改進(jìn)層次分析法在精確人員定位系統(tǒng)應(yīng)急處理機(jī)制中的應(yīng)用

唐麗均， 吳畏， 劉世森

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院， 重慶 402260；2.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院， 重慶 401331；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

現(xiàn)有智能礦用精確人員定位系統(tǒng)[1-2]在井下人員遇險(xiǎn)失去手動(dòng)觸發(fā)求救按鈕能力時(shí)，人員標(biāo)簽會(huì)檢測到攜帶者跌倒并立即上傳跌倒信息, 地面監(jiān)控中心接收到跌倒信息后啟動(dòng)應(yīng)急處理機(jī)制, 如果人員長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài), 則系統(tǒng)判斷該人員出現(xiàn)危險(xiǎn), 觸發(fā)自動(dòng)求救報(bào)警，并通知管理人員對其進(jìn)行救援。如果井下某工作人員由于某種非事故原因而在原地停留時(shí)間超過設(shè)置的自動(dòng)求救時(shí)間閾值，則系統(tǒng)會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)報(bào)警信號，造成救援資源浪費(fèi)[3-4]。

由于煤礦災(zāi)害所涉及的因素較多，例如瓦斯災(zāi)害事故可能伴隨粉塵災(zāi)害、火災(zāi)等事故[5-7]，導(dǎo)致人員傷亡的因素有高溫、窒息、中毒等，涉及瓦斯、甲烷、CO、溫度、生命特征等傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，要完全對各類傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評價(jià)很困難。層次分析法是一種將定性分析和定量分析相結(jié)合的決策方法。該方法通過對影響因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，并確定各元素的權(quán)重，為決策方案的選擇提供依據(jù)。傳統(tǒng)層次分析法的判斷矩陣一旦設(shè)置后，無法實(shí)時(shí)響應(yīng)影響因素的變化，當(dāng)影響因素?cái)?shù)值發(fā)生改變后，需要重新設(shè)置判斷矩陣才能獲得正確的決策方案。因此，本文對層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于智能礦用精確人員定位系統(tǒng)應(yīng)急處理機(jī)制中。根據(jù)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對層次分析法的判斷矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，再對自動(dòng)上報(bào)的報(bào)警信息的真實(shí)性進(jìn)行判斷，提高報(bào)警準(zhǔn)確率。

1 精確人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下精確人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。人員標(biāo)簽由井下人員攜帶，用于獲取人員相關(guān)信息；讀卡器用于獲取人員標(biāo)簽的位置、求救信息等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)集中器通過無線通信方式獲取讀卡器上的數(shù)據(jù)并上傳至人員定位分站；監(jiān)控分站負(fù)責(zé)獲取各類傳感器數(shù)據(jù)；管理服務(wù)器根據(jù)人員定位分站上傳的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控分站[8]上傳的各類傳感器數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的應(yīng)急處理決策。

圖1 精確人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of precise personnel positioning system

2 改進(jìn)層次分析法流程

改進(jìn)層次分析法流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)層次分析法流程Fig.2 Flow of improved analytic hierarchy process

首先建立層次分析法的評價(jià)指標(biāo)體系；然后創(chuàng)建相應(yīng)的判斷矩陣：采用1—9標(biāo)度方法對該報(bào)警點(diǎn)處的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度，用標(biāo)度后的傳感器數(shù)據(jù)對判斷矩陣的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正；最后使用修正后的判斷矩陣計(jì)算出報(bào)警信息類別的權(quán)重。1—9標(biāo)度方法中，標(biāo)度值越大，表示傳感器數(shù)據(jù)超標(biāo)越嚴(yán)重，標(biāo)度值為1表示傳感器數(shù)據(jù)最優(yōu)，標(biāo)度值為9表示傳感器數(shù)據(jù)超標(biāo)最嚴(yán)重。

3 改進(jìn)層次分析法在精確人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 評判矩陣構(gòu)建

采用模糊綜合評價(jià)法構(gòu)建評判矩陣[9-10]，步驟如下：

(1) 設(shè)uij為災(zāi)害事故Di對傳感器指標(biāo)Sj的影響程度，其中i=1,2,…,m,m為災(zāi)害事故數(shù)，j=1,2,…,n，n為傳感器指標(biāo)個(gè)數(shù),生成矩陣U。

(1)

(2) 設(shè)vjr為傳感器指標(biāo)Sj對報(bào)警要素Er的影響程度，其中r=1,2,…,l，生成矩陣V。

(2)

