基于IFAHP-GRA的煤礦機電系統安全評價研究

摘 要：煤礦機電安全狀態影響因素眾多且復雜，安全隱患難以識別，因此對煤礦機電系統進行安全評價具有重要的實際意義。鑒于此，在構建定量與定性指標相結合的煤礦機電安全評價指標體系和等級劃分標準的基礎上，采用改進模糊層次分析法（IFAHP）計算體系指標權重，利用灰色關聯分析法（GRA）計算體系指標關聯度，并通過歸一化處理計算指標權重，將兩種方法相結合計算綜合權重，克服單一方法確定權重不合理的缺陷。通過工程應用，對計算結果進行分析，提出了針對性預防措施，并取得了較好的效果，對于保障煤礦安全高效生產有著重要意義。

關鍵詞：煤礦機電設備；安全評價；改進模糊層次分析法；灰色關聯分析法

中圖分類號：TD608? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0032-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.009

0? ? 引言

隨著煤礦智能化技術的發展，煤礦機電設備已成為煤礦生產和運輸等各個環節必不可少的組成部分，發揮著重要作用[1]。鑒于當前煤礦機械化水平較高、潛在危險準確識別困難、檢修質量控制不力、技術標準不規范等客觀因素，機電設備安全形勢更為嚴峻。因此，對煤礦機電設備安全狀態進行評估，并采取有效的預防措施，以減少機電設備安全事故成為當前重要的研究內容。近些年來，將兩種或多種不同評價方法結合運用于事故危險性評價的研究比較多，而煤礦機電設備系統安全評價絕大部分卻僅采用單一的評價方法[2-3]。

基于此，本文建立了煤礦機電系統安全評價指標體系，利用改進模糊層次分析法確定體系的指標權重，利用灰色關聯分析法確定各指標的關聯度，歸一化處理計算其指標權重，再綜合兩種方法通過合適公式求取綜合權重；然后以貴州省某煤礦為應用對象，對該礦機電設備系統進行安全評價，針對性提出了預防措施，對保障煤礦安全生產有重要的現實意義。

1? ? 煤礦機電系統安全評價指標體系

1.1? ? 機電安全狀態評價指標體系

通過將機電安全狀態評價指標體系分成三層進行評價，即：目標層、準則層和指標層[4]。目標層作為煤礦機電系統安全評價的最終目標，歸屬于其的一切指標都是影響機電安全狀態的因素；準則層是較為主要的影響因素，即人為因素、設備因素、管理組織及工作環境四個方面；指標層是準則層四個較為主要的影響因素下的子影響因素評價指標，通過借鑒前人的研究成果，將指標層分成16個評價指標，如圖1所示。

1.2? ? 機電系統安全評價體系等級劃分

煤礦機電系統安全評價最終應以評分和評定等級進行區分，權重確定以后，通過專家對評價體系中的各個指標進行逐一打分，結合計算所得的指標綜合權重即可得到各指標的單項評分，將其累加求和將得到評價體系的整體評分。現按照十分制進行突出危險性評價等級的劃分，評價等級分別為“安全”“較安全” “一般” “較危險”，完成定量-定性的體系安全評價，評分區間規定如表1所示。

2? ? 評價體系指標權重的確定方法

2.1? ? 基于IFAHP的指標權重確定

IFAHP構造形式簡單，可將初始模糊判斷矩陣轉換為具有一致性的模糊判斷矩陣，避免傳統層次分析法煩瑣的一致性檢驗，同時可提高權重的計算精度[4]。基于IFAHP確定煤礦機電安全評價指標體系指標權重的過程[5]如下：

（1）建立初始模糊判斷矩陣。參考所構建的評價指標體系，采用征詢相關專家建議的方式，根據每個因素的相對關鍵層次，使用0.1～0.9標度法確定權重，并建立初始模糊判斷矩陣X=（xij）n×n。

