基于改进层次-熵权的矿井通风可靠性评价.pdf

工作研究与理论探讨基于改进层次-熵权的矿井通风可靠性评价何立恒，陈文昊，郑鹏太，丁鸿烨（福州大学紫金地质与矿业学院，福建福州3 50 10 8）摘要：矿井通风是井下安全作业的保证。为准确客观地评价矿井通风的可靠性，本文提出基于改进层次-权的矿井通风可靠性评价模型。从通风基础设备、通风网络状况、井下工作环境、人员管理水平4方面着手，选取8 个评价指标构建矿并通风系统可靠性评价体系；通过改进的权法计算各个指标的权重，将之作为层次分析模型中判断矩阵的单排序权重，之后计算总排序权重。相比传统的分析方法,综合运用两种方法可以避免采用单一的赋权法造成数据的失真，降低人为因素的影响，最后验证选取指标的有效性，为矿山井下安全生产提供参考。关键词：矿井通风；改进的熵权法；层次分析法；可靠性评价中图分类号：F406.3;TD724可靠的矿井通风系统能将井下的有毒、有害气体排出，并向地下采矿区源源不断地输送新鲜空气，以降低瓦斯浓度、提高氧气浓度、降低安全事故发生率，创造良好的工作环境，保障矿井内工作设备的正常运行，确保采区内工作人员的安全。因此，选择恰当的矿井通风系统可靠性评价方法尤为重要。多年来,大量学者围绕矿井通风系统的可靠性评价展开深人研究，相关工作取得了巨大进展，矿井通风系统的评价理论不断发展完善。各系统各有优势，局限性也很明显。如运用层次分析等主观赋权法时，评价结果极易受到人为因素的影响；利用变异系数等依据指标数值差异进行客观赋权时，易受到客观数据的影响。同时，单一的赋权方法会产生失真问题。如采用主客观组合赋权法，会面临加权系数的选择问题。为客观准确地评价矿井通风系统，本文考虑将层次分析与改进的熵权相结合，对客观数据评价指标使用改进的权法，进而计算其权重，作为层次分析法（A H P）判断矩阵的两两比较数据，最后计算AHP的总排序权重。该复合方法不仅能快速准确地判断矿井通风系统的可靠程度，还避免了人为选择组合加权系数和单一的赋权法运用，减少了主观意识影响及单一赋权法造成的失真，为矿井通风评价提供了新思路。1评价指标的选取与等级划分1.1 评价指标体系的构建矿井通风系统可靠性评价指标的选取关系到评价结果的可靠程度。现有的矿并通风系统可靠性评价体系选取的指标较多，容易导致各指标被赋予的权重偏低，导致在评价通风系统整体可靠性时，不易察觉到少量异常数据影响。文献标识码：A文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)10-0 0 0 1-0 3为了更科学地评估矿井通风系统的可靠性，总结现有研究情况，遵循全面性、独立性、客观性等原则,综合考虑矿井通风系统的基础设备、通风网络状况、井下工作环境和管理水平等对矿井通风系统的影响，通过改进的层次-熵权法，构建一套科学、全面、合理的矿井通风系统可靠性评价体系。通风系统可靠性评价体系分为一级指标和二级指标两层，具体层次结构如图1所示。目标准则层层通风基础设备矿井通风网路状况通风系统可靠性状况图1矿井通风系统评价指标体系层次结构1.2基于ALARP的通风系统可靠性等级划分ALARP原则2 1表明任何系统工程都存在一定风险，只是大小不同。风险可以被划分为风险不可容许区、风险广泛可容许区、ALARP区三个区域，具体形式如图2 所示。不可容许区域ALARP区域可容许区域图2 ALARP评价原则指标层主扇运转效率监测监控时效性矿井风阻有效风量率矿井风压并下工作环境矿井需风量人员年平均培训时间人员管理水平人员违规率1根据风险接受的ALARP原则,考虑矿井通风系统的实际运行情况，划分通风系统的可靠性等级，定义通风系统的可靠性程度。