基于FCE-AHP的礦井通風質量動態評價

靳紅梅， 黨琪， 李洪安， 李占利

(西安科技大學 計算機科學與技術學院， 陜西 西安 710600)

0 引言

國家能源局出臺的相關政策指出，通風系統的安全穩定是礦井生產的必備前提，必須做到通風質量合格，工作環境合理，從而保證煤礦安全生產[1]。對于礦井通風系統而言，風速過大雖利于防止瓦斯積聚、稀釋有毒有害氣體，但會造成電能浪費，還可能造成漏風而引起火災，或揚起地面粉塵等，危及工作人員健康或發生風源性事故。而風量不足會造成有毒有害氣體濃度超標。因此，需對通風系統的通風質量進行動態評價，從而保證通風的安全持久化[2]。

針對煤礦通風的安全評價，國內外學者從全局角度出發，在評價指標和評價方法2個方面進行了深入研究。在評價指標方面，蘇盈盈[3]用SVM(支持向量機)對不同指標組合的評價效果進行篩選，將最佳評價效果的指標組合作為精簡后的指標體系，完成了小樣本數據下礦井通風系統的16項評價指標體系的建立。蘆志剛[4]從安全穩定、經濟合理性角度出發建立了一套完整的通風系統評價指標體系，共建立了40個指標，完成了對通風系統的綜合評價。張聰聰等[5]在全面分析煤礦通風系統可靠性影響因素的基礎上，采用主成分分析法將13個評價指標簡化為4個綜合指標，完成了煤礦通風系統的可靠性評價。李強[6]為進一步提高煤礦企業通風安全監管，通過層次分析法建立了包含18項指標的通風系統安全穩定性評價指標體系。在評價方法方面，王海青[7]應用FMEA(Failure Mode and Effects Analysis，故障模式和影響分析)分析法對礦井通風系統進行了整體評價。孫佳保[8]采用主成分分析法將各種評價指標轉變為相應的線性組合，進而利用構建的綜合評價函數的方法評價礦井通風系統。劉洋[9]建立了基于層次分析法的煤礦通風系統評價體系，從環境、設施、管理3個方面提出了通風網絡結構合理性、通風地點的溫度、通風設備的可靠性、人員素質等10個具體指標。Jia Tinggui等[10]應用多元回歸分析法分析了礦井通風系統的穩定性。畢娟等[11]利用集成模糊分析法和灰靶決策方法的評價方法對礦井通風系統進行可靠性評價。

綜上可知，對礦井通風系統進行評價，有助于促進煤礦安全生產的持續推進。但現有的礦井通風系統評價方法是從礦井通風系統全局視角出發，對其進行整體性的評價，所得出的評價結論往往是靜態的[12]、綜合性的，得出的結果太過籠統，無法精準定位出礦井中用風范圍內的通風情況并發現其存在的問題，也不能夠實時反映當前時刻的通風質量狀態。針對以上問題，本文建立了基于FCE-AHP(Fuzzy Comprehensive Evaluation Method-Analytic Hierarchy Process，模糊綜合評價法-層次分析法)的礦井通風質量動態評價模型，用以對煤礦的通風質量進行實時評價。首先根據通風需求和作用將通風區域劃分為進風區段、回風區段、采煤工作面、掘進工作面、硐室5個區域，根據每一種用風區域類型確定其對應的評價指標體系;然后根據評價指標體系獲取對應測風點傳感器實時監測到的數據;最后通過所建模型，依據實時監測到的數據對通風質量進行實時評價，確定煤礦通風質量的安全級別。該模型的評價結果是基于實時監測數據計算得出，能夠及時反映通風質量狀態，實時監測通風質量，保證礦井通風時刻安全。

