基于PCA的礦山設備安全評價

蔣 猛 馬鴻廉 陳 棟 李 瑋

(1.天津大學管理學院;2.河南省安評監測檢驗技術有限公司;3.鄭州大學管理工程研究所)

近年來，礦山安全事故頻繁發生，不僅嚴重威脅礦井工作人員的生命安全，而且造成巨大的經濟損失和社會影響［1］。據統計，2010年全國礦山共發生生產安全事故2 412起、其中煤礦事故1 403起，金屬非金屬礦山事故1 009起，死亡3 704人，較大事故153起、死亡696人，發生重大生產安全事故26起、死亡558人，造成重大經濟損失和人員傷亡。礦山設備作為礦山生產的必備要素，其安全性能運行狀況將直接影響礦山的生產安全和工作人員的生命安全。

2011年10月，國務院辦公廳正式下發《安全生產“十二五”規劃》，確立了安全發展理念和“安全第一，預防為主，綜合治理”的方針。在礦山安全生產中，礦山設備檢驗檢測對防止和減少傷亡事故，保障人民生命和財產安全有著重要作用。目前許多學者致力于檢測方法的研究以及單一設備的故障分析。于治富、李旭鳴等［2］介紹了提升機運行速度、負荷電流、變位質量以及制動閘空動時間、制動力矩、油壓位移等的測試方法。黃軍、葉義成等［3］運用模糊綜合評價對提升機系統的安全性進行了分析。楊海、王蒙等［4］對礦山機械中的滾動軸承的常見問題進行分析，并對一些具體問題提出了解決辦法。王宏圖、黃振華等［5］運用粗糙集－BP神經網絡理論對礦井通風系統進行綜合評價。黃松［6］針對安全檢測過程中設備安全保護裝置的問題進行探討，并介紹了相關檢測方法，增強了檢測工作可操作性。單一設備的好壞并不能說明礦山生產整體安全，需要對礦山設備的整體進行評價。本研究通過對礦山設備進行安全檢測，運用主成分分析法(PCA)對檢測結果進行分析處理，進而對礦山設備安全性進行整體評價，從而為礦山的安全生產和設備改造提供依據。

1 評價指標體系的構建

通過綜合分析礦山生產設備的重要性，選擇礦山“四大件”，即提升機、排水泵、通風機和空氣壓縮機作為評價指標，依據國家安全生產監督管理總局正式頒布實施的《AQ 2029—2010 金屬非金屬地下礦山主排水系統安全檢驗規范》、《AQ 2022—2008 金屬非金屬礦山在用提升絞車安全檢測檢驗規范》、《AQ 1011—2005 煤礦在用主通風機系統安全檢測檢驗規范》和《AQ 1013—2005 煤礦在用空氣壓縮機安全檢測檢驗規范》將指標進一步分解，構建礦山設備安全性評價指標體系。具體指標體系見圖1。

圖1 礦山設備安全評價指標體系

礦用排水泵主要將地下開采過程產生的地下水及時排至地面，對保證井下人員的安全和礦山安全生產有重要作用。排水泵排水能力指單位時間水泵排水量，是排水泵安全性能的直接指標;水泵運行狀況指各部件和系統是否有影響正常運行或起動的異常現象發生;振動值是判斷水泵是否出現故障的主要指標。

礦用通風機作為礦山安全生產的主要技術設備，是礦井通風系統的重要組成部分，其運行安全穩定、檢測與調節對礦山安全生產都有重要影響。外觀質量主要指通風機各連接部位的緊固件是否牢固、剎車裝置是否靈活可靠、潤滑系統是否工作正常、主通風機外殼或內部結構是否有異常變形或損傷等;通風機效率是指其運行效率;振動狀況指風機運行過程中的振動速度有效值。

礦井提升機是升降人員、物料的主要機械設備，是礦山井下生產系統和地面相連接的樞紐，提升機的安全對井下工作人員的安全和礦山生產的安全有著至關重要的影響。主提升機的提升系統、制動系統、電氣系統、液壓系統的穩定性將直接影響提升機的安全。

空壓機作為礦山開采中鑿巖機、風鉆和風鎬等氣動工具的主要動力源，其工作運行狀況直接關系到礦山安全和作業能力。排氣壓力和排氣量是衡量空壓機性能的主要指標。

2 基于PCA的礦山設備安全評價模型

主成分分析是考察多個變量之間相關性的一種多元統計方法。它將多個指標化為少數相互無關的綜合指標，并盡可能地保留原始變量信息。進行多指標綜合評價是成分分析的主要應用之一［7］。

設F代表分量，X代表原變量，Y代表標準化后的變量，i代表被評價樣本，j代表評價指標，g代表主成分分量，xij代表第i個樣本的第j個指標數值，yij代表第i個樣本的第j個標準化指標的數值，aij表示第i個樣本第j個標準化指標的分量系數，Fig表示第i個樣本的第g個分量，則有

其中，

用主成分分析法進行多指標綜合評價主要包括以下步驟:

