基于PCA的礦山設(shè)備安全評價

蔣 猛 馬鴻廉 陳 棟 李 瑋

(1.天津大學(xué)管理學(xué)院;2.河南省安評監(jiān)測檢驗(yàn)技術(shù)有限公司;3.鄭州大學(xué)管理工程研究所)

近年來，礦山安全事故頻繁發(fā)生，不僅嚴(yán)重威脅礦井工作人員的生命安全，而且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響［1］。據(jù)統(tǒng)計，2010年全國礦山共發(fā)生生產(chǎn)安全事故2 412起、其中煤礦事故1 403起，金屬非金屬礦山事故1 009起，死亡3 704人，較大事故153起、死亡696人，發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故26起、死亡558人，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。礦山設(shè)備作為礦山生產(chǎn)的必備要素，其安全性能運(yùn)行狀況將直接影響礦山的生產(chǎn)安全和工作人員的生命安全。

2011年10月，國務(wù)院辦公廳正式下發(fā)《安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃》，確立了安全發(fā)展理念和“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”的方針。在礦山安全生產(chǎn)中，礦山設(shè)備檢驗(yàn)檢測對防止和減少傷亡事故，保障人民生命和財產(chǎn)安全有著重要作用。目前許多學(xué)者致力于檢測方法的研究以及單一設(shè)備的故障分析。于治富、李旭鳴等［2］介紹了提升機(jī)運(yùn)行速度、負(fù)荷電流、變位質(zhì)量以及制動閘空動時間、制動力矩、油壓位移等的測試方法。黃軍、葉義成等［3］運(yùn)用模糊綜合評價對提升機(jī)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了分析。楊海、王蒙等［4］對礦山機(jī)械中的滾動軸承的常見問題進(jìn)行分析，并對一些具體問題提出了解決辦法。王宏圖、黃振華等［5］運(yùn)用粗糙集－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價。黃松［6］針對安全檢測過程中設(shè)備安全保護(hù)裝置的問題進(jìn)行探討，并介紹了相關(guān)檢測方法，增強(qiáng)了檢測工作可操作性。單一設(shè)備的好壞并不能說明礦山生產(chǎn)整體安全，需要對礦山設(shè)備的整體進(jìn)行評價。本研究通過對礦山設(shè)備進(jìn)行安全檢測，運(yùn)用主成分分析法(PCA)對檢測結(jié)果進(jìn)行分析處理，進(jìn)而對礦山設(shè)備安全性進(jìn)行整體評價，從而為礦山的安全生產(chǎn)和設(shè)備改造提供依據(jù)。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過綜合分析礦山生產(chǎn)設(shè)備的重要性，選擇礦山“四大件”，即提升機(jī)、排水泵、通風(fēng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)作為評價指標(biāo)，依據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局正式頒布實(shí)施的《AQ 2029—2010 金屬非金屬地下礦山主排水系統(tǒng)安全檢驗(yàn)規(guī)范》、《AQ 2022—2008 金屬非金屬礦山在用提升絞車安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范》、《AQ 1011—2005 煤礦在用主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范》和《AQ 1013—2005 煤礦在用空氣壓縮機(jī)安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范》將指標(biāo)進(jìn)一步分解，構(gòu)建礦山設(shè)備安全性評價指標(biāo)體系。具體指標(biāo)體系見圖1。

圖1 礦山設(shè)備安全評價指標(biāo)體系

礦用排水泵主要將地下開采過程產(chǎn)生的地下水及時排至地面，對保證井下人員的安全和礦山安全生產(chǎn)有重要作用。排水泵排水能力指單位時間水泵排水量，是排水泵安全性能的直接指標(biāo);水泵運(yùn)行狀況指各部件和系統(tǒng)是否有影響正常運(yùn)行或起動的異常現(xiàn)象發(fā)生;振動值是判斷水泵是否出現(xiàn)故障的主要指標(biāo)。

礦用通風(fēng)機(jī)作為礦山安全生產(chǎn)的主要技術(shù)設(shè)備，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行安全穩(wěn)定、檢測與調(diào)節(jié)對礦山安全生產(chǎn)都有重要影響。外觀質(zhì)量主要指通風(fēng)機(jī)各連接部位的緊固件是否牢固、剎車裝置是否靈活可靠、潤滑系統(tǒng)是否工作正常、主通風(fēng)機(jī)外殼或內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否有異常變形或損傷等;通風(fēng)機(jī)效率是指其運(yùn)行效率;振動狀況指風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的振動速度有效值。

