煤礦巷道掘進(jìn)護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化變權(quán)模糊評(píng)價(jià)方法

馬宏偉，王建科，王川偉

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省礦山機(jī)電裝備智能檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

0 引言

中國(guó)煤炭資源豐富，但在對(duì)煤炭資源開(kāi)采的過(guò)程中一直存在“掘快支慢”，“掘支不并行”的難題，國(guó)外針對(duì)該難題研制的掘錨一體機(jī)可提升一定的掘進(jìn)效率，但不能適應(yīng)易片幫的巷道，無(wú)法有效保障設(shè)備及人員安全。團(tuán)隊(duì)針對(duì)大斷面巷道夾矸與片幫共存的復(fù)雜地質(zhì)條件掘進(jìn)難題，創(chuàng)新性的提出一種護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、錨護(hù)、運(yùn)輸于一體的高效作業(yè)模式［1］；但研制的臨時(shí)支護(hù)裝置構(gòu)件體積和重量均較大，導(dǎo)致運(yùn)輸裝拆較為困難，亟待進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，然而模塊化設(shè)計(jì)方法的合理性需要進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)。

以往的評(píng)價(jià)方法大多通過(guò)層次分析法與模糊理論相結(jié)合進(jìn)行最終評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，游穎等采用層次分析法與物元模型評(píng)估方法相結(jié)合對(duì)FDM打印機(jī)模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FDM打印機(jī)模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)價(jià)分析［2］。黃志強(qiáng)等基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)工作模式進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，完成山地物探鉆機(jī)的最優(yōu)選擇評(píng)價(jià)［3］。閆瓊等構(gòu)建層次分析法與熵值法相結(jié)合的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，完成摩托車模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)分析［4］。王欣彤等將主客觀權(quán)重相結(jié)合構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，完成對(duì)地下洞室?guī)r爆的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)［5］。譚忠生等基于修正層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型，完成對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)選型的評(píng)價(jià)決策［6］。喬偉勝等基于層次分析法對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)［7］。武杰等基于模糊數(shù)學(xué)對(duì)煤礦區(qū)煤層氣可采性進(jìn)行評(píng)價(jià)［8］。趙丁等將模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法結(jié)合構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系，完成煤礦瓦斯突出的預(yù)警分析［9］。但以上研究均未考慮常權(quán)模型中各指標(biāo)內(nèi)部的差異性對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象造成片面不合理影響以及存在較強(qiáng)的主觀性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性存在不足。

針對(duì)團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)中臨時(shí)支護(hù)裝置存在構(gòu)件重量大、拆卸運(yùn)輸難的問(wèn)題，采用模塊化思想進(jìn)行模塊方案設(shè)計(jì)，并就模塊化適用方案的選擇提出一種熵權(quán)法＋模糊數(shù)學(xué)＋變權(quán)理論相結(jié)合的變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法。采用隸屬度描述模糊邊界，將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，結(jié)合變權(quán)理論實(shí)現(xiàn)權(quán)重隨著指標(biāo)狀態(tài)值的改變而變化［10－12］，提高了裝置模塊化評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，對(duì)煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)先期模塊化決策具有重要指導(dǎo)意義。

1 護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案

1.1 護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

為解決煤礦巷道掘進(jìn)長(zhǎng)期存在的“掘快支慢”難題，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1所示，主要由截割機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和Ⅱ、鉆錨機(jī)器人、電液控平臺(tái)等組成。該系統(tǒng)已在陜煤小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司1號(hào)煤礦，巷道單日進(jìn)尺突破45 m，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸并行作業(yè)［13－14］。

圖1 護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 Shield excavation robot system of coal mine roadway

1.2 護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)前期研制的護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置重量、體積均較大，運(yùn)輸、拆裝僅適用于條件較好的大斷面巷道環(huán)境，很難適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下盾體的搬運(yùn)及拆裝需求。因此，亟待根據(jù)不同巷道搬運(yùn)及拆裝要求，對(duì)盾體關(guān)鍵部件進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置根據(jù)零部件作用分為上盾體和下盾體2部分，工作時(shí)通過(guò)液壓缸推動(dòng)上盾體對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)裝置如圖2所示。采用功能分析法對(duì)臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行模塊劃分［15］，實(shí)現(xiàn)從部件－零件的分析，因液壓缸和導(dǎo)向柱為標(biāo)準(zhǔn)件，故不對(duì)其進(jìn)行模塊劃分研究，臨時(shí)支護(hù)裝置模塊劃分如圖3所示。

