基于層次分析法的運(yùn)輸提升限制因素權(quán)重分析

薛振林 吳愛祥 王貽明 黃明清 楊 鵬

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

基于層次分析法的運(yùn)輸提升限制因素權(quán)重分析

薛振林1,2吳愛祥1,2王貽明1,2黃明清1,2楊 鵬1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為更科學(xué)合理地優(yōu)化礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)，在分析某礦山運(yùn)輸提升運(yùn)行限制因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法建立了這些限制因素的AHP層次結(jié)構(gòu)模型。通過構(gòu)造判斷矩陣和AHP模型的求解，得到了限制因素的權(quán)重結(jié)果：其中多級(jí)提升效率低權(quán)重比例最大，達(dá)35.2%，斜井缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)和中段運(yùn)輸效率低權(quán)重分別達(dá)到15.04%與14.55%，其余各因素均未達(dá)10%。單排序和總排序判斷矩陣一致性檢驗(yàn)均有，一致性良好。表明通過層次分析法確定礦山運(yùn)輸提升運(yùn)輸系統(tǒng)限制因素相對(duì)重要性是可行的。分析結(jié)果為運(yùn)輸提升系統(tǒng)的優(yōu)化決策提供了依據(jù)，進(jìn)而給出優(yōu)化意見，重點(diǎn)從改善多級(jí)斜井串車提升方式、做好深部運(yùn)輸提升的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和發(fā)揮大中段運(yùn)輸作用3方面進(jìn)行。

運(yùn)輸與提升 層次分析法 權(quán)重分析 AHP

礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其安全高效的運(yùn)行是地下礦山正常生產(chǎn)的重要前提，其合理性與高效性直接影響著礦山生產(chǎn)能力和企業(yè)效益的提高。在礦山生產(chǎn)過程中，運(yùn)輸提升任務(wù)主要是運(yùn)送和提升礦石、廢石、材料、設(shè)備和人員等。國(guó)內(nèi)很多礦山由于設(shè)計(jì)之初缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，并未進(jìn)行深部探礦工作，或者前期設(shè)計(jì)規(guī)模較小，后期需要進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)等，致使現(xiàn)有的運(yùn)輸提升系統(tǒng)制約著礦山產(chǎn)量的提高，成為企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。很多礦山亟需對(duì)現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證礦山提升運(yùn)輸工作長(zhǎng)期高效的進(jìn)行。然而在運(yùn)輸提升系統(tǒng)的優(yōu)化工作中，由于限制因素較多，不同礦山限制因素也不盡相同，這就給優(yōu)化的決策帶來(lái)了一定的困難。如果不充分調(diào)查實(shí)際情況、不分重點(diǎn)地盲目?jī)?yōu)化，效果必定不夠理想，也會(huì)帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。目前，針對(duì)此類具有不確定性多因素的決策問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究出很多的優(yōu)選方法，常用的主要有專家評(píng)價(jià)法、層次分析法、投影尋蹤法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1]。這些方法具有各自的特點(diǎn)和使用范圍，且在某些方面各有優(yōu)勢(shì)。層次分析法具有可以利用少量的信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化的特點(diǎn)，從而為復(fù)雜的決策問題提供簡(jiǎn)便而實(shí)用的決策參考依據(jù)[2]。

1 某礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)概述

云南某礦為鉛鋅為主的多金屬礦山，年產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，現(xiàn)有4個(gè)工區(qū)同時(shí)生產(chǎn)作業(yè)。但各工區(qū)的運(yùn)輸提升系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，未形成統(tǒng)一協(xié)同作業(yè)，運(yùn)輸提升系統(tǒng)復(fù)雜多變。各工區(qū)開拓方案主要為平硐+多級(jí)盲斜井聯(lián)合開拓或單獨(dú)的多級(jí)斜井開拓，提升系統(tǒng)主要采用斜井單鉤串車提升，井下運(yùn)輸以人力推車方式為主，主要運(yùn)輸中段采用少量柴油機(jī)或電機(jī)車牽引串車。隨著開拓深度的增加，提升已多達(dá)4～5級(jí)，既增加了提升的費(fèi)用，又增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，設(shè)備老化和設(shè)備選型缺陷等問題也影響著效率的提高，礦山亟需對(duì)現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，該礦山生產(chǎn)過程中暴露出運(yùn)輸提升限制因素較多，各因素相互作用且相互影響，形成了一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，給系統(tǒng)優(yōu)化工作帶來(lái)了一定的困難。