（2）構造互反型矩陣。對通過征詢相關專家建議進而得到的初始模糊判斷矩陣中的每一行作累加求和計算，即可得到yi= n×n。

（3）選用行和歸一排序法求排序向量并對其進行迭代處理。利用計算公式hi= ）=BNk進行計算。計算過程中預設一個迭代精度ε，當計算得到的||P（k+1）||∞-

||P k||∞＜ε時，則迭代結束，反之繼續進行迭代，直至收斂。

（4）歸一化處理計算指標權重。利用公式wi1=pi（k+1） 1）對通過迭代計算出來的滿足精度要求的迭代向量進行歸一化處理，進而得到指標權重向量W1=（w11，w21，…，wn1）T。

2.2? ? 基于GRA的指標權重確定

假設或知道某一個指標可能與其他幾個因素具有關聯性，計算該指標與其他參考指標的關聯度大小，根據關聯度大小進行分析，進而對煤礦機電系統安全評價指標進行優劣比較。基于GRA確定指標權重的具體實施步驟[6-7]如下：

（1）專家評估意見。評估意見采取問卷的形式，調研本礦L位專家的煤礦機電安全評價，對n個評價指標進行評分，限定評分范圍為1～10分，得到專家評價樣本矩陣Bij。為了避免矩陣受到量綱的影響，增強矩陣數據的穩定性，選擇合理的算法進行無量綱化處理。

（2）關聯系數的計算。評估意見分值越高則說明評價指標突出危險性越高，因此選取評價指標體系中評價指標分值的最大值作為最佳參考指標，以此來計算不同評價指標的灰色關聯系數γi（k）。計算公式如下：

γ[x0（k），xi（k）]=

式中：ρ為分辨系數，ρ=0～1.0，一般取ρ=0.5。

（3）計算灰色關聯度γi。由于評價指標以及專家評估意見數量較多，經計算出的關聯系數相對來說也比較多，數據過于分散導致整體性相對差，因此將關聯系數聚集為一個數據，并求其平均數據，記為關聯度γi。選用加權平均法求其關聯度，計算公式如下：

（4）歸一化處理計算指標權重。通過公式wi2=γi γi對關聯度進行歸一化處理，進而得到指標權重向量：

W2=（w12，w22，…，wn2）T

2.3? ? 指標綜合權重的確定

利用IFAHP計算得到評價體系指標的主觀相對權重，利用GRA計算得到評價體系指標的客觀相對權重，前者計算得到的權重存在主觀性強、客觀性弱的特點，后者彌補了采用數理統計方法作系統分析所導致的遺憾，兩種方法所確定的權重均與實際情況存在一定偏差，因此綜合兩種方法以減小單一方法帶來的偏差，更加能反映實際情況。

根據公式wi=wi1w wi1wi2即可得到評價體系指標的綜合權重值[8]。

3? ? 工程應用

3.1? ? 工程概況

以貴州省某礦為研究對象，該礦生產規模為45萬t/a，礦區構造復雜程度為中等類型且無地溫異常區。目前該礦正回采11609工作面，該工作面位于一采區16號煤層中。煤層平均厚度為4.6 m，煤層穩定，煤層傾角為16°～22°，平均傾角度數為18°，視密度為1.45 t/m3，工作面傾斜長度為164 m，工作制度采用“三八制”。采用綜放開采，整個工作面都采用綜放液壓支架，不斷投入新設備。

3.2? ? 煤礦機電系統安全評價體系指標權重的確定

3.2.1? ? IFAHP計算指標權重

綜合煤礦領域多位專家對于煤礦機電系統安全評價體系各層指標的相對重要性評價，可分別得到準則層和指標層各指標的優先判斷矩陣：

YA-B=0.5? ?0.4? ?0.1? ?0.30.6? ?0.5? ?0.3? ?0.40.9? ?0.7? ?0.5? ?0.6 0.7? ?0.6? ?0.4? ?0.5

YB1-C=0.5? ?0.6? ?0.7? ?0.80.4? ?0.5? ?0.3? ?0.80.3? ?0.3? ?0.5? ?0.4 0.2? ?0.2? ?0.6? ?0.5

YB2-C=0.5? ?0.8? ?0.6 0.2? ?0.5? ?0.70.4? ?0.3? ?0.5

YB3-C=0.5? ?0.5? ?0.6? ?0.7? ?0.50.5? ?0.5? ?0.7? ?0.6? ?0.70.4? ?0.3? ?0.5? ?0.5? ?0.7 0.3? ?0.4? ?0.5? ?0.3? ?0.60.5? ?0.3? ?0.9? ?0.4? ?0.5

