基于熵值的TOPSIS煤礦安全的綜合評(píng)價(jià)

孫玉亮，王勝康，張 婧

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤炭是我國(guó)主要的能源，一直以來(lái)占我國(guó)一次能源的70%左右，煤炭的生產(chǎn)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。目前煤礦安全狀況雖然較以前有了很大的改善，但傷亡事故仍然比較嚴(yán)重，重特大事故時(shí)有發(fā)生。煤礦的井下生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它具有很多不安全的因素，比如：頂?shù)装迨鹿?、瓦斯突出、煤層瓦斯爆炸、火?zāi)、突水等危險(xiǎn)。井下事故具有動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性，并且這些災(zāi)害在時(shí)間和空間上有一定的聯(lián)系。這就要求管理部門和生產(chǎn)技術(shù)部門在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)煤礦安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)安全的評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全的基礎(chǔ)工作，提前預(yù)測(cè)事故發(fā)生的可能性，確定生產(chǎn)系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度以及了解事故發(fā)生的規(guī)律，便于采取相應(yīng)的預(yù)防措施，用最少的投資來(lái)確保本質(zhì)的安全化。為了確保煤礦安全生產(chǎn)的持久性，盡可能減少安全事故造成的損失，對(duì)煤礦的安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以為生產(chǎn)管理者及決策者正確判斷當(dāng)前煤礦危險(xiǎn)程度和制定相應(yīng)的安全措施政策提供有力的科學(xué)依據(jù)，這樣不僅可以有針對(duì)性的對(duì)煤礦安全事故進(jìn)行預(yù)防，而且有利于提高煤礦企業(yè)的安全管理水平。本文采用熵權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合的方法對(duì)煤礦安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為煤礦安全管理提供了有力的依據(jù)。

1 安全評(píng)價(jià)方法的選擇

目前，綜合評(píng)價(jià)方法有許多種，對(duì)各種方法進(jìn)行了比較研究，研究結(jié)果表明，TOPSIS方法比較合理，因?yàn)樗鼘?duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同趨勢(shì)和歸一化的處理后，消除了不同指標(biāo)量綱的影響，并能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，所以能充分反映各方案之間的差距、客觀真實(shí)的反映實(shí)際情況，具有真實(shí)、直觀、可靠的優(yōu)點(diǎn)，而且其對(duì)樣本資料無(wú)特殊要求，能夠?qū)Ρ容^復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行有效地處理，應(yīng)用日趨廣泛。其中心思想在于首先確定各項(xiàng)指標(biāo)的正理想值和負(fù)理想值，所謂正理想解是一設(shè)想的最好值，它的各個(gè)屬性值都達(dá)到各候選方案中最好的值，而負(fù)理想解是另一設(shè)想的最壞值，然后求出各個(gè)方案與理想值、負(fù)理想值之間的加權(quán)歐氏距離，由此得出各方案與最優(yōu)方案的接近程度，作為評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

權(quán)重的確定是在運(yùn)用TOPSIS方法時(shí)一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，充分考慮主觀因素及客觀因素的影響，采用熵權(quán)法來(lái)確定其權(quán)重。熵權(quán)法是一種比較客觀的賦權(quán)方法，信息是系統(tǒng)中有序程度的度量，熵是系統(tǒng)中無(wú)序程度的度量。信息熵越小，熵權(quán)越大時(shí)，說(shuō)明提供的信息效用值越大。反之，信息效用值就越小。熵權(quán)法的最大優(yōu)點(diǎn)是直接利用決策矩陣所提供的信息來(lái)計(jì)算權(quán)重，沒有加入決策者的主觀判斷，因此，綜合評(píng)價(jià)得出的結(jié)果較為客觀。該方法現(xiàn)已在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

因此，將熵權(quán)法與TOPSIS法相結(jié)合對(duì)煤礦安全進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià)。

2 煤礦安全系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系

煤礦安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系是對(duì)煤礦安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是關(guān)系到影響煤礦安全生產(chǎn)的各個(gè)因素構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體。本文是在對(duì)煤礦安全狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，充分考慮到井下生產(chǎn)系統(tǒng)中所有的環(huán)節(jié)，確定總目標(biāo)層為煤礦安全狀況，把影響煤礦安全的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)，然后在一級(jí)指標(biāo)下設(shè)二級(jí)指標(biāo)，見圖1。

圖1 煤礦安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1)地質(zhì)條件因素(I1)。主要指影響開采的地質(zhì)條件，如煤層的走向、傾角、厚度及頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)和火災(zāi)、水災(zāi)、瓦斯?fàn)顩r等。

2)技術(shù)與裝備因素(I2)。在煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)中，技術(shù)裝備因素是涉及范圍最廣的因素，包括開采的機(jī)械化程度、設(shè)備的完好情況及安全技術(shù)措施的實(shí)施等。

3)員工素質(zhì)及技術(shù)水平因素(I3)。人在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中有著很重要的地位，對(duì)煤礦的安全系統(tǒng)起著重要的作用。反映員工素質(zhì)的主要影響因素有技術(shù)水平、人員結(jié)構(gòu)、安全意識(shí)等。

4)環(huán)境條件因素(I4)。主要是指操作人員的作業(yè)環(huán)境，如環(huán)境的照明、煤層防治、噪音、溫度、空氣品質(zhì)等。

5)安全管理水平因素(I5)。管理是影響煤礦安全性的最為重要的因素之一，煤礦的大部分事故都是因?yàn)楣芾聿簧埔鸬摹９芾硪蛩匕ò踩逃嘤?xùn)、安全投入、安全監(jiān)察體系、事故處理等。

3 基于熵權(quán)的TOPSIS煤礦安全綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3．1 熵權(quán)的確定