AHP層次分析法在各種工程決策分析問題和復(fù)雜問題的多因素權(quán)重分析方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。它可以在對(duì)運(yùn)輸提升系統(tǒng)優(yōu)化問題的本質(zhì)、效率提高的限制性因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，用數(shù)量的形式條理化、科學(xué)化的表達(dá)人的主觀想法。可避免由于主觀原因?qū)е碌臋?quán)重計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相矛盾的現(xiàn)象產(chǎn)生[7-8]。所以，對(duì)于該礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)權(quán)重分析及其優(yōu)化的問題，其決策結(jié)果難以直接準(zhǔn)確計(jì)量，采用AHP層次分析法尤其適合。

2 運(yùn)輸提升限制因素權(quán)重分析

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

為了能夠更具有針對(duì)性的對(duì)現(xiàn)有問題進(jìn)行優(yōu)化和改善，在深入分析運(yùn)輸與提升系統(tǒng)制約因素的實(shí)際問題基礎(chǔ)上，根據(jù)層次分析法的基本步驟，分析該體系所包含各因素及各因素之間的相互關(guān)系。將限制因素進(jìn)行分類整理，按照不同從屬類別將層次結(jié)構(gòu)自上而下地分為3個(gè)層次。目標(biāo)層為運(yùn)輸提升限制因素權(quán)重分析；準(zhǔn)則層分為3個(gè)影響因素，分別為設(shè)計(jì)問題、設(shè)備和技術(shù)問題、人員操作問題；子準(zhǔn)則層分為9個(gè)因素，分別為缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)、提升能力不足、多級(jí)提升效率低、中段運(yùn)輸效率低、設(shè)備選型不合理、機(jī)械化程度低、鋼絲繩壽命短、員工安全意識(shí)差、提升員工不足。從而建立了提升運(yùn)輸限制因素遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1。

圖1 運(yùn)輸提升系統(tǒng)限制因素權(quán)重分析層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Weighting analysis hierarchy model of transport hoisting system limiting factors

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在建立模型的層次結(jié)構(gòu)后，對(duì)于從屬于同一個(gè)因素的每個(gè)限制因素進(jìn)行兩兩比較，按Satty等人提出的1～9級(jí)標(biāo)度法比較其重要程度，從目標(biāo)層至9個(gè)限制因素間依次構(gòu)造成判斷矩陣[9-10]。運(yùn)輸提升限制因素的判斷矩陣中，1～9標(biāo)度具體含義的確定，主要是在礦山現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山單位與采礦行業(yè)專家評(píng)估給出，或由之前類似礦山歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。1～9標(biāo)度意義如表1。

表1 1～9標(biāo)度的意義Table 1 The meaning of 1-9 scaling

針對(duì)本礦山的運(yùn)輸提升限制因素遞階層次結(jié)構(gòu)模型，由頂層開始分別對(duì)各級(jí)進(jìn)行編號(hào)：A；B1，B2，B3；C1，C2，…,C9。結(jié)合根據(jù)本礦山實(shí)際情況確定的標(biāo)度級(jí)別意義，對(duì)模型第一層與第二層，第二層與第三層之間的各級(jí)相互影響因素構(gòu)造判斷矩陣如下。

目標(biāo)層A與準(zhǔn)則層B之間構(gòu)造判斷矩陣

(1)

準(zhǔn)則層B1與子準(zhǔn)則層C1，C2之間構(gòu)造判斷矩陣

(2)

準(zhǔn)則層B2與子準(zhǔn)則層C3，C4，C5，C6，C7之間構(gòu)造判斷矩陣

(3)

準(zhǔn)則層B3與子準(zhǔn)則層C8，C9之間構(gòu)造判斷矩陣

(4)

2.3 計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)

