改進AHP耦合灰色聚類法的礦井人體熱舒適評價

任江朋

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司, 山西 臨汾 041204)

隨著采礦工業的發展,礦井開采深度逐漸增加,綜合機械化程度不斷提高,礦井熱害也成為礦井災害之一。當工人長期處于高溫高濕的礦井熱環境中,會引起生理以及心理的一系列變化,例如:不能維持正常的體溫、精神萎靡、工作效率降低等,導致礦山事故的發生頻率升高。因此,對于礦井人體熱舒適的評價研究十分必要。

人體的熱舒適程度是建筑學設計行業廣泛關注的焦點之一,而在礦井通風設計學中,熱舒適的關注度不高,起步較晚。20世紀末,魏潤柏等對人體熱舒適性的影響因素進行了初步的研究[1],為礦井熱環境研究奠定了基礎;21世紀初至今,劉衛東等分別以低溫礦井和高溫礦井作為研究對象,對礦井進行現場調研,內容包括風流溫度、濕度、流速、煤塵濃度和噪聲,統計并分析礦工的主觀評價,結果顯示:粉塵和噪聲因素對低溫礦井工作人員影響較大,溫度對高溫礦井工作人員影響較大[2-3];周剛、歐曉英等將層次分析-模糊綜合評價法應用于礦井熱評價中,從而確定礦井熱環境舒適等級[4-5];應用AHP、灰色聚類法對建筑施工、危險化學品等行業風險評價的研究有很多,但是對于礦井人體熱舒適評價研究卻很少。而且礦井熱環境不確定因素多,傳統的評價方法大多僅從定性或定量的角度進行分析,不能完全體現出礦井因素的復雜性。

鑒于此,提出改進AHP耦合灰色聚類法評價方法,建立礦井人體熱舒適評價指標體系,構建AHP模型,運用改進層次分析法確定各指標權重,基于灰色聚類法從定量計算和定性分析相結合的角度對礦井人體熱舒適進行評價,以期為煤礦熱害防治工作提供新的理論參考。

1 礦井人體熱舒適評價指標體系

為了保證評價指標體系的可靠性,通過分析礦井人體熱舒適評價體系內在的相關性與聯系,將外界環境、人的生理指標、人的主觀因素作為評價體系的一級指標。探究各一級指標的影響因子,將其作為評價體系的二級指標,二者共同組成礦井人體熱舒適評價指標體系。

1.1 外界環境因素

在井下作業過程中,一旦工作環境的溫度大于25 ℃,就會對皮膚溫度產生一定的影響,如果溫度過高,甚至會危害人體的生理健康。井下巷道內濕度非常大,當人體長期處于這種環境中時,會使人體的熱量無法散發,從而引起人體內環境紊亂。風速是影響人體散熱的重要指標。綜上所述,在外界環境方面,選取溫度、相對濕度和風速3個指標作為二級指標。

1.2 人的生理指標因素

隨著環境溫度的升高,人體不斷地適應著外部環境,人體機能的內部調節會使人體產生一系列的生理反應,如:心跳加快、血壓上升迅速、體表溫度升高等。對于不同的熱環境,人的生理反應程度不同,這些不同程度的生理變化揭示了人體所處熱環境的舒適性。因此,在人的生理指標方面,選取心率、體表溫度、血壓3個二級指標。

1.3 人的主觀因素

井下工作與其他工作相比有很大的不同,當人長期處于此類工作環境時,會容易產生生理疲勞并出現不健康的心理狀態,影響工人工作的積極性。同時,礦工下井一般都統一穿著礦工服,服裝的舒適性對人體熱舒適感覺也會產生重要影響。因此,在人的主觀因素方面,選取生理疲勞因素、心理狀態指數和服裝的舒適性指數3個二級指標。

2 礦井人體熱舒適評價方法

2.1 改進AHP

改進AHP是在層次分析法(AHP)的基礎上采用1—3標度法構造判斷矩來計算指標權重,增加擬優一致矩陣,可以避免傳統的1—9標度層次分析法計算出現的迭代過多、判斷界限不清、一致性檢驗復雜等問題。具體步驟如下:

1) 建立AHP結構。第一個層次是目標層A,為評價體系的總目標礦井人體熱舒適評價指標。以評價體系的一級指標外界環境B1、人的生理指標B2、人的主觀因素B3為準則層。準則層進一步拓展為指標層C.ANP結構模型見圖1.

圖1 ANP結構模型圖

2) 計算評價指標權重。采用3標度法將各指標兩兩進行比較建立完整的判斷矩陣B,計算最大特征值λmax和指標權重w. 其中,各判斷矩陣均通過一致性檢驗。各評價指標的權重值見表1.

表1 各評價指標的權重表

準則層判斷矩陣:

指標層判斷矩陣:

2.2 灰色聚類法

礦井人體熱舒適的評價不僅有定量分析,還有對人的主觀性因素、心理因素等定性分析。此外礦井環境復雜,這使得評價過程產生不確定的灰色信息,因此引入了灰色聚類分析法。具體步驟如下:

1) 確定評價指標樣本矩陣。

根據評價要求將礦井人體熱舒適度劃分為很舒適、較舒適、舒適、不舒適、很不舒適5個灰類,并將5個等級分別賦值為2、4、6、8、10,評價值越低時證明人體越舒適,當得分介于兩個評價等級之間時,評價值取中間值。邀請h位工人按照上述評價等級進行問卷調查打分,并根據調查問卷的打分得到評價分dijh,建立評價指標樣本矩陣Di=[dijh]s×p.

