礦井通風系統評價方法研究現狀

于波

摘要： 礦井通風系統對煤礦安全生產起重要作用。通過查閱大量文獻，總結分析了目前我國礦井通風系統安全評價主要方法，列出了層次分析法、模糊綜合評價法、未確知測度評價法、灰色關聯度分析法和人工神經網絡評價分析法，分析了諸多安全評價方法的原理和步驟，提出了礦井通風系統安全評價方法的發展和不足。

Abstract： Mine ventilation system plays an important role in safe production of coal mines. Through consulting a large number of documents， the main methods of safety evaluation for mine ventilation systems in China are summarized and analyzed. The analytic hierarchy process， fuzzy comprehensive evaluation method， unascertained measure evaluation method， grey correlation analysis method and artificial neural network evaluation method are listed. The principles and steps of these safety assessment methods are analyzed and the development and deficiency direction of safety assessment methods for mine ventilation systems is proposed.

關鍵詞： 安全評價；礦井通風；灰色關聯度；模糊評價

Key words： safety evaluation；mine ventilation；grey relational degree；fuzzy evaluation

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0165-04

0 引言

無論對于煤礦還是非煤礦山，礦井通風是非常重要的，它是礦山進行安全生產的關鍵所在，沒有通風系統，整個礦山將會無法正常工作。礦井通風是煤礦正常生產的前提，可為創造良好的勞動環境提供助益，不僅能夠有效排除和稀釋礦井粉塵與瓦斯，還能夠將煤炭自燃和火災發生的概率最大限度降低。通過制定較為完善的礦井通風系統，可將煤礦通風中可能存在的風險及時排除，不斷優化現有通風系統，制定科學的應急預案，確保礦井通風的安全管理。基于此，我們發現要想確保礦井正常安全管理及運行，最大限度的降低安全事故發生，需綜合各方因素建立科學合理的礦井通風系統評價體系。

評價礦井通風系統的方法主要有安全檢查表和專家打分法兩種，前者屬于定性評價，后者屬于定量評價。兩種評價各有利弊，安全檢查表無法全面分析整個系統的安全性，其結論存在局限性；專家打分法由于需確定專家各自的權重，勢必會存在一定主觀性，導致其在具體實施過程中面臨諸多困難。此外，由于專家打分法的參考依據是各指標的得分值，難免存在主觀性過高的問題，眾人評價時其結論容易存在不統一的問題，導致其結果缺乏說服力。

1 常用礦井通風系統安全評價方法

近年來，礦業取得了飛速發展，人們逐漸開始關注礦井通風系統的安全評價，關于礦井通風系統的評價標準及方法國內相關學者做了大量的研究，提出了多種評價方法。筆者通過閱讀大量文獻，針對幾種常見的礦井通風系統安全評價方法進行了重點探討。

當前我國常用的礦井通風系統安全評價方法有灰色關聯度分析法、模糊綜合評價法、層次分析法、未確知測度評價法、人工神經網絡評價分析法。筆者在此提出了各種方法的數學原理和評價程序與步驟。總結礦井通風系統以后的發展和不足。下面介紹幾種礦井通風系統的評價方法：

1.1 層次分析法

層次分析法是在1973年由美國運籌學家薩蒂（T.L.Saaty）教授首次提出的[1]，引進我國的時間是1982年。該方法以系統工程理論為依托，通過分析復雜決策問題的影響因素、本質和內在關系，建立層次結構模型，將決策過程通過定量信息實現數字化，從而達到解決各項復雜決策問題的目的。該方法適用于評價中的定量和定性因素，能夠系統、有效的評價礦井的通風系統。

①構建層次結構模型。因素被分為方案層、準則層、目標層等不同層次。

②構造判斷矩陣。從U={u1，u2，…，un}中每次取兩個因素成對比較，得判斷矩R=（rij）n×n。

③層次單排序并檢驗其一致性。λmax為R的最大特征值，CI表示計算一致性指標，CR表示隨機一致性比率，計算過程如下：

式中，RI表示平均隨機一致性指標，當CR<0.10時，可判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需采取有效修正措施。

