礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

于波

摘要： 礦井通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)起重要作用。通過查閱大量文獻(xiàn)，總結(jié)分析了目前我國礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)主要方法，列出了層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、未確知測度評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)分析法，分析了諸多安全評(píng)價(jià)方法的原理和步驟，提出了礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法的發(fā)展和不足。

Abstract： Mine ventilation system plays an important role in safe production of coal mines. Through consulting a large number of documents， the main methods of safety evaluation for mine ventilation systems in China are summarized and analyzed. The analytic hierarchy process， fuzzy comprehensive evaluation method， unascertained measure evaluation method， grey correlation analysis method and artificial neural network evaluation method are listed. The principles and steps of these safety assessment methods are analyzed and the development and deficiency direction of safety assessment methods for mine ventilation systems is proposed.

關(guān)鍵詞： 安全評(píng)價(jià)；礦井通風(fēng)；灰色關(guān)聯(lián)度；模糊評(píng)價(jià)

Key words： safety evaluation；mine ventilation；grey relational degree；fuzzy evaluation

中圖分類號(hào)：TD724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0165-04

0 引言

無論對(duì)于煤礦還是非煤礦山，礦井通風(fēng)是非常重要的，它是礦山進(jìn)行安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在，沒有通風(fēng)系統(tǒng)，整個(gè)礦山將會(huì)無法正常工作。礦井通風(fēng)是煤礦正常生產(chǎn)的前提，可為創(chuàng)造良好的勞動(dòng)環(huán)境提供助益，不僅能夠有效排除和稀釋礦井粉塵與瓦斯，還能夠?qū)⒚禾孔匀己突馂?zāi)發(fā)生的概率最大限度降低。通過制定較為完善的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，可將煤礦通風(fēng)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)排除，不斷優(yōu)化現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，制定科學(xué)的應(yīng)急預(yù)案，確保礦井通風(fēng)的安全管理?；诖?，我們發(fā)現(xiàn)要想確保礦井正常安全管理及運(yùn)行，最大限度的降低安全事故發(fā)生，需綜合各方因素建立科學(xué)合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系。

評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的方法主要有安全檢查表和專家打分法兩種，前者屬于定性評(píng)價(jià)，后者屬于定量評(píng)價(jià)。兩種評(píng)價(jià)各有利弊，安全檢查表無法全面分析整個(gè)系統(tǒng)的安全性，其結(jié)論存在局限性；專家打分法由于需確定專家各自的權(quán)重，勢必會(huì)存在一定主觀性，導(dǎo)致其在具體實(shí)施過程中面臨諸多困難。此外，由于專家打分法的參考依據(jù)是各指標(biāo)的得分值，難免存在主觀性過高的問題，眾人評(píng)價(jià)時(shí)其結(jié)論容易存在不統(tǒng)一的問題，導(dǎo)致其結(jié)果缺乏說服力。

1 常用礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法

近年來，礦業(yè)取得了飛速發(fā)展，人們逐漸開始關(guān)注礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)，關(guān)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法國內(nèi)相關(guān)學(xué)者做了大量的研究，提出了多種評(píng)價(jià)方法。筆者通過閱讀大量文獻(xiàn)，針對(duì)幾種常見的礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了重點(diǎn)探討。

當(dāng)前我國常用的礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法有灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、未確知測度評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)分析法。筆者在此提出了各種方法的數(shù)學(xué)原理和評(píng)價(jià)程序與步驟?？偨Y(jié)礦井通風(fēng)系統(tǒng)以后的發(fā)展和不足。下面介紹幾種礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法：

1.1 層次分析法

層次分析法是在1973年由美國運(yùn)籌學(xué)家薩蒂（T.L.Saaty）教授首次提出的[1]，引進(jìn)我國的時(shí)間是1982年。該方法以系統(tǒng)工程理論為依托，通過分析復(fù)雜決策問題的影響因素、本質(zhì)和內(nèi)在關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)模型，將決策過程通過定量信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而達(dá)到解決各項(xiàng)復(fù)雜決策問題的目的。該方法適用于評(píng)價(jià)中的定量和定性因素，能夠系統(tǒng)、有效的評(píng)價(jià)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)。

①構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。因素被分為方案層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層等不同層次。

