基于改進(jìn)突變級數(shù)法的礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化研究

申士寶

摘 要：為了科學(xué)有效地對礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案進(jìn)行決策，提出了基于突變理論和熵權(quán)值的改進(jìn)突變級數(shù)法。首先，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案的評價目標(biāo)進(jìn)行層次分解；其次，將最底層評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱歸一化處理；再次，利用熵權(quán)法計算其相應(yīng)的熵權(quán)值，確定各評價指標(biāo)的相對重要性；最后，依據(jù)相應(yīng)的突變模型的歸一公式進(jìn)行逐層向上計算，得出突變級數(shù)值，進(jìn)而確定出最優(yōu)方案。實例研究表明，該方法不但可避免人為確定權(quán)重的主觀性，而且計算簡單、可靠性高，評價結(jié)果更趨于實際。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)系統(tǒng) 改進(jìn)的突變級數(shù)法 評價指標(biāo)體系

中圖分類號：TD72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0001-04

Abstract：In order to select the optimization program of mine ventilation system scientifically and effectively， an improved catastrophe progression method based on catastrophe theory is put forward. First， the evaluation objectiveof the optimization of mine ventilation system transformation program is decomposed multi-levelly， secondly， non-dimension of the underlying evaluation index is done .thirdly， determine the relative importance of each index by calculating the entropy weight of each index by using the entropy method， then using the normalization formula of the corresponding mutation model layer by layer to the catastrophe progression value， and then determine the optimal solution. The case study shows that this method can avoid the subjectivity of weight determination， and has the advantages of simple calculation and high reliability.

Key Words：Mine ventilation system；Improved catastrophe progression method；Evaluation index system

隨著礦井開采深度的增加以及開采范圍的擴(kuò)大，礦井通風(fēng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)越來越不能滿足礦井的安全生產(chǎn)要求，改造優(yōu)化迫在眉睫。因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造直接關(guān)系到礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行、減少運行成本、保證生產(chǎn)安全的重要途徑。從現(xiàn)有相關(guān)研究來看，礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案評價的主要方法有層次分析法（AHP）、灰色綜合評價法、模糊綜合評價法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等[1-2]。但是這些評價方法大都存在主觀性太強及操作復(fù)雜等問題，因此，如何針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的客觀指標(biāo)多的這一特征，建立一種合理的評價方法，既能充分利用原始數(shù)據(jù)的，又?jǐn)[脫需要主觀設(shè)置權(quán)重的問題。本文將利用熵權(quán)法與突變級數(shù)法相結(jié)合的方法解決這一問題，首先構(gòu)建礦山通風(fēng)評價系統(tǒng)，利用信息熵計算出各個指標(biāo)的客觀權(quán)重，然后將此權(quán)重作為突變級數(shù)法中各指標(biāo)相對重要性的判斷依據(jù)，然后利用各方案綜合評價值確定確定了礦山通風(fēng)系統(tǒng)最佳改造優(yōu)化方案。

1 研究方法

本文運用熵權(quán)法和突變級數(shù)法相結(jié)合的分析方法對礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化進(jìn)行研究，首先用熵權(quán)法確定各個指標(biāo)的客觀權(quán)重，并以權(quán)重大小判定各個指標(biāo)的相對重要性，再結(jié)合突變級數(shù)法得到各個礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案的綜合評價值，進(jìn)而判斷最優(yōu)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案。

1.1 熵權(quán)法

熵最早由美國數(shù)學(xué)家克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)引入信息論，隨后逐漸被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。熵權(quán)法[2]是一種主要根據(jù)各指標(biāo)所包含的信息量的多少及相互差異程度確定客觀權(quán)重的方法，充分地利用指標(biāo)的客觀數(shù)據(jù)，避免主觀因素的影響。如果一個指標(biāo)的信息熵較大，則提供的信息越少，綜合評價的重要性越小，相對權(quán)重越小。因此，在多指標(biāo)，多屬性、多層次的決策體系中確定每個指標(biāo)的權(quán)重大小非常重要。熵權(quán)法確定權(quán)重的過程如下：

1.2 突變級數(shù)法基本原理及其改進(jìn)