圖2 臨時(shí)支護(hù)裝置Fig.2 Device of temporary support

圖3 臨時(shí)支護(hù)裝置模塊劃分Fig.3 Module division of temporary support device

模塊劃分將臨時(shí)支護(hù)裝置分為底座、下側(cè)幫盾體、上側(cè)幫盾體、頂梁4大功能模塊，各模塊材料均選用Q345鋼，根據(jù)功能－結(jié)構(gòu)映射關(guān)系可以對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案劃分，現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)裝置總體尺寸為4 000 mm×5 400 mm×3 500 mm（長(zhǎng)×寬×高），根據(jù)煤礦環(huán)境中不同的地質(zhì)巷道條件，不同的搬運(yùn)、裝拆需求，采用特征度r計(jì)算判定設(shè)計(jì)了3種模塊化方案。分別為經(jīng)濟(jì)性方案、工藝性方案及可維護(hù)性方案，具體劃分見(jiàn)表1。其中特征度是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)給定。后續(xù)可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工藝進(jìn)一步優(yōu)化，具體表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

表1 臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化經(jīng)濟(jì)性、工藝性及維護(hù)性方案Table 1 Scheme of modular economic，technological and maintenance for temporary support device

式中 A為臨時(shí)支護(hù)裝置總度量值；a為方案結(jié)構(gòu)模塊度量值。

度量單位可以為裝置重量、體積或長(zhǎng)度等，可根據(jù)裝置特性選擇最方便運(yùn)算的度量單位。因臨時(shí)支護(hù)裝置模塊劃分是長(zhǎng)度方向細(xì)分為多個(gè)模塊，因此，長(zhǎng)度是區(qū)分各模塊的度量單位，所以使用臨時(shí)支護(hù)裝置長(zhǎng)度作為特征度計(jì)算依據(jù)。下側(cè)幫長(zhǎng)×高記為L(zhǎng)1×H1，上側(cè)幫長(zhǎng)×高記為L(zhǎng)2×H2，頂板模塊長(zhǎng)×寬記為L(zhǎng)3×B3。底座模塊尺寸結(jié)構(gòu)較小，可滿足運(yùn)輸裝配需求，不對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。

考慮裝置裝配工藝及方案地質(zhì)條件適用性初步給定判定閾值，后續(xù)隨著矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置應(yīng)用案例的增多結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與工藝可對(duì)判定閾值進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)特征度為0～0.3時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)特征度取值為0.3～0.6時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于工藝性；當(dāng)特征度為0.6～1時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于裝置的可維護(hù)性。

經(jīng)濟(jì)性方案中各功能模塊即為結(jié)構(gòu)模塊，計(jì)算其特征度值小于0.3，適用于地質(zhì)環(huán)境條件良好，不易發(fā)生片幫的地質(zhì)條件中，大型輔助裝拆工具可以使用的巷道，該方案研發(fā)周期較短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；工藝性方案特征度值小于0.6，該方案模塊數(shù)量較少，各模塊具體尺寸還是偏大，因此，對(duì)地質(zhì)環(huán)境還是具有一定的要求，適用于地質(zhì)環(huán)境一般的環(huán)境中；維護(hù)性方案特征度值大于0.6，該方案具有較好的維護(hù)性，適用于地質(zhì)松軟、環(huán)境較差，巷道容易片幫，大型輔助裝拆工具無(wú)法使用的情況下。

2 建立裝置模塊化方案評(píng)價(jià)模型

2.1 臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化多層次模型構(gòu)建

基于實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目需求對(duì)裝置模塊化方案建立多層次模型，將矩形護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化最優(yōu)方案作為目標(biāo)層，將模塊化指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)作為指標(biāo)層，將指標(biāo)層細(xì)化到具體的子指標(biāo)層，一共細(xì)分為模塊化程度、模塊可制造性、接口簡(jiǎn)易性等6個(gè)子指標(biāo)，面向不同需求即不同側(cè)重指標(biāo)選擇最合適的方案。其多層次模型如圖4所示。

圖4 臨時(shí)支護(hù)裝置多層次模型Fig.4 Multi-level model of temporary support device

2.2 變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型主要包括評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化及評(píng)語(yǔ)集的建立、隸屬函數(shù)的建立、熵權(quán)法確定常權(quán)、變權(quán)綜合評(píng)價(jià)4大部分。

