改進(jìn)AHP耦合灰色聚類法的礦井人體熱舒適評價(jià)

任江朋

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司, 山西 臨汾 041204)

隨著采礦工業(yè)的發(fā)展,礦井開采深度逐漸增加,綜合機(jī)械化程度不斷提高,礦井熱害也成為礦井災(zāi)害之一。當(dāng)工人長期處于高溫高濕的礦井熱環(huán)境中,會引起生理以及心理的一系列變化,例如:不能維持正常的體溫、精神萎靡、工作效率降低等,導(dǎo)致礦山事故的發(fā)生頻率升高。因此,對于礦井人體熱舒適的評價(jià)研究十分必要。

人體的熱舒適程度是建筑學(xué)設(shè)計(jì)行業(yè)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)之一,而在礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)學(xué)中,熱舒適的關(guān)注度不高,起步較晚。20世紀(jì)末,魏潤柏等對人體熱舒適性的影響因素進(jìn)行了初步的研究[1],為礦井熱環(huán)境研究奠定了基礎(chǔ);21世紀(jì)初至今,劉衛(wèi)東等分別以低溫礦井和高溫礦井作為研究對象,對礦井進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研,內(nèi)容包括風(fēng)流溫度、濕度、流速、煤塵濃度和噪聲,統(tǒng)計(jì)并分析礦工的主觀評價(jià),結(jié)果顯示:粉塵和噪聲因素對低溫礦井工作人員影響較大,溫度對高溫礦井工作人員影響較大[2-3];周剛、歐曉英等將層次分析-模糊綜合評價(jià)法應(yīng)用于礦井熱評價(jià)中,從而確定礦井熱環(huán)境舒適等級[4-5];應(yīng)用AHP、灰色聚類法對建筑施工、危險(xiǎn)化學(xué)品等行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究有很多,但是對于礦井人體熱舒適評價(jià)研究卻很少。而且礦井熱環(huán)境不確定因素多,傳統(tǒng)的評價(jià)方法大多僅從定性或定量的角度進(jìn)行分析,不能完全體現(xiàn)出礦井因素的復(fù)雜性。

鑒于此,提出改進(jìn)AHP耦合灰色聚類法評價(jià)方法,建立礦井人體熱舒適評價(jià)指標(biāo)體系,構(gòu)建AHP模型,運(yùn)用改進(jìn)層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重,基于灰色聚類法從定量計(jì)算和定性分析相結(jié)合的角度對礦井人體熱舒適進(jìn)行評價(jià),以期為煤礦熱害防治工作提供新的理論參考。

1 礦井人體熱舒適評價(jià)指標(biāo)體系

為了保證評價(jià)指標(biāo)體系的可靠性,通過分析礦井人體熱舒適評價(jià)體系內(nèi)在的相關(guān)性與聯(lián)系,將外界環(huán)境、人的生理指標(biāo)、人的主觀因素作為評價(jià)體系的一級指標(biāo)。探究各一級指標(biāo)的影響因子,將其作為評價(jià)體系的二級指標(biāo),二者共同組成礦井人體熱舒適評價(jià)指標(biāo)體系。

1.1 外界環(huán)境因素

在井下作業(yè)過程中,一旦工作環(huán)境的溫度大于25 ℃,就會對皮膚溫度產(chǎn)生一定的影響,如果溫度過高,甚至?xí)：θ梭w的生理健康。井下巷道內(nèi)濕度非常大,當(dāng)人體長期處于這種環(huán)境中時(shí),會使人體的熱量無法散發(fā),從而引起人體內(nèi)環(huán)境紊亂。風(fēng)速是影響人體散熱的重要指標(biāo)。綜上所述,在外界環(huán)境方面,選取溫度、相對濕度和風(fēng)速3個(gè)指標(biāo)作為二級指標(biāo)。

1.2 人的生理指標(biāo)因素

隨著環(huán)境溫度的升高,人體不斷地適應(yīng)著外部環(huán)境,人體機(jī)能的內(nèi)部調(diào)節(jié)會使人體產(chǎn)生一系列的生理反應(yīng),如:心跳加快、血壓上升迅速、體表溫度升高等。對于不同的熱環(huán)境,人的生理反應(yīng)程度不同,這些不同程度的生理變化揭示了人體所處熱環(huán)境的舒適性。因此,在人的生理指標(biāo)方面,選取心率、體表溫度、血壓3個(gè)二級指標(biāo)。

1.3 人的主觀因素

井下工作與其他工作相比有很大的不同,當(dāng)人長期處于此類工作環(huán)境時(shí),會容易產(chǎn)生生理疲勞并出現(xiàn)不健康的心理狀態(tài),影響工人工作的積極性。同時(shí),礦工下井一般都統(tǒng)一穿著礦工服,服裝的舒適性對人體熱舒適感覺也會產(chǎn)生重要影響。因此,在人的主觀因素方面,選取生理疲勞因素、心理狀態(tài)指數(shù)和服裝的舒適性指數(shù)3個(gè)二級指標(biāo)。

