改進層次分析法在精確人員定位系統應急處理機制中的應用

唐麗均， 吳畏， 劉世森

(1.重慶工程職業技術學院 大數據與物聯網學院， 重慶 402260；2.重慶城市管理職業學院 智能工程學院， 重慶 401331；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

現有智能礦用精確人員定位系統[1-2]在井下人員遇險失去手動觸發求救按鈕能力時，人員標簽會檢測到攜帶者跌倒并立即上傳跌倒信息, 地面監控中心接收到跌倒信息后啟動應急處理機制, 如果人員長時間處于靜止狀態, 則系統判斷該人員出現危險, 觸發自動求救報警，并通知管理人員對其進行救援。如果井下某工作人員由于某種非事故原因而在原地停留時間超過設置的自動求救時間閾值，則系統會錯誤觸發報警信號，造成救援資源浪費[3-4]。

由于煤礦災害所涉及的因素較多，例如瓦斯災害事故可能伴隨粉塵災害、火災等事故[5-7]，導致人員傷亡的因素有高溫、窒息、中毒等，涉及瓦斯、甲烷、CO、溫度、生命特征等傳感器的監控數據，要完全對各類傳感器的數據進行定量評價很困難。層次分析法是一種將定性分析和定量分析相結合的決策方法。該方法通過對影響因素進行兩兩比較，構造判斷矩陣，并確定各元素的權重，為決策方案的選擇提供依據。傳統層次分析法的判斷矩陣一旦設置后，無法實時響應影響因素的變化，當影響因素數值發生改變后，需要重新設置判斷矩陣才能獲得正確的決策方案。因此，本文對層次分析法進行改進，并應用于智能礦用精確人員定位系統應急處理機制中。根據傳感器的實時數據，對層次分析法的判斷矩陣進行實時調整，再對自動上報的報警信息的真實性進行判斷，提高報警準確率。

1 精確人員定位系統結構

井下精確人員定位系統結構如圖1所示。人員標簽由井下人員攜帶，用于獲取人員相關信息；讀卡器用于獲取人員標簽的位置、求救信息等數據；數據集中器通過無線通信方式獲取讀卡器上的數據并上傳至人員定位分站；監控分站負責獲取各類傳感器數據；管理服務器根據人員定位分站上傳的數據以及監控分站[8]上傳的各類傳感器數據做出相應的應急處理決策。

圖1 精確人員定位系統結構Fig.1 Structure of precise personnel positioning system

2 改進層次分析法流程

改進層次分析法流程如圖2所示。

圖2 改進層次分析法流程Fig.2 Flow of improved analytic hierarchy process

首先建立層次分析法的評價指標體系；然后創建相應的判斷矩陣：采用1—9標度方法對該報警點處的實時傳感器數據進行標度，用標度后的傳感器數據對判斷矩陣的參數進行實時修正；最后使用修正后的判斷矩陣計算出報警信息類別的權重。1—9標度方法中，標度值越大，表示傳感器數據超標越嚴重，標度值為1表示傳感器數據最優，標度值為9表示傳感器數據超標最嚴重。

3 改進層次分析法在精確人員定位系統中的應用

3.1 評判矩陣構建

采用模糊綜合評價法構建評判矩陣[9-10]，步驟如下：

(1) 設uij為災害事故Di對傳感器指標Sj的影響程度，其中i=1,2,…,m,m為災害事故數，j=1,2,…,n，n為傳感器指標個數,生成矩陣U。

(1)

(2) 設vjr為傳感器指標Sj對報警要素Er的影響程度，其中r=1,2,…,l，生成矩陣V。

(2)

(3) 對Di按事故發生率進行單級綜合評價，設yi為Di的指標權重，生成矩陣Y，Y={y1,y2,…,ym}。

(4) 對Er按與傷亡事故的關聯度進行單級綜合評價，設wr為Er的指標權重，生成矩陣W，W={w1,w2,…,wl}。

(5) 傳感器指標集S(S={S1,S2,…,Sn})相對災害事故集D(D={D1,D2,…,Dm})的綜合評判矩陣為T=YU={t1,t2,…,tn}。

(6) 傳感器指標集S相對報警要素集E(E={E1,E2,…,El})的綜合評判矩陣為R=WVT={r1,r2,…,rn}。

(8) 矩陣T修正為T′=TQ={q1t1,q2t2,…,qmtn}，矩陣R修正為R′=RP={p1r1,p2r2,…,pmrn}。

3.2 判斷矩陣生成

將精確人員定位系統應急處理機制的評價體系分為目標層A、指標層B、決策層C，見表1。邀請專家以評判矩陣T′和R′為參考標準，對各傳感器指標的相對重要性打分，以確定各判斷矩陣的參數：

(1) AB層判斷矩陣，即相對于目標層、指標層各因素的相對重要性比較，見表2。其中，axy為Bx與By相對A1重要性的比較值，x，y=1,2，…，z，z為傳感器個數。