将划分等级写成集合的形式A=ai,2,a3,a4,并以四分制确定其具体等级，具体如下：高可靠、低风险；较高可靠、较低风险；A=中等可靠、中等风险；不可靠、高风险；针对不同的评价等级，对矿井通风系统做出相应调整，以保证井下工作的正常进行。高可靠、低风险水平的通风系统可以进行常规作业，做好定时检查工作，保证安全生产。较高可靠、较低风险的通风系统可以限制小部分作业,及时进行局部的调整。中等可靠、中等风险的通风系统应全面限制作业，立刻进行大范围的排查调整，待可靠性提升后再进行生产。不可靠、高通风基础设备通风网路状况主扇运转效率监测监控时效性风险的通风系统应立即停止井下作业，全面完善通风系统，直到风险解除后再恢复井下作业。2基于改进的层次与权法确定指标权重2.1基于改进的层次分析法模型矿井通风质量关系到井下工作人员的生命健康，ai=(3,4)建立合适的矿井通风评价体系要综合考虑井下环境、a,=(2,3 设施情况、人员管理，建立评价模型有利于全面把控通a;=(1,2)风系统的可靠性,保证矿井的安全生产3 。现有的大量研究表明，矿并通风系统可靠性评价多以层次分析a4 E(0,1 J法和专家的经验判断等为主，难以避免主观意识对评价体系造成的影响。所以，本文利用改进的层次与熵权法,确定各项评价指标的权重,对通风系统的可靠性水平综合评价。具体步骤如下：首先运用YAAHP软件，处理上文确定的4个一级评价指标与8 个二级评价指标，得到层次分析的基本结构模型，具体如图3 所示。矿井通风系统可靠性评价人员管理水平矿井风阻有效风量率人员年平均培训时长人员违规率井下工作环境矿井风压矿井需风量A矿山计算层次单排序（计算各指标权重）。传统方法为构造判断矩阵，即通过人为打分将各个指标之间的数值进行两两比较，通过一致性检验后，确定各准则层对目标层的权重，该过程受主观意识影响严重。本文采用改进的熵权法确定各级评价指标的权重，并以此作为层次模型中判断矩阵的单排序权重，避免了主观打分比较。计算层次总排序。通过每个相同层次中的所有层次单排序,计算出本层所有因素对最高层相对重要性的排序权值。最高层A为矿井通风系统可靠性评价；下设一级评价指标B层，4个评价指标分别设为B,B2，B，,B4,其中对最高A层的相对重要性为bi,b2,b3,b4；下设二级评价指标C层，8 个评价指标分别设为C，C z，,C，其对B层一级指标的相对重要性为 ci，C 2，,C s，根据式（1）可以计算出C层各评价指标对A层矿井通风系统可靠性评价的重要性权重,具体如下：h,=Zj-b,c,i=1,2,8最后计算层次分析法的总排序权重。2.2基于改进的权法确定单排序权重传统的熵权法主要依据各指标之间的变异离散程2B矿山图3 层次分析法模型建立度，通过信息熵的大小给出各个指标的权重属于客观赋权。在已构建好矿井通风系统可靠性评标指标体系的前提下，利用改进的熵权法进行权重确定，步骤如下：构建并归一化原始判断矩阵R。设一共有m个评价对象及n个指标变量，记第i个评价对象关于第j个评价指标变量的取值为a,（i=1,2,m;j=1,2,n）,建立原始判断矩阵R=（a，）m。现以上文确定的8个二级指标为评价指标,建立原始数据矩阵（R），再经由式(2）进行归一化。P;=确定8 项二级评价指标的熵值。1e,=f E,P,lnpif=-lnm若,=0,P;=0,会使式子lnp;失去意义。实际指(1)标中正好有一个或多个指标数据为零，如不排除某煤矿人员违规率为零等。要完善熵权法，提高模型评价的准确性,运用文献4 提出的新公式（4)代替原公式(2),具体如下：C矿山(2)(3）a;+10 4PjZ,(1-e.)