高海拔礦山無軌運輸系統“人-機-環境”綜合安全評價方法研究

馬俊生,肖志雄,王樹勛,黃瑩瑩,馬黎明(.中國恩菲工程技術有限公司,北京00038;.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430000)

1 前言

隨著經濟的快速發展,礦產資源的需求日益增大,平原地區的礦產資源已經難以滿足當下礦產資源的需求。而高海拔寒區擁有大量礦產資源,因此對高寒地區礦產資源的開發已成為當下緩解礦產資源緊缺問題的重要途徑之一[1]。高海拔低溫低壓的惡劣環境給礦山開采生產帶來諸多困難,在影響人體健康的同時也阻礙運輸設備的正常工作,導致礦山運輸環境十分嚴峻。

適用于平原地區的礦山井下無軌運輸安全評價體系已經難以滿足高海拔礦山的需要,因此研發一套適合高海拔寒區礦山井下無軌運輸的安全評價模型顯得尤為重要[2-3]。

2 高海拔礦山井下無軌運輸系統的安全影響因素

高海拔礦山井下無軌運輸安全受多種因素的影響,主要包括人、機和環境三個方面。

從對人體健康影響的角度來看,隨著海拔高度逐漸增加,大氣壓強明顯降低,大氣中的氧分壓和含氧量也同步降低,人體內肺泡的氧分壓明顯下降,進而使人體血液飽和度和血氧分壓也明顯降低,輕則導致駕駛員身體機能下降,重則威脅駕駛員生命安全。所以針對駕駛員的心率、血壓、血氧和體溫指標的安全評價具有重要意義[4]。

從車輛運行狀態來看,高寒地區低溫缺氧的特點同樣對礦用無軌車輛內燃機的工作產生顯著影響。一方面由于燃料的不充分燃燒,容易產生有毒有害的尾氣,污染井下運輸環境的同時也損害著工作人員的身體健康。另一方面也降低了內燃機的工作效率,造成了化石燃料的浪費[5]。針對井下無軌運輸車輛的尾氣、載重和速度指標的評價可反映運輸設備的安全狀態[6]。

從井下無軌運輸環境的角度出發,由道路分布強度、圍巖變形指標、有害氣體濃度、含氧量以及排塵風速組成的環境安全評價指標反映了井下無軌運輸環境的安全程度[7]。

基于以上分析,本文建立了由人的不安全狀態、運輸設備的不安全狀態和環境的不安全因素組成的人-機-環境安全評價體系。并基于層次分析法(AHP)的模糊綜合性分析方法(FCE)對大量復雜的信息進行模糊綜合分析處理,建立了人-機-環境多因素安全評價模型,該模型可基于現場監測數據,對安全進行評價分級進而指導決策。

3 基于人-機-環境安全評價體系的建立

結合安全科學理論和高海拔礦山井下無軌運輸現狀,基于人、機和環境三大要素構建高海拔礦山井下無軌運輸安全評體系見表1。

表1 安全評價體系

建立安全評價體系的目的是根據該體系可以對各指標進行評分分級,進而根據監測數據評價現場安全等級,并根據相關參考文獻對各指標進行區間等級評分,形成各安全指標評價標準。查閱相關文獻可知,人的不安全狀態指標評價標準[8-10]見表2,運輸設備的不安全狀態評價標準[11-13]見表3,環境的不安全因素指標評價標準[14-17]見表4。

表2 人的不安全狀態指標評價標準

表3 運輸設備的不安全狀態評價標準

表4 環境的不安全因素指標評價標準

4 高海拔地區安全評價模型構建

高海拔地區井下運輸涉及多個安全評價指標,將諸多分散的指標整合為完整的模糊綜合評價體系明確各指標之間關系以及各指標所占權重值顯得尤為重要。綜合考慮指標之間的串、并聯關系,基于層次分析法(AHP)以及模糊綜合評價方法(FCE)對其進行優化,提出一套改進的模糊綜合評價體系,更加合理地完成對高海拔寒區井下無軌運輸系統安全性的評價。