礦井提升機(jī)是升降人員、物料的主要機(jī)械設(shè)備，是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面相連接的樞紐，提升機(jī)的安全對井下工作人員的安全和礦山生產(chǎn)的安全有著至關(guān)重要的影響。主提升機(jī)的提升系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性將直接影響提升機(jī)的安全。

空壓機(jī)作為礦山開采中鑿巖機(jī)、風(fēng)鉆和風(fēng)鎬等氣動工具的主要動力源，其工作運(yùn)行狀況直接關(guān)系到礦山安全和作業(yè)能力。排氣壓力和排氣量是衡量空壓機(jī)性能的主要指標(biāo)。

2 基于PCA的礦山設(shè)備安全評價模型

主成分分析是考察多個變量之間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計方法。它將多個指標(biāo)化為少數(shù)相互無關(guān)的綜合指標(biāo)，并盡可能地保留原始變量信息。進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價是成分分析的主要應(yīng)用之一［7］。

設(shè)F代表分量，X代表原變量，Y代表標(biāo)準(zhǔn)化后的變量，i代表被評價樣本，j代表評價指標(biāo)，g代表主成分分量，xij代表第i個樣本的第j個指標(biāo)數(shù)值，yij代表第i個樣本的第j個標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的數(shù)值，aij表示第i個樣本第j個標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的分量系數(shù)，F(xiàn)ig表示第i個樣本的第g個分量，則有

其中，

用主成分分析法進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價主要包括以下步驟:

(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。這里一般采用Z－score法，變換公式為

其中，

(2)求指標(biāo)數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系矩陣R。并不是所有多指標(biāo)綜合評價問題都可以用主成分分析法來解決的，只有當(dāng)變量之間不完全相關(guān)時可以使用主成分分析。

(3)求R陣的特征值、特征向量和貢獻(xiàn)率。R的特征方程為

為對該方程求解得到的特征值，其大小表示了各個主分量在描述被評價對象上所起作用的大小。設(shè)Mij為一個P維實(shí)向量，由方程組

求得Mij，為特征值λg對應(yīng)的特征向量。

表示每個分量所含原始變量的信息量，即方差貢獻(xiàn)率。

(4)確定主成分的個數(shù)。若確定k個主成分，則前k個主成分的累計貢獻(xiàn)率

(5)合成主成分得到綜合評價值。求每個主分量的線性加權(quán)和值Fi1－Fik，以每個主分量的貢獻(xiàn)率αg(g=1，2，…，k)作為權(quán)重，求Fig的加權(quán)和，即

其中，F(xiàn)i即為多指標(biāo)綜合評價值。

3 實(shí)證研究

以河南省洛陽市8個礦區(qū)為評價對象進(jìn)行了礦山設(shè)備安全性評價分析。

3.1 礦山設(shè)備安全性評價

(1)獲得初始數(shù)據(jù)。通過對8個礦區(qū)的礦山設(shè)備進(jìn)行安全檢驗(yàn)，收集有關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀況的第一手資料，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其值越大，礦區(qū)設(shè)備的這項指標(biāo)愈好，得到原始數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 礦山設(shè)備檢測原始數(shù)據(jù)

(2)將表1的數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。 處理后的結(jié)果見表2。

表2 礦山設(shè)備檢測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

(3)求指標(biāo)數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系矩陣。用MINITAB軟件對上述標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析。具體結(jié)果見表3。

由R陣分析可知，數(shù)據(jù)指標(biāo)之間不存在完全相關(guān)關(guān)系或完全不相關(guān)關(guān)系，所以可以使用主成分分析法對其進(jìn)行綜合評價。

(4)對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，采用MINITAB軟件實(shí)現(xiàn)該功能。求得R陣的特征值、特征向量和貢獻(xiàn)度，具體結(jié)果見表4。

由表4可知，當(dāng) k=5時，λk＞1且85%，所以主成分個數(shù)選5，對礦區(qū)1設(shè)備安全狀況進(jìn)行綜合評價:

同理可求的礦區(qū)2－8的評價值分別為

表3 相互關(guān)系矩陣(R陣)