计算8 项二级评价指标的熵权。1-eW,=Z,(1-e.)值越大，表明对应指标包含的信息量就越少，在模型中起到的作用越小，所占权重越小。当e接近1时，细微差别会导致对应的熵权出现爆炸式变化,致使最终确定的权重未考虑指标本身的影响。故此处的熵权采用文献4 提出的修正后的公式,具体如下：1-*Z,(1-)W,=基于上述改进的熵权法，对8 个矿井通风系统可靠性评价的二级指标进行赋权。所得结果将作为层次分析判断矩阵的单排序权重,最后计算AHP的总排序权重。3指标的有效性分析矿井通风系统的可靠性与矿井所处的自然环境、网络状况、通风设备等因素有关，也受管理技术水平等外部因素影响。为进一步确定模型的科学性,对建立的矿井通风系统可靠性评价体系进行有效性分析。具体过程如下：邀请n位矿井通风方面的专家学者或三年工龄以上的相关技术人员，参与所选指标评估工作。把矿井通风系统可靠性评价体系视为集合R，记为R=ri,2,r3，,r m 。将评价人员i对各个指标的评分视为集合T,记为T=t,t2,t3，,t ml。记了，表示矿井通风系统可靠性评价指标r，的平均得分，具体计算公式如下：,=n定义矿井通风系统可靠性评价指标，的有效性系数为入，其计算公式如下：入,=定义矿井通风系统可靠性评价体系R的有效性系数为入，其计算公式如下：入=m由数理知识可知，入值较小时，评分相对集中，各个专家的意见相对一致，表明构建的矿井通风系统可靠性评价体系更有效。本文邀请6 位研究矿井通风系统的学者,采用(4)五分制对所选指标一一进行评价，具体给分标准如表1所示。表1指标评价给分标准(5)分数12345根据式（7）式（9），结合各专家的实际打分情况,得到有效性系数T=0.05。计算结果表明,构建的(6)指标体系具有很强的有效性54结论矿山安全生产是第一要素，而良好的矿井通风系统是保障矿山安全生产的基石。为更好地评价矿井通风系统，做好安全生产措施，本文建立基于层次-熵权法确定指标权重的矿井通风系统可靠性评价模型，相比传统单一的评价方法，YAAHP层次分析法和改进的熵权法分析多指标的评价模型，可以有效降低人为打分产生的主观影响,极大地提高了通风系统可靠性评价的准确性，为后续的矿井通风系统评价提供相应的理论依据。但矿井通风系统是一个复杂的集合体，本文忽略了并下不同工作区对应指标存在的差异,因此在日后的研究中，可以具体划分井下工作区，建立健全相应的指标体系,同时,对不同的指标之间进行相关性分析,对不同类型的工作区指标进行改进，使模型在不失一般性的前提下能更精准地识别通风系统可靠性的优劣。参考文献：1刘金雷.矿井通风系统安全可靠性综合评价方法探讨J.世界有色金属,2 0 2 1（15）：8 1-8 2.(7)2赵辉,董骅,邱玮婷，等.基于ALARP准则的工程建设项目事故风险评估标准研究J.工业安全与环保,2 0 17,43(08):39-42.3任子晖，陈泽彭，吴新忠，等.矿井通风系统健康评(8)价研究J.工矿自动化,2 0 2 1,47(0 9)：7 0-7 6.n4董昊.改进熵权法在工程监理评标中的应用J.甘肃科技,2 0 17,3 3(15):8 3-8 5.5魏引尚，贾玉泉，王奕博，等.矿井通风系统分级控制研究J.工矿自动化,2 0 18,44（12）：3 0-3 3.(9)作者简介：何立恒（2 0 0 1-），男，福建莆田人，本科，研究方向：矿山数字化技术及应用。3状态指标对矿井通风系统可靠性影响很弱指标对矿井通风系统可靠性影响较弱指标对矿井通风系统可靠性影响一般指标对矿井通风系统可靠性影响较强指标对矿井通风系统可靠性影响很强