1 礦井通風質量評價指標建立

為了能夠從通風系統的評價結果中得到更多有效信息，更加精準地確定危險所在地，本文從通風系統各測風點出發展開研究，即對各個傳感器所在位置進行劃分，每個測風點所在區域為風流較為平穩的一個巷道或一片區域，其所測數據能反映該區域的整體通風情況，可作為一個原子用風區域，通過分析每一個原子用風區域的通風用途和需求，確定用風區域類型，將通風用途和需求相同的歸為一類。在確定用風區域類型之后，根據每一種用風區域類型確定其對應的評價指標體系，可以更全面實現煤礦通風質量的評價。

根據通風需求和作用將通風區域劃分為進風區段、回風區段、采煤工作面、掘進工作面、硐室5個區域。其中由于采煤工作面中上隅角區域的通風不太順暢，其通風指標含量與采煤工作面中其他工作地點的要求準則有所不同，故該區域的危險評判界限不同，需將其進行單獨分析，這里將采煤工作面分為2個子區域：一個為上隅角區域，一個為回風巷區域。基于不同用風區域的確定，分別考慮各區域對通風質量的不同影響因素，進而建立各區域相應的評價指標體系。具體的通風系統通風質量劃區域評價層次指標體系如圖1所示。

圖1 通風系統通風質量劃區域評價層次指標體系Fig.1 Ventilation quality region evaluation hierarchy index system of ventilation system

2 基于FCE-AHP的動態評價模型

礦井通風系統是一個復雜隨機的動態系統，對其通風質量評價所涉及的因素繁多，且通風質量是隨煤礦生產推進而變化的。只依據考核評級辦法完成對通風質量的打分不能滿足對通風質量評價的實時性，需通過對礦井通風進行動態監控，根據實時監測數據進行動態評價，才能真實反映生產過程中煤礦的實時通風質量是否合格，進而有效促進礦井通風安全的方案調整，做到防患于未然。AHP、FCE等方法能夠處理含有定性因素、定量因素的評價問題，使評價過程規范化，以提高評價的科學性。AHP能夠將復雜對象的影響因素進行系統化、層次化的分析，計算簡單、適用性廣泛。FCE可以對多因素、多變量、多層次的復雜系統進行評價，能夠對模糊安全狀態的評價對象進行合理評價。故本文選擇AHP與FCE相結合的方法完成通風質量的動態評價。

2.1 指標權重確定

權重是指各評價因子對評價目標所起作用的重要程度，運用AHP可有效將原本復雜的定性評價過程進行合理量化，將無序的要素按照目標層、準則層和方案層歸納出有序的遞階層次結構[13]。本文采用AHP進行各指標權重的確定，根據9級標度確定相對重要程度[14]，構建成對比較判斷矩陣。9標度指標重要程度判斷見表1。

表1 9標度指標重要程度判斷Table 1 9 scale index importance judgment

為了確保利用AHP所得評價指標權重的基本合理性，需對成對比較矩陣進行一致性檢驗，即對于成對比較矩陣A，有

AW=λmaxW

(1)

式中：W為所對應的特征向量；λmax為最大特征值。

一致性指標CI為

(2)

式中N為矩陣階數。

一致性比例CR為

(3)

式中RI為平均一致性指標，具體取值見表2。

表2 平均一致性指標值Table 2 Average consistency index values

當CR<0.1時，認為成對比較矩陣的一致性是可接受的。否則，需對成對比較矩陣作適當修改。

2.2 評價指標分級標準

在確定各區域指標權重之后，本文按照優秀、良好、合格、危險4個等級對指標進行劃分。基于礦井通風安全的研究，由于大部分通風質量指標范圍具有上下限，即認為監測數據超出上下限范圍的，視為危險級別。通風質量中各指標的量綱不同，含量標準不同，故其4個等級的確定標準范圍也各不相同，又因為煤礦安全的相關文件中未明確規定出煤礦通風質量的優良級別界限，故本文通過函數分布劃分通風質量的不同指標的各級別界限。基于對通風質量各指標監測數據的研究，可近似認為指標界限分布滿足正態型分布，可設函數為

(4)

