 同時也是必須的 。在評價系統(tǒng)中若直接對因素的隸屬函數(shù)表 達(dá)式進(jìn)行修正非常不方便 , 我們采用了如圖 4 所示的方法進(jìn)行修正。 圖 4 評價因素隸屬函數(shù)修正評價軟件 (M G

14、ES , , 一 般取 1020, 調(diào)用數(shù)據(jù)文件進(jìn) 行修正 , 并調(diào)用因素隸屬函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué) 習(xí)模型 (如圖 5。 圖 5 隸屬函數(shù)學(xué)習(xí)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型從而實(shí)現(xiàn)了對其評價系統(tǒng)中隸屬函數(shù)的動 態(tài)分析 。 上述學(xué)習(xí)結(jié)果為一近似的傅立葉級數(shù) 表達(dá)式 。模型的輸入為因素指標(biāo)值 X , 輸出為隸屬 函數(shù)值 (X , 輸出 、輸入間結(jié)點(diǎn)的函數(shù)連接 采用下列幾個表達(dá)式 : g 0(x =1; g 1(x =sinx ; g 2(x =cos x ; g 3(x =sin2x ; g 4(x =cos2x ; g 5(x =sin4x ; 顯然 (x = 5j =0ajgj (x , aj 為連接權(quán)重 ; (x 即為隸屬函數(shù)的傅立葉級數(shù)估算 。通過樣本 (x i , (x i (i =1, n 的神 經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí) , 調(diào)整連接權(quán)重 , 直至榆出偏 差最小 。aj = (x -(x gi (x 為學(xué)習(xí)率 , , 值取值越 大 , , 。法具有以下特點(diǎn) :(1 系統(tǒng)性 :三種隸屬函數(shù)構(gòu)造方法的優(yōu) 化組合從整體的角度完成了對復(fù)雜評價系統(tǒng)中 隸屬函數(shù)的構(gòu)造在修正 , 使整個評價系統(tǒng)更趨 統(tǒng)一 。(2 自適應(yīng)性 :神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)模型使得 隸屬函數(shù)能自行適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步以及信息量增加 的自學(xué)習(xí)過程 , 具有較強(qiáng)的靈活性 。總之 , 對隸屬函數(shù)的建立仍有許