基于FAHP-MODM的礦井通風系統(tǒng)可靠性綜合評價*

程　剛,陸衛(wèi)東,陳志峰，郝朝瑜

(1.新疆工程學院 安全工程學院，新疆 烏魯木齊 830091;2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

礦井通風系統(tǒng)作為整個礦井的“肺”，在創(chuàng)造良好的井下作業(yè)環(huán)境，保證井下風流數量和質量符合國家安全衛(wèi)生標準，防治瓦斯或煤塵爆炸事故方面具有重要的作用。礦井通風系統(tǒng)可靠性的程度對礦井建設和生產期間具有極其重要的意義，因此對礦井通風系統(tǒng)的可靠性必須建立一種簡單易行的，行之有效的綜合評價方法。

目前，有多種礦井通風系統(tǒng)的可靠性評價方法。陳開巖等[1]應用多層次模糊綜合評價法對礦井通風系統(tǒng)安全可靠性做定量評價；王洪德等[2]運用可靠性工程理論推導出了各主要評價指標的數學模型，建立了礦井通風系統(tǒng)可靠性評價體系；程磊等[3]通過人工神經網絡解決礦井通風系統(tǒng)評價的非結構性問題 ；張儉讓等[4]通過RS-SVM對礦井通風系統(tǒng)可靠性進行評價提高了計算效率 ；劉正偉等[5]運用未確知測度模型進行綜合評價，充分利用客觀數據為礦井通風系統(tǒng)方案的選擇提供依據 ；史秀芝等[6]通過Fisher判別理論建立礦井通風系統(tǒng)的FDA模型，降低主觀因素同時提高預測精度 ；邢玉忠等[7]使用礦井瓦斯監(jiān)測數據作為礦井通風系統(tǒng)合理性的評價指標，判斷礦井通風系統(tǒng)的合理性 ；程健維[8]將模糊數學方法引入到礦井通風系統(tǒng)可靠性分配問題中，提出了基于模糊層次分析法的系統(tǒng)可靠性分配方法。近五年對于礦井通風可靠性(安全性)評價的方法也大都是諸如層次分析法、灰色理論、模糊綜合評價、神經網絡、支持向量機等，這些方法有其特點，但礦井通風系統(tǒng)可靠性的評價是一個系統(tǒng)過程，因此這些評價方法存在制約因素，如評價過于簡單、主觀因素較強、計算復雜、數據處理量大等。并且，隨著安全科學理論和科學綠色采礦方法的不斷發(fā)展，前者評價模型中指標的選取也存在一定的時代性。

筆者將模糊層次分析法(FAHP)與多目標決策理論(MODM)相結合，該方法解決了專家主觀判斷的模糊不確定性，并且通過增加客觀權重，提高了評價內容的系統(tǒng)性。同時在前人的基礎上優(yōu)化各個評價指標，提出一種新的礦井通風系統(tǒng)可靠性評價方法，并將其應用到實際的礦井通風系統(tǒng)可靠性評價中，為礦井安全生產提供依據。

1　礦井通風系統(tǒng)可靠性評價指標及策略

1.1　礦井通風系統(tǒng)可靠性評價指標

現代安全科學理論認為，安全系統(tǒng)工程所研究的內容，都是圍繞人-機-環(huán)境-管理系統(tǒng)進行分析、評價、建模、決策等[9]。礦井通風系統(tǒng)可靠性評價是一個復雜的安全系統(tǒng)工程的內容，可從人-機-環(huán)境-管理4個方面展開分析。人是指企業(yè)的工作人員，特指作業(yè)人員的安全素質體現；機指的是設備設施，包括通風動力設備，通風輔助設施，通風監(jiān)測監(jiān)控設備；環(huán)境是指生產過程中的作業(yè)條件，包括通風網絡、井下作業(yè)環(huán)境、防災自救系統(tǒng)；管理是指規(guī)章制度，對于礦井通風系統(tǒng)指的是通風方面的管理。

通過以上分析以及在前人的基礎上，可得一級指標層為礦井通風系統(tǒng)可靠性；二級指標層為員工素質、通風動力、通風網絡、通風設施、作業(yè)環(huán)境、監(jiān)控設備、防災自救系統(tǒng)、通風管理8個指標；三級指標層共24個指標，如表2所示[10-14]。

1.2　礦井通風系統(tǒng)可靠性評價策略

基于以上所建立的評價指標，首先計算三級指標的主觀權重和客觀權重，其次綜合2個權重得出綜合評價指標，最后通過計算和對比得出各個觀測點的可靠性等級。具體的評價策略如圖1所示。