②構(gòu)造判斷矩陣。從U={u1，u2，…，un}中每次取兩個(gè)因素成對(duì)比較，得判斷矩R=（rij）n×n。

③層次單排序并檢驗(yàn)其一致性。λmax為R的最大特征值，CI表示計(jì)算一致性指標(biāo)，CR表示隨機(jī)一致性比率，計(jì)算過程如下：

式中，RI表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)CR<0.10時(shí)，可判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需采取有效修正措施。

④層次總排序及其一致性檢驗(yàn)。層次總排序是指計(jì)算同一層次所有因素對(duì)于最高層相對(duì)重要性的排序權(quán)值，對(duì)其開展一致性檢驗(yàn)是必要的。

層次分析法不適應(yīng)應(yīng)用在評(píng)價(jià)對(duì)象較多的系統(tǒng)中，因?yàn)樵摲椒ㄓ?jì)算復(fù)雜、耗費(fèi)工作量大、精度較低，評(píng)價(jià)過程主觀性較高，客觀性較低，導(dǎo)致其評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏說服力，甚至?xí)霈F(xiàn)評(píng)價(jià)矩陣不一致問題，因此，通常在簡單的系統(tǒng)中采用該方法。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

我國學(xué)者汪培莊教授最早提出了模糊綜合評(píng)價(jià)法，作為一種評(píng)價(jià)方法它能夠評(píng)價(jià)涉及多個(gè)相關(guān)因素影響的方案或事物，利用該方法評(píng)價(jià)一些生活或者生產(chǎn)中存在的大量外延和內(nèi)涵均不明確的模糊概念，因此，該方法常被應(yīng)用在礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)中，具體如下[2]。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢是能夠解決傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法中存在的“惟一解”弊端，具有適應(yīng)性廣、方法簡單易掌握的特點(diǎn)，可通過模型建立和評(píng)價(jià)多因素、多層次的較復(fù)雜問題，能夠有機(jī)結(jié)合指標(biāo)定性和定量，解決判斷的不確定性和模糊性。但該方法也存在一定弊端，比如指標(biāo)信息存在高重復(fù)問題、各個(gè)因素的權(quán)重確定存在較高主觀性等。

1.3未確知測度理論的評(píng)價(jià)方法

未確知測度理論作為一種研究未確知信息的數(shù)學(xué)方法，其作用是能夠用確知集合描述“不確定性”或“邊界不清”現(xiàn)象，符合多項(xiàng)測量準(zhǔn)則，包括歸一性、可加性、非負(fù)有界性等，且能夠提供更為科學(xué)的置信度識(shí)別準(zhǔn)則。未確知測度理論成敗的關(guān)鍵在于綜合多項(xiàng)因素建立較為完善的未確知測度函數(shù)[3]。

在安全評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的過程中必然會(huì)存在一些模糊信息，在這種情況下，再加上各種客觀因素的限制，決策者無法得到完整和確定的信息，在存在大量未確知信息的條件下，采取未確知測度理論的評(píng)價(jià)方法是最佳選擇。

因?yàn)樯婕暗酱罅康牟淮_定、不完整信息，在整個(gè)計(jì)算過程中會(huì)充斥著大量疑問，即“未確知性”，面對(duì)這種情況，只能將希望寄托在先驗(yàn)知識(shí)上，即決策者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、偏好等，在充分尊重實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需利用一切可利用的先驗(yàn)知識(shí)來確定最終的未確知測度函數(shù)。分析該過程我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信息不確定性越高時(shí)，需要依賴先驗(yàn)信息的程度就越高，也就意味著該方法具有明顯的、強(qiáng)烈的主觀性特征。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

1982年，我國學(xué)者鄧聚龍教授創(chuàng)造了灰色理論，目前已在諸多領(lǐng)域取得成果，礦井通風(fēng)系統(tǒng)在灰色系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的主要評(píng)價(jià)方法有兩種，分別為灰色關(guān)聯(lián)度分析法、灰色聚類分析法[4，5]。

分析系統(tǒng)整個(gè)變化過程的變化趨勢即為灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，也就是說通過分析有關(guān)數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系及其相似程度來判斷其關(guān)聯(lián)程度，該方法認(rèn)為數(shù)據(jù)列所構(gòu)成的曲線形狀越接近，那么變化態(tài)勢越接近，關(guān)聯(lián)度越大。針對(duì)一些雖然信息較為不明確，但是具有一定相關(guān)性的系統(tǒng)，該方法具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，它能夠較為直觀、簡單的給出評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)，且計(jì)算過程簡單。