(1)原始數據標準化。這里一般采用Z－score法，變換公式為

其中，

(2)求指標數據間的相互關系矩陣R。并不是所有多指標綜合評價問題都可以用主成分分析法來解決的，只有當變量之間不完全相關時可以使用主成分分析。

(3)求R陣的特征值、特征向量和貢獻率。R的特征方程為

為對該方程求解得到的特征值，其大小表示了各個主分量在描述被評價對象上所起作用的大小。設Mij為一個P維實向量，由方程組

求得Mij，為特征值λg對應的特征向量。

表示每個分量所含原始變量的信息量，即方差貢獻率。

(4)確定主成分的個數。若確定k個主成分，則前k個主成分的累計貢獻率

(5)合成主成分得到綜合評價值。求每個主分量的線性加權和值Fi1－Fik，以每個主分量的貢獻率αg(g=1，2，…，k)作為權重，求Fig的加權和，即

其中，Fi即為多指標綜合評價值。

3 實證研究

以河南省洛陽市8個礦區為評價對象進行了礦山設備安全性評價分析。

3.1 礦山設備安全性評價

(1)獲得初始數據。通過對8個礦區的礦山設備進行安全檢驗，收集有關設備運行狀況的第一手資料，為保持數據的一致性，對數據進行預處理，其值越大，礦區設備的這項指標愈好，得到原始數據。具體數據見表1。

表1 礦山設備檢測原始數據

(2)將表1的數據按式(1)進行標準化處理。 處理后的結果見表2。

表2 礦山設備檢測數據標準化結果

(3)求指標數據間的相互關系矩陣。用MINITAB軟件對上述標準化數據進行相關關系分析。具體結果見表3。

由R陣分析可知，數據指標之間不存在完全相關關系或完全不相關關系，所以可以使用主成分分析法對其進行綜合評價。

(4)對標準化后的數據進行主成分分析，采用MINITAB軟件實現該功能。求得R陣的特征值、特征向量和貢獻度，具體結果見表4。

由表4可知，當 k=5時，λk＞1且85%，所以主成分個數選5，對礦區1設備安全狀況進行綜合評價:

同理可求的礦區2－8的評價值分別為

表3 相互關系矩陣(R陣)

表4 R陣特征值、特征向量、貢獻率

3.2 結果解釋與分析

在用主成分分析進行多指標綜合評價時，綜合評價值Fi中一部分出現負值(比如本文的F1、F2、F3、F6、F7、F8均為負值)，并不代表評價對象的社會經濟行為的真切含義，只是說明該對象在被評價整體中處于平均水平以下。因為Fi值是通過標準化數據計算得到的，正負只表示與平均水平的相對位置關系。

通過計算結果對8個礦區進行排序，分值越高代表礦區設備安全性越優，排序結果如下:

即選取的8個礦區中，礦區4設備整體狀況最好，礦區5次之，礦區6最差。

對礦區4的數據具體分析可知，排水泵排水能力、通風機效率、提升機制動系統和提升系統、空壓機壓力相對于其他礦區都較高，礦區設備安全性較好;而對于礦區2，水泵的運行狀況、通風機外觀質量、空壓機壓力等指標相對于其他方案較高，但是水泵排水能力和提升機整體性能均較低，使得礦區綜合得分低于平均值。

從以上的分析可以看出，提升機、排水泵處于相對重要的位置，尤其是水泵的排水能力和提升機制動系統、提升系統對礦山生產安全有重要影響，這也與我們的常識一致，進而說明了運用PCA模型對礦山設備安全性評價的客觀性和合理性。

4 結論

(1)礦山設備是礦山安全生產的重要組成部分，其安全性能是否良好直接影響生產安全和工作人員的人身安全。應用主成分分析法對礦山設備安全性進行綜合評價，較完整地反應了礦山設備的綜合狀況。

(2)根據現有的研究成果以及設備檢測過程中的考核指標，選取礦山設備“四大件”作為一級指標，建立了礦山設備安全評價指標體系。

(3)運用主成分分析法對礦區設備進行評價分析，減少了評價過程中主觀因素的影響，較好地保證了評價的客觀性與準確性。

(4)進行評價的重要前提是科學合理地確定評價指標體系，用礦山設備“四大件”代替礦山整體設備，雖然具有一定的代表性，但也有一定的片面性。而且由于不同礦區的情況不同，在選擇指標時，需要根據實際情況進行必要調整。在這方面需要進一步研究，逐步對模型進行優化。

［1］ 何學秋，宋 利，聶百勝.我國安全生產基本特征規律研究［J］.中國安全科學學報，2008(1):5-13.

［2］ 于治富，李旭鳴，商德勇，等.礦井提升機安全性能檢測方法［J］. 煤礦機械，2009.30(12):165-168.

［3］ 黃 軍，葉義成，李瑩瑩.基于模糊綜合評價的礦井提升機系統安全性分析［J］.武漢科技大學學報，2010.33(3):310-313.

［4］ 楊 海，王 蒙，王 建.礦山機械滾動軸承的常見故障分析與診斷［J］.煤礦機械，2010.33(8):251-253.

［5］ 王宏圖，黃振華，范曉剛，等.粗糙集－神經網絡理論在礦井通風系統評價中的應用［J］.重慶大學學報，2011.34(9):90-94.

［6］ 黃 松.礦用空壓機安全保護裝置檢測檢驗問題探討［J］.中國安全生產科學技術，20117(7):183-186.

［7］ 辛士波，孫 超.基于主成分分析法的煤礦安全生產預警分析研究［J］.中國煤炭，2010(11):105-108.