基于AHP的礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系優(yōu)化

段自力

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

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基于AHP的礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系優(yōu)化

段自力

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

摘要采用層次分析法對(duì)某礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立系統(tǒng)的遞階層次模型，構(gòu)建合理的判斷矩陣，運(yùn)用Matlab計(jì)算得出了各指標(biāo)的權(quán)重，在專(zhuān)家評(píng)審組對(duì)各層指標(biāo)打分的基礎(chǔ)上，計(jì)算出礦井通風(fēng)系統(tǒng)的總得分，評(píng)價(jià)結(jié)果為良，符合礦井實(shí)際情況，說(shuō)明層次分析法適合礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞礦井通風(fēng)AHP判斷矩陣指標(biāo)權(quán)重

通風(fēng)作為礦井安全系統(tǒng)的重要組成部分，在礦井安全管理中格外重視。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)有多種方法：層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)判法等。由于各生產(chǎn)礦井的技術(shù)條件差別很大，必須根據(jù)礦井的實(shí)際情況確定相適應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。層次分析法(AHP)能用定量的手段分析和處理復(fù)雜的問(wèn)題[1-3]。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)均為定量化或可以轉(zhuǎn)化為定量化的指標(biāo)，因此，采用層次分析法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1AHP簡(jiǎn)介

層次分析法是將影響評(píng)價(jià)目標(biāo)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，并進(jìn)行定量、定性分析的決策方法。該方法的主要思想是將決策目標(biāo)的若干影響因素建立遞階層次結(jié)構(gòu)，對(duì)影響因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，然后求解判斷矩陣特征向量，從而求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的權(quán)重，最后再求出對(duì)總目標(biāo)的最終權(quán)重。

1.1遞階層次結(jié)構(gòu)

層次分析法建立的層次結(jié)構(gòu)分為3層：第一層為最高層，該層元素只有一個(gè)，一般指的是評(píng)價(jià)指標(biāo)，用A表示；第二層為中間層，該層可以分為多個(gè)含有許多元素的子層，這些子層的元素是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的中間環(huán)節(jié)，用B表示；第三類(lèi)為最底層，該層是實(shí)現(xiàn)最高層的各種措施、政策、方案等，用C表示。

1.2判斷矩陣

1.2.1判斷矩陣構(gòu)造

判斷矩陣表示針對(duì)上一層某因素，本層次與之有關(guān)因素之間相對(duì)重要性的比較。假設(shè)P層因素中Km與下一層中A1,A2,…，An有聯(lián)系，其構(gòu)造矩陣一般取表1。

表1　K-A判斷矩陣

1.2.2判斷矩陣比較

判斷矩陣值采用9標(biāo)度法求解，即利用1～9及其倒數(shù)共17個(gè)數(shù)作為標(biāo)度。標(biāo)度見(jiàn)表2。

表2　標(biāo)度表[4]

注：2，4，6，8為兩相鄰判斷的中值。

1.3指標(biāo)權(quán)重

1.3.1指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

層析分析法通過(guò)特征根法計(jì)算權(quán)重。

(1)求單一層次所支配元素的判斷矩陣A=(aij)n×n。

(2)求A的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量u=(u1,u2,…，un)。

(3)將u歸一化，即

(1)

1.3.2判斷矩陣一致性及檢驗(yàn)

專(zhuān)家無(wú)法對(duì)各指標(biāo)重要性進(jìn)行精確化判斷，很難避免偏差。為使指標(biāo)權(quán)重的質(zhì)量得到保證，判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)是很有必要的。

當(dāng)矩陣A不具有完全一致性時(shí)，則有λmax>n；當(dāng)且僅當(dāng)判斷矩陣A具有完全一致性時(shí)，λmax=n，且除了λmax=n外，其余特征根均為零。設(shè)一致性指標(biāo)為CI,一致性比率為CR,則

(2)

(3)

式中，λmax為最大特征根；n為矩陣階級(jí)；CR為一致性比率；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，否則就需要修正判斷矩陣。

2算例分析

2.1某礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀況

某礦井采用中央并列式通風(fēng)，主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。首采8101回采工作面布置2條順槽，一條進(jìn)風(fēng)順槽和一條回風(fēng)順槽，礦井采用全負(fù)壓通風(fēng)。該礦安裝了2臺(tái)FBCDZ-10№25B型礦用防爆抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，每臺(tái)通風(fēng)機(jī)配備YBFe560S1-10型電機(jī)，額定功率為160 kW，軸速為580 r/min。井下布置2個(gè)掘進(jìn)工作面，均采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，局部通風(fēng)機(jī)采用FBD-5.6型，均布置在進(jìn)風(fēng)流中，實(shí)現(xiàn)“三專(zhuān)兩閉鎖”，“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”，并做到自動(dòng)切換。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