(3) 對Di按事故發(fā)生率進(jìn)行單級綜合評價(jià)，設(shè)yi為Di的指標(biāo)權(quán)重，生成矩陣Y，Y={y1,y2,…,ym}。

(4) 對Er按與傷亡事故的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行單級綜合評價(jià)，設(shè)wr為Er的指標(biāo)權(quán)重，生成矩陣W，W={w1,w2,…,wl}。

(5) 傳感器指標(biāo)集S(S={S1,S2,…,Sn})相對災(zāi)害事故集D(D={D1,D2,…,Dm})的綜合評判矩陣為T=YU={t1,t2,…,tn}。

(6) 傳感器指標(biāo)集S相對報(bào)警要素集E(E={E1,E2,…,El})的綜合評判矩陣為R=WVT={r1,r2,…,rn}。

(8) 矩陣T修正為T′=TQ={q1t1,q2t2,…,qmtn}，矩陣R修正為R′=RP={p1r1,p2r2,…,pmrn}。

3.2 判斷矩陣生成

將精確人員定位系統(tǒng)應(yīng)急處理機(jī)制的評價(jià)體系分為目標(biāo)層A、指標(biāo)層B、決策層C，見表1。邀請專家以評判矩陣T′和R′為參考標(biāo)準(zhǔn)，對各傳感器指標(biāo)的相對重要性打分，以確定各判斷矩陣的參數(shù)：

(1) AB層判斷矩陣，即相對于目標(biāo)層、指標(biāo)層各因素的相對重要性比較，見表2。其中，axy為Bx與By相對A1重要性的比較值，x，y=1,2，…，z，z為傳感器個(gè)數(shù)。

表1 應(yīng)急處理機(jī)制的評價(jià)體系Table 1 Evaluation system of the emergency treatment mechanism

表2 AB層判斷矩陣Table 2 AB layer judgment matrix

(2) BzC判斷矩陣，即傳感器Bz數(shù)據(jù)在決策層中相對重要性比較，傳感器Bz的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)變化的，因此在BzC判斷矩陣中需要對矩陣的初始參數(shù)值進(jìn)行修正，使判斷矩陣能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)傳感器所處位置狀況的變化，見表3，其中bz1為C2與C1相對Bz重要性的比較值,bz2為C3與C1相對Bz重要性的比較值,bz3為C3與C2相對Bz重要性的比較值,bzrt為傳感器Bz的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)度值。

表3 BzC判斷矩陣Table 3 BzC judgment matrix

3.3 報(bào)警真實(shí)性判別

如果工作人員在井下較長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，精確定位系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，產(chǎn)生報(bào)警的情況分為災(zāi)害事故導(dǎo)致人員傷亡或受困；工作人員身體突發(fā)疾病。

井下人員傷亡與災(zāi)害事故的發(fā)生密切相關(guān)，當(dāng)井下發(fā)生災(zāi)害事故后，必然會(huì)導(dǎo)致一種或多種傳感器數(shù)據(jù)異常，例如在發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，溫度、CO、煙霧等傳感器會(huì)上報(bào)異常的數(shù)據(jù)信息，此時(shí)可以判斷系統(tǒng)收到的自動(dòng)報(bào)警信息為真實(shí)報(bào)警。

如果井下人員由于突發(fā)疾病昏迷跌倒，長時(shí)間靜止不動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警，人員標(biāo)簽上的生命特征傳感器會(huì)檢測到異常數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)隨報(bào)警信息上報(bào)。當(dāng)系統(tǒng)收到自動(dòng)報(bào)警信息后，分析出該人員的生命特征傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)收到的報(bào)警信息為真實(shí)報(bào)警。如果系統(tǒng)收到自動(dòng)報(bào)警信息后，分析出該人員所處位置的各類傳感器以及生命特征傳感器數(shù)據(jù)無明顯異常，此時(shí)認(rèn)為該區(qū)域未發(fā)生災(zāi)害事故且該人員身體狀態(tài)良好，則上報(bào)的報(bào)警信息為誤報(bào)警。

4 分析與驗(yàn)證

4.1 仿真條件設(shè)置

在參考煤礦事故統(tǒng)計(jì)[11-12]中各類型事故發(fā)生次數(shù)及傷亡人數(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，綜合理論分析和專家咨詢意見，選取了4類環(huán)境傳感器B1—B4(壓力傳感器B1、瓦斯傳感器B2、風(fēng)速傳感器B3、溫度傳感器B4)和1類生命特征傳感器B5，構(gòu)建了應(yīng)急處理機(jī)制的評價(jià)體系，并確定了各判斷矩陣的參數(shù)，見表4—表9。

