矿井通风系统评价的TOPSIS方法.pdf

第 3 2卷第4期 2 0 0 7年 4月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF C HI N A CO AL S OC I E T Y V o 1 ． 3 2 No ． 4 Ap r ． 2 0 07 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 7 o 4 0 4 0 7一o 4 矿井通风系统评价的 T O P S I S方法 吴立 云 ， 杨玉中 ， 张 强 1 ． 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ； 2 ． 北京理工大学 管理与经济学院， 北京1 0 0 0 8 1 摘要 提 出了矿 井通风 系统评价的指标体 系，建立 了基 于熵权的 多层次 T O P S I S 逼近理想解 的排序方法评价模型．通过将该方法对平顶 山煤 业 集 团有限责任公 司四矿、五矿 和六矿 的通风 系统进行评价 ，得 出了各矿井通风 系统的优劣顺序，同时指 出了各矿井通风 系统在技术可 行性、经济合理性和安全可靠性等方面存在的问题并提 出了相应的改进对策． 关键词 通风 系统 ；综合评价 ；T O P S I S ；熵权 ；相对接近度 中图分类号X 9 1 3 ． 4 文献标识码 A TOPS l S me t h o d f o r e v a l u a t i o n o n mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m WU L i y u n ， Y A N G Y u z h o n g ， Z H A N G Q i a n g 1 ．S c h o o l o fE n e r g y S c i e n c e ＆E n g i nee r i n g， H e n a n P o ly t e c h n i c U n i v e r s i t y 4 5 4 0 0 3 ，C h i n a； 2 ．Sch o o l ofMa nag e m e n t ＆E c o n o mic s ， B e ij i n gI n s t i t u te of T e c h nolo g y ， B e l l i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i na Ab s t r a c t T h e i n d i c e s s y s t e m o f mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m e v a l u a t i o n w a s p u t f o r w a r d ．T h e mu h i l e v e l mo d e l o f T O P S I S t e c h n i q u e f o r o r d e r p r e f e r e n c e b y s i m i l a ri t y t o i d e al s o l u t i o n b a s e d o n e n t r o p y w e i g h t w a s e s t a b l i s h e d ． Th i s me t h o d wa s a p p l i e d t o e v a l u a t e t he v e n t i l a t i o n s y s t e m i n 4 ．5 a n d 6 mi n e o f Pi n g d i n g s h a n Co a l Gr o u p Co r p o r a t i o n L t d． ． Th e o r d e r pr e f e r e n c e o f mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e ms wa s g a i n e d． At t h e s a me t i me，t h e e x i s t i n g p r o b l e ms i n t e c h n i c al f e a s i b i l i t y，e c o n o mi c al r a t i o n ali t y a n d s a f e t y r e l i a b i l i t y o f mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e ms w e r e p o i n t e d o u t ，t he c o r r e s p o n