2 礦井人體熱舒適評價(jià)方法

2.1 改進(jìn)AHP

改進(jìn)AHP是在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上采用1—3標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩來計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,增加擬優(yōu)一致矩陣,可以避免傳統(tǒng)的1—9標(biāo)度層次分析法計(jì)算出現(xiàn)的迭代過多、判斷界限不清、一致性檢驗(yàn)復(fù)雜等問題。具體步驟如下:

1) 建立AHP結(jié)構(gòu)。第一個(gè)層次是目標(biāo)層A,為評價(jià)體系的總目標(biāo)礦井人體熱舒適評價(jià)指標(biāo)。以評價(jià)體系的一級指標(biāo)外界環(huán)境B1、人的生理指標(biāo)B2、人的主觀因素B3為準(zhǔn)則層。準(zhǔn)則層進(jìn)一步拓展為指標(biāo)層C.ANP結(jié)構(gòu)模型見圖1.

圖1 ANP結(jié)構(gòu)模型圖

2) 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。采用3標(biāo)度法將各指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較建立完整的判斷矩陣B,計(jì)算最大特征值λmax和指標(biāo)權(quán)重w. 其中,各判斷矩陣均通過一致性檢驗(yàn)。各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值見表1.

表1 各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重表

準(zhǔn)則層判斷矩陣:

指標(biāo)層判斷矩陣:

2.2 灰色聚類法

礦井人體熱舒適的評價(jià)不僅有定量分析,還有對人的主觀性因素、心理因素等定性分析。此外礦井環(huán)境復(fù)雜,這使得評價(jià)過程產(chǎn)生不確定的灰色信息,因此引入了灰色聚類分析法。具體步驟如下:

1) 確定評價(jià)指標(biāo)樣本矩陣。

根據(jù)評價(jià)要求將礦井人體熱舒適度劃分為很舒適、較舒適、舒適、不舒適、很不舒適5個(gè)灰類,并將5個(gè)等級分別賦值為2、4、6、8、10,評價(jià)值越低時(shí)證明人體越舒適,當(dāng)?shù)梅纸橛趦蓚€(gè)評價(jià)等級之間時(shí),評價(jià)值取中間值。邀請h位工人按照上述評價(jià)等級進(jìn)行問卷調(diào)查打分,并根據(jù)調(diào)查問卷的打分得到評價(jià)分dijh,建立評價(jià)指標(biāo)樣本矩陣Di=[dijh]s×p.

2) 確定評價(jià)灰類及白權(quán)化函數(shù)。

根據(jù)等級劃分結(jié)果,將評價(jià)灰類分為5個(gè)等級,分別用E1、E2、E3、E4、E5表示。將各個(gè)指標(biāo)的取值范圍劃分為[0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]5個(gè)灰類,取其中心閾值點(diǎn)向量U=(1,3,5,7,9). 建立礦井熱舒適白權(quán)化函數(shù)。

3) 確定灰類評價(jià)系數(shù)。

將各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)樣本值通過白化權(quán)函數(shù)進(jìn)行處理后,進(jìn)行同一灰類的計(jì)算,得到白化權(quán)函數(shù)之和,將其作為該灰類的評價(jià)系數(shù),具體計(jì)算式為:

(1)

二級指標(biāo)的所有評價(jià)灰類的總系數(shù)為:

(2)

式中:xijE為第E個(gè)評價(jià)灰類中的評價(jià)系數(shù);xij為二級指標(biāo)的所有評價(jià)灰類總系數(shù)。

4) 確定灰色權(quán)矩陣。

二級指標(biāo)的第E灰類評價(jià)值為:

(3)

將計(jì)算出的灰類評價(jià)值帶入式rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5)中,得到灰色評價(jià)權(quán)向量rij.將得到的各個(gè)評價(jià)權(quán)向量進(jìn)行轉(zhuǎn)置,并帶入到同一個(gè)矩陣中,該矩陣即為不同灰類的灰色權(quán)矩陣Ri.

5) 多級評價(jià)。

將二級指標(biāo)灰色權(quán)矩陣Ri與其對應(yīng)的二級指標(biāo)權(quán)重WB=(wB1,wB2,wB3)相乘,即可得到二級指標(biāo)評價(jià)集Bi,即:Bi=WBRi,結(jié)合A的評價(jià)權(quán)重WA進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,計(jì)算出一級指標(biāo)A的綜合評價(jià)結(jié)果,即A=WAR. 由于計(jì)算出的綜合評價(jià)結(jié)果A是以向量的方式進(jìn)行表達(dá)的,通過式V=A·UT將結(jié)果進(jìn)一步數(shù)值化,得出對應(yīng)的綜合評價(jià)值V,根據(jù)數(shù)值V與評價(jià)等級的比較,確定人體熱舒適的等級。

3 豹子溝煤礦熱舒適評價(jià)

對豹子溝煤礦二采區(qū)205工作面進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試,測定了通風(fēng)的基本參數(shù),確定了該工作面的風(fēng)速為2.5 m/s、濕度83%、溫度26 ℃,并將其換算成評價(jià)值。抽取6名工作人員進(jìn)行了生理指標(biāo)數(shù)據(jù)測定,得到生理指標(biāo)的評價(jià)等級,換算成評價(jià)值。通過調(diào)查問卷,將主觀評價(jià)的定性指標(biāo)數(shù)量化,建立了評價(jià)樣本矩陣。由于工人所處外界環(huán)境相同,所以溫度C11、相對濕度C12、風(fēng)速C13三個(gè)指標(biāo)是不變的。205工作面工人指標(biāo)評分見表2.

