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

1 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源的需求日益增大,平原地區(qū)的礦產(chǎn)資源已經(jīng)難以滿足當下礦產(chǎn)資源的需求。而高海拔寒區(qū)擁有大量礦產(chǎn)資源,因此對高寒地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)已成為當下緩解礦產(chǎn)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(huán)境給礦山開采生產(chǎn)帶來諸多困難,在影響人體健康的同時也阻礙運輸設(shè)備的正常工作,導致礦山運輸環(huán)境十分嚴峻。

適用于平原地區(qū)的礦山井下無軌運輸安全評價體系已經(jīng)難以滿足高海拔礦山的需要,因此研發(fā)一套適合高海拔寒區(qū)礦山井下無軌運輸?shù)陌踩u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(tǒng)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(huán)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(nèi)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(tài)來看,高寒地區(qū)低溫缺氧的特點同樣對礦用無軌車輛內(nèi)燃機的工作產(chǎn)生顯著影響。一方面由于燃料的不充分燃燒,容易產(chǎn)生有毒有害的尾氣,污染井下運輸環(huán)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(nèi)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(shè)備的安全狀態(tài)[6]。

從井下無軌運輸環(huán)境的角度出發(fā),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(huán)境安全評價指標反映了井下無軌運輸環(huán)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(tài)、運輸設(shè)備的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素組成的人-機-環(huán)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(huán)境多因素安全評價模型,該模型可基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),對安全進行評價分級進而指導決策。

3 基于人-機-環(huán)境安全評價體系的建立

結(jié)合安全科學理論和高海拔礦山井下無軌運輸現(xiàn)狀,基于人、機和環(huán)境三大要素構(gòu)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(jù)該體系可以對各指標進行評分分級,進而根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評價現(xiàn)場安全等級,并根據(jù)相關(guān)參考文獻對各指標進行區(qū)間等級評分,形成各安全指標評價標準。查閱相關(guān)文獻可知,人的不安全狀態(tài)指標評價標準[8-10]見表2,運輸設(shè)備的不安全狀態(tài)評價標準[11-13]見表3,環(huán)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(tài)指標評價標準

表3 運輸設(shè)備的不安全狀態(tài)評價標準

表4 環(huán)境的不安全因素指標評價標準

4 高海拔地區(qū)安全評價模型構(gòu)建

高海拔地區(qū)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(guān)系以及各指標所占權(quán)重值顯得尤為重要。綜合考慮指標之間的串、并聯(lián)關(guān)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(yōu)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(qū)井下無軌運輸系統(tǒng)安全性的評價。

4.1 基于AHP 法確定權(quán)重

4.1.1 建立權(quán)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(zhuǎn)化為定量分析,通過權(quán)重體現(xiàn)其重要性程度。但權(quán)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(tài)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(quán)重值。具體步驟如下。

1)建立層次結(jié)構(gòu)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(quán)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(quán)重系數(shù)

在單層次條件下,為了計算指標權(quán)重系數(shù),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(shù)。

式中:Wi——該指標的權(quán)重系數(shù),得出權(quán)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(xié)調(diào)性,防止出現(xiàn)指標權(quán)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(diào)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(quán)值;

Wi——本層次指標的權(quán)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(gòu)成多層次結(jié)構(gòu)的判斷矩陣通過一致性檢驗。

4.1.2 各級指標權(quán)重計算

根據(jù)層次分析法對高海拔礦山井下運輸風險各指標權(quán)重進行計算。

1)計算人的不安全狀態(tài)B1指標權(quán)重

首先,構(gòu)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(jīng)過歸一化處理得到權(quán)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(xié)調(diào),權(quán)重值有效。

2)計算運輸機器的不安全狀態(tài)B2指標權(quán)重

運輸設(shè)備的不安全狀態(tài)B2的判斷矩陣為

根據(jù)該矩陣,計算得到權(quán)重向量為

在對照組治療方案的基礎(chǔ)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(shù)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(huán)境的不安全狀態(tài)B3指標權(quán)重

環(huán)境的不安全狀態(tài)B3的判斷矩陣為

根據(jù)該矩陣,計算得到權(quán)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(quán)重

根據(jù)該矩陣,計算得到權(quán)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(jié)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(quán)重集

一級指標權(quán)重集:

W={W1,W2,W3}

二級指標權(quán)重集:

Wi={Wi1,Wi2,…Wij}

Wi是一級指標權(quán)重集合中第i個因素的權(quán)重數(shù)值;Wij是二級指標權(quán)重集合中第j個因素的權(quán)重數(shù)值。

4.2.4 構(gòu)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(guān)系為依據(jù),得到模糊關(guān)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(guān)系。

4.2.5 構(gòu)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(jié)果對高層次因素評價,才能得出最終結(jié)果。

1)1 級綜合評級

根據(jù)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(gòu)成,即:

2 級綜合評級模型為

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

4.2.6 評價結(jié)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(jié)果采取進一步的處理,通常采用加權(quán)平均法處理。設(shè)評價等級U=(100,80,60,40,20),則評價結(jié)果為

若評價指標歸一化后,則:

bj作為權(quán)數(shù),因素uj的等級作為變量,計算即可得出最終的結(jié)果。

5 實例分析

基于高海拔地區(qū)金屬礦山各傳感器的數(shù)據(jù),結(jié)合評價指標的計算方法,得出該階段的各指標數(shù)據(jù),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(quán)重(Wij)值,具體見表7。構(gòu)建因素評判矩陣,以人的不安全狀態(tài)為例,由隸屬函數(shù)計算隸屬度,形成評判矩陣為

表7 高海拔高寒地區(qū)多因素耦合人-機-環(huán)系統(tǒng)安全性綜合指標權(quán)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(qū)多因素耦合人-機-環(huán)系統(tǒng)評價的模糊評判矩陣為

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

6 結(jié)論

本文針對高海拔寒區(qū)井下無軌運輸?shù)陌踩珕栴},通過分析井下無軌運輸系統(tǒng)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(gòu)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(gòu)建上,對正態(tài)分布隸屬函數(shù)進行優(yōu)化。

基于實例和高海拔礦山無軌運輸多因素耦合人-機-環(huán)境系統(tǒng)安全評價模型計算了該高海拔礦山各安全指標的權(quán)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(qū)多因素耦合人-機-環(huán)系統(tǒng)進行綜合評價是可行的。