2.2.1 評(píng)語(yǔ)集的建立及評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

模塊化方案評(píng)價(jià)結(jié)果分為不合格、差、中、良、優(yōu)五等級(jí)。其中，指標(biāo)C1、C2、C3、C5為正向指標(biāo)，即認(rèn)為指標(biāo)取值范圍越大越好，指標(biāo)C4、C6為負(fù)向指標(biāo)，數(shù)值越小代表指標(biāo)隸屬等級(jí)越好。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)量化表是構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵步驟，依據(jù)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)量化結(jié)果見(jiàn)表2，各方案中指標(biāo)取值均通過(guò)理論計(jì)算仿真結(jié)合煤礦實(shí)際應(yīng)用分析初步確定，后續(xù)通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用分析檢驗(yàn)評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性可判斷量化區(qū)間取值是否合理并可進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化Table 2 Quantitation of evaluation indicators

模塊化程度的好壞選用各模塊之間獨(dú)立性評(píng)判，取值范圍為（0，1），當(dāng)模塊獨(dú)立性越接近0代表各模塊間獨(dú)立性越差，取值越接近1代表各模塊間獨(dú)立性越高，模塊化程度越好。

模塊的可制造性、接口的簡(jiǎn)易性以及可裝拆性量化標(biāo)準(zhǔn)采用10分制評(píng)判，取值區(qū)間均為（0，10），當(dāng)取值為0時(shí)，認(rèn)為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案各模塊的可制造性、模塊接口的簡(jiǎn)易性以及可裝拆性不合格，需重新對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)取值為10時(shí)，認(rèn)為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化指標(biāo)中上述相關(guān)影響因素具有完全理想的狀態(tài)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

模塊的可靠性由盾體所受最大應(yīng)力來(lái)評(píng)判，材料為Q345鋼，屈服強(qiáng)度為345 MPa；取值范圍為（0，350），煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)給定規(guī)定的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保設(shè)備運(yùn)行的安全性，因此，當(dāng)取值范圍為（280，350）時(shí)，即認(rèn)為模塊在工作時(shí)，所受最大應(yīng)力為280～350 MPa，其安全系數(shù)為1～1.23，認(rèn)為該狀態(tài)下的模塊可靠性無(wú)法有效保證設(shè)備及人員安全，需重新設(shè)計(jì)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)不合格；當(dāng)臨時(shí)支護(hù)裝置受載最大應(yīng)力小于70 MPa時(shí)，即安全系數(shù)大于4.9時(shí)，認(rèn)為裝置模塊可靠性為理想狀態(tài)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

模塊的可維修性是由裝置出現(xiàn)常規(guī)問(wèn)題單次維修所用時(shí)間進(jìn)行評(píng)判，取值范圍為（0，360），單位為min，當(dāng)單次維修時(shí)長(zhǎng)超過(guò)360 min，認(rèn)為裝置可維修性不合格，當(dāng)取值位于（0，60）時(shí)，裝置具有理想化的可維修性，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

2.2.2 隸屬函數(shù)的建立

模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)根據(jù)曲線類型可分為線性和非線性，前者有梯形、三角形等形式，后者有柯西分布、正態(tài)分布等形式。文中隸屬函數(shù)的建立采用梯形分布，可適用于多區(qū)段的問(wèn)題求解。隸屬函數(shù)分為極小型、中間型以及極大型。確定各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，通過(guò)各指標(biāo)隸屬度構(gòu)建模糊矩陣R［16］。隸屬函數(shù)表達(dá)形式見(jiàn)表3。

表3 梯形隸屬度函數(shù)表達(dá)式Table 3 Expression of trapezoidal membership function

其中，a、b、c、d為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化評(píng)價(jià)等級(jí)的分界值，通過(guò)分界值確定臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化評(píng)價(jià)指標(biāo)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度函數(shù)見(jiàn)表4。

表4 指標(biāo)隸屬函數(shù)Table 4 Membership function of index

2.2.3 熵權(quán)法確定常權(quán)權(quán)重

熵權(quán)法是一種用于多對(duì)象、多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果主要依據(jù)客觀資料，幾乎不受主觀因素影響［17－19］。熵權(quán)法本質(zhì)是根據(jù)數(shù)據(jù)本身分析數(shù)據(jù)離散性，通過(guò)信息熵的確定來(lái)得到權(quán)重系數(shù)，信息熵越小，表明指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息就越多，權(quán)重就越大，在綜合評(píng)價(jià)中作用就越大。求權(quán)時(shí)首先構(gòu)造基本矩陣X，見(jiàn)式（2）。

式中 xij為第i方案下的第j個(gè)指標(biāo)的初始值；m為矩陣行數(shù)；n為矩陣列數(shù)。

基本矩陣包含每個(gè)指標(biāo)在不同方案中的實(shí)際值，由于各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)量單位并不統(tǒng)一，因此在計(jì)算權(quán)重前進(jìn)行歸一化處理。利用熵權(quán)法求得臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各指標(biāo)的客觀權(quán)重，見(jiàn)式（3）。

