基于AHP的礦井通風系統評價體系優化

段自力

(山東科技大學礦業與安全工程學院)

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基于AHP的礦井通風系統評價體系優化

段自力

(山東科技大學礦業與安全工程學院)

摘要采用層次分析法對某礦井通風系統進行評價，完善評價指標體系，選取16個評價指標，建立系統的遞階層次模型，構建合理的判斷矩陣，運用Matlab計算得出了各指標的權重，在專家評審組對各層指標打分的基礎上，計算出礦井通風系統的總得分，評價結果為良，符合礦井實際情況，說明層次分析法適合礦井通風系統評價。

關鍵詞礦井通風AHP判斷矩陣指標權重

通風作為礦井安全系統的重要組成部分，在礦井安全管理中格外重視。傳統的礦井通風系統安全評價有多種方法：層次分析法、神經網絡法、灰色關聯分析法、模糊綜合評判法等。由于各生產礦井的技術條件差別很大，必須根據礦井的實際情況確定相適應的評價方法。層次分析法(AHP)能用定量的手段分析和處理復雜的問題[1-3]。

礦井通風系統中的安全評價指標均為定量化或可以轉化為定量化的指標，因此，采用層次分析法對礦井通風系統的安全狀況進行評價。

1AHP簡介

層次分析法是將影響評價目標的元素分解成目標、準則、方案等層次，并進行定量、定性分析的決策方法。該方法的主要思想是將決策目標的若干影響因素建立遞階層次結構，對影響因素進行兩兩比較，構建判斷矩陣，然后求解判斷矩陣特征向量，從而求得每一層次的各元素對上一層次某元素的權重，最后再求出對總目標的最終權重。

1.1遞階層次結構

層次分析法建立的層次結構分為3層：第一層為最高層，該層元素只有一個，一般指的是評價指標，用A表示；第二層為中間層，該層可以分為多個含有許多元素的子層，這些子層的元素是實現目標的中間環節，用B表示；第三類為最底層，該層是實現最高層的各種措施、政策、方案等，用C表示。

1.2判斷矩陣

1.2.1判斷矩陣構造

判斷矩陣表示針對上一層某因素，本層次與之有關因素之間相對重要性的比較。假設P層因素中Km與下一層中A1,A2,…，An有聯系，其構造矩陣一般取表1。

表1　K-A判斷矩陣

1.2.2判斷矩陣比較

判斷矩陣值采用9標度法求解，即利用1～9及其倒數共17個數作為標度。標度見表2。

表2　標度表[4]

注：2，4，6，8為兩相鄰判斷的中值。

1.3指標權重

1.3.1指標權重的計算

層析分析法通過特征根法計算權重。

(1)求單一層次所支配元素的判斷矩陣A=(aij)n×n。

(2)求A的最大特征根λmax及其對應的特征向量u=(u1,u2,…，un)。

(3)將u歸一化，即

(1)

1.3.2判斷矩陣一致性及檢驗

專家無法對各指標重要性進行精確化判斷，很難避免偏差。為使指標權重的質量得到保證，判斷矩陣的一致性檢驗是很有必要的。

當矩陣A不具有完全一致性時，則有λmax>n；當且僅當判斷矩陣A具有完全一致性時，λmax=n，且除了λmax=n外，其余特征根均為零。設一致性指標為CI,一致性比率為CR,則

(2)

(3)

式中，λmax為最大特征根；n為矩陣階級；CR為一致性比率；RI為平均隨機一致性指標，見表3。

表3　平均隨機一致性指標

當CR<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要修正判斷矩陣。

2算例分析

2.1某礦井通風系統狀況

某礦井采用中央并列式通風，主斜井、副斜井進風，回風立井回風。首采8101回采工作面布置2條順槽，一條進風順槽和一條回風順槽，礦井采用全負壓通風。該礦安裝了2臺FBCDZ-10№25B型礦用防爆抽出式對旋軸流通風機，1臺工作，1臺備用，每臺通風機配備YBFe560S1-10型電機，額定功率為160 kW，軸速為580 r/min。井下布置2個掘進工作面，均采用局部通風機壓入式通風，局部通風機采用FBD-5.6型，均布置在進風流中，實現“三專兩閉鎖”，“雙風機、雙電源”，并做到自動切換。