對(duì)于每一個(gè)判斷矩陣，計(jì)算各因素針對(duì)其所屬準(zhǔn)則的權(quán)重。計(jì)算權(quán)向量，判斷矩陣A對(duì)應(yīng)于最大特征值λmax的特征向量W，經(jīng)歸一化后為相應(yīng)因素對(duì)于上一層次因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值。權(quán)重和權(quán)向量計(jì)算結(jié)束后，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。只有通過檢驗(yàn)，才能表明判斷矩陣在邏輯上是合理的，進(jìn)而對(duì)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)分析。若不具有一致性，需重新構(gòu)造成對(duì)比較陣。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，需計(jì)算

CI=CI/RI，

(5)

式中，CR為一致性比例，當(dāng)CR=0時(shí)，判斷矩陣具有完全的一致性；當(dāng)CR<0.10時(shí)，判斷矩陣的一致性認(rèn)為是可以接受的，CR越大，一致性越差。CI為一致性指標(biāo)，按下式計(jì)算：

(6)

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為成對(duì)比較因子個(gè)數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，如表2。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值Table 2 Random consistency index RI values

分別計(jì)算矩陣A、B1、B2、B3最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量，并利用隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗(yàn)，結(jié)果如下。

A矩陣：運(yùn)輸提升限制因素權(quán)重分析，矩陣最大特征值λmax=3.085 8，矩陣特征向量W=(w1,w2,w3)=(0.025 5,0.100 7,0.673 8)，一致性比例CR=0.082 5<0.1，一致性是可以接受的。對(duì)運(yùn)輸提升制約因素的權(quán)重1.000 0。

B1矩陣：設(shè)計(jì)問題，矩陣最大特征值λmax=2.000 0，矩陣特征向量W=(w1,w2)=(0.666 7，0.333 3)。一致性比例CR=0.000 0<0.1，一致性是可以接受的。對(duì)運(yùn)輸提升制約因素的權(quán)重0.225 5。

B2矩陣：人員和操作問題，矩陣最大特征值λmax=2.000 0，矩陣特征向量W=(w1,w2)=(0.250 0,0.750 0)。一致性比例CR=0.000 0<0.1，一致性是可以接受的。對(duì)運(yùn)輸提升制約因素的權(quán)重0.100 7。

B3矩陣：設(shè)備和技術(shù)問題，矩陣最大特征值λmax=5.389 1，矩陣特征向量W=(w1,w2,w3,w4,w5)=(0.426 5,0.245 0,0.134 2,0.107 8,0.086 5)。一致性比例CR=0.086 9<0.1，一致性是可以接受的。對(duì)運(yùn)輸提升制約因素的權(quán)重0.100 7。

各矩陣權(quán)向量與一致性計(jì)算結(jié)果表明，所有單排序的矩陣一致性比例CR<0.1，所以每個(gè)判斷矩陣的一致性均是可以接受的。

2.4 總排序及一致性檢驗(yàn)

要最終得到各元素特別是子準(zhǔn)則層各影響因素對(duì)于目標(biāo)的權(quán)重，需要進(jìn)行權(quán)重的總排序。總排序是所有因素對(duì)于目標(biāo)層的重要性的排序權(quán)重。利用同一層次所有的單排序的結(jié)果，通過逐層計(jì)算相對(duì)權(quán)重，即可得到最底層各限制因素對(duì)目標(biāo)層的總權(quán)重。計(jì)算運(yùn)輸提升系統(tǒng)中各限制因素對(duì)目標(biāo)層的總權(quán)重并進(jìn)行排序，如表3。

表3 運(yùn)輸提升系統(tǒng)限制因素權(quán)重排序Table 3 Transport hoisting system limiting factors weighting results

對(duì)總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算總權(quán)重一致性：

0.086 852 68<0.1.

可以認(rèn)為，總排序的一致性是可以接受的。因此，用層次分析法對(duì)礦山運(yùn)輸提升運(yùn)輸系統(tǒng)限制因素進(jìn)行權(quán)重分析，確定各限制因素之間的相對(duì)重要性程度是可行的。

2.5 結(jié)果與建議

權(quán)重分析結(jié)果表明，在諸多限制因素中多級(jí)提升系統(tǒng)效率低占據(jù)了最大的權(quán)重，達(dá)到35.2%，這說明多級(jí)斜井串車提升方式是制約該礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)的最主要因素。斜井缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)和中段運(yùn)輸效率也占據(jù)了較大比重，這2個(gè)限制因素權(quán)重分別達(dá)到了15.04%與14.55%，而其余各因素均為超過10%。