指標(biāo)j的熵值，見(jiàn)式（4）。

第j項(xiàng)指標(biāo)下第i元素指標(biāo)值的比重，見(jiàn)式（5）。

采用熵值法求得的各指標(biāo)權(quán)重避免了人為因素帶來(lái)的偏差，相對(duì)主觀賦值法，客觀性更強(qiáng)，能夠更好的解釋所得到的結(jié)果。

2.2.4 變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

為避免常權(quán)模型中各指標(biāo)內(nèi)部的差異性對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象造成片面不合理影響，引入變權(quán)理論來(lái)綜合各個(gè)指標(biāo)狀態(tài)值，核心思想就是指標(biāo)權(quán)重可以隨著狀態(tài)變權(quán)值的變化而變化［20－21］。基于對(duì)矩形護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各項(xiàng)指標(biāo)均衡性考慮，構(gòu)造滿足均衡性要求的變權(quán)向量W（X）［22－24］，見(jiàn)式（6）。

變權(quán)狀態(tài)影響量，見(jiàn)式（7）。

式中 ωj為指標(biāo)常權(quán)值；xi為第i個(gè)指標(biāo)最低等級(jí)或最高等級(jí)對(duì)應(yīng)的隸屬度狀態(tài)值；α∈［0，1］，ximin為第i個(gè)指標(biāo)的最低等級(jí)所屬隸屬度值；ximax為第i個(gè)指標(biāo)的最高等級(jí)所屬隸屬度值。

當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各指標(biāo)評(píng)價(jià)要求較寬松，通常取α大于0.5；當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各指標(biāo)要求較嚴(yán)，一般取α小于0.5；綜合考慮護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化的工程安全性，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，取α為0 3［25］。同時(shí)當(dāng)指標(biāo)最低等級(jí)隸屬度值大于0.3時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)狀態(tài)較差，應(yīng)該對(duì)其權(quán)重調(diào)高；當(dāng)指標(biāo)最高等級(jí)隸屬度大于0.5時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)太過(guò)理想，應(yīng)該對(duì)其權(quán)重調(diào)低。最后計(jì)算綜合評(píng)價(jià)向量，見(jiàn)式（8）。

式中 R為隸屬度矩陣。

為了直觀了解各方案的特性，基于5分制評(píng)分方式對(duì)評(píng)語(yǔ)等級(jí)進(jìn)行評(píng)分。規(guī)定評(píng)語(yǔ)等級(jí)為不合格記為1分，對(duì)各評(píng)語(yǔ)等級(jí)依次累加賦值，即最終評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)記為5分，通過(guò)與各方案對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的綜合隸屬度值運(yùn)算得到各方案綜合得分。具體數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（9）。

式中 F為各方案綜合得分；Ri為第i個(gè)指標(biāo)綜合隸屬度值；Ui為第i個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)得分。

3 裝置模塊化方案評(píng)價(jià)分析

3.1 裝置模塊化方案應(yīng)用評(píng)價(jià)分析

已知煤礦1地質(zhì)環(huán)境較好，不易發(fā)生片幫，未進(jìn)行模塊細(xì)化設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)裝置已應(yīng)用于該煤礦。煤礦2地質(zhì)松軟、條件復(fù)雜，巷道容易出現(xiàn)片幫。

針對(duì)煤礦2的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行模塊化適用方案應(yīng)用評(píng)價(jià)分析，從而檢驗(yàn)變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性與適用性。其中用到定量指標(biāo)來(lái)源于煤礦實(shí)際的相關(guān)參數(shù)，定性指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)研結(jié)合煤礦實(shí)際應(yīng)用分析得到，各指標(biāo)狀態(tài)值見(jiàn)表2。由式（2）～式（5）求取各指標(biāo)常權(quán)見(jiàn)表5。

表5 指標(biāo)常權(quán)權(quán)重Table 5 Constant weight coefficients of indexes

將各方案指標(biāo)數(shù)值代入相應(yīng)的隸屬度函數(shù)中，可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，從而構(gòu)建各指標(biāo)隸屬度矩陣。計(jì)算變權(quán)狀態(tài)影響量，判斷是否需要變權(quán)處理，從而計(jì)算求得最終評(píng)價(jià)結(jié)果。各方案變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型相關(guān)計(jì)算值見(jiàn)表6。

表6 方案綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算值Table 6 Calculation values of comprehensive evaluation model for schemes

