基于SPA-VFS耦合模型的瓦斯爆炸风险评价_景国勋.pdf

书书书文章编号:1009-6094(2023)07-2151-08基于 SPAVFS 耦合模型的瓦斯爆炸风险评价*景国勋1，2，陈纪宏1(1 河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000;2 安阳工学院，河南安阳 455000)摘要:为了全面客观地对煤矿瓦斯爆炸风险进行评价，本文采用三类危险源理论、事故致因理论、层次分析法、集对分析 可变模糊集耦合(Set Pair Analysis theory-Variable FuzzySet theory，SPA VFS)方法，选取“人 机 环 管”4 个方面共 20 个指标，建立了煤矿瓦斯爆炸风险评价模型，并通过实例验证该模型的可行性。实例煤矿评价结果显示，SPA VFS 耦合评价方法和置信度识别准则计算的风险评价等级均为较低风险，且与煤矿实际情况相符，具有评价结果精确、实用性强的优点。关键词:安全工程;瓦斯爆炸;风险评价;集对分析;可变模糊集中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0290*收稿日期:2022 02 25作者简介:景国勋，教授，博士生导师，博士，从事安全系统工程、矿山安全技术等研究，gxjing hpuedu cn。基金项目:国家自然科学基金项目(U1904210);国家自然科学基金项目(51774120)0引言瓦斯爆炸事故具有破坏性强、人员伤亡多、经济损失大的特点，是煤矿灾害性最严重的事故1。因此，对影响瓦斯爆炸的危险源进行有效地辨识与分类，并对其危险性进行准确的评价，是控制瓦斯爆炸事故的关键，对煤矿安全生产有极其重要的作用2。很多学者都对瓦斯爆炸风险评价做过相关研究。2013 年，Pejic 等3 在简化的半定量评估方法的基础上提出了一种新的煤矿井下爆炸风险评价方法，其计算原理是爆炸风险指数 I 等于事故频率、事故严重后果及爆炸环境下暴露时间的乘积。2014年，念其锋等4 针对煤矿瓦斯爆炸事故建立了灰色关联分析 网络分析法 模糊综合评价(GreyelationalAnalysis-AnalyticNetworkProcess-FuzzyComprehensive Evaluation)模型，得出人员和管理因素是瓦斯爆炸的主控因素。2021 年，汪圣伟等5 基于改进层次分析 集对分析(Analytic HierarchyProcess-Set Pair Analysis theory)方法建立了瓦斯爆炸安全评价模型，并找出设备原因和管理因素是瓦斯爆炸发生的主要原因。瓦斯爆炸是由多个风险因素构成的复杂动态系统，不确定性因素相对较多。集对分析与可变模糊集理论同作为处理不确定性问题的系统理论方法，均有各自优劣之处。集对分析理论可用“同”“异”“反”3 方面来分析研究对象的确定与不确定性，较为简单地将研究对象与评价等级间的关系用联系度表示，但存在评价结果不够细化，且在利用最大集对势原理进行等级判断时存在信息丢失的问题6;可变模糊集理论在处理不确定复杂系统问题时，能准确地反映研究对象的模糊性，得到可靠详细的评价结果，但可变模糊集存在构建函数过程复杂，且其核心参数相对差异度的确定过程过于依赖经验的问题。因集对分析在评价过程中是用联系度从“同”“异”“反”3 方面反映样本与评价等级间的联系，可变模糊集是用相对差异度从“优”和“劣”两个方面评价样本与评价等级的接近程度，所以联系度与相对差异度是本质相似的7。在集对分析和可变模糊集的优劣势互补的情况下，本文以集对分析“联系度”和可变模糊集“相对差异度”概念本质相似作为纽带，构建基于集对分析 可变模糊集耦合的瓦斯爆炸风险评价方法，用集对分析的“联系度”作为可变模糊集的“相对差异度”，减少了信息的丢失，简化了计算过程，使评价结果更合理可靠。