di n g c o u n t e r me a s u r e s we r e p ut forw a r d． Ke y w o r d s v e n t i l a t i o n s y s t e m；s y n t h e t i c e v alu a t i o n ； T O P S I S ；e n t r o p y w e i g h t ； r e l a t i v e a d j a c e n t d e g r e e 矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，其任务是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各 用风地点提供质优量足的新鲜空气，以保证井下作业人员的生存、安全和改善劳动环境的需要；在发生灾 变时，能有效、及时地控制风向及风量，并配合其它措施 ，防止灾害的扩大．由此可得矿井通风系统的评 价标准应该是 “ 技术可行、经济合理、安全可靠” ．目前对通风系统评价的定量化方法中主要有模糊综合 评价 卫 、模糊贴近度评价 J 、基于粗糙集 一 神经网络的方法 ] 、灰色综合评价 ] 、安全度 等，这些方 法中有些具有较大的主观性 ，有些计 算过 于复杂 J ，不利于推广使用．基于熵权 的 T O P S I S方法则 可以避免上述方法的缺点，且可操作性强，易于推广使用． 1 矿井通风系统评价的指标体系 矿井通风系统是一个动态的、随机的、复杂的大系统，影响因素很多．不同学者从不同角度提出了通 风系统的评价指标体系，但到目前为止，仍然没有一套通用的评价指标体系．本文从通风系统的评价标准 收稿 13 期 2 0 0 6 0 6 2 3 责任 编辑 毕永华 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 7 0 4 7 1 0 6 3 ；河南省教育厅科技攻关资助项 目 2 0 0 5 1 046 0 0 0 3 作者简介吴立云 1 9 7 3一 ，女，河北藁城人，硕士，讲师． l 0 3 9 1 3 9 8 8 0 0 0 ，E m a i l j i t w l y h p u ． e d u ． c 刀 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年第3 2 卷 出发，充分考虑各指标间的相对独立性和可比较性，提出如下 3类指标组成的指标体系① 技术可行性 指标．技术可行主要是指在技术先进的前提下，通风系统的各项技术指标均达到煤矿安全生产的有关规 定，这是通风系统运行的基本前提。这类指标主要包括矿井总风阻、等积孔、矿井风量供需比、矿井通风 方式、矿井有效风量率等．② 经济合理性指标．经济合理是指在技术可行的前提下，通风系统的运行费 用比较合理，不超过本行业的平均费用．这类指标主要包括矿井主要通风机的功率、主要通风机的效率、 矿井外部漏风率、吨煤主通风机耗电量和通风井巷工程费等．③ 安全可靠性指标．安全可靠是指通风系 统不仅能保证矿井的正常生产，而且能预防和控制灾害事故的发生，这是煤矿安全生产的基本要求．这类 指标主要包括主通风机运转稳定性、风流稳定性 、矿井抗灾能力等． 2 基于熵权的 T O P S I S方法 T O P S I S 是一种统计分析方法，它借助多属性决策问题的 “ 理想解”和 “ 负理想解”对评价对象进行 排序 ] ．理想解是一个虚拟的最优解，它的各个指标值都达到评价对象中的最优值．而负理想解是虚拟 的最差解，它的各个指标都达到评价对象中的最差值．设有 m个评价对象 ， n 个评价指标，各评价对象的 评价指标值组成矩阵 ， 表示第 i 个评价对象的第 个指标的指标值． 1 数据的规范化因为各指标通常具有不同的量纲，无法直接进行比较，所以必须对指标值矩阵 进行规范化．规范化的方法很多，这里仅给出常用的一种． ／ m Y ／ ∑ l ， 2 ， ⋯， n ， 1 』 L l 式中，y 为第 i 个评价对象的第 个指标的规范化值． 2 确定评价指标的熵权在信息论中，信息熵是系统无序程度的度量 ．信息熵定义为 日 一∑ ， l ， 2 其中，m为评价对象的个数．一般来说，综合评价中某项指标的指标值变异程度越大，信息熵 日 Y j 越 小，该指标提供的信息量越大，该指标的权重也应越大；反之，该指标的权重也应越小．因此，就可以根 据各项指标值的变异程度，利用信息熵这个工具，计算出各指标的权重 一 熵权．首先求解输出熵 ，其 次求解指标的差异度 G ， 最后计算熵权 a j ，即 E H y j ／ l n m ， 1 一 1 ≤ ≤n ， ／ ∑G 1 ， 2 ， ⋯ ， n ． 