式中：x為指標變量值；a，b為常數，a≥0，b>0。

在等級劃分函數確立的基礎上，完成對各個指標的級別劃分。根據通風質量各動態指標的危險界限，確定每個指標不同等級的界限。具體級別結合《煤礦安全規程》中的危險界限進行計算，完成各評價指標的標準分級。

2.3 指標隸屬度確定

隸屬度函數的選擇直接影響隸屬度的大小，進而影響評價結果的合理性。由于通風質量的評價指標均為定量指標，柯西分布隸屬度函數的計算過程簡單，函數圖像變化合理[15]，故隸屬度函數選取柯西分布隸屬度函數。隸屬度函數主要是用來量化不同等級下的指標，其函數類型的選擇與指標的特點有關，需要依據具體因素進行分析。一般情況下，評價為極差和極好的2種情況會選用偏小或偏大型隸屬度函數，其余情況可選擇居中型隸屬度函數。

偏小型隸屬度函數為

(5)

居中型隸屬度函數為

(6)

偏大型隸屬度函數為

(7)

式中：f(x)為輸出隸屬度；α,β為調整函數的參數，其中，β取值為2，α一般由實踐經驗確定。

將類似柯西分布的隸屬度函數作為確定元素隸屬度的基礎，對有區間范圍的指標選用式(6)，兩極分布的選用式(5)或式(7)。

對于居中型隸屬度函數有

(8)

式中xmax,xmin為對應級別相應參數的上下邊界值。

對于偏大型或偏小型分布隸屬度函數，結合煤礦通風的危險等級，當指標達到危險級別時，即具有“一票否決權”，也就是對于超出上下界限范圍的監測數據,直接認定其危險級別的隸屬度值為1，即f1(x)=1，為了不削弱危險程度的監測值的評價結果，故將煤礦通風質量的兩極分布隸屬度函數設為

f1(x)=1(x>xmax,x

(9)

2.4 綜合評價

本文通過FCE對通風質量進行綜合評價，其計算步驟如下：

Step1 確定評級對象因素集：U={u1,u2,…un}(n=1,2,…)，un為指標因素。

Step2 確定評語集：V={v1,v2,…vm}(m=1,2,…)，vm為評語。

Step3 單因素評價：討論單個因素對于評語集V的隸屬度，得到第i個區域的單因素評價矩陣Ri為

(10)

式中rinm為計算得到的權重。

Step4 綜合評價：綜合考慮各指標隸屬度完成評價對象的等級量化，再通過置信度識別原則得到最終的綜合評價結果。

Q=wi·Ri=

(11)

式中：wi為第i個區域的權重向量；·為模糊算子；q為矩陣乘積計算出來的綜合權重。

3 應用與分析

3.1 東灘煤礦概況

東灘煤礦位于山東省兗州市，井田位于兗州煤田東部，井田范圍大，通風方式為對角式通風，主要通風方法為抽出式通風。本文結合該煤礦數據，選擇63上06工作面的采煤工作面回風巷進行通風質量評價，該通風線路各測點所在區域風流穩定，巷道斷面規整，均符合測點所應遵循的原則。

63上06工作面通風系統的具體路線：進風區段(副井→井底車場→南翼軌道大巷→南翼輔運下山→南翼輔運巷)→其他用風區域(南翼第二膠帶運輸巷南段→輔助回風巷聯絡巷)→工作面回風巷(南翼回風巷南段→南翼回風巷)→掘進工作面(63上06采區軌道巷)→回風區段(支架聯絡巷→南翼總回風巷→西翼總回風巷→西風井底→西風井)。本文以南翼回風巷數據為例進行評價，具體數據見表3。

表3 南翼回風巷某一時刻通風質量指標數據Table 3 Ventilation quality index data at a certain moment in the south wing return airway