4.1 基于AHP 法確定權重

4.1.1 建立權重判斷矩陣

各指標對高海拔礦山井下運輸風險的影響程度是不同的,因此通過將各定性指標分析轉化為定量分析,通過權重體現其重要性程度。但權重值的確定往往受主觀臆測影響,在不同人的不同價值觀以及不同身體狀態影響下其往往存在較大差異。為了盡量避免主觀臆測導致的誤差影響,本文采用層次分析法通過專家判斷評定,從而得到各指標的權重值。具體步驟如下。

1)建立層次結構模型

為打造一個有效的多層次分析模型,通常將風險評估體系分為三個層次,分別是目標層、準則層以及指標層。

2)建立權重判斷矩陣

通常采用1～9 度標度法,通過專家將兩兩要素進行對比并確定其重要性程度。1～9 度標度法見表5。

表5 1 ～9 度標度法

3)計算指標權重系數

在單層次條件下,為了計算指標權重系數,通常使用特征值法計算出判斷矩陣行元素的均值,其計算公式為

式中:n——矩陣階數。

式中:Wi——該指標的權重系數,得出權重向量是W=(W1,W2,…,Wn)T。

4)單層次一致性檢驗

一致性檢驗是為了確定各指標重要程度的協調性,防止出現指標權重相互沖突。

一致性評價指標CI計算公式為

其中,λmax是判斷矩陣的最大特征值,計算公式如下:

一致性比率CR計算公式為

其中,RI為層次分析方法的指標,具有平均、隨機和一致性,其具體取值見表6。

表6 RI 具體取值表

當CR<0.1 時,可以認為該判斷矩陣符合一致性檢驗,反之則要重新調整判斷矩陣。

5)總層次排序

同一層次下,如果所有層次都是單獨進行排序的話,需自上而下逐層進行總層次排序。其計算公式為

式中:αi——上層指標的權值;

Wi——本層次指標的權重。

總層次排序一致性評價指標計算公式為

總層次排序的隨機一致性指標計算公式為

總層次排序隨機一致性比率為

同樣當CR總<0.1 時,判定構成多層次結構的判斷矩陣通過一致性檢驗。

4.1.2 各級指標權重計算

根據層次分析法對高海拔礦山井下運輸風險各指標權重進行計算。

1)計算人的不安全狀態B1指標權重

首先,構建人的不安全行為B1的判斷矩陣為

其次,計算判斷矩陣B1每一行元素的幾何平均值,經過歸一化處理得到權重向量

W1=(0.277 1,0.465 8,0.096 0,0.161 1)T

最后,計算得到一致性比率CR= 0.011 5 <0.1,可以看出滿足一致性判斷,說明各項指標之間的重要程度相協調,權重值有效。

2)計算運輸機器的不安全狀態B2指標權重

運輸設備的不安全狀態B2的判斷矩陣為

根據該矩陣,計算得到權重向量為

在對照組治療方案的基礎上，再予中藥口服治療，藥物組成：熟地黃15 g，山茱萸20 g，山藥25 g，白術10 g，補骨脂15 g，枸杞子15 g，當歸12 g，赤芍10 g，丹參15 g，延胡索12 g，淫羊藿25 g，牡蠣25 g，牛膝15 g，桑寄生30 g。1劑/d，清水煎取藥液300 mL，分早晚2次口服。治療4周為1個療程，共3個療程。

W2=(0.159 3,0.251 9,0.588 9)T

一致性比率CR=0.046 5 <0.1,符合一致性判斷。

3)計算環境的不安全狀態B3指標權重

環境的不安全狀態B3的判斷矩陣為

根據該矩陣,計算得到權重向量為

W3= (0.094 0,0.074 0,0.176 3,0.278 1,0.126 9,0.250 7)T

一致性比率CR=0.081 66 <0.1,符合一致性判斷。

4)計算高海拔礦山井下無軌運輸風險指標準則層A指標權重

根據該矩陣,計算得到權重向量為

W=(0.297 3,0.163 9,0.539 0)