2.2評價指標確定

影響礦井通風的因素很多，建立一個完善的礦井通風評價指標體系很重要。評價指標體系既要全面、完整地反映礦井通風狀況，又要易于操作、方便使用。

根據以上要求，該礦井通風系統的安全評價指標體系進行了確定，見圖1。所列出的16個指標中，礦井通風設施合格率、通風機效率、通風機功率、噸煤通風電耗、通風井巷工程費、礦井風壓、礦井等積孔、礦井風量、礦井風量供需比9個指標為定量指標，其值的選取與確定則直接取值于礦井通風系統的測試結果；而風機運轉穩定性、礦井反風系統的靈活性、用風地點風流穩定性、礦井通風能力、礦井抗災能力、通風方式、用風地點風質7個指標為定性指標，其值的選取與確定則必須采取先打分，然后進行歸一化處理成定量指標的方法才能進行后續的評價計算。

圖1　某礦井通風評價指標體系

2.3指標權重的比較與計算

利用層次分析法的原理，通過兩兩比較，構造判斷矩陣，而其最大特征根λmax對應的特征向量即是各項指標的權重。

根據表2，結合專家對各指標的判斷，得出如下判斷矩陣：

表4　A-B判斷矩陣

表5　B1-C判斷矩陣

表6　B2-C判斷矩陣

表7　B3-C判斷矩陣

表4經計算得λmax=3.085 8，CI=0.042 9，CR=0.074<0.1。通過一致性檢驗，判斷矩陣有滿意的一致解。

表5經計算得λmax=6.370 1，CI=0.07，CR=0.06<0.1。通過一致性檢驗，判斷矩陣有滿意的一致解。

表6經計算得λmax=4.198 1，CI=0.066，CR=0.073<0.1。通過一致性檢驗，判斷矩陣有滿意的一致解。

表7經計算得λmax=6.45，CI=0.09，CR=0.07<0.1。通過一致性檢驗，判斷矩陣有滿意的一致解。

通過上述方法，依次計算，可得指標權重總排序[5],見表8。

表8　A-C判斷矩陣

2.4礦井通風系統的安全技術評價

在確定好各指標權重后，專家評審組對各層指標打分，選取平均分作為各指標的分值,打分采用百分制。最底層各指標分值平均分見表9。

表9　專家評審組對最底層指標打分

通過各指標得分乘以各指標權重，求得該礦井通風系統得分為87.94。

礦井通風系統指標尺度可分為優、良、及格、差、極差。本文設置5類標準值：優(分值90～100)、良(分值80～90)、及格(分值70～80)、差(分值60～70)、極差(分值0～60)。

礦井通風系統狀況評價如下：

(1)各指標權重排序為C14(0.27)>C12(0.17)>C5(0.09)=C13(0.09)>C2(0.06)=C9(0.06)>C11(0.05)=C15(0.05)>C4(0.03)=C7(0.03)>C1(0.02)=C3(0.02)=C16(0.02)>C6(0.01)=C8(0.01)=C10(0.01)。

(2)礦井通風系統總得分為87.94，屬于良。可以通過不斷提高通風系統總得分來改善通風系統狀況。

(3)礦井風量供需比C14權重最大，在管理中相對注重一些，而權重小的指標，可以少注重一些。

3結論

(1)針對礦井通風系統建立了評價體系，采用層次分析法對礦井通風系統進行評價，評價結果為良，符合實際情況。

(2)礦井通風系統中，既有定量指標，也有定性指標，層次分析法是一種能有效地處理難于完全用定量來分析的復雜問題的手段，適合礦井通風系統評價。

(3)在礦井通風系統中，既可以通過評價指標的權重比較進行管理，也可以通過比較評價指標體系總得分管理。

參考文獻

[1]羅世興,沙景華.基于AHP法的我國煤炭類上市公司績效評價研究[J].中國礦業,2012,21(5):35-39．

[2]王新民,李潔慧,張欽禮,等.基于FAHP的采場結構參數優化研究[J].中國礦業大學學報,2010,39(2):163-168．

[3]廖文德,鐘勇林,葉俊杰，等.基于AHP-FCE法的煤礦瓦斯災害危險源定量評價[J].煤炭科學技術,2015,43(6):85-90．

[4]Liu Y J, Mao S J, Li M, et al. Study of a Comprehensive Assessment Method for Coal Mine Safety Based on a Hierarchical Grey Analysis [J]. Journal of China University of Mining& Technology, 2007,17(1):6-10.

[5]羅金輝,楊永國,秦勇,等.基于組合權重的煤層氣有利區塊模糊優選[J].煤炭學報,2012,37(2):242-246．

(收稿日期2015-12-05)

段自力(1990—)，男，碩士研究生，266590 山東省青島經濟技術開發區前灣港路579號。