④層次總排序及其一致性檢驗。層次總排序是指計算同一層次所有因素對于最高層相對重要性的排序權值，對其開展一致性檢驗是必要的。

層次分析法不適應應用在評價對象較多的系統中，因為該方法計算復雜、耗費工作量大、精度較低，評價過程主觀性較高，客觀性較低，導致其評價結果缺乏說服力，甚至會出現評價矩陣不一致問題，因此，通常在簡單的系統中采用該方法。

1.2 模糊綜合評價

我國學者汪培莊教授最早提出了模糊綜合評價法，作為一種評價方法它能夠評價涉及多個相關因素影響的方案或事物，利用該方法評價一些生活或者生產中存在的大量外延和內涵均不明確的模糊概念，因此，該方法常被應用在礦井通風系統安全評價中，具體如下[2]。

模糊綜合評價方法的優勢是能夠解決傳統數學方法中存在的“惟一解”弊端，具有適應性廣、方法簡單易掌握的特點，可通過模型建立和評價多因素、多層次的較復雜問題，能夠有機結合指標定性和定量，解決判斷的不確定性和模糊性。但該方法也存在一定弊端，比如指標信息存在高重復問題、各個因素的權重確定存在較高主觀性等。

1.3未確知測度理論的評價方法

未確知測度理論作為一種研究未確知信息的數學方法，其作用是能夠用確知集合描述“不確定性”或“邊界不清”現象，符合多項測量準則，包括歸一性、可加性、非負有界性等，且能夠提供更為科學的置信度識別準則。未確知測度理論成敗的關鍵在于綜合多項因素建立較為完善的未確知測度函數[3]。

在安全評價礦井通風系統的過程中必然會存在一些模糊信息，在這種情況下，再加上各種客觀因素的限制，決策者無法得到完整和確定的信息，在存在大量未確知信息的條件下，采取未確知測度理論的評價方法是最佳選擇。

因為涉及到大量的不確定、不完整信息，在整個計算過程中會充斥著大量疑問，即“未確知性”，面對這種情況，只能將希望寄托在先驗知識上，即決策者個人的經驗、偏好等，在充分尊重實測數據的基礎上，需利用一切可利用的先驗知識來確定最終的未確知測度函數。分析該過程我們發現，當信息不確定性越高時，需要依賴先驗信息的程度就越高，也就意味著該方法具有明顯的、強烈的主觀性特征。

1.4 灰色關聯度分析法

1982年，我國學者鄧聚龍教授創造了灰色理論，目前已在諸多領域取得成果，礦井通風系統在灰色系統理論基礎上的主要評價方法有兩種，分別為灰色關聯度分析法、灰色聚類分析法[4，5]。

分析系統整個變化過程的變化趨勢即為灰色關聯度分析方法，也就是說通過分析有關數據的幾何關系及其相似程度來判斷其關聯程度，該方法認為數據列所構成的曲線形狀越接近，那么變化態勢越接近，關聯度越大。針對一些雖然信息較為不明確，但是具有一定相關性的系統，該方法具有一定的應用優勢，它能夠較為直觀、簡單的給出評價對象所屬等級，且計算過程簡單。

然而不可否認灰色關聯度分析法存在一定弊端，其關聯度不符合保序性和規范性標準，導致其計算結果通常存在一定差異，只能一定程度上反映數據列的相關關系，精確度較低。

1.5 人工神經網絡評價方法

20世紀40年代，專家學者首次提出人工神經網絡。1987年在美國首次召開了國際人工神經網絡學術會議，自此之后全球范圍內都十分關注人工神經網絡，紛紛對其展開了深入研究和應用，且取得了一些成果。人工神經網絡是人工智能的一個前沿研究領域，是一種大規模并行的非線性動力學系統，是指利用工程技術手段模擬人腦神經網絡的結構與功能的一種技術系統。人工神經網絡的基本結構如圖1所示，其中“Ο”表示處理單元或節點，又稱神經元[6]。

網絡拓撲是由各個神經元之間互相連接而成，網絡包括多個節點，比如輸出層節點、輸入層節點、隱含層節點。首先，輸入層節點負責接收輸入信號，然后將其傳遞給隱含層節點，經過一定的函數計算處理后，將其再傳遞給輸出層節點，如此便計算出結果。