影響礦井通風(fēng)的因素很多，建立一個(gè)完善的礦井通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系很重要。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系既要全面、完整地反映礦井通風(fēng)狀況，又要易于操作、方便使用。

根據(jù)以上要求，該礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了確定，見(jiàn)圖1。所列出的16個(gè)指標(biāo)中，礦井通風(fēng)設(shè)施合格率、通風(fēng)機(jī)效率、通風(fēng)機(jī)功率、噸煤通風(fēng)電耗、通風(fēng)井巷工程費(fèi)、礦井風(fēng)壓、礦井等積孔、礦井風(fēng)量、礦井風(fēng)量供需比9個(gè)指標(biāo)為定量指標(biāo)，其值的選取與確定則直接取值于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果；而風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、礦井反風(fēng)系統(tǒng)的靈活性、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)流穩(wěn)定性、礦井通風(fēng)能力、礦井抗災(zāi)能力、通風(fēng)方式、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)質(zhì)7個(gè)指標(biāo)為定性指標(biāo)，其值的選取與確定則必須采取先打分，然后進(jìn)行歸一化處理成定量指標(biāo)的方法才能進(jìn)行后續(xù)的評(píng)價(jià)計(jì)算。

圖1　某礦井通風(fēng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3指標(biāo)權(quán)重的比較與計(jì)算

利用層次分析法的原理，通過(guò)兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，而其最大特征根λmax對(duì)應(yīng)的特征向量即是各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)表2，結(jié)合專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)的判斷，得出如下判斷矩陣：

表4　A-B判斷矩陣

表5　B1-C判斷矩陣

表6　B2-C判斷矩陣

表7　B3-C判斷矩陣

表4經(jīng)計(jì)算得λmax=3.085 8，CI=0.042 9，CR=0.074<0.1。通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣有滿(mǎn)意的一致解。

表5經(jīng)計(jì)算得λmax=6.370 1，CI=0.07，CR=0.06<0.1。通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣有滿(mǎn)意的一致解。

表6經(jīng)計(jì)算得λmax=4.198 1，CI=0.066，CR=0.073<0.1。通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣有滿(mǎn)意的一致解。

表7經(jīng)計(jì)算得λmax=6.45，CI=0.09，CR=0.07<0.1。通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣有滿(mǎn)意的一致解。

通過(guò)上述方法，依次計(jì)算，可得指標(biāo)權(quán)重總排序[5],見(jiàn)表8。

表8　A-C判斷矩陣

2.4礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全技術(shù)評(píng)價(jià)

在確定好各指標(biāo)權(quán)重后，專(zhuān)家評(píng)審組對(duì)各層指標(biāo)打分，選取平均分作為各指標(biāo)的分值,打分采用百分制。最底層各指標(biāo)分值平均分見(jiàn)表9。

表9　專(zhuān)家評(píng)審組對(duì)最底層指標(biāo)打分

通過(guò)各指標(biāo)得分乘以各指標(biāo)權(quán)重，求得該礦井通風(fēng)系統(tǒng)得分為87.94。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)指標(biāo)尺度可分為優(yōu)、良、及格、差、極差。本文設(shè)置5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值：優(yōu)(分值90～100)、良(分值80～90)、及格(分值70～80)、差(分值60～70)、極差(分值0～60)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀況評(píng)價(jià)如下：

(1)各指標(biāo)權(quán)重排序?yàn)镃14(0.27)>C12(0.17)>C5(0.09)=C13(0.09)>C2(0.06)=C9(0.06)>C11(0.05)=C15(0.05)>C4(0.03)=C7(0.03)>C1(0.02)=C3(0.02)=C16(0.02)>C6(0.01)=C8(0.01)=C10(0.01)。

(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)總得分為87.94，屬于良。可以通過(guò)不斷提高通風(fēng)系統(tǒng)總得分來(lái)改善通風(fēng)系統(tǒng)狀況。

(3)礦井風(fēng)量供需比C14權(quán)重最大，在管理中相對(duì)注重一些，而權(quán)重小的指標(biāo)，可以少注重一些。

3結(jié)論

(1)針對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)建立了評(píng)價(jià)體系，采用層次分析法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為良，符合實(shí)際情況。

(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，既有定量指標(biāo)，也有定性指標(biāo)，層次分析法是一種能有效地處理難于完全用定量來(lái)分析的復(fù)雜問(wèn)題的手段，適合礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

(3)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，既可以通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重比較進(jìn)行管理，也可以通過(guò)比較評(píng)價(jià)指標(biāo)體系總得分管理。

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(收稿日期2015-12-05)

段自力(1990—)，男，碩士研究生，266590 山東省青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)前灣港路579號(hào)。