1瓦斯爆炸风险评价1.1瓦斯爆炸风险评价流程煤矿瓦斯爆炸安全评价对其危险源的预防、控制有非常重要的作用，为保证煤矿瓦斯爆炸安全评价结果的正确性、合理性、科学性，应遵循系统的思想和方进行瓦斯爆炸的风险评价，评价流程如图1 所示。图 1瓦斯爆炸风险评价流程图Fig 1Flow chart of gas explosion risk assessment1.2瓦斯爆炸风险评价指标体系煤矿瓦斯爆炸是极其复杂的非线性且破坏性极1512第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023大的灾害事故，科学合理地选择能够反映现场实际生产状况的评价指标，对客观评价瓦斯爆炸危险性非常重要8。根据现场调研分析，综合相关专家建议，结合田水承教授的三类危险源理论9 和事故致因理论，选取建立如图 2 所示的瓦斯爆炸风险评价指标体系。本文瓦斯爆炸风险评价指标体系共分为 3 层。1)目标层。本文目标层为煤矿瓦斯爆炸事故的风险等级。2)准则层。根据事故致因理论和三类危险源理论，准则层分别为“人员因素”“设备因素”“环境因素”“管理因素”4 大类。3)指标层。是指瓦斯爆炸事故中有致灾风险的各个因素，并按照准则层对其进行分类。图 2瓦斯爆炸风险评价指标体系Fig 2isk assessment index system of gas explosion1.3集对分析 可变模糊集耦合评价模型1.3.1集对分析理论中国学者赵克勤将辩证思维与数学方法相结合，于 1989 年首次提出集对分析理论(Set PairAnalysis theory，SPA)，之后这一方法广泛地被运用于物理学、应用数学、系统科学与信息研究中。集对分析的核心思想是承认事物具有客观不确定性，将事物视为一个确定不确定性系统，并对事物的确定性与不确定性进行综合分析，分别用“同一度”“对立度”描述事物的确定性，“差异度”描述事物的不确定性，从“同、反、异”三方面分析系统整体和局部的内在关系。由集合 P1和集合 P2组成集对 H，H=P1，P2，集对 H 有 N 个特性，在具体应用背景下，应用集对分析理论来分析集对 H(P1，P2)的关系及关系的优劣程度。联系度的表达式如下10。(P1P2)=SN+FNt+PNv(1)式中S 为集合 P1与 P2的同一性个数;F 为集合 P1与 P2的差异性个数;P 为集合 P1与 P2的对立性个数;t 为差异不确定度系数，1 t 1;v 为对立度系数，v=1。设 a=S/N，b=F/N，c=P/N，则式(1)可表达为(P1P2)=a+bt+cv(2)式中a、b、c 分别为某特性下的同一度、差异度和对立度，a+bt+cv 即为联系数，a、b、c 均 0，1 且a+b+c=1，若 a、b、c 哪项越接近 1，则两集合的关系越倾向于这种性质。1.3.2可变模糊集理论陈守煜在模糊集理论的基础上，结合自然辩证法原理，于 20 世纪 90 年代提出并创建了可变模糊集理论，是对静态模糊集理论的重大突破11。其中，相对隶属度 A(u)和相对差异度 AC(u)是可变模糊集的核心概念，其式为12 DA(u)=A(u)AC(u)(3)式中设 u 为域 U 中任意元素，uU;下标 A 与 AC分别表示吸引性质和排斥性质;在相对隶属度函数的连续轴上，A(u)和 AC(u)分别为吸引与排斥的相对隶属度，且 A(u)+AC(u)=1，故称 DA(u)为u 对模糊概念 A 的相对差异度。设 M 为相对差异度等于 1 的点，x 为区间内任意的量值，xmin、xmax分别代表指标评价区间的上下限，ymin、yma x分别代表可变范围评价区间的上下限，x 落入 M 点左侧时的相对差异函数模型为DA(u)=x xminM xminx xmin，Mx xminymin xminx xmin，ymin(4)2512Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期当 x 落入 M 点右侧时的相对差异函数模型为DA(u)=x xmaxM xmaxx M，xmaxx xmaxymax xmaxx xmax，ymax(5)1.3.3集对分析 可变模糊集耦合评价方法集对分析方法与可变模糊集理论都是运用数学分析方法对系统的不确定性问题进行分析，以“联系度”和“相对差异度”概念的相似本质为纽带，将两种评价方法耦合，用集对分析联系度来代替可变模糊集相对差异度的确定过程，在等级判断时，利用可变模糊集理论中可变参数组合，确定各参数组合下的相对隶属度，并计算对应的等级特征值，最终确定评价对象的瓦斯爆炸风险等级。