一致性比率CR=0.007 9 <0.1,符合一致性判斷。

4.2 基于層次分析理論的模糊評價模型

將層次分析法和模糊評價方法結合形成模糊綜合評價模型,建立流程分為以下六個步驟[18]。

4.2.1 建立因素集

從眾多因素中篩選出重要的評價指標,建立評價因素集為V={v1,v2,…,vn},其中n=13。

4.2.2 建立評價集

每個評價因素分為多個評價因子。評價等級分為5 個,即U= {u1,u2,u3,u4,u5} = {好,較好,一般,較差,差}

4.2.3 建立權重集

一級指標權重集:

W={W1,W2,W3}

二級指標權重集:

Wi={Wi1,Wi2,…Wij}

Wi是一級指標權重集合中第i個因素的權重數值;Wij是二級指標權重集合中第j個因素的權重數值。

4.2.4 構造因素評判矩陣

以評價標準U和評價因素V之間的模糊關系為依據,得到模糊關系矩陣,即評判矩陣R={R1,R2,…,Rn}為

其中,rij取值范圍為[0,1],rij為因素vi對應等級uj的隸屬關系。

4.2.5 構建綜合評價模型

進行2 級評價之前,要對低級別因素進行綜合性的評價,進而運用結果對高層次因素評價,才能得出最終結果。

1)1 級綜合評級

根據所得的定量指標和定性指標得分,對Ri的單因素進行評判,得出評判矩陣Ri為

對評判矩陣Ri進行模糊合成運算,得到單因素綜合評價向量為

Bi=WiRi={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

2)2 級綜合評級

更高層中所有因素整合的綜合評價由1 級綜合評價構成,即:

2 級綜合評級模型為

B=WR={b1,b2,b3,b4,b5}

4.2.6 評價結果處理

通過以上五個步驟建立綜合評價模型后,需要對評價所得結果采取進一步的處理,通常采用加權平均法處理。設評價等級U=(100,80,60,40,20),則評價結果為

若評價指標歸一化后,則:

bj作為權數,因素uj的等級作為變量,計算即可得出最終的結果。

5 實例分析

基于高海拔地區金屬礦山各傳感器的數據,結合評價指標的計算方法,得出該階段的各指標數據,從而得到評分值。

首先采用層次分析法確定的一級(Wi)和二級權重(Wij)值,具體見表7。構建因素評判矩陣,以人的不安全狀態為例,由隸屬函數計算隸屬度,形成評判矩陣為

表7 高海拔高寒地區多因素耦合人-機-環系統安全性綜合指標權重

同理可得:

B2=(0.656 2,0.252 5,0.053 7,0.037 8,0)

B3=(0.356 8,0.235 0,0.380 4,0.027 8,0)

由此可得高寒地區多因素耦合人-機-環系統評價的模糊評判矩陣為

采用加權平均方法,選擇評價集區間的最大值組合成為評價向量,設U=(100,90,75,55,40),那么高海拔高寒地區多因素耦合人-機-環系統安全性綜合計算結果為u=90.88,總體情況為“好”。

6 結論

本文針對高海拔寒區井下無軌運輸的安全問題,通過分析井下無軌運輸系統安全性影響因素,建立了由3 個一級指標、13 個二級指標組成的精細化安全評價體系。采用融合改進的層次分析法和模糊綜合評價理論,構建了高海拔礦山井下無軌運輸安全評價模型。在二級模糊評價模型的構建上,對正態分布隸屬函數進行優化。

基于實例和高海拔礦山無軌運輸多因素耦合人-機-環境系統安全評價模型計算了該高海拔礦山各安全指標的權重值,得到安全評分為90.88。驗證了采用模糊綜合評價模型對高海拔地區多因素耦合人-機-環系統進行綜合評價是可行的。