基于DANP-GS的礦井設(shè)備資源選擇

曾 怡

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430064)

0 引言

高質(zhì)量的礦井設(shè)備資源是決定煤礦開(kāi)采綜合效益高的關(guān)鍵因素之一,是進(jìn)行井下高效、安全開(kāi)采的基礎(chǔ)條件。煤礦企業(yè)在能源開(kāi)采中對(duì)機(jī)械設(shè)備投入的成本幾乎超過(guò)礦山開(kāi)采成本的40%[1],對(duì)設(shè)備的質(zhì)量要求也愈來(lái)愈高。礦井井下開(kāi)采設(shè)備資源種類(lèi)繁多,包含用于采礦作業(yè)的各種機(jī)械設(shè)備工藝設(shè)計(jì)方案、設(shè)備成品、設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)備技術(shù)支持和培訓(xùn)等一系列與設(shè)備有關(guān)的資源。近年來(lái),煤炭行業(yè)技術(shù)高速發(fā)展,礦井設(shè)備也在不斷更新改進(jìn),以提高采礦的效率和安全性。礦井設(shè)備資源根據(jù)不同礦井呈現(xiàn)出模糊復(fù)雜性以及動(dòng)態(tài)性等特征,尤其模糊性加大了對(duì)礦井設(shè)備資源有效信息的挖掘難度,礦井設(shè)備資源的質(zhì)量好壞直接影響到礦山生產(chǎn)效率、安全性和可持續(xù)發(fā)展,對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)與選擇具有十分重要的意義。

在礦井設(shè)備、供應(yīng)商、方案的選擇方面,李瑞峰[2]運(yùn)用價(jià)值工程、層次分析法(ANP)對(duì)礦井機(jī)械設(shè)備選型問(wèn)題進(jìn)行建模分析,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。高路[3]運(yùn)用層次分析法對(duì)五舉煤礦3個(gè)配倉(cāng)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并選出最優(yōu)方案。謝添[4]引入用層次分析法、灰色評(píng)價(jià)方法,確立評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立模型,為煤礦機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商的選擇提供參考。姚羅瑞等[5]采用熵值法確立煤炭企業(yè)設(shè)備供應(yīng)商評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、建立基于直覺(jué)模糊TOPSIS法的選擇模型對(duì)候選供應(yīng)商進(jìn)行選擇;在服務(wù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方面,尹露等[6]利用QoS,建立模糊DEMATAL的物元模型對(duì)再制造服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。沈慧等[7]針對(duì)影響醫(yī)療設(shè)備維護(hù)外包服務(wù)質(zhì)量因素的問(wèn)題,建立基于KANO-DANP的設(shè)備維護(hù)外包服務(wù)質(zhì)量影響因素的評(píng)價(jià)模型[7]。其中利用QoS建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,可以使建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更全面和更能反映與礦井設(shè)備資源的關(guān)系。ANP法能很好地反映指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,然而確立的多指標(biāo)導(dǎo)致專(zhuān)家的判斷難度及工作的復(fù)雜度變大[8]。DANP法是一種利用圖論與矩陣工具進(jìn)行系統(tǒng)因素分析的DEMATEL與ANP結(jié)合的方法[9-10],此方法既能表達(dá)元素集內(nèi)部元素間的復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系,又能有效地計(jì)算判斷指標(biāo)之間的因果關(guān)系及相互影響的程度,彌補(bǔ)了ANP的不足,使指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算更加精確。Grey system是從系統(tǒng)的角度研究如何利用已知信息去揭示未知信息,主要通過(guò)生成、開(kāi)發(fā)“部分”已知信息,提取有價(jià)值的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控[11-12]。因此,利用灰色系統(tǒng)的方法來(lái)有效挖掘礦井設(shè)備資源的未知信息是很有必要的。綜合以上的評(píng)價(jià)與選擇方法,確立QoS指標(biāo)屬性,利用DANP法對(duì)與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行分析并得出相應(yīng)的權(quán)重,最后利用Grey system對(duì)若干個(gè)礦井設(shè)備企業(yè)所提供的設(shè)備資源進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇。