圖1　礦井通風可靠性評價策略Fig.1　Evaluation strategy of mine ventilation reliability

2　基于FAHP的主觀權重的確定

2.1　模糊判斷矩陣的確定

FAHP在基于所建立的評價指標結構中，專家根據主觀判斷形成判斷矩陣，本文采用三角模糊數形成模糊判斷矩陣，三角模糊數標度[15]如表1所示，相對應的標度為其倒數。

表1　三角模糊數標度

設與上層同一指標的本層指標有n個，三角模糊數mij=[lij,eij,pij]為專家做出的第i指標相對第j個指標的重要度模糊判斷，建立模糊比較判斷矩陣M。其中l(wèi)ij和pij之間的差值為判斷模糊程度，差值越大模糊度越高。

通過上述方法對每一層指標相對上一層指標構建模糊比較判斷矩陣。

2.1　主觀權重的確定

根據模糊判斷矩陣確定指標i相對本層其他指標的模糊相對權重向量，如公式1。將模糊相對權重明細化得出本層評價指標的主觀權重，如公式2。最后用本層的各指標的權重乘以上一層指標的權重為各指標的主觀權重，如公式3。

(1)

(2)

(3)

3　優(yōu)屬度矩陣及客觀權重確定

3.1　相對優(yōu)屬度的確定

礦井通風系統(tǒng)可靠性的評價取決于多個目標的滿足程度，MODM可以解決此類問題，可以把礦井通風系統(tǒng)的各個指標看做MODM的目標進行分析。相對優(yōu)屬度指目標相對于“優(yōu)”的程度，反映了各個指標相對于可靠性“高”的程度[16]。相對優(yōu)屬度借助模糊數學的概念來表示，共有效益型、成本型、固定型和區(qū)間型4種目標類型[17]。

在礦井通風系統(tǒng)可靠性評價指標中，如主要通風機裝置運行效率是越高越好應屬于效益型；漏風率是越小越好屬于成本型；工作面風速為2.5 m/s時為最佳屬于固定型；作業(yè)面工作溫度在18～22℃之間為最佳屬于區(qū)間型[18]。以此為思想確定每個評價指標的目標類型，如表2所示。

對m個觀測點的24個礦井通風可靠性評價三級指標賦值形成目標矩陣F，通過文獻[17]中目標類型轉化計算公式轉化為相對優(yōu)屬度矩陣μ。

3.2　客觀權重的確定

多目標決策的客觀權重賦值方法是在相對優(yōu)屬矩陣的基礎上通過離差最大化方法，得到指標i的權重vi，如公式(4)所示。

(4)

式中：j和k表示不同觀測點；|μij-μik|為第i個指標，觀測點j與觀測點k優(yōu)屬度偏差的絕對值。

4　綜合指標的確定及評價

綜合運用FAHP計算得出各指標的主觀權重和離差最大化方法計算得出的客觀權重，得出第i個指標的綜合權重，見公式4。然后，通過MODM的線性加權和法得出每個觀測點的礦井通風系統(tǒng)可靠性評價綜合指標，見公式5。最后，各觀測點進行優(yōu)劣排序并進行對比，得出各個觀測點的礦井通風系統(tǒng)可靠性等級。

(5)

(6)

按照以上方法建立礦井通風系統(tǒng)可靠性評價體系，主要依據《煤礦安全規(guī)程》以及文獻[1]，[6]，[10]中對通風系統(tǒng)各指標要達到數值要求，列出表2。將各指標的可靠性等級界限分為5個等級，I級為非?？煽?，II級為很可靠，III級為可靠，IV為一般可靠，V級為不可靠。由于篇幅原因，將FAHP的具體計算過程省略，直接在表2中列出主觀權重。

5　實例分析

按照本文方法，對某一礦井上半年2—6月取5個觀測點，對每個觀測點進行可靠性計算及分析。該礦井5個觀測點的礦井通風系統(tǒng)可靠性指標的實測數據如表4所示，結合表2中各指標的等級界限，確定目標決策矩陣F，以此可確定每個觀測點的可靠性等級。通過目標類型轉化計算公式和各指標的目標類型得出相對優(yōu)屬度矩陣μ。

基于相對優(yōu)屬度矩陣μ，根據公式4計算可得出每個評價指標的主觀權重。然后根據公式5計算可得出每個評價指標的綜合權重。具體權重值如表3所示?；诒?的綜合權重和相對優(yōu)屬度矩陣μ，根據公式6可得到綜合評價值：

y=[y1,y2,…y8,y9]=[0.993 8,0.729 6,0.519 0,0.321 0,0.668 9,0.721 0,0.690 8,0.622 8,0.619 1]