各限制因素權(quán)重分析結(jié)果為優(yōu)化運(yùn)輸提升系統(tǒng)的開展提供了依據(jù)。下一步優(yōu)化工作應(yīng)以此權(quán)重分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行，重點(diǎn)完成高權(quán)重限制因素優(yōu)化。首先，針對(duì)多級(jí)斜井串車的提升方式進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合礦山實(shí)際提出3種備選優(yōu)化方案：?jiǎn)我回Q井提升、平硐加盲豎井、平硐加盲斜井提升，然后進(jìn)行后續(xù)的方案設(shè)計(jì)和優(yōu)選工作。其次，做好深部運(yùn)輸提升的統(tǒng)一設(shè)計(jì)工作，由礦山技術(shù)科人員聯(lián)合科研單位共同完成4個(gè)工區(qū)整體設(shè)計(jì)，改變以往各工區(qū)自行組織的格局，減少重復(fù)工作。最后，要重視發(fā)揮大運(yùn)輸中段的作用，合理設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)、位置、數(shù)量和連接中段，以大運(yùn)輸中段間定期穩(wěn)定提升作業(yè)形式代替多斜井、多中段、分散作業(yè)的形式。增強(qiáng)機(jī)械化作業(yè)方式，通過電機(jī)車集中運(yùn)輸，增強(qiáng)提升工作能力，全面改善礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)面貌。重點(diǎn)優(yōu)化工作完成后可根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)后續(xù)限制因素的優(yōu)化工作。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)礦山運(yùn)輸系統(tǒng)亟需優(yōu)化的實(shí)際情況，在分析運(yùn)輸提升系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行限制因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法建立了礦山運(yùn)輸提升系統(tǒng)限制因素的3層遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)通過構(gòu)造判斷矩陣和求解AHP模型得到一致性檢驗(yàn)均有CR<0.1，表明單排序和總排序判斷矩陣均具有良好的一直性。說明通過層次分析法對(duì)礦山運(yùn)輸提升運(yùn)輸系統(tǒng)限制因素進(jìn)行權(quán)重分析，確定各限制因素相對(duì)重要性是可行的。

(3)多級(jí)提升系統(tǒng)效率低占據(jù)了最大權(quán)重，達(dá)到35.2%，斜井缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)和中段運(yùn)輸效率權(quán)重分別達(dá)到了15.04%與14.55%，而其余各因素均為超過10%。權(quán)重分析結(jié)果為提升運(yùn)輸系統(tǒng)評(píng)價(jià)及優(yōu)化決策提供了依據(jù)，優(yōu)化工作重點(diǎn)從多級(jí)斜井串車提升方式、做好深部運(yùn)輸提升的統(tǒng)一設(shè)計(jì)工作、重視發(fā)揮大運(yùn)輸中段的作用3方面進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Weighting Analysis of Transportation and Lift Limiting Factors Based on AHP

Xue Zhenlin1,2Wu Aixiang1,2Wang Yiming1,2Huang Mingqing1,2Yang Peng1,2

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMinesMinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to reasonably optimize the mine transportation and hoisting system，an AHP(Analytic Hierarchy Process)model of haulage and hoisting limiting factors was established based on the analysis of the factor limiting the transportation and hoisting operation in a certain mine by using the AHP.The weights of the limiting factors were obtained by constructing judgment matrix and solving the AHP model.The multistage lift was low efficient and had the largest weight of 35.2%.The shaft lacks of unified design and the transport efficiency at middle is lower.These two factors' weight occupied 15.04% and 14.55%，respectively.The rest of the factors were not up to 10%.The judgment matrix consistency of single order and the total order are checked as with good consistency.The results showed that it was feasible to obtain the relative importance of limiting factors in mine transport and hoisting transport system by AHP.The analysis results provided the basis for optimizing decision and some recommendations were given.The work should focus on improving the multistage slope lift way，accomplishing the uniform design in deep transportation promotion and paying attention to sublevel haulage.

Transportation and lift，Analytic hierarchy process，Weight analysis，AHP

2013-11-09

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB08B02)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：50934002)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51104011)。

薛振林(1988—)，男，碩士研究生。

TD52

A

1001-1250(2014)-03-124-04