1 選擇流程

礦井設(shè)備資源的服務(wù)質(zhì)量對(duì)于礦井的生產(chǎn)效率、安全性和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要,為了合理、高效的選擇優(yōu)質(zhì)的礦井設(shè)備資源,借鑒QoS理論,構(gòu)建礦井設(shè)備資源QoS指標(biāo)[13]:時(shí)間B1={Ci|i=1,…,3}={設(shè)計(jì)時(shí)間、制造時(shí)間、物流運(yùn)輸時(shí)間},成本B2={Ci|i=1,…,4}={采購(gòu)費(fèi)用、員工培訓(xùn)費(fèi)用、安裝調(diào)試費(fèi)用、維修費(fèi)用},柔性度B3={Ci|i=1,2}={服務(wù)資源、服務(wù)模塊},可持續(xù)度B4={Ci|i=1,…,3}={生命周期長(zhǎng)度、環(huán)境影響程度、功耗程度},可靠度B5={Ci|i=1,…,3}={方案可靠度、工藝可靠度、資質(zhì)可靠度},可擴(kuò)展性B6={Ci|i=1,2}={服務(wù)技術(shù)可擴(kuò)展性、服務(wù)規(guī)?？蓴U(kuò)展性}。

基于QoS指標(biāo)體系的礦井設(shè)備資源選擇流程,如圖1所示。根據(jù)確立的問(wèn)題,對(duì)當(dāng)前已有礦井設(shè)備資源的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行研究,通過(guò)礦井設(shè)備的資源特征、QoS特性確立礦井設(shè)備資源的QoS指標(biāo)體系,然后根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)卷調(diào)查,引入DEMATEL法對(duì)各個(gè)維度、各個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析,從而作出指標(biāo)影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖,再利用ANP法對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)引入灰色系統(tǒng),計(jì)算得出各個(gè)候選礦井設(shè)備資源的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)值,最后對(duì)候選設(shè)備資源進(jìn)行排序選擇,從而得出研究結(jié)論。

圖1 礦井設(shè)備資源選擇流程Fig.1 Selection flowchart of mine equipment resource

2 模型構(gòu)建

2.1 基于DANP的指標(biāo)權(quán)重確立

將收集到的DEMATEL問(wèn)卷中指標(biāo)之間的相互影響程度做算術(shù)平均值計(jì)算,得到aij,再計(jì)算出直接關(guān)系矩陣A。

(1)

標(biāo)準(zhǔn)化處理直接關(guān)系矩陣A,得到標(biāo)準(zhǔn)化直接關(guān)系矩陣X。

(2)

計(jì)算綜合影響矩陣T。

T=X+X2+…+Xk=X(I-X)-1=[tij]n×n

(3)

式中,limk→∞Xk=0。

根據(jù)公式(4)繪制影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖,即綜合影響矩陣T的每行每列分別加總求和,用矩陣r和c表示

(4)

式中,ri為影響度;cj為被影響度;當(dāng)i=j時(shí),指標(biāo)i的中心度xi=ri+cj,即指標(biāo)i影響與被影響的總程度。指標(biāo)i的原因度yi=ri-cj,即指標(biāo)i對(duì)其他指標(biāo)的影響程度與被影響程度之差。

(5)

(6)

(7)

式中,ui為T(mén)1各行的和。

計(jì)算加權(quán)超矩陣及極限超矩陣。

(8)

根據(jù)得到的全局優(yōu)先向量確定各指標(biāo)權(quán)重。

2.2 基于Grey system設(shè)備資源選擇

可將評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)的特點(diǎn),按服務(wù)質(zhì)量好壞劃分為1～5級(jí),分別為:好、較好、一般、較差、差。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分等級(jí)構(gòu)建評(píng)價(jià)樣本矩陣G。

G=[g11g12…gNn]

(9)

式中,評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分等級(jí)記為gij,i=1,2,…,N;j=1,2,…,n。

假設(shè)灰數(shù)?閾值為[m,n],根據(jù)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定灰類(lèi)h=1,2,…,5?；覕?shù)與白化權(quán)函數(shù)如下。

設(shè)灰數(shù)?1∈[0,1,2],白化權(quán)函數(shù)

(10)

其他灰數(shù),h∈[0,h,2h],白化權(quán)函數(shù)

(11)

計(jì)算灰色評(píng)價(jià)系數(shù)Xij

(12)

計(jì)算灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量qij及灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣Qi。

(13)

根據(jù)二級(jí)指標(biāo)的局部權(quán)重Ai、灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣Qi和一級(jí)指標(biāo)的全局權(quán)重A計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C,再由C與向量H得到綜合評(píng)價(jià)值Z。

Ai=(ai1,ai2,…,ain),Bi=AiQi=(bi1,bi2,…,bih),將整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的所有Bi綜合表示為B,A=(a1,a2,…,aN),則對(duì)準(zhǔn)則層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C。

(14)

各評(píng)價(jià)灰類(lèi)等級(jí)賦值向量為H=(1,2,…,5),據(jù)此計(jì)算評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)值Z,即:Z=CHT。

最后通過(guò)綜合評(píng)價(jià)值Z的比較排序?qū)υu(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行選擇。

3 案例分析

已知某企業(yè)為了充分挖掘礦井設(shè)備資源的價(jià)值,需要從眾多礦井設(shè)備資源中選擇出服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)者。在企業(yè)的考慮范圍內(nèi),現(xiàn)有5家候選礦井服務(wù)企業(yè)所提供的礦井設(shè)備資源,即r1,r2,…,r5。

3.1 礦井設(shè)備資源指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

3.1.1 維度與指標(biāo)的影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析

先通過(guò)DEMATEL問(wèn)卷調(diào)查,對(duì)已確定好的17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)分,0～4分分別代表無(wú)影響、低影響、中影響、高影響、極高影響。收集12份問(wèn)卷獲得的原始數(shù)據(jù)成為分析各維度指標(biāo)影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。然后依據(jù)上文提到的DEMATEL方法的運(yùn)用步驟,整理6大維度與17個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系矩陣,由公式(3)計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的綜合影響矩陣T2,其結(jié)果見(jiàn)表1,通過(guò)公式(4)可得出各維度、指標(biāo)的影響關(guān)系,由此畫(huà)出維度與指標(biāo)的關(guān)系影響如圖2所示。

表1 綜合影響矩陣T2Table 1 Comprehensive influential matrix T2

圖2 維度與指標(biāo)的關(guān)系影響Fig.2 Relation influence of dimensions and indexes

從圖2可看出,時(shí)間(B1)和成本(B2)的r-c值為負(fù),說(shuō)明這2項(xiàng)維度指標(biāo)易受其他指標(biāo)的影響,是結(jié)果因素。柔性度(B3)、可持續(xù)度(B4)、可靠度(B5)和可擴(kuò)展性(B6)的r-c值都為正,則說(shuō)明這4項(xiàng)指標(biāo)易影響其他指標(biāo),是原因因素。

3.1.2 維度和評(píng)價(jià)指標(biāo)間的影響權(quán)重分析

根據(jù)公式(5)-(8)計(jì)算出加權(quán)的超矩陣Wα和極限加權(quán)超矩陣,見(jiàn)表2,從而得出維度與指標(biāo)的權(quán)重值,見(jiàn)表3。

表2 加權(quán)超矩陣WαTable 2 Weighted hypermatrix Wα

表3 礦井設(shè)備資源指標(biāo)體系權(quán)重及排序Table 3 Weight and ranking of mine equipment resource index system

根據(jù)表3可知,時(shí)間(B1)的權(quán)重值最大,其次是成本(B2)、柔性度(B3)、可擴(kuò)展性(B6)、可靠度(B5)和可持續(xù)度(B4)。在時(shí)間(B1)維度中,制造時(shí)間(C2)權(quán)重最大,物流運(yùn)輸時(shí)間(C3)權(quán)重最小。在成本(B2)維度中,安裝調(diào)試費(fèi)用(C6)權(quán)重最大,維修費(fèi)用(C7)權(quán)重最小。在柔性度(B3)維度中,服務(wù)資源(C8)影響權(quán)重最大。在可持續(xù)度(B4)維度中,環(huán)境影響程度(C11)權(quán)重最大,功耗程度(C12)最小。在可靠度(B5)維度中,方案可靠度(C13)和資質(zhì)可靠度(C15)的權(quán)重較工藝可靠度(C14)大。在可擴(kuò)展性(B6)維度中,技術(shù)(C16)的權(quán)重最大,應(yīng)引起重視。

