改进AHP耦合灰色聚类法的矿井人体热舒适评价

2023-09-02任江朋

山西焦煤科技 2023年6期

任江朋

(山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司, 山西临汾 041204)

随着采矿工业的发展,矿井开采深度逐渐增加,综合机械化程度不断提高,矿井热害也成为矿井灾害之一。当工人长期处于高温高湿的矿井热环境中,会引起生理以及心理的一系列变化,例如:不能维持正常的体温、精神萎靡、工作效率降低等,导致矿山事故的发生频率升高。因此,对于矿井人体热舒适的评价研究十分必要。

人体的热舒适程度是建筑学设计行业广泛关注的焦点之一,而在矿井通风设计学中,热舒适的关注度不高,起步较晚。20世纪末,魏润柏等对人体热舒适性的影响因素进行了初步的研究[1],为矿井热环境研究奠定了基础;21世纪初至今,刘卫东等分别以低温矿井和高温矿井作为研究对象,对矿井进行现场调研,内容包括风流温度、湿度、流速、煤尘浓度和噪声,统计并分析矿工的主观评价,结果显示:粉尘和噪声因素对低温矿井工作人员影响较大,温度对高温矿井工作人员影响较大[2-3];周刚、欧晓英等将层次分析-模糊综合评价法应用于矿井热评价中,从而确定矿井热环境舒适等级[4-5];应用AHP、灰色聚类法对建筑施工、危险化学品等行业风险评价的研究有很多,但是对于矿井人体热舒适评价研究却很少。而且矿井热环境不确定因素多,传统的评价方法大多仅从定性或定量的角度进行分析,不能完全体现出矿井因素的复杂性。

鉴于此,提出改进AHP耦合灰色聚类法评价方法,建立矿井人体热舒适评价指标体系,构建AHP模型,运用改进层次分析法确定各指标权重,基于灰色聚类法从定量计算和定性分析相结合的角度对矿井人体热舒适进行评价,以期为煤矿热害防治工作提供新的理论参考。

1 矿井人体热舒适评价指标体系

为了保证评价指标体系的可靠性,通过分析矿井人体热舒适评价体系内在的相关性与联系,将外界环境、人的生理指标、人的主观因素作为评价体系的一级指标。探究各一级指标的影响因子,将其作为评价体系的二级指标,二者共同组成矿井人体热舒适评价指标体系。

1.1 外界环境因素

在井下作业过程中,一旦工作环境的温度大于25 ℃,就会对皮肤温度产生一定的影响,如果温度过高,甚至会危害人体的生理健康。井下巷道内湿度非常大,当人体长期处于这种环境中时,会使人体的热量无法散发,从而引起人体内环境紊乱。风速是影响人体散热的重要指标。综上所述,在外界环境方面,选取温度、相对湿度和风速3个指标作为二级指标。

1.2 人的生理指标因素

随着环境温度的升高,人体不断地适应着外部环境,人体机能的内部调节会使人体产生一系列的生理反应,如:心跳加快、血压上升迅速、体表温度升高等。对于不同的热环境,人的生理反应程度不同,这些不同程度的生理变化揭示了人体所处热环境的舒适性。因此,在人的生理指标方面,选取心率、体表温度、血压3个二级指标。

1.3 人的主观因素

井下工作与其他工作相比有很大的不同,当人长期处于此类工作环境时,会容易产生生理疲劳并出现不健康的心理状态,影响工人工作的积极性。同时,矿工下井一般都统一穿着矿工服,服装的舒适性对人体热舒适感觉也会产生重要影响。因此,在人的主观因素方面,选取生理疲劳因素、心理状态指数和服装的舒适性指数3个二级指标。

2 矿井人体热舒适评价方法

2.1 改进AHP

改进AHP是在层次分析法(AHP)的基础上采用1—3标度法构造判断矩来计算指标权重,增加拟优一致矩阵,可以避免传统的1—9标度层次分析法计算出现的迭代过多、判断界限不清、一致性检验复杂等问题。具体步骤如下:

1) 建立AHP结构。第一个层次是目标层A,为评价体系的总目标矿井人体热舒适评价指标。以评价体系的一级指标外界环境B1、人的生理指标B2、人的主观因素B3为准则层。准则层进一步拓展为指标层C.ANP结构模型见图1.

图1 ANP结构模型图

2) 计算评价指标权重。采用3标度法将各指标两两进行比较建立完整的判断矩阵B,计算最大特征值λmax和指标权重w. 其中,各判断矩阵均通过一致性检验。各评价指标的权重值见表1.