然而不可否認(rèn)灰色關(guān)聯(lián)度分析法存在一定弊端，其關(guān)聯(lián)度不符合保序性和規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果通常存在一定差異，只能一定程度上反映數(shù)據(jù)列的相關(guān)關(guān)系，精確度較低。

1.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法

20世紀(jì)40年代，專家學(xué)者首次提出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1987年在美國首次召開了國際人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)會(huì)議，自此之后全球范圍內(nèi)都十分關(guān)注人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，紛紛對(duì)其展開了深入研究和應(yīng)用，且取得了一些成果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，是一種大規(guī)模并行的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能的一種技術(shù)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中“Ο”表示處理單元或節(jié)點(diǎn)，又稱神經(jīng)元[6]。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫怯筛鱾€(gè)神經(jīng)元之間互相連接而成，網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如輸出層節(jié)點(diǎn)、輸入層節(jié)點(diǎn)、隱含層節(jié)點(diǎn)。首先，輸入層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收輸入信號(hào)，然后將其傳遞給隱含層節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過一定的函數(shù)計(jì)算處理后，將其再傳遞給輸出層節(jié)點(diǎn)，如此便計(jì)算出結(jié)果。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，還能夠大規(guī)模并行處理信息，且可自行領(lǐng)悟訓(xùn)練樣本的內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中將規(guī)律存儲(chǔ)起來。

影響安全的因素多種多樣，再加上其他客觀及主觀因素的干擾，復(fù)雜關(guān)系的影響等，因素測度無法確定，在這種情況下，在系統(tǒng)安全分析評(píng)價(jià)中引入高度非線性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，無疑為系統(tǒng)安全分析與評(píng)價(jià)提供了一種新的方法和思路，具有良好的應(yīng)用前景。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法中加入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的應(yīng)用前景，究其原因是因?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)性、非線性及容錯(cuò)性等優(yōu)勢，而將其加入到系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)中這些優(yōu)勢也會(huì)得以發(fā)揮，客觀上避免了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法中存在的精度低、干擾多等弊端，大大提高了其精度和抗干擾能力，不僅如此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有良好的聯(lián)想功能和學(xué)習(xí)能力，解決某一問題后會(huì)總結(jié)相關(guān)規(guī)律，并將其應(yīng)用到下一問題的解決中，具有舉一反三的效果。

2 總結(jié)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作，它不僅影響到安全生產(chǎn)長效機(jī)制的建立，更直接關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn)和管理，因此，礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)至關(guān)重要，且刻不容緩，其主要工作內(nèi)容為針對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)前的安全狀況、動(dòng)態(tài)等，分析出未來可能存在的安全隱患，未雨綢繆的做好各項(xiàng)防治工作。通過上述礦山通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法分析研究，得出以下結(jié)論：

①礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)性、多環(huán)節(jié)、非線性和模糊性的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，極其復(fù)雜多變，其特點(diǎn)表現(xiàn)為外延模糊、內(nèi)涵明確、多變、隨機(jī)，在對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)必須綜合考慮多項(xiàng)因素，充分考慮其他學(xué)科的創(chuàng)新成果，只有開展綜合性研究才能有所突破。②對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行科學(xué)合理的研究。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必須能夠真正反映被評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際情況，將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)結(jié)合起來，更加客觀的做出評(píng)價(jià)，如此不僅便于數(shù)學(xué)模型處理，也能夠有效彌補(bǔ)單純定量評(píng)價(jià)中存在的弊端及數(shù)據(jù)失真帶來的巨大影響，更加客觀的反映評(píng)價(jià)對(duì)象。③由于各個(gè)評(píng)價(jià)方法的屬性和機(jī)制均不同，在加上選用的指標(biāo)體系差異及選擇的專家群不同，使得即使面對(duì)同一資料，若采用不同的評(píng)價(jià)方法其評(píng)價(jià)結(jié)果也可能存在較大差異?；诖?，在研究基于方法集的綜合集成評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)努力尋求方法的綜合集成，將上述非一致性問題得到良好解決。④建立綜合集成評(píng)價(jià)的專家系統(tǒng)和決策支持軟件系統(tǒng)，形成“人-機(jī)-環(huán)境-評(píng)價(jià)對(duì)象”一體化模式，使評(píng)價(jià)工具具備智能性、規(guī)范性、通用性、交互性等特征。

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