人工神經網絡具備自適應、自學習的能力，還能夠大規模并行處理信息，且可自行領悟訓練樣本的內在規律，同時在網絡中將規律存儲起來。

影響安全的因素多種多樣，再加上其他客觀及主觀因素的干擾，復雜關系的影響等，因素測度無法確定，在這種情況下，在系統安全分析評價中引入高度非線性的人工神經網絡模型，無疑為系統安全分析與評價提供了一種新的方法和思路，具有良好的應用前景。

礦井通風系統安全評價方法中加入人工神經網絡具有良好的應用前景，究其原因是因為人工神經網絡具有自學習性、非線性及容錯性等優勢，而將其加入到系統安全評價中這些優勢也會得以發揮，客觀上避免了傳統評價方法中存在的精度低、干擾多等弊端，大大提高了其精度和抗干擾能力，不僅如此，人工神經網絡還具有良好的聯想功能和學習能力，解決某一問題后會總結相關規律，并將其應用到下一問題的解決中，具有舉一反三的效果。

2 總結

礦井通風系統安全評價是一項任重而道遠的工作，它不僅影響到安全生產長效機制的建立，更直接關系到煤礦安全生產和管理，因此，礦井通風系統安全評價至關重要，且刻不容緩，其主要工作內容為針對礦井生產系統當前的安全狀況、動態等，分析出未來可能存在的安全隱患，未雨綢繆的做好各項防治工作。通過上述礦山通風系統安全評價方法分析研究，得出以下結論：

①礦井通風系統是一個動態性、多環節、非線性和模糊性的關聯系統，極其復雜多變，其特點表現為外延模糊、內涵明確、多變、隨機，在對其進行安全評價時必須綜合考慮多項因素，充分考慮其他學科的創新成果，只有開展綜合性研究才能有所突破。②對評價指標體系進行科學合理的研究。評價指標體系必須能夠真正反映被評價對象的實際情況，將定量指標和定性指標結合起來，更加客觀的做出評價，如此不僅便于數學模型處理，也能夠有效彌補單純定量評價中存在的弊端及數據失真帶來的巨大影響，更加客觀的反映評價對象。③由于各個評價方法的屬性和機制均不同，在加上選用的指標體系差異及選擇的專家群不同，使得即使面對同一資料，若采用不同的評價方法其評價結果也可能存在較大差異。基于此，在研究基于方法集的綜合集成評價時，應努力尋求方法的綜合集成，將上述非一致性問題得到良好解決。④建立綜合集成評價的專家系統和決策支持軟件系統，形成“人-機-環境-評價對象”一體化模式，使評價工具具備智能性、規范性、通用性、交互性等特征。

參考文獻：

[1]王文杰，林建廣.金屬礦山通風系統模糊層次綜合安全評價[J].礦冶，2007，16（1）：4-7.

[2]謝賢平，馮長根，趙梓成.礦井通風系統模糊優化研究[J].煤炭學報，1999，24（4）：379-382.

[3]王超，王恩元.基于未確知測度理論的沖擊地壓危險性綜合評價模型及應用研究[D].徐州：中國礦業大學，2011.

[4]武衛東，景國勛，魏建平.灰色關聯分析法在平六礦通風系統方案（近期）優化中的應用[J].煤炭學報，2001（3）：290-293.

[5]鄧聚龍.灰色系統基本方法[M].華中工學院出版社，1987.

[6]Tsung-Han Chang，Tien-Chin Wang. Using the fuzzy multi-criteria decision making approach for measuring the possibility of successful knowledge management[J]. Information Sciences. 2008 （4）.

[7]趙志軍，吳世躍，張紅軍，彭濤.趙莊2號井立井上倉膠帶裝煤車場風流穩定性分析及防治措施[J].煤炭工程，2011（09）.

[8]Shen F-M，Chen B-H.Study on construction and quantification of evaluation indexsystem of mine ventilation system. 6th International Conference on MiningScience and Technology，ICMST. 2009.