煤矿安全状态的变权理论评价模型及其工程应用.pdf

李希建,华攸金,陈刘瑜． 煤矿安全状态的变权理论评价模型及其工程应用[J]． 矿业安全与环保,2020,4７（1）110－114． DOI 10． 1９83５/ j． issn． 1008－44９５． 2020． 01． 023 煤矿安全状态的变权理论评价模型及其工程应用 李希建1,2,3,华攸金1,2,3,陈刘瑜1,2,3 1． 贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 ５５002５; 2． 复杂地质矿山开采安全技术工程中心,贵州 贵阳 ５５002５; 3． 贵州大学 瓦斯防治与煤层气开发研究所,贵州 贵阳 ５５002５ 摘要为了克服现有煤矿安全评价方法的局限和不足,在基于物元可拓方法对煤矿安全状态进行 综合评判的基础上,引用变权理论对指标权重进行修正,并采用贴近度替代最大隶属度准则构建基于 变权物元可拓的煤矿安全状态评价模型。 结合敏感性分析指出评价对象对权重和评价结果的影响并 得出评价指标的敏感性。 应用结果表明通过不同权重计算方法比较,变权法对异常指标作用不会进 一步放大,可以有效反映煤矿的真实安全状态;员工的月平均培训时间是影响煤矿安全状态的敏感性 指标,从而可实现对敏感环节的及时排查;基于该模型的煤矿安全状态等级为较安全,偏向于安全等级 的程度较大,与其他方法得出的结果一致,验证了现有的研究样本,同时给出了待评综合安全状态等级 随各指标变动的影响程度。 关键词煤矿安全状态;安全评价;变权理论;物元可拓;等级评价;敏感性 中图分类号ＴＤ７９;X９13． 4 文献标志码Ａ 文章编号1008－44９５（2020）01－0110－0５ 收稿日期201９－0７－18;201９－12－24 修订 基金项目国家自然科学基金项目（５18７410７）;贵州省 科技计划项目（黔科合平台人才[2018]５７81 号） 作者简介李希建（1９６７）,男,湖南张家界人,博士,教 授,博士研究生导师,从事煤矿安全技术、煤矿瓦斯治理及煤 层气和页岩气开发等工作。 E－mail５７５９14６3５ qq． com。 uation model and engineering application of variable weight theory on coal mine safety state LI Xijian1,2,3,HUA Youjin1,2,3,CHEN Liuyu1,2,3 （1. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Engineering Center for Safety Mining Technology under Complex Geologic Condition, Guiyang 550025, China; 3. Institute of Gas Disaster Prevention and Coalbed Methane Development, Guizhou University, Guiyang 550025, China） AbstractIn order to overcome tｈe limitation and deficiency of tｈe existing uation metｈods of coal mine safety, ｂased on tｈe compreｈensive uation of coal mine safety state on tｈe ｂasis of matter－element extension metｈod, tｈe variaｂle weigｈt tｈeory is used to modify tｈe index weigｈt, and a safety uation model of coal mine ｂased on variaｂle weigｈt matter－element extension is constructed ｂy replacing tｈe maximum memｂersｈip criterion witｈ proximity degree． Ａt tｈe same time,comｂined witｈ tｈe sensitivity analysis,tｈis paper points out tｈe influence of tｈe uation oｂject on tｈe weigｈt and tｈe uation result and oｂtains tｈe sensitivity of tｈe uation index． Ｔｈe application results sｈow tｈat tｈe variaｂle weigｈt metｈod can reflect tｈe real safety state of coal mine effectively, and tｈe effect of tｈe variaｂle