基于组合赋权—云模型的非煤矿山双重预防建设评价

2023-11-13蒋夏施李学锋段善达黄绪兴杨一豪肖武宁

矿业安全与环保 2023年5期

蒋夏施,李学锋,段善达,黄绪兴,杨一豪,肖武宁

(广西大学资源环境与材料学院,广西南宁 530000)

非煤矿山生产过程是综合了开拓、提升运输、防治水与排水、通风、充填、供配电、消防、避险、安全管理等多系统工程,是推行“双重预防机制”建设的重点[1-3]。目前在已有的双重预防机制建设中,对非煤矿山双重预防机制建设评价模型的研究较少。因此,为保障矿山双重预防机制的有效建设,需要建立合理的指标评价体系,从而提升矿山双重预防建设水平,提高矿山企业对自身行业的危险认知度。

目前关于矿山安全管理建设成效的研究,国内外诸多学者选取的方法大多是层次分析法、模糊综合评价法等,这些方法往往依赖于人为赋权或者打分,容易受主观因素的影响,导致结果的准确性和严谨性不高[4-6]。为解决上述问题,在采用组合赋权法构建评价指标体系的基础上,通过云模型计算得出最终评价结果,以降低人为主观因素的影响,提高评价结果的准确性[7-10]。将基于组合赋权—云模型评价方法应用于非煤地下矿山双重预防建设等级评价中,可为矿山行业提高双重预防机制建设评价提供参考。

1 确定评价指标体系

矿山双重预防机制建设的主要内容包括基础工作建设、矿山风险的分级管控、隐患全过程排查治理、双重预防机制实施保障[11]。笔者通过专家调研和文献研究,对建设成效的构成要素进行分析,根据非煤矿山行业和双重预防机制的特点,参照行业技术标准与相关法律规范,确定出评价指标体系的4项一级指标,并对一级指标所包含的主要工作内容与影响因素等进行细化分析,从而确定出评价指标体系的27项二级指标,如图 1所示。

图1 非煤矿山双重预防机制建设成效评价体系

2 组合赋权法确定权重

指标权重分为主观权重与客观权重,确定主客观权重的方法有层次分析法、熵权法等,采用这些传统方法得到的主观权重或客观权重,具有一定的局限性和单一性[12]。为提高指标权重结果的精准性,采用AHP法与熵权法得到主客观权重,并运用组合赋权中的乘法合成法得到综合权重。该模型结合了主观认识和客观数据,从而提高了指标权重结果的可靠性。

2.1 主观权重

AHP法是在专家调研的基础上对各层次评价指标进行打分,运用数学方法进行权重定性定量分析,在一定程度上降低了专家打分的主观影响[13-14]。

运用AHP法得到包含m个评价指标、n个专家评分的矩阵A=(aij)m×n。各指标的主观权重wi计算公式如下:

(1)

式中:m为评价指标个数;n为专家个数。

为了消除不同权重因差异较大而造成的影响,将权重进行归一化处理,得到指标归一化后的主观权重ws:

(2)

2.2 客观权重

为加强权重结果的客观性,运用熵权法来确定客观权重。熵权法通过各评价指标的熵值来计算指标的权重,能够避免计算过程中的主观影响,充分反映出权重的数据特点[15]。客观权重的计算具体如式(3)～(5)所示。

对评分矩阵A=(aij)m×n进行标准化处理,得到标准化矩阵P=(pij)m×n:

(3)

计算每个指标的熵值ej:

(4)

计算每个指标的客观权重wo:

(5)

式中:i∈[1,m];j∈[1,n]。

2.3 组合权重

在确定权重过程中,采用单一的主观权重或客观权重都存在一定的局限性。为使评价结果更加精确且符合实际情况,采用组合赋权法获得最终权重。

目前的组合赋权方法主要有线性加权法和乘法合成法等[16]。线性加权法通过分配指标权重系数得到权重结果,在实际应用中缺少理论依据。乘法合成法是将主客观权重相乘后,通过归一化处理得到最终权重,计算结果更符合实际情况且可操作性更强[17]。

本研究将主观权重ws和客观权重wo通过乘法合成法计算得到组合权重wA:

(6)

3 云模型评价模型建立

3.1 云模型理论

在构建非煤矿山双重预防机制建设成效评价指标体系后,专家依据收集到的矿山建设情况和地质环境资料对双重预防机制建设等级做出评价。在实际评价过程中,可能存在矿山企业的实际建设情况与各类信息不确定的问题,会导致专家评价结果不准确。针对上述问题,通常会将模糊集、概率论等理论引用到云模型中,从而降低不确定因素对评价数据的影响[18-19]。

云模型是李德毅院士在模糊集和概率统计的基础上提出的数学模型,该模型能够降低评价过程存在的不确定性[20]。云模型中定性概念与定量特征间的映射关系用期望(Ex)、熵(En)、超熵(He)这3个数字特征值来表征[21]。在计算得到这3个参数后,采用MATLAB编程绘制云图直观展现评价结果。本研究先计算评价指标的3个数字特征,再通过云正向发生器生成标准云图和综合评价云图,以评价非煤矿山双重预防机制建设成效等级。

3.2 建立评价标准云

建设评价标准等级,其中第n个等级的评价区间为[Vmin,Vmax],此区间对应的标准云的3个数字特征值(Ex,En,He)计算公式如下:

(7)

式中:Vmax、Vmin分别为指标稳定性的上下界;k为常数,取0.05。

3.3 计算评价综合云

非煤矿山双重预防机制评估指标体系先确定评语集后,设计调查问卷及量化评分规则,邀请专家对指标建设等级量化打分;随后通过计算将评价值转换为云模型值,并采用逆向云发生器计算评价指标因子的云模型特征值;最后依据云模型特征值来计算出评价指标因子的综合云值。

将专家对不同指标的打分结果表示为矩阵D:

(8)

式中:p为指标个数;q为专家个数。

计算每个指标的期望值:

(9)

式中Xij为第i位专家对第j个指标的打分。

计算每个指标的熵值:

(10)

计算每个指标的超熵:

(11)

(12)

式中s2为方差。

通过上述公式计算得出的非煤矿山双重预防机制建设评估二级指标因子云特征值参数(Ex,En,He)。在此基础上与通过组合赋权法计算得出的组合权重W进行合成,根据式(13)计算非煤矿山双重预防机制建设评估指标体系的综合云特征值参数:

(13)

式中Wp、Exp、Enp、Hep分别为第p个指标的最终权重、期望、熵和超熵。

4 实例验证

为验证组合赋权—云模型评价模型在非煤矿山双重预防机制建设成效评价中的可行性和适用性,以广西桂平市锡基坑铅锌矿的双重预防机制建设成果为样本来进行分析。该矿为露天/地下开采,生产规模45.0万t/a,于2021年12月开始开展双重预防机制建设,在2022年6月已按照要求初步建成了“全员参与、全过程管理、全面覆盖”的双重预防体系。