表4 AB層判斷矩陣仿真參數(shù)設(shè)置Table 4 AB layer judgment matrix simulation parameter setting

表5 B1C判斷矩陣Table 5 B1C judgment matrix

表6 B2C判斷矩陣Table 6 B2C judgment matrix

表7 B3C判斷矩陣Table 7 B3C judgment matrix

采用Matlab軟件搭建仿真平臺(tái)，驗(yàn)證精確人員定位系統(tǒng)的應(yīng)急處理機(jī)制在收到井下人員報(bào)警信息后，對該報(bào)警信息準(zhǔn)確性的判斷。

(1) 通過打分設(shè)置各判斷矩陣的初始值。

表8 B4C判斷矩陣Table 8 B4C judgment matrix

表9 B5C判斷矩陣Table 9 B5C judgment matrix

(2) 人員標(biāo)簽向監(jiān)控中心上報(bào)報(bào)警信息，應(yīng)急處理機(jī)制在收到報(bào)警信息后，讀取該人員標(biāo)簽位置處的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)及由人員標(biāo)簽上報(bào)的穿戴傳感器數(shù)據(jù)。

(3) 對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到b1rt,b2rt,b3rt,b4rt,b5rt，然后分別對判斷矩陣B1C，B2C，B3C，B4C，B5C進(jìn)行修正。

(4) 根據(jù)修正后的判斷矩陣，用層次分析法計(jì)算出決策層權(quán)重值c1，c2和c3。

(5) 當(dāng)c1>c2且c1>c3時(shí)，認(rèn)為該報(bào)警信息是準(zhǔn)確的，報(bào)警真實(shí)性參數(shù)賦值為1，否則為誤報(bào)警信息，賦值為0。

4.2 仿真結(jié)果分析

采用改進(jìn)層次分析法對報(bào)警信息進(jìn)行分析處理的結(jié)果如圖3所示。

圖3 采用改進(jìn)層次分析法對報(bào)警信息進(jìn)行分析處理的結(jié)果Fig.3 The results of the alarm information analyzed by improved analytic hierarchy process

從圖3可看出，通過改進(jìn)層次分析法分析遇險(xiǎn)人員所處位置環(huán)境傳感器及由人員標(biāo)簽上傳的穿戴傳感器的數(shù)據(jù)，排除了部分報(bào)警信息。

報(bào)警真實(shí)值為1和0時(shí)，對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)度值見表10。

從圖3和表10可看出，當(dāng)報(bào)警處的環(huán)境傳感器和穿戴傳感器的綜合指標(biāo)較差的情況下，上報(bào)的報(bào)警信息極有可能是由員工遇險(xiǎn)、身體狀態(tài)異?；蚴芾Ф|發(fā)的，此時(shí)上報(bào)的報(bào)警信息被確認(rèn)為真實(shí)報(bào)警；當(dāng)報(bào)警處環(huán)境傳感器和穿戴傳感器的綜合指標(biāo)都較優(yōu)的情況下，此時(shí)上報(bào)的報(bào)警信息被確認(rèn)為無效報(bào)警，與實(shí)際情況相符。因?yàn)樵诟黜?xiàng)傳感器指標(biāo)正常的情況下，工作人員遇到無法動(dòng)彈、昏迷、受傷等緊急情況的概率是很低的，此時(shí)系統(tǒng)收到的自動(dòng)上報(bào)報(bào)警信息可判斷為由非事故原因觸發(fā)的誤報(bào)警。

表10 部分報(bào)警真實(shí)值與傳感器標(biāo)度值Table 10 Part of the alarm true value and the sensor scale value

5 結(jié)語

提出了一種基于改進(jìn)層次分析法的智能礦用精確人員定位系統(tǒng)應(yīng)急處理機(jī)制，該應(yīng)急處理機(jī)制根據(jù)各類傳感器的標(biāo)度數(shù)據(jù)，對層次分析法的判斷矩陣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，依據(jù)修正后的判斷矩陣，對報(bào)警信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。仿真測試結(jié)果表明，應(yīng)急處理機(jī)制采用了能實(shí)時(shí)調(diào)整判斷矩陣參數(shù)的改進(jìn)層次分析法后，可有效地判斷出報(bào)警信息的真實(shí)性，排除無效報(bào)警信息，從而提高了應(yīng)急處理機(jī)制的報(bào)警準(zhǔn)確率。