表1 各评价指标的权重表

准则层判断矩阵:

指标层判断矩阵:

2.2 灰色聚类法

矿井人体热舒适的评价不仅有定量分析,还有对人的主观性因素、心理因素等定性分析。此外矿井环境复杂,这使得评价过程产生不确定的灰色信息,因此引入了灰色聚类分析法。具体步骤如下:

1) 确定评价指标样本矩阵。

根据评价要求将矿井人体热舒适度划分为很舒适、较舒适、舒适、不舒适、很不舒适5个灰类,并将5个等级分别赋值为2、4、6、8、10,评价值越低时证明人体越舒适,当得分介于两个评价等级之间时,评价值取中间值。邀请h位工人按照上述评价等级进行问卷调查打分,并根据调查问卷的打分得到评价分dijh,建立评价指标样本矩阵Di=[dijh]s×p.

2) 确定评价灰类及白权化函数。

根据等级划分结果,将评价灰类分为5个等级,分别用E1、E2、E3、E4、E5表示。将各个指标的取值范围划分为[0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]5个灰类,取其中心阈值点向量U=(1,3,5,7,9). 建立矿井热舒适白权化函数。

3) 确定灰类评价系数。

将各项评价指标样本值通过白化权函数进行处理后,进行同一灰类的计算,得到白化权函数之和,将其作为该灰类的评价系数,具体计算式为:

(1)

二级指标的所有评价灰类的总系数为:

(2)

式中:xijE为第E个评价灰类中的评价系数;xij为二级指标的所有评价灰类总系数。

4) 确定灰色权矩阵。

二级指标的第E灰类评价值为:

(3)

将计算出的灰类评价值带入式rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5)中,得到灰色评价权向量rij.将得到的各个评价权向量进行转置,并带入到同一个矩阵中,该矩阵即为不同灰类的灰色权矩阵Ri.

5) 多级评价。

将二级指标灰色权矩阵Ri与其对应的二级指标权重WB=(wB1,wB2,wB3)相乘,即可得到二级指标评价集Bi,即:Bi=WBRi,结合A的评价权重WA进行数学处理,计算出一级指标A的综合评价结果,即A=WAR. 由于计算出的综合评价结果A是以向量的方式进行表达的,通过式V=A·UT将结果进一步数值化,得出对应的综合评价值V,根据数值V与评价等级的比较,确定人体热舒适的等级。

3 豹子沟煤矿热舒适评价

对豹子沟煤矿二采区205工作面进行现场数据测试,测定了通风的基本参数,确定了该工作面的风速为2.5 m/s、湿度83%、温度26 ℃,并将其换算成评价值。抽取6名工作人员进行了生理指标数据测定,得到生理指标的评价等级,换算成评价值。通过调查问卷,将主观评价的定性指标数量化,建立了评价样本矩阵。由于工人所处外界环境相同,所以温度C11、相对湿度C12、风速C13三个指标是不变的。205工作面工人指标评分见表2.

表2 205工作面工人指标评分表

根据工人指标的评分,将其带入所建立的矿井热舒适白权化函数中,通过公式计算得出各个指标相应的灰类评价系数。本文主要以二级指标心率C21为例。C21属于E级灰类的评价系数为x21E,当E=1时,根据式(1)计算得到:

x211=f1(d211)+f2(d212)+f3(d213)+

f4(d214)+f5(d215)=0.778

根据式(2)计算指标U21属于各级灰类的总评价系数为:

x21=x211+x212+x213+x214+x215=3.736

根据式(3)得出评价指标U21评价权向量为:

(0.147,0.165,0.189,0.220,0.279)

根据以上算法,计算出评价体系中所有评价指标评价权向量,得出3个二级指标的灰色评价矩阵R1、R2、R3,为:

对各二级指标B进行综合评价,其结果为:

对一级指标A进行评价,该人体热舒适的灰色权矩阵为R=(B1,B2,B3),其结果为:

A=WA×R=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.221)

由该矿井热环境中人体热舒适的综合评价值计算:

V=A·UT=(0.182 0.190 0.199 0.208 0.211)×(1 3 5 7 9)T=5.102

根据以上分析结果可以确定,豹子沟煤矿二采区205工作面的人体热舒适等级为舒适,符合实际生产状况。因此,所建立的改进AHP-灰色聚类法矿井人体热舒适评价模型有效可行且更简单,可以更好地为矿井热舒适调节做出理论上的指导。

根据二级指标计算权重的结果可知,外界环境温度和体表温度对人体的舒适程度影响最大。通过指标评分表的打分发现该矿井的工人对于服装的舒适性不太满意。随着开采深度的增加,应通过定制不同的工作制服来应对环境的变化。该工作面部分工人的不安全心理现象较为严重,对于此种情况,应进行定期的心理疏导工作,缓解工人的心理压力,并通过安全培训加强工人的安全意识,尤其是对情况严重的工人必须进行一对一的心理辅导。此外,长期在高温高湿环境中进行机械劳动会导致工人的工作积极性降低,需要提高作业人员对工作的独立性或工作兴趣,降低工人对于重复作业产生的生理、心理疲劳程度。