SPA VFS 耦合风险评价方法弥补了单一集对分析法评价结果不够细化、易造成信息丢失和可变模糊集构建复杂、核心参数依赖主观经验的缺点，使评价结果更加客观合理，具体流程如图 3 所示。图 3集对分析 可变模糊集耦合评价方法流程图Fig 3Flow chart of the coupled Setpair analysis-Variablefuzzy set evaluation method1)确定评价对象的评价指标集与评价等级标准集。设集合，=r1，r，r3，rn 为评价指标标准集，集合 Dk为各指标对应的评价等级标准集，建立集对 H=(，Dk)。2)计算评价指标与评价等级的综合联系度。假设计算集对中指标值 rj与评价等级 s 的单项联系度 j(s)，根据集对分析理论可知，当 rj位于区间 s 内时，两集合为同一关系，则联系度 j(s)为 1;当 rj位于相邻区间时，两集合为差异关系，联系度j(s)取值为1，1 之间;当 rj位于相隔区间时，两集合为对立关系，则联系度 j(s)取值 1。通过上述方法确定各指标与各评价等级的联系度，然后根据评价指标权重，计算评价对象与各评价等级的综合联系度，计算式如式(6)所示。s=nj=1Wjj(s)(6)式中s为评价对象与等级 S 的综合联系度，Wj为各指标权重，j(s)为评价指标 j 与各风险等级的联系度。3)计算相对隶属度。由式(6)可知，当 s越趋近于 1，则评价对象与该评价等级差异性越大，越趋向于其他等级，是一种可变模糊集的相对差异度。利用联系度作为可变模糊集的相对差异度，则根据可变模糊集理论可知，相对隶属度表达式为(s)=1+s2(7)4)计算级别特征值及确定评价等级。基于集对分析与可变模糊集耦合的评价模型按照最大隶属度来判断评评价等级，为避免判断失真，引入特征值 k 对评价结果进行定量化进而确定评价等级。特征值 k 的计算式为k=Ss=1s(s)Ss=1(s)=Ss=1svs(8)式中k 为评价对象的级别特征值，其中 vs为归一化相对隶属度。为验证该耦合评价方法的可行性，引入最小置信度识别准则对评价结果进行二次对比判断。置信度识别准则13 是指若评价集 C1，C2，Cn 为有序分割集，为置信度，vs为归一化相对隶属度，则C1 C2 Cn时，置信度判断式如式(9)所示。C1 C2 Cn时，置信度判断式如式(10)所示。hs=mins:Ss=1vs s=1，2，S(9)hs=maxs:Ss=1vs s=1，2，S(10)评价对象风险等级为 hs对应的 s 级。本文以瓦斯爆炸风险等级为评价集，在评价单元的比较中认为风险程度越低越“强”，故本文置信度判断式如式(9)所示。置信度 的取值范围为 0.5 1，本文采用最小置信度准则14:针对最终评价结果，采用所有质量因素权重的识别准则中的最小参考阈值，可使评价结果更加合理。故本文置信度 =0.5。2实例应用2.1风险等级划分将平顶山神马煤业集团某煤矿作为评价对象，阅读相关文献和资料，并根据专家学者的相关意见，35122023 年7 月景国勋，等:基于 SPAVFS 耦合模型的瓦斯爆炸风险评价Jul，2023借鉴文献 15 16 中风险等级划分标准，将风险等级划分为 5 个等级，划分结果及各等级处置原则如图 4 所示。根据等级范围及各等级处置原则制定并发放调查问卷，回收 20 位该煤矿技术、管理人员打分数据，所得各指标平均分值如表 1 所示。2.2瓦斯爆炸风险指标权重计算本文使用层次分析法(AHP)