表1 應急處理機制的評價體系Table 1 Evaluation system of the emergency treatment mechanism

表2 AB層判斷矩陣Table 2 AB layer judgment matrix

(2) BzC判斷矩陣，即傳感器Bz數據在決策層中相對重要性比較，傳感器Bz的數據是實時變化的，因此在BzC判斷矩陣中需要對矩陣的初始參數值進行修正，使判斷矩陣能夠實時響應傳感器所處位置狀況的變化，見表3，其中bz1為C2與C1相對Bz重要性的比較值,bz2為C3與C1相對Bz重要性的比較值,bz3為C3與C2相對Bz重要性的比較值,bzrt為傳感器Bz的實時數據標度值。

表3 BzC判斷矩陣Table 3 BzC judgment matrix

3.3 報警真實性判別

如果工作人員在井下較長時間處于靜止狀態，精確定位系統會自動觸發報警裝置，產生報警的情況分為災害事故導致人員傷亡或受困；工作人員身體突發疾病。

井下人員傷亡與災害事故的發生密切相關，當井下發生災害事故后，必然會導致一種或多種傳感器數據異常，例如在發生火災的區域，溫度、CO、煙霧等傳感器會上報異常的數據信息，此時可以判斷系統收到的自動報警信息為真實報警。

如果井下人員由于突發疾病昏迷跌倒，長時間靜止不動觸發自動報警，人員標簽上的生命特征傳感器會檢測到異常數據并將該數據隨報警信息上報。當系統收到自動報警信息后，分析出該人員的生命特征傳感器數據出現異常，系統收到的報警信息為真實報警。如果系統收到自動報警信息后，分析出該人員所處位置的各類傳感器以及生命特征傳感器數據無明顯異常，此時認為該區域未發生災害事故且該人員身體狀態良好，則上報的報警信息為誤報警。

4 分析與驗證

4.1 仿真條件設置

在參考煤礦事故統計[11-12]中各類型事故發生次數及傷亡人數的數據基礎上，綜合理論分析和專家咨詢意見，選取了4類環境傳感器B1—B4(壓力傳感器B1、瓦斯傳感器B2、風速傳感器B3、溫度傳感器B4)和1類生命特征傳感器B5，構建了應急處理機制的評價體系，并確定了各判斷矩陣的參數，見表4—表9。

表4 AB層判斷矩陣仿真參數設置Table 4 AB layer judgment matrix simulation parameter setting

表5 B1C判斷矩陣Table 5 B1C judgment matrix

表6 B2C判斷矩陣Table 6 B2C judgment matrix

表7 B3C判斷矩陣Table 7 B3C judgment matrix

采用Matlab軟件搭建仿真平臺，驗證精確人員定位系統的應急處理機制在收到井下人員報警信息后，對該報警信息準確性的判斷。

(1) 通過打分設置各判斷矩陣的初始值。

表8 B4C判斷矩陣Table 8 B4C judgment matrix

表9 B5C判斷矩陣Table 9 B5C judgment matrix

(2) 人員標簽向監控中心上報報警信息，應急處理機制在收到報警信息后，讀取該人員標簽位置處的環境傳感器數據及由人員標簽上報的穿戴傳感器數據。

(3) 對傳感器數據進行標定，得到b1rt,b2rt,b3rt,b4rt,b5rt，然后分別對判斷矩陣B1C，B2C，B3C，B4C，B5C進行修正。

(4) 根據修正后的判斷矩陣，用層次分析法計算出決策層權重值c1，c2和c3。

(5) 當c1>c2且c1>c3時，認為該報警信息是準確的，報警真實性參數賦值為1，否則為誤報警信息，賦值為0。

4.2 仿真結果分析

采用改進層次分析法對報警信息進行分析處理的結果如圖3所示。

圖3 采用改進層次分析法對報警信息進行分析處理的結果Fig.3 The results of the alarm information analyzed by improved analytic hierarchy process

從圖3可看出，通過改進層次分析法分析遇險人員所處位置環境傳感器及由人員標簽上傳的穿戴傳感器的數據，排除了部分報警信息。

報警真實值為1和0時，對應的傳感器數據標度值見表10。

從圖3和表10可看出，當報警處的環境傳感器和穿戴傳感器的綜合指標較差的情況下，上報的報警信息極有可能是由員工遇險、身體狀態異常或受困而觸發的，此時上報的報警信息被確認為真實報警；當報警處環境傳感器和穿戴傳感器的綜合指標都較優的情況下，此時上報的報警信息被確認為無效報警，與實際情況相符。因為在各項傳感器指標正常的情況下，工作人員遇到無法動彈、昏迷、受傷等緊急情況的概率是很低的，此時系統收到的自動上報報警信息可判斷為由非事故原因觸發的誤報警。

表10 部分報警真實值與傳感器標度值Table 10 Part of the alarm true value and the sensor scale value

5 結語

提出了一種基于改進層次分析法的智能礦用精確人員定位系統應急處理機制，該應急處理機制根據各類傳感器的標度數據，對層次分析法的判斷矩陣參數進行實時修正，依據修正后的判斷矩陣，對報警信息的準確性進行判斷。仿真測試結果表明，應急處理機制采用了能實時調整判斷矩陣參數的改進層次分析法后，可有效地判斷出報警信息的真實性，排除無效報警信息，從而提高了應急處理機制的報警準確率。