表2 205工作面工人指標(biāo)評分表

根據(jù)工人指標(biāo)的評分,將其帶入所建立的礦井熱舒適白權(quán)化函數(shù)中,通過公式計(jì)算得出各個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的灰類評價(jià)系數(shù)。本文主要以二級指標(biāo)心率C21為例。C21屬于E級灰類的評價(jià)系數(shù)為x21E,當(dāng)E=1時(shí),根據(jù)式(1)計(jì)算得到:

x211=f1(d211)+f2(d212)+f3(d213)+

f4(d214)+f5(d215)=0.778

根據(jù)式(2)計(jì)算指標(biāo)U21屬于各級灰類的總評價(jià)系數(shù)為:

x21=x211+x212+x213+x214+x215=3.736

根據(jù)式(3)得出評價(jià)指標(biāo)U21評價(jià)權(quán)向量為:

(0.147,0.165,0.189,0.220,0.279)

根據(jù)以上算法,計(jì)算出評價(jià)體系中所有評價(jià)指標(biāo)評價(jià)權(quán)向量,得出3個(gè)二級指標(biāo)的灰色評價(jià)矩陣R1、R2、R3,為:

對各二級指標(biāo)B進(jìn)行綜合評價(jià),其結(jié)果為:

對一級指標(biāo)A進(jìn)行評價(jià),該人體熱舒適的灰色權(quán)矩陣為R=(B1,B2,B3),其結(jié)果為:

A=WA×R=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.221)

由該礦井熱環(huán)境中人體熱舒適的綜合評價(jià)值計(jì)算:

V=A·UT=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.211)×(1 3 5 7 9)T=5.102

根據(jù)以上分析結(jié)果可以確定,豹子溝煤礦二采區(qū)205工作面的人體熱舒適等級為舒適,符合實(shí)際生產(chǎn)狀況。因此,所建立的改進(jìn)AHP-灰色聚類法礦井人體熱舒適評價(jià)模型有效可行且更簡單,可以更好地為礦井熱舒適調(diào)節(jié)做出理論上的指導(dǎo)。

根據(jù)二級指標(biāo)計(jì)算權(quán)重的結(jié)果可知,外界環(huán)境溫度和體表溫度對人體的舒適程度影響最大。通過指標(biāo)評分表的打分發(fā)現(xiàn)該礦井的工人對于服裝的舒適性不太滿意。隨著開采深度的增加,應(yīng)通過定制不同的工作制服來應(yīng)對環(huán)境的變化。該工作面部分工人的不安全心理現(xiàn)象較為嚴(yán)重,對于此種情況,應(yīng)進(jìn)行定期的心理疏導(dǎo)工作,緩解工人的心理壓力,并通過安全培訓(xùn)加強(qiáng)工人的安全意識,尤其是對情況嚴(yán)重的工人必須進(jìn)行一對一的心理輔導(dǎo)。此外,長期在高溫高濕環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械勞動會導(dǎo)致工人的工作積極性降低,需要提高作業(yè)人員對工作的獨(dú)立性或工作興趣,降低工人對于重復(fù)作業(yè)產(chǎn)生的生理、心理疲勞程度。

4 結(jié) 語

1) 綜合考慮礦井熱環(huán)境影響因素,建立了礦井人體熱舒適評價(jià)指標(biāo)體系。其中包括外界環(huán)境、人的生理指標(biāo)、人的主觀因素3個(gè)一級指標(biāo),相對濕度、風(fēng)速、溫度、血壓、體表溫度、心率、服裝的舒適性、生理疲勞因素和心理狀態(tài)指數(shù)9個(gè)二級指標(biāo)。

2) 以1—3標(biāo)度的改進(jìn)層次分析法,進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算,應(yīng)用灰色聚類法處理指標(biāo)中不完整、不確定的信息,建立了改進(jìn)AHP-灰色聚類法礦井人體熱舒適評價(jià)方法。

3) 應(yīng)用該方法對豹子溝煤礦二采區(qū)205工作面進(jìn)行熱舒適評價(jià),得出其評價(jià)值為5.102,確定該工作面的工作環(huán)境等級為舒適,結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)狀況,驗(yàn)證了該評價(jià)模型的有效性。同時(shí)為該煤礦熱害防治工作提供重要參考。