設(shè)有m個(gè)煤礦，n項(xiàng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)煤礦相對(duì)于每項(xiàng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的觀察值為 xij，形成決策矩陣：

若決策矩陣(xij)當(dāng)中的項(xiàng)xj指標(biāo)值xij的差異越大，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用就越大;如果某項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值全部相等，說(shuō)明該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用，可將該指標(biāo)剔除，然后對(duì)剩余指標(biāo)引入熵權(quán)。

具體分析步驟如下：

1)指標(biāo)歸一化。計(jì)算第j項(xiàng)安全指標(biāo)下第i個(gè)煤礦安全程度的相對(duì)比重pij，公式：

由此得到原始決策矩陣(xij)m×n的規(guī)范化矩陣(pij)m×n。

2)計(jì)算第j項(xiàng)安全指標(biāo)的熵值：

式中：

3)計(jì)算第j項(xiàng)安全指標(biāo)的差異性系數(shù)：

對(duì)于給定的 j，Ej越大，則 xij的差異性 dj越大。當(dāng)xij全部相等時(shí)，Ej=Emax=1，dj=0表明第j項(xiàng)安全指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中沒有作用，其權(quán)重等于零，可以去掉。Ej越小，則xij的差異性dj就越大，表明第j項(xiàng)安全指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用就越大。

4)得到第j個(gè)安全指標(biāo)的權(quán)重：

則得到的權(quán)重矩陣為：

3．2 TOPSIS法評(píng)價(jià)步驟

1)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣：

式中：

J1—效益型指標(biāo)集;J2—損失型指標(biāo)集;A*—理想集;

A－—負(fù)理想集。

4)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解和負(fù)理想解的歐式距離S*i和 Si－：

5)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的相對(duì)貼近度Ci：

6)按Ci由大到小對(duì)各煤礦進(jìn)行排序，前面的優(yōu)于后面的。

4 評(píng)價(jià)實(shí)例分析

本文以2010年第三季度某集團(tuán)的5個(gè)煤礦X={x1，i=1，2，3，4，5}為研究對(duì)象，利用熵權(quán)法計(jì)算 5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，再借助TOPSIS法對(duì)5個(gè)煤礦進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)及排序。根據(jù)各煤礦的實(shí)際狀況以及專家的研究分析，得到安全綜合評(píng)價(jià)的原始數(shù)據(jù)，見表1。

表1 安全綜合評(píng)價(jià)的原始數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，構(gòu)建煤礦安全的綜合評(píng)價(jià)決策矩陣。對(duì)決策矩陣?yán)檬?2)～(6)計(jì)算各指標(biāo)的熵值(Ej)、差異性系數(shù)(dj)及權(quán)重(wj)。計(jì)算過(guò)程使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各安全指標(biāo)的Ej、dj和wj

根據(jù)表2得出的權(quán)重，利用式(7)和(8)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)TOPSIS決策矩陣，按式(9)～(13)求得正距離、負(fù)距離和相對(duì)貼近度。5個(gè)煤礦的安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和排序見表3。

表3 5個(gè)煤礦的安全綜合評(píng)價(jià)和排名

由表3數(shù)據(jù)分析和排名可知，x3煤礦安全性最好，x5煤礦安全性最差，需要對(duì)其加強(qiáng)安全管理，避免事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

本文將熵權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合建立了煤礦安全的綜合評(píng)價(jià)模型，保證了權(quán)重系數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性，并通過(guò)實(shí)例的分析，得到以下結(jié)論：

1)影響煤礦安全的因素有很多，合理地選取指標(biāo)并且準(zhǔn)確地對(duì)指標(biāo)進(jìn)行定量化，對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性有很大的影響，而本文選取的指標(biāo)都是經(jīng)過(guò)前人驗(yàn)證的，具有很強(qiáng)的可行性。

2)本文利用熵權(quán)法來(lái)確定權(quán)重，克服了層次分析法等其他確定權(quán)重方法的局限性，較好地保證了權(quán)系數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性。

3)熵權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合的方法，能全面考慮煤礦安全的各種因素，客觀地對(duì)煤礦安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為煤礦的安全管理提供了有力的理論依據(jù)。這種方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，現(xiàn)已在工程技術(shù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 劉亞靜，毛善君．基于層次分析法的煤礦安全綜合評(píng)價(jià)［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27(2)：82－84．

［2］ 徐 楊，周 延．基于模糊層次分析法的礦井安全綜合評(píng)價(jià)［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(5)：147－152．

［3］ 徐慧娟，楊以雄．基于熵權(quán)TOPSIS的服裝企業(yè)節(jié)能環(huán)保評(píng)價(jià)模型［J］．東華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(2)：213－217．

［4］ 李金明，李 潤(rùn)．基于AHP－FCE法的煤礦安全管理系統(tǒng)的研究［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010，27(4)：227－229．

［5］ 孔留安，李 武．影響我國(guó)煤礦安全的本質(zhì)因素分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(3)：319－323．

［6］ 王 靖，張金鎖．綜合評(píng)價(jià)中確定權(quán)重向量的幾種方法比較［J］．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30(2)：53－58．

［7］ 吳智誠(chéng)，張江山，陳 盛．基于熵權(quán)法賦權(quán)的TOPSIS法評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)類型［J］．水利科技，2007，(1)：22－24．

［8］ 孫洪華，陳紅霞，尚 飛．基于熵權(quán)的TOPSIS法配送中心選址方案評(píng)價(jià)研究［J］．物流科技，2010，(5)：46－49．

［9］ 曹樹剛，徐阿猛．基于灰色關(guān)聯(lián)分析的煤礦安全綜合評(píng)價(jià)［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(2)：141－145．

［10］ 錢 敏，穆丹丹．煤礦安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(3)：357－360．