3.2 東灘煤礦南翼回風巷通風質量動態評價

對于通風質量的評價，首先需完成指標權重的計算,即由多個煤礦通風安全專家對各區域指標進行重要度評判，取其均值，得到各指標間兩兩對比的重要度判斷，再通過AHP計算該區域各指標權重。基于圖1所建立的通風系統通風質量劃區域評價層次指標，完成各區域的指標權重計算，判斷矩陣記為Bi(i=1,2,…,6，分別表示采煤工作面的上隅角、回風巷、掘進工作面、硐室、進風區段、回風區段)。同時驗證各判斷矩陣Bi是否通過一致性檢驗，通過則計算權重，否則對判斷矩陣進行修改，直到通過一致性檢驗，計算得出最終權重結果wBi，見表4。

在得到表4中的各指標的指標權重后，根據式(1)—式(3)對判斷矩陣進行一致性檢驗，矩陣均通過了一致性檢驗，所得權重合理。從表4可得到采煤工作面回風巷各指標權重為wB2=[0.155 5,0.024 7,0.018 3,0.222 3,0.312 1,0.035 0,0.050 7,0.107 5,0.073 9]。

結合表3中東灘煤礦南翼回風巷中當前時刻所檢測到的通風質量指標數據，計算當前時刻通風質量各指標在評價等級中的隸屬度矩陣，完成該區域當前時刻的通風質量評價。

表5 采煤工作面回風巷危險級別劃分Table 5 Classification of danger levels of return air roadway in coal working face

在確定該區域指標分級的基礎上，確定隸屬度權重，根據劃分指標的級別界限，結合隸屬度函數確定理論求得礦井通風采煤工作面回風巷區域的各個通風質量指標的隸屬度函數。

風速的隸屬度函數為

(12)

溫度的隸屬度函數為

(13)

濕度的隸屬度函數為

(14)

風量供需比的隸屬度函數為

(15)

瓦斯濃度的隸屬度函數為

(16)

CO2濃度的隸屬度函數為

(17)

CO濃度的隸屬度函數為

(18)

O2濃度的隸屬度函數為

(19)

粉塵濃度的隸屬度函數為

(20)

結合表3中傳感器檢測到的當前時刻數據，根據所建立的隸屬度函數計算該區域指標在4個級別中的隸屬度，歸一化后所得各個指標的隸屬度級別矩陣為

(21)

針對采煤工作面回風巷區域，此時w1即為wB2,計算w1·w2得

w=[0.589 9，0.204 4，0.152 0，0]

(22)

根據置信度識別原則，選擇置信度為μ=0.6，即有0.589 9+0.204 4=0.794 3>0.6，可得評價集V為良好，故南翼回風巷此刻的通風質量評級為良好，與實際情況相符。

4 結論

(1) 分析了煤礦通風質量的影響因素，通過對《煤礦安全規程》及煤礦通風資料的研究分析，從通風需求和作用2個方面出發，將煤礦通風區域劃分為進風區段、回風區段、采煤工作面、掘進工作面、硐室5個區域；全面考慮不同區域通風質量的影響因素，建立了不同區域的礦井通風質量動態評價指標體系；通過分析煤礦測風點實時監測數據的規律，結合《煤礦安全規程》中的指標界限，用符合監測數據分布的正態型函數對評價等級范圍進行劃分，提出了基于FCE-AHP的動態評價模型，對區域通風質量進行動態評價。該模型選取柯西分布隸屬度函數，選擇置信度判別原則確定評價級別，提高了通風質量評價的客觀性。區域通風質量的動態評價有利于精準判斷通風系統中的通風質量的危險源所在地。

(2) 利用基于FCE-AHP的動態評價模型對東灘煤礦的采煤工作面回風巷區域通風質量進行評價，評價結果為良好，煤礦經專家評定得到的通風質量為良好，評價結果與實際情況相符，說明評價模型的建立合理，能夠對煤礦不同通風區域的通風質量進行動態評價，進而實現對礦井通風質量的綜合評價，為改善煤礦通風系統質量提供依據，對煤礦通風安全生產的推進具有實用價值。