本文摘要：为了探讨露天煤矿生产中铁路运输系统的协调程度，本篇 铁路论文 引入容量耦合理论建立耦合度模型，通过耦合分析对系统的耦合程度进行了定量计算，并通过实例对模型进行验证.在耦合分析的过程中，将不同参数转化为可比较的同量纲数值.《 高速铁路技术 》期刊
为了探讨露天煤矿生产中铁路运输系统的协调程度，本篇铁路论文引入容量耦合理论建立耦合度模型，通过耦合分析对系统的耦合程度进行了定量计算，并通过实例对模型进行验证.在耦合分析的过程中，将不同参数转化为可比较的同量纲数值.《高速铁路技术》期刊是由中国中铁股份有限公司主管，中铁二院工程集团有限责任公司主办的国家级科技期刊。本刊于2009年10月已获国家新闻出版总署批准， 2010年2月正式向国内外公开发行。国内统一连续出版物号：CN51—1730/U;国际标准连续出版物号：ISSN1674—8247，邮发代码：62-124。
煤炭在我国能源结构中占有重要的地位，国家统计局的统计数据表明，2010年我国能源消费中，煤炭消费量占70%[1].2010年国家铁路运输货物中，煤炭运输量为200043万t，占总量的55%[1].我国的煤炭大省山西省2010年的煤炭运能缺口仍在40%～50%之间.在当前煤炭产、运双方相对独立的背景下，造成了煤炭在中转环节大量的堆积.在作为主要外运手段的铁路运输运能紧张的情况下，探讨露天煤矿生产与外运之间的协调问题，具有重要的现实意义.国内外学者对运输系统的协调和耦合做了一些研究，文献[2-5]对系统协调程度的定量描述进行了探讨，部分学者引入了耦合理论研究子系统之间的配合程度[6-12].从上述研究可知，耦合在物理讨论中用于分析两个或两个以上的实体相互依赖于对方的量度，在分析露天煤矿与铁路运输双系统关系中是可以借鉴的.但在耦合度分析与计算中需要对各参数初始数据进行统一量纲化处理，当前进行统一量纲常用的手段较多，实践中多数采用均值方差法[13]，即通过描述各个指标观测值相对于均值的分布情况.但这类方法要求指标变量线性变化，其变化值与其对系统的影响程度成正比关系，此外，这类方法要求较多的初始观测值参与计算，这些都不符合新建矿山的要求.本文对依赖经验数据较低的功效系数法进行改进，研究了露天煤矿采掘、运输设备的运用指标和铁路外运系统数量、载重、波动等参数的选择.
1参数选择为探求露天煤矿企业生产与铁路外运组织之间的耦合程度，需要选取一定的参数[14].选择参数时，以全面性、科学性、层次性、目的性、可比性及可操作性为原则.
1.1露天煤矿生产系统参数在描述和评价露天煤矿生产系统时，应选择具有全局性的参数，并要求参数能够直接反映露天矿生产状况，参数变化对生产状况有直接影响.考虑我国大量新建的大规模露天煤矿多采用单斗铲-卡车工艺或以此为基础的综合工艺系统，故选择如下参数.(1)挖掘机数量挖掘机数量指标能直接反映露天煤矿的生产能力，一般采用一定计量周期内投入实际生产的设备数量，即考虑出动的挖掘机数量.(2)挖掘机斗容挖掘机斗容能够直接体现挖掘设备的工作能力，不同斗容设备的计量周期生产能力存在较大的差距.为便于新建矿山的生产持续性和设备的易维护性，大部分新建矿山多采用同样规格的设备.(3)卡车数量在露天矿生产系统中，坑内运输系统对生产有直接的影响.采用单斗铲-卡车工艺的露天煤矿，其卡车数量能够直接反映矿山生产情况.(4)卡车平均静载重静载重是指货车在静止状态下平均每车装载的货物重量，用以分析货车完成装车时车辆载重的利用情况.卡车平均静载重能够客观的反应卡车运输对煤矿生产能力产生的影响.(5)平均运距露天矿卡车平均运距是指一定计量周期内平均每辆卡车完成每次生产周期所走行的平均距离.平均运距包括装车点重载至卸车点的距离、返程的空驶距离以及其间为完成作业所走行的其他路程长度.