3 ， L l 3 构造加权规范化矩阵因为各因素的重要程度不同，所以应考虑各因素的熵权，将规范化数据 加权，构成加权规范化矩阵． al Yl l al Y 2 1 ● al Y l 4 4 确定理想解和 负理想解 V { m a x 口 ∈J 。 ， mi n I ∈ J i1 ， 2 ，⋯，m} ，V一 m n v l ∈‘， 。 ， m a x ∈ l i1 ， 2 ， ⋯， m} ， 其中，J 。 为效益型指标集； 为成本型指标集． 5 计算距离各评价对象与理想解和负理想解的距离分别为 厂 一厂 一 d √∑ 一 ， d √ 一 ． 5 l i l 6 确定相对接近度评价对象与理想解 的相对接近度 C d ； ／ d d ． 6 维普资讯 第 4期 吴立云等 矿井通风系统评价的T O P S I S方法 根据相对接近度大小 ，就可以对评价对象的优劣进行排序．当评价对象的指标划分成不同层次时 ，就 需要利用多层次评价模型进行评价．多层次评价模型是在单层次评价基础上进行的，单层次评价的结果， 即各评价对象的相对接近度组成上一层次 的评价矩阵 C 2 ，此时考虑各 因素的权重 A，评价矩阵和权重向 量合成为评价结果 向量 C A C 2 ， 根据加权相对接近度 的大小即可确定评价对象的优劣． 3 通风系统综合评价 以平顶 山煤业 集 团有限责任公司下属的四矿 、五矿、六矿为例，应用基于熵权 的 T O P S I S方法对 其通风系统进行评价．各矿井通风系统的原始数据见表 1 ． 表 1 通风 系统原始数据 Ta bl e 1 The o r i g i n al dat a o f mi ne ve nt i l at i on s y s t e m s 1 数据 的规 范化根据式 1 ，规范化后的矩阵为 广0 ． 3 75 0． 3 0 0 0． 3 4 3 0 ． 3 3 0 0． 33 4- ] Yl 0 ． 3 3 9 0 ． 3 3 7 0 ． 3 2 2 0 ． 3 2 6 0 ． 3 2 6 1 ． L o ． 28 6 0． 3 6 3 0． 3 3 4 0 ． 3 4 4 0． 34 0／ 2 计算各指标的熵权根据式 2 ， 3 ，可计算出各指标的熵权为A ． 0 ． 6 1 2 ， 0 ． 3 1 2 ， 0 ． 0 3 4 ， r 0． 2 2 9 0 ． 0 9 4 0． 011 6 0． 0 08 7 0． 00 5 4q Vl 0 ． 2 0 7 0 ． 1 0 5 0 ． 0 1 0 9 0 ． 0 0 8 6 0 ． 0 0 5 3 1． 0． 1 7 5 0．1 1 3 0． 011 3 0． 0 09 1 0 ． 0 05 5 4 确定理想解和负理想解在技术可行性指标中，总风阻反映矿井通风难易程度，越小越好，等 积孔越大越好 ，风量供需 比在 [ 1 ，1 ． 2 ] 的区间内越 大越好 ，通风方式评分越大越好 ，有效风量率越大 5 计算距离 根据式 5 ，分别计算各评价对象与理想解和负理想解的距离为 d 0 ． 0 5 7 4 ， d i 0 ． 0 0 0 7 ， d 0 ． 0 3 3 1 ， d 0 ． 0 2 4 8 ， d 0 ． 0 0 0 3 ， d 0 ． 0 5 7 4 ． 6 确定相对接近度根据式 6 ，各评价对象与理想解的相对接近度分别为 C l l0 ． 0 1 2 ， C l 20 ． 4 2 8 ， C l30 ． 9 9 5 ． 根据判断准则可知， e 3e 2e 1 ． 类似于技术可行性评价过程 ，可 以得到各评价对象与理想解的相对接近度分别为 C 。 0 ． 0 1 2 ， C 0 ． 9 2 8 ， C 2 3 0 ． 5 2 0 ．根据判断准则可知，e 2 e 3 e 1 ． 维普资讯 4 1 0 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年 第3 2 卷 类似于技术可行性评价过程 ，可以得到各评价对象与理想解的相对接近度分别为 0 ． 4 0 7， C 3 3 0 ． 9 3 4 ．根据判断准则可知 ，e 3 e 2 e 1 ． 3 ． 2 第 1层次综合评价 第2 层次的评价结果组成第 1 层次的评价矩阵，此时考虑第 1 层次各因素的权重， 次分析法 计算过程略 ， A { 0 ． 3 4 3 ， 0 ． 2 4 3 ， 0 ． 4 1 4 } ．则第 1 层次的综合评价为 C A Cz f 0 ． 3 4 3 0 ． 2 4 3 C3 10 ．1 7 6，C3 2 权重的确定采用层 根据判断准则可知 ，e e 2 e 】 ． 3 ． 3结果分析 通过运用基于熵权的 T O P S I S 方法对矿井通风系统进行综合评价，可以得到如下一些认识① 综合考 虑技术可行、经济合理和安全可靠 3方面的指标 ，六矿 的通风系统状况最好 ，其次是五矿 ，四矿的通风系 统状况最差．② 从第 2 层次的评价结果可以看出各矿通风系统在技术可行、经济合理和安全可靠方面的 综合状况．