3.2 礦井設(shè)備資源的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)值的確定

已知候選礦井服務(wù)企業(yè)的設(shè)備資源為r1～r5,將評(píng)價(jià)指標(biāo)按服務(wù)質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí),根據(jù)每個(gè)候選資源指標(biāo)參數(shù)不同分別賦予1～5分(由好到差),見(jiàn)表4,每個(gè)指標(biāo)的評(píng)分記為gij(i=1,2,…,N;j=n)。

表4 等級(jí)化后設(shè)備資源指標(biāo)信息Table 4 Equipment resource index information after grading

根據(jù)評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),用h表示灰類(lèi)序號(hào),1～5分別指服務(wù)質(zhì)量好,較好,一般,較差,差。以第1個(gè)候選設(shè)備資源r1為例,根據(jù)公式(10)、(11)和(12)得到C1指標(biāo)的總灰色評(píng)價(jià)系數(shù)X11為

(15)

由公式(13)得到C1對(duì)于各灰類(lèi)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量為:q11=(0.080,0.359,0.239,0.179,0.143)。

(16)

所有一級(jí)指標(biāo)影響權(quán)重為A=(a1,a2,…,aN),根據(jù)公式(14)得到一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為C:C1=A×B=(0.118,0.158,0.233,0.257,0.244)。

利用各評(píng)價(jià)灰類(lèi)等級(jí)賦值向量H=(1,2,…,5)T,對(duì)C進(jìn)行單值化處理得到綜合評(píng)價(jià)值Z1:Z1=C1H=3.382。

同理可得其他設(shè)備資源服務(wù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)值,Z2=3.454,Z3=3.798,Z4=5.327,Z5=3.363。候選設(shè)備資源服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)值的排序?yàn)?Z5

3.3 方法對(duì)比分析

針對(duì)提出的基于DANP-Grey system的礦井設(shè)備資源的相關(guān)概念和數(shù)據(jù),計(jì)算AHP與Grey system相結(jié)合的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)值以及ANP法的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)值,并將這2種方法的排序結(jié)果與文中提出的DANP-Grey system方法進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同方法結(jié)果對(duì)比分析Table 5 Result comparison and analysis of different methods

由表5的結(jié)果對(duì)比分析可知,3種方法的排序最小評(píng)價(jià)值都是Z5,表明設(shè)備資源r5是服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)選擇。按照AHP與Grey system結(jié)合的方法得到的結(jié)果同文中方法的結(jié)果一致,但是AHP法未考慮指標(biāo)間的相互關(guān)聯(lián),各指標(biāo)層級(jí)沒(méi)有交叉關(guān)系。雖然按照ANP法所得到的排序與前2種不同,也盡管最優(yōu)的設(shè)備資源仍是r5,但該方法過(guò)于主觀(guān)性,在標(biāo)準(zhǔn)化處理相關(guān)加權(quán)矩陣時(shí)存在缺陷,未考慮一級(jí)指標(biāo)間的權(quán)重差異。DANP和Grey system相結(jié)合的方法,避免AHP法指標(biāo)間的相互獨(dú)立,而且灰色理論能將灰色信息透明化,使得評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)過(guò)程更符合客觀(guān)規(guī)律,評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

同一礦井設(shè)備資源需求方,面臨多個(gè)礦井服務(wù)企業(yè)所提供的設(shè)備資源的選擇問(wèn)題,提出一種基于DANP-Grey system的礦井設(shè)備資源的服務(wù)質(zhì)量選擇模型。

(1)根據(jù)礦井設(shè)備資源的特點(diǎn),提出較為完善的基于QoS的礦井設(shè)備資源評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性,為礦井設(shè)備資源評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

(2)針對(duì)指標(biāo)間相互獨(dú)立且未考慮一級(jí)指標(biāo)間權(quán)重差異的問(wèn)題,將DEMATEL與ANP法結(jié)合,體現(xiàn)每個(gè)指標(biāo)間的影響因果關(guān)系及比例權(quán)重,使結(jié)果更加精確客觀(guān)。

(3)針對(duì)評(píng)價(jià)方法的客觀(guān)性問(wèn)題,在DANP的基礎(chǔ)上引入Grey system,減少主觀(guān)因素的影響,實(shí)現(xiàn)客觀(guān)、全面的評(píng)價(jià)和選擇。