weigｈt metｈod on aｂnormal index will not ｂe furtｈer amplified; tｈe average montｈly training time of employees is an sensitivity index tｈat affects tｈe safety status of coal mines, tｈus realiｚing tｈe timely screening of sensitive links; tｈe safety grade of coal mine ｂased on tｈis model is relatively safe and tends to tｈe safety level to a large extent, wｈicｈ is consistent witｈ tｈe results oｂtained ｂy otｈer metｈods, tｈe existing researcｈ samples are verified, and tｈe influence degree of compreｈensive safety state grade to ｂe uated witｈ tｈe cｈange of eacｈ index is also given． Keywordscoal mine safety state; safety uation; variaｂle weigｈt tｈeory; matter－element extension; grade uation; sensitivity 煤炭行业作为我国重要的传统能源支柱产业, 在经济发展新形势下,其行业发展形式也发生了重 大变化,以安全生产、环境保护为特征的科学开采成 为煤炭行业发展的趋势[1]。 煤矿全面进入深部开采 阶段,由于地质构造复杂,瓦斯浓度高,煤与瓦斯突 011 Vol． 4７ Ｎo． 1 Feｂ． 2020 矿业安全与环保 Mining Safety 李洪兴 结合因素空间理论的基本原理对变权理论进行系统 的研究,讨论了状态变权向量与均衡函数之间的关 系,使得变权理论更趋于完善[8];李博等[９]构建了基 于变权理论的煤层底板突水预测评价模型,取得了 较为理想的结果;王洪德等[10]将变权理论引入围岩 稳定性评价领域,进一步提高了评价的可操作性和 准确性。 在对评价对象安全综合评价过程中,指标 权重及关联度的确定对综合评价结果的准确性至关 重要。 通常使用常权或一些简单的关联函数计算权 重,但缺乏评价对象在评价体系中的动态参与;采用 最大隶属度准则进行安全等级评价容易损失信息, 导致评判结果产生偏差。 鉴于此,笔者在运用物元可拓方法对煤矿安全 状态进行综合评判的基础上,引用变权理论确定指 标权重,并采用贴近度替代最大隶属度准则构建基 于变权物元可拓的煤矿安全状态评价模型。 利用该 模型对煤矿安全状态进行综合评判,以提高煤矿安 全状态评价结果的准确性。 1 变权物元可拓模型 1. 1 确定经典域、节域及物元矩阵 假定待评价对象为 n 个评价指标、m 个评价等 级的变权物元,则经典域物元Rj表示为 Rj（Nj,Ci,Vij） NjC1V1j C2V2j 左左 CnV nj NjC1（a1j,b1j） C2（a2j,b2j） 左左 Cn（anj,bnj ） （1） 式中i 为评价指标个数,i1,2,,n;Nj为第 j 个评 价等级,j1,2,,m;Vij是Nj对应Ci的取值范围,即 为经典域;Ci为第 i 个评价指标;Vnj是Nj对应Cn的量 值范围;anj和bnj分别为Vnj的上下限。 节域物元Rp表示为 Rp（Np,Ci,Vpi） NpC1Vp1 C2Vp2 左左 CnV pn NpC1（ap1,bp1） C2（ap2,bp2） 左左 Cn（apn,bpn ） （2） 式中Np为安全等级 p 的待评对象,p1,2,,m;Vpi是 Np对应Ci的取值范围,即为节域;Vpn是Np对应Cn的量 值范围;apn和bpn分别为Vpn的上下限。 待评物元矩阵如下 R0（N0,Ci,Vi） N0C1V1 C2V2 左左 CnV n （3） 式中R0为待评物元;Ci表示N0的 n 个特征;Vi是N0 对应Ci的实际值。 1. 2 规格化处理 为了统一指标量纲差异性,对经典域物元Rj,待 评物元R0进行规格化处理,可得 R j （Pj,Ci,V ij） PjC1（a1j/ bp1,b1j/ bp1） C2 左 （a2j/ bp2,b2j/ bp2） 左 Cn（anj/ bpn,bnj/ bpn ） （4） R 0（N0,Ci,Vi） N0C1V1/ bp1 C2 左 V2/ bp2 左 CnVn/ b pn （５） 1. 3 变权理论确立各评价指标权重 为了减少指标权重确定过程中的主观因素影 响,突显各评价指标的均衡性及体现评价对象在综 合评价中的动态参与,采用传统的层次分析法初步 确定评价指标权重,同时结合变权理论进行初始权 重修正,实现常权权重变权化,以更加贴切地反映各 评价指标对待评物元的影响程度。 