1972年由法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆（René Thom）發(fā)表的《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》一書的問世作為突變理論誕生的標(biāo)志，系統(tǒng)整體狀態(tài)的突躍稱為“突變”，它具有連續(xù)過程和不連續(xù)結(jié)果的特點。進(jìn)一步用于識別和預(yù)測復(fù)雜的系統(tǒng)行為，它已成為一個新的分支，研究不連續(xù)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)。其重要思想是，依據(jù)勢函數(shù)將臨界點分類，然后研究各種臨界點附近非連續(xù)性態(tài)的特征，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)研究自然和社會中的突變現(xiàn)象。礦井通風(fēng)系統(tǒng)很容易受到礦井風(fēng)壓、礦井總等積孔、風(fēng)機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等因素的影響，體現(xiàn)出一定的突變性，故可以利用突變理論進(jìn)行評價。

突變級數(shù)法[5]在突變理論的基礎(chǔ)上將評價體系進(jìn)行多層次矛盾分解為若干個目標(biāo)，由最下層指標(biāo)逐層向上層指標(biāo)綜合，在這一過程中，對每一層的控制變量，依據(jù)對應(yīng)的突變模型，利用歸一公式逐層計算，然后得到各層的突變模糊隸屬函數(shù)值，經(jīng)過遞階運算，最后得到評價對象的突變級數(shù)值，將其突變級數(shù)值進(jìn)行排序，那么最大值對應(yīng)的評價對象即為最優(yōu)方案。在這一過程中，針對評價指標(biāo)結(jié)合“非互補”（舍大取小）或“互補”（取平均值）的原則進(jìn)行。其具體評價步驟如下：endprint

（1）建立遞階的層次結(jié)構(gòu)模型。

首先，將總評價指標(biāo)進(jìn)行多層次分解，排成樹狀子目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，由評價總目標(biāo)逐層向下分解，一般分解到可以直接計量的子目標(biāo)為止。

（2）建立評價指標(biāo)的各層次突變系統(tǒng)類型。

在公式中，f（x）表示系統(tǒng)狀態(tài)變量x的電位函數(shù)，狀態(tài)變量a、b、c、d和e的系數(shù)表示它們的控制變量。狀態(tài)變量的系數(shù)a、b、c、d，e表示他們的控制變量。勢函數(shù)的狀態(tài)變量和控制變量表示系統(tǒng)內(nèi)相互矛盾著的兩個方面，各控制變量之間又具有相互矛盾作用，系統(tǒng)所處的任一狀態(tài)又是狀態(tài)變量與控制變量的統(tǒng)一，它是控制變量之間相互作用的統(tǒng)一。

（3）底層指標(biāo)的規(guī)范化及相對重要性的排序確定。

應(yīng)用傳統(tǒng)的突變理論時，各評價指標(biāo)的相對重要性排序一般通過專家咨詢法確定，然后采用不同的無量綱歸一化公式計算相應(yīng)的突變級數(shù)值。本文在充分利用規(guī)范化的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的相對重要性順序，更具客觀性。

（4）利用歸一化公式進(jìn)行綜合評判。

根據(jù)底層的熵權(quán)值確定的重要性順序，按歸一公式逐一計算出各層的突變級數(shù)值。直至得到最高層的突變級數(shù)值。在進(jìn)行評價時，“互補”和“非互補”原則需要被考慮。即如果同一對象的各控制變量之間沒有相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，就稱該對象各控制變量之間為“非互補”型，否則稱為“互補”型。對于“互補”型采取按“大中取小”的原則取值，即在突變級數(shù)值中取最小值作為系統(tǒng)的x值，對于“非互補”型采取突變級數(shù)值的平均值作為系統(tǒng)的x值。

1.3 基于熵權(quán)法和突變級數(shù)法分析相結(jié)合的綜合評判模型

由于不同礦山的地質(zhì)條件、開發(fā)方法和生產(chǎn)布局等不同，我們可以根據(jù)自己的優(yōu)缺點制定出許多可行的、改造的優(yōu)化方案。礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案的優(yōu)選應(yīng)綜合考慮礦井通風(fēng)系統(tǒng)的各種影響因素，從安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理等方面采用熵權(quán)法和突變級數(shù)法相結(jié)合的方法確定最優(yōu)方案。具體評判步驟如下：