表4 R陣特征值、特征向量、貢獻(xiàn)率

3.2 結(jié)果解釋與分析

在用主成分分析進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價時，綜合評價值Fi中一部分出現(xiàn)負(fù)值(比如本文的F1、F2、F3、F6、F7、F8均為負(fù)值)，并不代表評價對象的社會經(jīng)濟(jì)行為的真切含義，只是說明該對象在被評價整體中處于平均水平以下。因?yàn)镕i值是通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計算得到的，正負(fù)只表示與平均水平的相對位置關(guān)系。

通過計算結(jié)果對8個礦區(qū)進(jìn)行排序，分值越高代表礦區(qū)設(shè)備安全性越優(yōu)，排序結(jié)果如下:

即選取的8個礦區(qū)中，礦區(qū)4設(shè)備整體狀況最好，礦區(qū)5次之，礦區(qū)6最差。

對礦區(qū)4的數(shù)據(jù)具體分析可知，排水泵排水能力、通風(fēng)機(jī)效率、提升機(jī)制動系統(tǒng)和提升系統(tǒng)、空壓機(jī)壓力相對于其他礦區(qū)都較高，礦區(qū)設(shè)備安全性較好;而對于礦區(qū)2，水泵的運(yùn)行狀況、通風(fēng)機(jī)外觀質(zhì)量、空壓機(jī)壓力等指標(biāo)相對于其他方案較高，但是水泵排水能力和提升機(jī)整體性能均較低，使得礦區(qū)綜合得分低于平均值。

從以上的分析可以看出，提升機(jī)、排水泵處于相對重要的位置，尤其是水泵的排水能力和提升機(jī)制動系統(tǒng)、提升系統(tǒng)對礦山生產(chǎn)安全有重要影響，這也與我們的常識一致，進(jìn)而說明了運(yùn)用PCA模型對礦山設(shè)備安全性評價的客觀性和合理性。

4 結(jié)論

(1)礦山設(shè)備是礦山安全生產(chǎn)的重要組成部分，其安全性能是否良好直接影響生產(chǎn)安全和工作人員的人身安全。應(yīng)用主成分分析法對礦山設(shè)備安全性進(jìn)行綜合評價，較完整地反應(yīng)了礦山設(shè)備的綜合狀況。

(2)根據(jù)現(xiàn)有的研究成果以及設(shè)備檢測過程中的考核指標(biāo)，選取礦山設(shè)備“四大件”作為一級指標(biāo)，建立了礦山設(shè)備安全評價指標(biāo)體系。

(3)運(yùn)用主成分分析法對礦區(qū)設(shè)備進(jìn)行評價分析，減少了評價過程中主觀因素的影響，較好地保證了評價的客觀性與準(zhǔn)確性。

(4)進(jìn)行評價的重要前提是科學(xué)合理地確定評價指標(biāo)體系，用礦山設(shè)備“四大件”代替礦山整體設(shè)備，雖然具有一定的代表性，但也有一定的片面性。而且由于不同礦區(qū)的情況不同，在選擇指標(biāo)時，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要調(diào)整。在這方面需要進(jìn)一步研究，逐步對模型進(jìn)行優(yōu)化。

［1］ 何學(xué)秋，宋 利，聶百勝.我國安全生產(chǎn)基本特征規(guī)律研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2008(1):5-13.

［2］ 于治富，李旭鳴，商德勇，等.礦井提升機(jī)安全性能檢測方法［J］. 煤礦機(jī)械，2009.30(12):165-168.

［3］ 黃 軍，葉義成，李瑩瑩.基于模糊綜合評價的礦井提升機(jī)系統(tǒng)安全性分析［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報，2010.33(3):310-313.

［4］ 楊 海，王 蒙，王 建.礦山機(jī)械滾動軸承的常見故障分析與診斷［J］.煤礦機(jī)械，2010.33(8):251-253.

［5］ 王宏圖，黃振華，范曉剛，等.粗糙集－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價中的應(yīng)用［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2011.34(9):90-94.

［6］ 黃 松.礦用空壓機(jī)安全保護(hù)裝置檢測檢驗(yàn)問題探討［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，20117(7):183-186.

［7］ 辛士波，孫 超.基于主成分分析法的煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警分析研究［J］.中國煤炭，2010(11):105-108.