基于因素空间理论的变权综合模型,设常权变 111 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 矿业安全与环保 Mining Safety dimax max [ vi－api, bpi－vi];diminmin[ vi－api, bpi－vi];α 为变权因 子,为了确保各指标具有一定的均衡性,本文取 α－1。 1. 4 贴近度计算 采用最大隶属度准则进行安全等级评定,无法 客观反映待评价对象自身临界区间的模糊性,容易 损失信息,使得评定结果偏离实际[11]。 笔者采用贴 近度替代最大隶属度准则计算得出评价物元与各级 集合的符合程度,贴近度计算公式为 N 1 － 1 n（n 1）∑ n i 1 D wi（8） 式中N 表示贴近度;D 表示距离。 待评物元的贴近度公式为 Nj（p0） 1 － 1 n（n 1）∑ n i 1 Dj（v i） wi（X） （９） Dj（v i） v i－ a ijbij 2 － 1 2 （b ij－aij） （10） 式中Dj（v i）表示待评物元与经典域规格化后的距 离;v i 为各实测值经规格化的值;a ij、bij分别为经典 域规格化后各指标上下限。 1. 5 等级评判 由Nj（p0） max[Nj（p0）]计算知,待评物元属于 j级（贴近度最大）。 令 j* ∑ m j 1 j Nj（p0） ∑ m j 1 Nj（p0） （11） Nj（p0） Nj（p0）－min Nj（p0） max Nj（p0）－min Nj（p0） （12） 式中j*为待评物元的等级变量特征值,表示评价对 象与该等级集合的符合程度,同时指示偏向邻近等 级的程度。 2 实例应用 2. 1 煤矿安全评价指标体系 为验证基于变权理论模型的煤矿安全状态评价 方法的可行性和有效性,笔者依据文献[12－13]中 河南义马煤矿样本采集数据为例进行实例分析。 煤 矿安全状态指标体系包括人员三违章 C1、月平均培 训时间C2、平均工作年龄C3、提升设施完好率C4、运 输设施完好率C５、机电设施完好率C６、通风设施完好 率C７、排水设施完好率C8、消防设施完好率C９、煤层 倾角C10、矿井涌水量C11、煤层最短自然发火期C12、 顶底板稳定性C13、粉尘最大浓度C14、万吨瓦斯突出 次数C1５、安全制度完善率C1６、安全措施完善率C1７、 安全管理时效性C18、安全管理有效率C1９、应急机制 完善率C20等 20 项指标[12]。 根据常用分级标准、专 家经验及矿井安全生产的特点,将矿井的安全等级 分为Ⅰ级（安全）、Ⅱ级（较安全）、Ⅲ级（一般）、 Ⅳ级（较不安全）及Ⅴ级（不安全）。 各评价指标的 安全等级临界值参考文献[13－14]确定,煤矿评价 指标风险等级分界值及样本数值如表 1 所示。 表 1 煤矿评价指标样本数值及风险等级分级标准 指标样本Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级 C1 2． ５９７ ９５ ７3 ５≤3 C3５． 410６ 104 ６2 4≤2 C4 ９５９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C５９3９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C６8５９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C７8９９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C8７７９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C９ ９0９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C101９９５９0 ９５8５ ９080 8５≤80 C14５９080 ９0７0 80６0 ７0≤６0 C18 81９080 ９0７0 80６0 ７0≤６0 C1９8９９080 ９0７0 80６0 ７0≤６0 C20９2９080 ９0７0 80６0 ７0≤６0 2. 2 权重的确定 由于各指标量纲和大小不同,利用式（4）和（５） 分别对经典域物元及待评样本指标进行规格化处 211 Vol． 4７ Ｎo． 1 Feｂ． 2020 矿业安全与环保 Mining Safety 经过比较 分析,变权法对异常指标作用不会进一步放大,可以 减弱异常指标对煤矿安全状态评价的影响,能更有 效地反映煤矿真实的安全状态,可提高评价结果的 准确性。 2. 3 贴近度及等级变量特征值计算 依据式（９）和式（10）计算可得评价物元与各风 险等级集合的隶属程度;根据式（11）和式（12）得出 评价物元等级变量特征值为 2． 3７。 3 种权重确定方 法所求的等级变量特征值符合2． 