六矿通风系统的技术可行和安全可靠性最好，其与理想对象的相对接近度远远大于其余两个矿 井，但其经济合理性的相对接近度远小于五矿，所以其通风系统管理的重点应是提高系统运行的经济性， 降低通风系统工程费和主要通风机的功率；五矿通风系统的经济性最好，技术可行和安全可靠两方面介于 3者之间，所以其通风系统管理的重点应是降低矿井总风阻，提高有效风量率，提高其风流稳定性和矿井 抗灾能力；四矿通风系统在各方面都最差，所以必须大力优化通风系统，降低矿井总风阻，降低主通风机 的功率，提高主通风机的效率，降低外部漏风率，提高矿井的抗灾能力． 4 结 语 一 基于熵权的 T O P S I S 方法是多属性决策方法在通风系统评价中的应用．该方法利用灰熵理论确定评价 指标的权重 一 熵权，避免了目前权重确定中的主观性或计算复杂性；借助评价对象与理想解和负理想解的 距离确定的加权相对接近度作为评价准则，从而避免了评价模型的主观性，使评价结果更符合生产实际． 基于熵权的 T O P S I S 方法既可以评价单层次的指标体系，也可以评价复杂的多层次指标体系．通过对平煤 集团四矿、五矿和六矿通风系统进行评价可以看出，该方法计算简便，易于推广使用，而且有助于发现系 统中存在的深层次问题 ，可以辅助领导进行安全管理决策．但该方法在进行多层次评价时，上层因素的权 重仍然需要借助其它方法来确定，所以该方法还需要进一步的完善和发展． 参考文献 [ 1 ] 谢贤平，冯长根 ，赵梓成．矿井通风系统模糊优化研究 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 9 ，2 4 4 3 7 9～3 8 2 ． [ 2 ] 周福宝，王德明，李正军．矿井通风系统优化评判的模糊优选分析法 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 2 ，3 1 3 2 6 2～2 6 6 ． [ 3 ] 秦书玉，孙平．矿井通风系统的模糊贴近度优化评价法 [ J ] ．辽宁工程技术大学学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 2 3 2 5 ． [ 4 ] 王洪德 ，马云东．基于粗糙集 一神经网络的矿井通风系统可靠性评价仿真研究 [ J ] ．系统工程理论与实践 ，2 0 0 5 ， 7 8 1 ～ 8 6 ． [ 5 ] wu L i y u n ， Y A N G Y u z h o n g ．G r e y c o mp r e h e n s i v e j u d g m e n t o n c o l l i e r y t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m [ A] ．P r o g r e s s i n S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y[ C ] ．B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ，2 0 0 4 ．2 O 0 6～2 0 1 1 ． [ 6 ] 蔡卫．矿井通风系统安全性评价及其应用 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 4 ，2 9 2 1 9 5 ～1 9 8 ． [ 7 ] 岳超源．决策理论与方法 [ M] ．北京 科学出版社 ，2 0 0 3 ．2 1 2～2 1 3 ． [ 8 ] Y a s u n o ，Y o s h i a k i ．Wa v e f r o n t fl a t n e s s e v a l u a t i o n b y w a v e f r o n t c o r r e l a t i o n i n f o r ma t i o n e n t r o p y m e t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n f o r a d a p t i v e c o nfo c al mi c r o s c o p e[ J ] ．O p t i c s C o m m u n i c a t i o n s ， 2 0 0 4 ， 2 3 2 6 9 1～ 9 7 ． 、 J 4 5 8 0 ● 【 4 5 0 0 8 0 0 ／ 1●●●●● J 加 9 5 9 0 0 0 8 8 7 2 2 0 4 9 4 0 0 0 2 2 6 1 l 1， 0 0 1 0 0 0 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 L 、J 4 l 4 0 维普资讯