1.2铁路运输系统参数选择铁路运输系统的描述和评价参数应该能够反映矿山外运体系的服务水平，而不是对路网系统状况进行阐述，因此选择以下参数.(1)日平均入矿车数国家铁路与矿区交换的空重载车数直接反映铁路运输系统对矿区资源外运的服务水平.由于露天矿山生产具有持续性特点，当前生产过程中，通常矿方会采用不停车装车系统，使得入矿车辆不解体、不停车迅速完成装载并返回国家铁网络，因此，日平均入矿车数能够直观的反映双方交换车的情况.(2)车辆平均载重量利用系数铁路车辆平均载重量利用系数指标能够反映车辆装载的情况，采用这类指标避免了不同货车编组造成评判指标不统一的问题.(3)列车到达不均衡系数考虑铁路货车常出现集中到达情况，往往与煤矿生产的持续平稳特点产生较大的冲突，为反映外运服务水平，引入列车到达不均衡系数指标.
2参数同度量化处理
设:uij为煤矿生产-铁路运输系统中各参数的功效贡献值，其中:i为系统编号，i=1，2;j为参数编号，j=1，2，…，n;uij为第i个子系统中第j个参数的贡献值;Xij为第i个子系统中第j个参数的实测值;XDij为第i个子系统中第j个参数的设计目标值或经验最优值;XOij为第i个子系统中第j个参数的设计最低值或经验获得的最小允许值.当参数越大、系统评价越好时，取实测指标与最小允许值的差值参与计算;当参数越小、系统评价越好时，取实测指标与设计值最优值的差值参与计算，则有0
3耦合度函数
借鉴物理学中容量耦合(capacitivecoupling)的概念和容量耦合系数模型[15]，针对矿山生产与铁路外运双系统的特点，推广得到双系统(或要素)相互作用的耦合度模型为由式(3)可知，矿山生产与铁路外运的耦合程度受2个子系统各自状况的影响，且与子系统对整体贡献情况的乘积成正比，与子系统对整体贡献情况的和成反比.耦合度值应为:C∈[0，1].当C=1时，耦合度最大，系统之间或系统内部要素之间达到良性共振耦合，系统将趋向新的有序结构;当C=0时，耦合度极小，系统之间或系统内部要素之间处于无关状态，系统将向无序发展.具体评判标准[16]见表1.
4实例验证
为验证上述模型能否真实有效地反映和评价实际生产的协调程度，采用内蒙古东部某露天煤矿为例进行验证.该露天煤矿是国家煤炭工业“十一五”规划的10个千万吨露天煤矿之一，该煤矿位于胜利煤田的中部，矿权境界东西长7.3～8.0km，南北宽6.1～6.3km，面积49.63km2，总储量703826万t，露天开采资源储量为531872万t，可采储量397002万t，平均剥采比2.93m3/t.对应前述参数选择，提取煤矿生产和外运参数如表2和表3所示.表2、3中，考虑新建矿山工作量推进多采用外包方式，且受铁路网能力和建设程度的影响，结合生产实际，采用1/3外运量通过铁路运输方式进行外运.运用层次分析法，得到不同系统的参数权重如表4所示.依据表4取值，分别将Xij、XDij、XOij、λij代入式(1)～(3)，计算结果见表5.从表5可以看出，该矿生产与铁路外运系统之间的耦合度为0.61.参考表1的评价标准可以看出，煤矿生产与铁路外运系统之间的协调情况较好，但偏向一般水平.铁路外运系统对整体的协调工作造成较多不便，其对整体的贡献度仅为煤炭生产的43%，影响了系统的整体协调性.由表5还可以看到，对于铁路外运系统，与预期相比，较低的入矿车数对系统协调造成了较大的影响，其贡献率仅为其他指标中最小数值的20%，而接发列车的不均衡系数却对系统不协调影响较小.经调查，这一结果与现场人员反映的情况一致.所以对于该矿，可以考虑购置自备车入铁路网运行、建设坑口电站等方式提高参数的贡献率.若日平均入矿车数能够提高到计划数量的80%，系统耦合度能够提高17%.这对于矿山合理生产和企业协调发展，具有重要的意义.
5结论
实例计算表明，模型取得的结论与实际生产中的状况相似，能够反映现实生产中露天煤矿生产-铁路运输系统的耦合情况，并能够定量得到不同参数对系统耦合的影响，有利于改进生产.研究表明:(1)露天煤矿生产-铁路运输系统的协调关系与不同参数对系统有序性的贡献有关，且该贡献与指标的实际表现和设计期望相关.(2)导致系统出现不协调的原因与个别参数达到期望值的程度较低有关.(3)若企业能够改良表现较差的参数，缩小其与期望值的差距，将使系统协调性有较大的提升.
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