（1）通過綜合分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的狀況特點，構(gòu)建一個相對系統(tǒng)、科學(xué)的評判指標(biāo)體系。體系中要考慮影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全因素、技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素[3]等。指標(biāo)選擇時應(yīng)力求最大程度地避免相互交叉，確保相互獨立以及信息的重復(fù)性。針對上述情況，建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案的評價指標(biāo)體系如圖2所示。

（2）根據(jù)指標(biāo)體系采集數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。達(dá)到指標(biāo)的無量綱化，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)的客觀有效性。

（3）應(yīng)用1.1、1.2節(jié)內(nèi)容中的方法原理進(jìn)行如下處理：

①使用（2）（3）獲得各項指標(biāo)的客觀權(quán)重。

②利用取得的客觀權(quán)重值確定各指標(biāo)的相對重要性。

③依據(jù)突變類型及歸一化公式，確定每層的突變級數(shù)值。

④根據(jù)求得的突變級數(shù)值進(jìn)行排序，確定最優(yōu)改造優(yōu)化方案。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化綜合評估實例

依據(jù)1.3節(jié)建立的基于熵權(quán)法和突變級數(shù)法相結(jié)合的評價模型，對某煤礦的3個改造優(yōu)化方案進(jìn)行實例驗證，各個方案的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。采用前述理論進(jìn)行相關(guān)的方案優(yōu)選，具體如步驟如下。

2.1 建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)矩陣

從上述3個煤礦通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案中選取風(fēng)機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、礦井抗災(zāi)能力、礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理困難度、礦井風(fēng)壓、礦井等積孔、礦井風(fēng)量供需比、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性系數(shù)、礦井的有效鳳量率、通風(fēng)機總功率、通風(fēng)機總效率、噸煤耗電量等原始數(shù)據(jù)構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)矩陣。

2.2 利用熵權(quán)法得到指標(biāo)的客觀權(quán)重

2.3 確定相對重要性排序

利用2.2中的客觀權(quán)重可以得到指標(biāo)層相對重要性排序為：I3>I2>I1， I7>I5>I4>I8>I6，I10>I11>I9。

準(zhǔn)則層的重要性排序原則上遵循安全可靠性大于技術(shù)可行性大于經(jīng)濟(jì)合理性，即C1>C2>C3。

2.4 計算突變級數(shù)值

按綜合評價模型的步驟（3），將表1歸一化后的數(shù)據(jù)如表2所示。

2.5 計算綜合評價

按照突變類型及歸一化公式計算綜合評價值，得到礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案的排名。

3 結(jié)語

突變級數(shù)法將包含多個指標(biāo)量化分解層，通過自下而上的隸屬函數(shù)的歸一化公式得出每一層的計算值，最后計算出的數(shù)值評價指標(biāo)的突變級數(shù)值，將突變級數(shù)值進(jìn)行排序，最大值對應(yīng)的方案即為最優(yōu)方案。將突變級數(shù)方法運用到礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化方案評價，不需考慮各指標(biāo)的權(quán)重值，只需將各指標(biāo)由熵權(quán)法得到的值的大小進(jìn)行排序，避免了主觀因素的干擾和隨意性，因而評價結(jié)果的公認(rèn)度更高，而且計算更加簡便，流程更加清晰，可操作性更強。

參考文獻(xiàn)

[1] 李陽，孫峰，李楠.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的多因素綜合評判方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（34）：20-23.

[2] 王文輝，楊玉中，孔靜，等.基于熵權(quán)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)灰色綜合評價[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011（12）：39-41.

[3] 胡春亞，楊勝強，胡新成，等.礦井通風(fēng)系統(tǒng)新指標(biāo)體系的建立與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2016（10）：171-173.

[4] 段軍，包剛，張建如，等.基于突變理論的爆破參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2016（4）：5-7.

[5] 凌復(fù)華.突變理論應(yīng)用及其應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

[6] 程健維，楊勝強.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全保障技術(shù)及應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2013.endprint