基于AHP的矿井通风系统评价体系优化

段自力

(山东科技大学矿业与安全工程学院)



基于AHP的矿井通风系统评价体系优化

段自力

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

摘要采用层次分析法对某矿井通风系统进行评价，完善评价指标体系，选取16个评价指标，建立系统的递阶层次模型，构建合理的判断矩阵，运用Matlab计算得出了各指标的权重，在专家评审组对各层指标打分的基础上，计算出矿井通风系统的总得分，评价结果为良，符合矿井实际情况，说明层次分析法适合矿井通风系统评价。

关键词矿井通风AHP判断矩阵指标权重

通风作为矿井安全系统的重要组成部分，在矿井安全管理中格外重视。传统的矿井通风系统安全评价有多种方法：层次分析法、神经网络法、灰色关联分析法、模糊综合评判法等。由于各生产矿井的技术条件差别很大，必须根据矿井的实际情况确定相适应的评价方法。层次分析法(AHP)能用定量的手段分析和处理复杂的问题[1-3]。

矿井通风系统中的安全评价指标均为定量化或可以转化为定量化的指标，因此，采用层次分析法对矿井通风系统的安全状况进行评价。

1AHP简介

层次分析法是将影响评价目标的元素分解成目标、准则、方案等层次，并进行定量、定性分析的决策方法。该方法的主要思想是将决策目标的若干影响因素建立递阶层次结构，对影响因素进行两两比较，构建判断矩阵，然后求解判断矩阵特征向量，从而求得每一层次的各元素对上一层次某元素的权重，最后再求出对总目标的最终权重。

1.1递阶层次结构

层次分析法建立的层次结构分为3层：第一层为最高层，该层元素只有一个，一般指的是评价指标，用A表示；第二层为中间层，该层可以分为多个含有许多元素的子层，这些子层的元素是实现目标的中间环节，用B表示；第三类为最底层，该层是实现最高层的各种措施、政策、方案等，用C表示。

1.2判断矩阵

1.2.1判断矩阵构造

判断矩阵表示针对上一层某因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。假设P层因素中Km与下一层中A1,A2,…，An有联系，其构造矩阵一般取表1。

表1　K-A判断矩阵

1.2.2判断矩阵比较

判断矩阵值采用9标度法求解，即利用1～9及其倒数共17个数作为标度。标度见表2。

表2　标度表[4]

注：2，4，6，8为两相邻判断的中值。

1.3指标权重

1.3.1指标权重的计算

层析分析法通过特征根法计算权重。

(1)求单一层次所支配元素的判断矩阵A=(aij)n×n。

(2)求A的最大特征根λmax及其对应的特征向量u=(u1,u2,…，un)。

(3)将u归一化，即

(1)

1.3.2判断矩阵一致性及检验

专家无法对各指标重要性进行精确化判断，很难避免偏差。为使指标权重的质量得到保证，判断矩阵的一致性检验是很有必要的。

当矩阵A不具有完全一致性时，则有λmax>n；当且仅当判断矩阵A具有完全一致性时，λmax=n，且除了λmax=n外，其余特征根均为零。设一致性指标为CI,一致性比率为CR,则

(2)

(3)

式中，λmax为最大特征根；n为矩阵阶级；CR为一致性比率；RI为平均随机一致性指标，见表3。

表3　平均随机一致性指标

当CR<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要修正判断矩阵。

2算例分析

2.1某矿井通风系统状况

某矿井采用中央并列式通风，主斜井、副斜井进风，回风立井回风。首采8101回采工作面布置2条顺槽，一条进风顺槽和一条回风顺槽，矿井采用全负压通风。该矿安装了2台FBCDZ-10№25B型矿用防爆抽出式对旋轴流通风机，1台工作，1台备用，每台通风机配备YBFe560S1-10型电机，额定功率为160 kW，轴速为580 r/min。井下布置2个掘进工作面，均采用局部通风机压入式通风，局部通风机采用FBD-5.6型，均布置在进风流中，实现“三专两闭锁”，“双风机、双电源”，并做到自动切换。