2) 確定評價灰類及白權化函數。

根據等級劃分結果,將評價灰類分為5個等級,分別用E1、E2、E3、E4、E5表示。將各個指標的取值范圍劃分為[0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]5個灰類,取其中心閾值點向量U=(1,3,5,7,9). 建立礦井熱舒適白權化函數。

3) 確定灰類評價系數。

將各項評價指標樣本值通過白化權函數進行處理后,進行同一灰類的計算,得到白化權函數之和,將其作為該灰類的評價系數,具體計算式為:

(1)

二級指標的所有評價灰類的總系數為:

(2)

式中:xijE為第E個評價灰類中的評價系數;xij為二級指標的所有評價灰類總系數。

4) 確定灰色權矩陣。

二級指標的第E灰類評價值為:

(3)

將計算出的灰類評價值帶入式rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5)中,得到灰色評價權向量rij.將得到的各個評價權向量進行轉置,并帶入到同一個矩陣中,該矩陣即為不同灰類的灰色權矩陣Ri.

5) 多級評價。

將二級指標灰色權矩陣Ri與其對應的二級指標權重WB=(wB1,wB2,wB3)相乘,即可得到二級指標評價集Bi,即:Bi=WBRi,結合A的評價權重WA進行數學處理,計算出一級指標A的綜合評價結果,即A=WAR. 由于計算出的綜合評價結果A是以向量的方式進行表達的,通過式V=A·UT將結果進一步數值化,得出對應的綜合評價值V,根據數值V與評價等級的比較,確定人體熱舒適的等級。

3 豹子溝煤礦熱舒適評價

對豹子溝煤礦二采區205工作面進行現場數據測試,測定了通風的基本參數,確定了該工作面的風速為2.5 m/s、濕度83%、溫度26 ℃,并將其換算成評價值。抽取6名工作人員進行了生理指標數據測定,得到生理指標的評價等級,換算成評價值。通過調查問卷,將主觀評價的定性指標數量化,建立了評價樣本矩陣。由于工人所處外界環境相同,所以溫度C11、相對濕度C12、風速C13三個指標是不變的。205工作面工人指標評分見表2.

表2 205工作面工人指標評分表

根據工人指標的評分,將其帶入所建立的礦井熱舒適白權化函數中,通過公式計算得出各個指標相應的灰類評價系數。本文主要以二級指標心率C21為例。C21屬于E級灰類的評價系數為x21E,當E=1時,根據式(1)計算得到:

x211=f1(d211)+f2(d212)+f3(d213)+

f4(d214)+f5(d215)=0.778

根據式(2)計算指標U21屬于各級灰類的總評價系數為:

x21=x211+x212+x213+x214+x215=3.736

根據式(3)得出評價指標U21評價權向量為:

(0.147,0.165,0.189,0.220,0.279)

根據以上算法,計算出評價體系中所有評價指標評價權向量,得出3個二級指標的灰色評價矩陣R1、R2、R3,為:

對各二級指標B進行綜合評價,其結果為:

對一級指標A進行評價,該人體熱舒適的灰色權矩陣為R=(B1,B2,B3),其結果為:

A=WA×R=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.221)

由該礦井熱環境中人體熱舒適的綜合評價值計算:

V=A·UT=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.211)×(1 3 5 7 9)T=5.102

根據以上分析結果可以確定,豹子溝煤礦二采區205工作面的人體熱舒適等級為舒適,符合實際生產狀況。因此,所建立的改進AHP-灰色聚類法礦井人體熱舒適評價模型有效可行且更簡單,可以更好地為礦井熱舒適調節做出理論上的指導。

根據二級指標計算權重的結果可知,外界環境溫度和體表溫度對人體的舒適程度影響最大。通過指標評分表的打分發現該礦井的工人對于服裝的舒適性不太滿意。隨著開采深度的增加,應通過定制不同的工作制服來應對環境的變化。該工作面部分工人的不安全心理現象較為嚴重,對于此種情況,應進行定期的心理疏導工作,緩解工人的心理壓力,并通過安全培訓加強工人的安全意識,尤其是對情況嚴重的工人必須進行一對一的心理輔導。此外,長期在高溫高濕環境中進行機械勞動會導致工人的工作積極性降低,需要提高作業人員對工作的獨立性或工作興趣,降低工人對于重復作業產生的生理、心理疲勞程度。

4 結 語

1) 綜合考慮礦井熱環境影響因素,建立了礦井人體熱舒適評價指標體系。其中包括外界環境、人的生理指標、人的主觀因素3個一級指標,相對濕度、風速、溫度、血壓、體表溫度、心率、服裝的舒適性、生理疲勞因素和心理狀態指數9個二級指標。

2) 以1—3標度的改進層次分析法,進行各指標權重的計算,應用灰色聚類法處理指標中不完整、不確定的信息,建立了改進AHP-灰色聚類法礦井人體熱舒適評價方法。

3) 應用該方法對豹子溝煤礦二采區205工作面進行熱舒適評價,得出其評價值為5.102,確定該工作面的工作環境等級為舒適,結果符合實際生產狀況,驗證了該評價模型的有效性。同時為該煤礦熱害防治工作提供重要參考。