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知經(jīng)濟(jì)性方案與工藝性方案變權(quán)狀態(tài)影響量均為1，即不需要進(jìn)行變權(quán)處理，可維護(hù)性方案中C2與C6最高隸屬度高于0.5，指標(biāo)過(guò)于理想，對(duì)其權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)低處理；得到臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各方案綜合權(quán)重，與指標(biāo)隸屬度矩陣運(yùn)算求得各方案綜合評(píng)價(jià)向量。由式（9）計(jì)算得到各方案綜合得分值見(jiàn)表7。

表7 方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparison of comprehensive evaluation results for schemes

得到各方案所得綜合分值分別為3.3，3.7，4 2，可知維護(hù)性方案綜合得分最高，方案最優(yōu)，該方案適用于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的條件下，與煤礦實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了變權(quán)模糊模型的準(zhǔn)確性。

3.2 裝置方案模型及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)該地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的煤礦，采用維護(hù)性方案對(duì)裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，裝置方案模型如圖5所示。裝置最大部件為頂板護(hù)盾模塊，可維護(hù)性方案將頂板護(hù)盾、上側(cè)幫盾體及下側(cè)幫盾體細(xì)分為3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知煤礦巷道及安裝硐室空間尺寸要求，通過(guò)對(duì)比模塊細(xì)化前后裝配空間、最大零部件尺寸與重量，判定模塊細(xì)化方案是否實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)輸及裝配的便捷性和高效性。煤礦應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 裝置煤礦應(yīng)用對(duì)比Table 8 Comparison of device application in coal mines

圖5 裝置維護(hù)性方案模型Fig.5 Model of device maintainability scheme

其中煤礦1相關(guān)數(shù)據(jù)是根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期設(shè)計(jì)及煤礦設(shè)計(jì)要求所得。煤礦2相關(guān)數(shù)據(jù)是根據(jù)裝置模塊細(xì)化方案設(shè)計(jì)及煤礦設(shè)計(jì)要求所得。分析矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置煤礦應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)可知。模塊細(xì)化前的裝置應(yīng)用地質(zhì)環(huán)境較好，煤礦巷道設(shè)計(jì)要求為6.5 m×4.2 m，完成裝配所需的安裝空間為10 m×7 m，最大部件即頂板護(hù)盾重量為60 t，最大部件尺寸為3.9 m×6.4 m×0.4 m（長(zhǎng)×寬×高）。

煤礦1中的設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足煤礦2的設(shè)計(jì)要求，因此，對(duì)裝置進(jìn)行模塊細(xì)化。模塊化優(yōu)化后的裝置應(yīng)用地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，煤礦巷道設(shè)計(jì)要求為6 m×3.8 m，完成裝配所需的安裝空間為7.5 m×5 m，最大部件重量為14 t，最大部件尺寸為1.3 m×5.4 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬×高）。模塊化設(shè)計(jì)使裝置滿足了復(fù)雜條件下煤礦的設(shè)計(jì)要求，完成了實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。

護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置煤礦應(yīng)用結(jié)果對(duì)比分析表明，針對(duì)地質(zhì)松軟、條件復(fù)雜的巷道環(huán)境，通過(guò)變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法可對(duì)裝置模塊化最適方案評(píng)價(jià)選擇，裝配空間、最大部件重量及最大部件尺寸均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，提高了裝置搬運(yùn)的便捷性以及裝拆的高效性。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確可行。

4 結(jié)論

1）針對(duì)團(tuán)隊(duì)前期研制的臨時(shí)支護(hù)裝置存在的構(gòu)件體積和重量均較大的問(wèn)題，采用模塊化思想，基于特征度r計(jì)算判定設(shè)計(jì)3種模塊細(xì)化方案。同時(shí)針對(duì)以往模塊化評(píng)價(jià)方法存在主觀性強(qiáng)、評(píng)價(jià)模型不合理等問(wèn)題，提出了一種變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，可實(shí)現(xiàn)客觀求權(quán)及變權(quán)處理，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2）研究“熵權(quán)法＋模糊數(shù)學(xué)＋變權(quán)理論”相結(jié)合的變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，完成裝置模塊化最適方案變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。依據(jù)對(duì)變權(quán)狀態(tài)影響量的判定完成對(duì)常權(quán)權(quán)重的調(diào)整，保證了評(píng)價(jià)模型的科學(xué)合理性。

3）實(shí)例分析驗(yàn)證構(gòu)建的變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型合理準(zhǔn)確，完成臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案適用性選擇。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析，可維護(hù)性方案綜合得分值最高，方案最優(yōu)；裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用裝配空間、最大部件重量及尺寸均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，提高裝置搬運(yùn)的便捷性以及裝拆的高效性。