00j*2． ５0,安全 等级均为Ⅱ级,表示该煤矿处于较安全状态,且偏向 于安全状态,其评价结果与其他文献方法得出的结 果一致。 3 种方法求得的结果如表 2 所示。 表 2 贴近度和等级变量特征值计算结果 方法Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级j* 变权0． ９９９ ７0． ９９９ ９0． ９９９ 80． ９９９ ６0． ９９９ 42． 3７ 熵权0． ９９９ 10． ９９９ ６0． ９９９ 20． ９９９ 10． ９９９ ５2． 42 层次分析0． ９９９ ７0． ９９９ 80． ９９９ ７0． ９９９ ５0． ９９９ 32． 2７ 2. 4 敏感性分析 敏感性分析是指从众多不确定性指标中找出对 权重和等级变量特征值有重要影响的敏感性因素, 并分析其对评价对象影响的变化规律,进而判断评 价对象承担风险的能力。 当评价指标的实测值按照 10、20、30、40 的趋势变化时,分析指 标权重及等级变量特征值的变化情况,并研究所建 模型对指标变化的敏感性。 变化情况如图 2 4 所示。 图 2 评价指标权重随单指标值的变化规律 a整体图 ｂ隐藏C2指标的局部放大图 图 3 j*随单指标值的变化规律 311 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 矿业安全与环保 Mining Safety C11和C1５的权重值随着指标实测值变大而有所减小, 变小而增大;指标实测值变大时,C10的权重值几乎 不变,而指标实测值变小时其权重值减小。 通过上 述分析可知,权重随指标值变动呈现出不同的变化 规律,体现了各指标在等级评价过程中的动态参与。 其中,指标C2的变化趋势最为典型,权重随C2实测值 变化而出现显著变化,表明其对权重结果的敏感性。 由图 3 可知,整体评判等级变量特征值 j*变化 幅度较小,其范围为 2． 2７ 2． 4５,这表明各指标实测 值的变化不会改变煤矿安全状态评价的等级及其偏 向安全等级的程度;当C2的实测值变小时,等级变量 特征值 j*变化范围较大。 到－40 点时, j*值已大 于 2． ５0,这表明,随着C2实测值的变小,尽管煤矿安 全等级不变,但安全等级逐渐偏向一般等级。 其余指 标值的变化对安全评价结果影响较小。 由上述分析 可知,C2是该评价对象的敏感性指标,因此,可加强对 员工进行教育培训,以实现对敏感环节的及时排查。 由图4 可知,等级变量特征值 j*随各指标值的共 同变大而逐渐减小,随各指标值的共同变小而增大。 综上所述,通过敏感性分析可以得出指标权重 及等级变量特征值随指标变动的变化规律,一定程度 上弥补了以往评价方法的不足,可为煤矿综合安全评估 提供更多可靠性信息,进而提高评价结果的准确性。 3 结论 1）基于变权理论和物元可拓方法建立煤矿安全 状态评价模型,引入变权理论修正指标权重,可减少 人为因素对安全评价结果的影响,突出评价指标的 均衡性;采用贴近度来表征评价物元隶属于等级集 合程度,相比于最大隶属度评判结果更贴近实际。 2）评价结果表明,利用该模型评价得出河南义 马煤矿的安全状态等级为Ⅱ级,同时根据指标敏感 性分析,得出员工的月平均培训时间 C2是影响该煤 矿安全状态的敏感性指标。 3）变权理论评价方法也适用于其他领域的相关 评判工作,结合待评对象的特点,对该评价方法加以 改进和优化,可以为其他评估问题提供更多可靠的 信息预判,提高评价结果的准确性。 参考文献 [1] 谢和平,王金华,姜鹏飞,等． 煤炭科学开采新理念与技 术变革研究[J]． 中国工程科学,201５,1７（９）3６－41． [2] 张进春,吴超． 基于广义线性模型的概率风险评价方法 及其应用[J]． 中南大学学报自然科学版,2011,42（６） 1７1９－1７24． [3] 周铭轩,张渝,胡社荣． 基于模糊数学的煤矿安全管理评 价[J]． 矿业安全与环保,201７,44（６）11６－11９． [4] 赵宝福,张超,贾宝山,等． IIFLＮs－ＡHＰ 及其在煤矿安全 状况评价中的应用[J]． 中国安全生产科学技术,201６, 12（12）５９－６3． [５] 刘磊,于小鸽,王丹丹,等． 基于灰色理论的底板突水危 险性评价[J]． 矿业安全与环保,201６,43（５）4５－4９． [６] 刘文明,刘万金,裴跟弟． 多属性神经网络反演预测煤层 顶板岩性[J]． 煤田地质与勘探,201６,44（1）103－10６． [７] 汪培庄． 模糊集与随机集落影[M]． 北京北京师范大学 出版社,1９8５． [8] 李洪兴． 因素空间理论与知识表示的数学框架（Ⅷ） 变权综合原理[J]． 模糊系统与数学,1９９５（3）1－９． [９] WU Q,LI B,LIU S,et al． Vulneraｂility assessment of coal floor groundwater ｂursting ｂased on 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