2.2评价指标确定

影响矿井通风的因素很多，建立一个完善的矿井通风评价指标体系很重要。评价指标体系既要全面、完整地反映矿井通风状况，又要易于操作、方便使用。

根据以上要求，该矿井通风系统的安全评价指标体系进行了确定，见图1。所列出的16个指标中，矿井通风设施合格率、通风机效率、通风机功率、吨煤通风电耗、通风井巷工程费、矿井风压、矿井等积孔、矿井风量、矿井风量供需比9个指标为定量指标，其值的选取与确定则直接取值于矿井通风系统的测试结果；而风机运转稳定性、矿井反风系统的灵活性、用风地点风流稳定性、矿井通风能力、矿井抗灾能力、通风方式、用风地点风质7个指标为定性指标，其值的选取与确定则必须采取先打分，然后进行归一化处理成定量指标的方法才能进行后续的评价计算。

图1　某矿井通风评价指标体系

2.3指标权重的比较与计算

利用层次分析法的原理，通过两两比较，构造判断矩阵，而其最大特征根λmax对应的特征向量即是各项指标的权重。

根据表2，结合专家对各指标的判断，得出如下判断矩阵：

表4　A-B判断矩阵

表5　B1-C判断矩阵

表6　B2-C判断矩阵

表7　B3-C判断矩阵

表4经计算得λmax=3.085 8，CI=0.042 9，CR=0.074<0.1。通过一致性检验，判断矩阵有满意的一致解。

表5经计算得λmax=6.370 1，CI=0.07，CR=0.06<0.1。通过一致性检验，判断矩阵有满意的一致解。

表6经计算得λmax=4.198 1，CI=0.066，CR=0.073<0.1。通过一致性检验，判断矩阵有满意的一致解。

表7经计算得λmax=6.45，CI=0.09，CR=0.07<0.1。通过一致性检验，判断矩阵有满意的一致解。

通过上述方法，依次计算，可得指标权重总排序[5],见表8。

表8　A-C判断矩阵

2.4矿井通风系统的安全技术评价

在确定好各指标权重后，专家评审组对各层指标打分，选取平均分作为各指标的分值,打分采用百分制。最底层各指标分值平均分见表9。

表9　专家评审组对最底层指标打分

通过各指标得分乘以各指标权重，求得该矿井通风系统得分为87.94。

矿井通风系统指标尺度可分为优、良、及格、差、极差。本文设置5类标准值：优(分值90～100)、良(分值80～90)、及格(分值70～80)、差(分值60～70)、极差(分值0～60)。

矿井通风系统状况评价如下：

(1)各指标权重排序为C14(0.27)>C12(0.17)>C5(0.09)=C13(0.09)>C2(0.06)=C9(0.06)>C11(0.05)=C15(0.05)>C4(0.03)=C7(0.03)>C1(0.02)=C3(0.02)=C16(0.02)>C6(0.01)=C8(0.01)=C10(0.01)。

(2)矿井通风系统总得分为87.94，属于良。可以通过不断提高通风系统总得分来改善通风系统状况。

(3)矿井风量供需比C14权重最大，在管理中相对注重一些，而权重小的指标，可以少注重一些。

3结论

(1)针对矿井通风系统建立了评价体系，采用层次分析法对矿井通风系统进行评价，评价结果为良，符合实际情况。

(2)矿井通风系统中，既有定量指标，也有定性指标，层次分析法是一种能有效地处理难于完全用定量来分析的复杂问题的手段，适合矿井通风系统评价。

(3)在矿井通风系统中，既可以通过评价指标的权重比较进行管理，也可以通过比较评价指标体系总得分管理。

参考文献

[1]罗世兴,沙景华.基于AHP法的我国煤炭类上市公司绩效评价研究[J].中国矿业,2012,21(5):35-39．

[2]王新民,李洁慧,张钦礼,等.基于FAHP的采场结构参数优化研究[J].中国矿业大学学报,2010,39(2):163-168．

[3]廖文德,钟勇林,叶俊杰，等.基于AHP-FCE法的煤矿瓦斯灾害危险源定量评价[J].煤炭科学技术,2015,43(6):85-90．

[4]Liu Y J, Mao S J, Li M, et al. Study of a Comprehensive Assessment Method for Coal Mine Safety Based on a Hierarchical Grey Analysis [J]. Journal of China University of Mining& Technology, 2007,17(1):6-10.

[5]罗金辉,杨永国,秦勇,等.基于组合权重的煤层气有利区块模糊优选[J].煤炭学报,2012,37(2):242-246．

(收稿日期2015-12-05)

段自力(1990—)，男，硕士研究生，266590 山东省青岛经济技术开发区前湾港路579号。