表2　礦井通風系統(tǒng)可靠性評價體系

注：為了方便列出目標矩陣(1)區(qū)間型I級取值為每個區(qū)間的中值，如井下最佳濕度為50%～60%故取值為55%，溫度最佳值18～22℃；(2)區(qū)間型其他等級界限的取值考慮各值出現概率大的情況。

基于表3的綜合權重和相對優(yōu)屬度矩陣μ，根據公式6可得到綜合評價值：

y=[y1,y2,…,y8,y9]=[0.993 8,0.729 6,0.519 0,0.321 0,0.668 9,0.721 0,0.690 8,0.622 8,0.619 1]

上式中，前4個值分別是礦井通風系統(tǒng)可靠性5個等級的4個界限的綜合評價值，后5個值分別為礦井通風系統(tǒng)觀測點的綜合評價值，對這9個點進行優(yōu)劣排序可得：I>II>觀測點2>觀測點3>觀測點1>觀測點4>觀測點5>III>IV。可得，所有的觀測點在II級和III級之間，即為III級，該礦井的通風系統(tǒng)為可靠。各觀測點相比較，則觀測點2和觀測點3時，礦井通風系統(tǒng)的可靠性較高，觀測點5可靠性較低。

從以上評價結果可以看出，近半年該礦井的通風系統(tǒng)可靠性處于III級為可靠，基本能夠滿足礦井安全生產的需要，其中測點2和測點3這2個時刻礦井通風系統(tǒng)可靠性較高，主要因為礦井在測點1時刻發(fā)現礦井安全問題進行及時整改，礦井通風系統(tǒng)的可靠性有所提高，但是在測點4和測點5時，由于礦井進入通風困難時期以及礦井員工對安全有所懈怠，礦井通風系統(tǒng)可靠性也隨之下降。因此，該礦井如要提高通風系統(tǒng)的可靠性需要加強日常管理。

礦井通風系統(tǒng)單項指標權重見表3。從表3中可以看出，大部分指標的主觀權重和客觀權重差別比較大，如員工考核平均成績指標的的主觀權重和客觀權重分別為0.079 6和0.015 4，如果用單一方法進行礦井通風系統(tǒng)可靠性分析會存在偏差，因此要全面反映每個指標的主客觀綜合影響，需要計算出它們的綜合權重，既考慮每個指標的客觀實際情況，又具備主觀分析，這樣可以對礦井通風系統(tǒng)可靠性做出準確的評價。

如果單純使用FAHP和MODM評價方法進行評價，可能會存在一定的片面性。FAHP評價方法只考慮專家打分過于主觀，并沒有正在考慮到礦井通風各指標表在實際的運行過程中存在的問題；MODM評價法只考慮突出指標，而其他指標沒有起到作用。在礦井通風系統(tǒng)中各個的指標是相互關聯的，同時也要考慮的主客觀的指標，進行綜合評價，才能夠對礦井通風系統(tǒng)的可靠性進行合理可行的綜合評價，以期為煤礦安全生產提供理論依據。

表3　礦井通風系統(tǒng)單項指標權重

表4　觀測點的礦井通風系統(tǒng)單項指標實測值

6　結論

1)結合FAHP和MODM評價方法各自的優(yōu)點，將兩種評價方法進行結合應用到礦井通風系統(tǒng)可靠性評價中，提過了具體的評價策略。

2)在前人的基礎上依據人-機-環(huán)-管理的系統(tǒng)對礦井通風系統(tǒng)可靠性進行分析建模，構建礦井通風系統(tǒng)可靠性評價指標。

3)綜合了由FAHP確定的主觀權重和離差最大化法確定的客觀權重，并通過線性加權和法得出每個指標的綜合權重，對礦井通風系統(tǒng)的可靠性做出客觀正確的評價。

4)采用FAHP-MODM評價方法對某礦井的通風系統(tǒng)可靠性進行評價。通過對近半年該礦井通風系統(tǒng)可靠性指標選取5各測點進行分析，得出該礦井通風系統(tǒng)可靠性為III級可靠。

5)礦井通風系統(tǒng)的復雜性以及自動化控制不斷地應用到礦井通風系統(tǒng)中，礦井通風系統(tǒng)的可靠性指標也應該與時俱進不斷改進；FAHP-MODM評價方法只給出了可靠性最終的評價結果，沒有給具體各個指標可靠性的高低，因此需要進一步豐富該評價方法，讓礦井通風在安全管理方面有的放矢。

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