YB4-C=0.5? ?0.6? ?0.7? ?0.90.4? ?0.5? ?0.6? ?0.80.3? ?0.4? ?0.5? ?0.6 0.1? ?0.2? ?0.4? ?0.5

利用IFAHP，預設迭代精度0.000 1，對以上優先判斷矩陣進行一系列計算后，得到準則層指標相對于目標層指標以及指標層指標相對于準則層指標的相對主觀權重，繼而根據各層指標的隸屬關系，計算得到指標層各指標相對于整個系統的相對權重，如表2所示。

3.2.2? ? GRA計算指標權重

邀請該礦高工和技術人員共10名（Li，i=1，2，3，…，10），對煤礦機電系統安全評價指標層各指標進行評價打分，得到專家評價樣本矩陣Bij，并對其進行標準化處理，用關聯系數計算公式得到灰色關聯系數矩陣Aij，如表3所示。

由公式γi= γi（k）計算得到煤礦機電系統安全評價指標數據和參考數據間的灰色關聯度為：

γ=[0.578，0.424，0.393，0.451，0.640，0.423，

0.472，0.750，0.688，0.516，0.830，0.795，0.780，

0.484，0.466，0.471]

將關聯度γi代入wi2=γi/ γi得到關聯度γi的歸一化權重W2，即：

W2=[0.063 1，0.046 3，0.042 9，0.049 2，

0.069 9，0.046 2，0.051 5，0.081 9，0.075 1， 0.056 3，

0.090 6，0.086 8，0.085 1，0.052 8，0.050 9，0.051 4]

3.2.3? ? 計算指標綜合權重

通過IFAHP與GRA分別確定評價體系的各層指標相對于上級指標的相對主觀權重與相對客觀權重之后，通過公式wi=wi1wi2/ wi1wi2計算可得各層指標相對于上級指標的相對綜合權重，如表4所示。

3.3? ? 機電安全狀態指標體系安全評價

由于煤礦機電系統安全評價體系需要征求井下工作人員、勘探人員、煤礦領導等多方面的評價，因此征求了2位煤礦領導、6位勘探人員、12位現場防塵人員的體系指標評分意見，并分別求得各階層人員評分的各指標平均評分，結合表4中各指標的綜合權重，計算得到各指標相對評分以及整個煤礦機電安全狀態評分情況，如表5所示。

將各指標評分進行匯總，根據表1可以對應得出該礦機電系統安全評價體系等級為“較安全”，應結合指標相對綜合權重以及指標綜合評分，針對性地提出預防措施，對個別相對權重較其他權重大的、平均分低于系統安全評分的指標進行針對性整改，如指標C2、C12和C14；對評分嚴重低于系統安全評分的指標進行整體提升和完善，如指標C3、C10、C15。綜合以上分析，針對性地實施預防措施能夠明顯提高該礦機電系統安全評價體系的安全水平，基于改進模糊層次分析法與灰色關聯法的指標權重確定方法對煤礦機電系統安全評價有著重要意義。

4? ? 結束語

針對煤礦機電設備安全狀態影響因素復雜多樣，安全潛在危險識別困難的問題，建立了煤礦機電系統安全評價指標體系及其等級劃分標準，利用IFAHP簡化了計算步驟并計算得到評價體系指標權重，利用GRA確定各指標的關聯度并進行歸一化處理求出指標權重，再綜合兩種方法通過合適公式求取綜合權重。兩種方法的綜合使用可以解決單一方法確定權重不合理的問題，更加能反映實際情況，使評價指標體系更加穩定可靠。IFAHP-GRA評價方法計算簡單，評價結果直觀，容易操作，具有較強的實用性。由工程應用可知，結合指標相對綜合權重以及指標綜合評分，針對性地提出預防措施，對提高該礦機電系統安全評價體系的安全水平、保障煤礦安全高效生產有著重要意義。

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收稿日期：2023-04-27

作者簡介：吳騰（1977—），男，貴州錦屏人，高級工程師，長期從事煤礦設計、咨詢、生產工作。