基于G1法-改进熵权法的煤矿机电安全评价及应用

2024-04-14陈志莱

机电信息 2024年7期

摘要：针对煤矿机电设备安全评价体系不完善、指标权重确定不符合实际等问题，构建基于G1法、改进熵权法两种评价方法，运用最小信息熵原理在G1法和改进熵权法确定的相对主、客观权重中寻找平衡，充分考虑专家经验与样本已知数据，提高了所确定指标权重与实际情况的契合度，并基于前人研究，从人、机、管理、环境四方面对评价体系进行了分析与简化，分析筛选出影响程度较大的指标，并构建煤矿机电安全评价体系，获取煤矿机电安全状态级别。通过工程应用，对评估结果进行分析，对症下药，对煤矿开采薄弱环节加强管理措施，提高煤矿机电安全水平，对煤矿安全高效生产起到了积极作用。

关键词：煤矿机电设备；安全评价；G1法；改进熵权法

中图分类号：TD608 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）07-0060-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.016

0 引言

随着科技的不断进步和需求的不断变化，煤矿机电设备的发展趋势必然是更加智能化、自动化[1]，这种趋势将为煤矿行业的发展做出重要贡献。煤矿机电设备安全是煤矿安全生产中一个不可忽视的重要部分。

近年来，煤矿机电设备事故不断发生，造成了重大损失，煤矿机电设备安全的重要性受到了越来越多的关注，而安全状态评估是保障煤矿安全的重要手段之一[2-3]。

对煤矿机电设备进行数据收集、分析处理，了解其安全状态和潜在风险，开展风险评估并针对薄弱环节加强管理措施，提高煤矿机电安全水平是当前重要的研究内容。

近些年来，关于煤矿机电安全评价不少专家学者已开展了相关研究[4-7]，但所用方法较为单一，据此建立的煤矿机电安全评价体系难以准确找到具体的安全隐患并评估其风险程度。

评价指标体系可以结合定量和定性方法，既考虑数据指标的量化测定，又兼顾专家判断和经验的定性评估[8]。

本文运用G1法和改进熵权法得到指标的主观权重与客观权重，通过最小信息熵原理综合计算确定组合权重，以贵州省某煤矿为应用对象，对评估结果进行分析，对症下药，对煤矿开采薄弱环节加强管理措施，对煤矿高效开采起到了积极作用。

1 评价体系指标权重的确定方法

1.1 相对主观权重的确定

序关系分析法（G1法）是一种用于解决复杂决策问题的分析方法[9]。它是在复杂系统理论的基础上发展起来的，主要用于分析和处理具有序关系的决策问题。

G1法将复杂决策问题表示为一组决策事件的顺序组合或序列。通过分析每个决策事件的影响和关联关系，可以逐步推导出最终的决策结果。步骤如下[10]：

（1）确定序关系。

将不同评价指标di对评价准则的重要关系进行比较，与专家给出的评定建议结合加以分析，确定各指标的重要性排序，即若指标di相对于dj重要，则di＞dj。

（2）邻近指标重要性判定。

记专家关于评价指标di-1和di的相对重要性程度之比为■=γi，其中i=n，n-1，…，3，2，n为指标总数；γi为评价指标相对重要性程度之比，γi取值参考表1；di-1、di为评价指标值。

（3）计算主观权重ωi。

经专家对邻近指标重要性作出判别得到γi，则权重系数由ωi=1+■■γi■，ωi-1=γiωi（i=n，n-1，…，3，2）两个公式计算得到。

通过上述步骤可以看出，通过G1法所确定出来的指标主观权重其依据是征集专家对各指标的相对重要性意见的“定性-定量”主观计算方式，该方法尽管通过后续的计算降低了主观因素带来的权重误差，但仍然不排除个别专家做出差异性较大的判断，因此需要通过另一种客觀的评价方法进一步降低G1法中的主观成因误差。

1.2 相对客观权重的确定

改进熵权法是一种用于确定决策问题中客观权重的方法，它主要是通过分析各个指标之间的关系，给不同指标分配不同的权重，从而实现对决策问题进行客观的评价和排序[11]。

相比传统的熵权法，改进熵权法所确定的指标权重在提高原本指标权重确定的客观性的基础上，降低了其在确定过程中产生的误差过大的问题，使其更加符合实际情况[12]。

（1）确定各项评价指标的原始数据。

设评价对象T包含n个指标因素，T=（t1，t2，…，tn），通过访问多个专家，以评价调查问卷的形式，统计专家赞成各指标在各评价等级下的人数，得到T的m个样本数据，这些数据共同构成了评价对象的原始数据阵，记为A=（aij）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

（2）标准化处理各指标数据。

由于在系统评价体系中，针对各指标情况越优、整个系统安全性就越好的情况，不同的评价指标往往具有不同的单位与量纲，为消除指标的差异性，采用均值化法无量纲化处理原始数据，得到标准化矩阵，即B=（bij）n×m，其中bij=■，a* ij=■。bij为标准化的指标值；a* ij为正效应指标值；a* ij为正效应指标值的平均值。

（3）通过上述计算得到标准化矩阵后，根据公式Li=-t■uijln uij计算求得当前层指标下属第i个评价指标的熵值，式中的uij=（bij+0.1）■（bij+0.1），t=■。

将计算得到的熵值按照公式wi=■Lj+2-3Li

■■Lj+2-3Li计算求得当前层下属下级第i个评价指标的熵权，即评价指标的相对客观权重，其中，j=1，2，…，n，进而得到指标权重向量Wi=（w1，w2，…，wn）T。

1.3 G1法-改进熵权法确定组合权重

G1法计算得到的主观权重需要一定的主观判断和专业知识的支持，改进熵权法计算得到的客观权重具有客观性强而主观性弱的特点。两种方法所确定的权重均与实际情况存在一定偏差，故通过最小信息熵原理，组合G1法和改进熵权法确定指标的综合权重，能够提高评价指标的准确性和可信度。具体通过公式zi=■■■计算得到组合权重Zi=（z1，z2，…，zn）T。

2 煤矿机电系统安全评价指标体系

2.1 机电安全状态评价指标体系

构建和赋权煤矿机电设备安全评价指标体系，是全面、准确地评价煤矿机电设备安全状况的关键步骤。

当前，国内外学者对于煤矿机电安全评价开展了大量研究，但关于机电安全评价考虑的因素仍不够全面，而煤矿机电设备安全评价的关键就是对其指标权重的确定，现从人为因素、机电设备状况、管理组织和环境因素4个方面归纳出影响煤矿机电设备安全状态的16个因素，确定为煤矿机电安全评价指标体系，各指标之间关系如图1所示。

2.2 机电系统安全评价体系等级划分

煤矿机电安全评价可以采用评分和评定等级相结合的方法，即根据煤矿机电的实际情况进行定性或定量评估进行评分，评分结果与各指标的组合权重两者相结合得到各二级指标的相对评分，可用于了解煤矿机电设备存在的具体安全隐患及风险程度。将相对评分累加求和得到煤矿机电安全评价体系安全评分，依据十分制对煤矿机电安全评价等级进行划分，评价等级划分为四级，具体如表2所示。

3 实例应用

3.1 工程背景

深入贵州某矿开展研究，目前该矿正回采12705工作面，该工作面位于M27煤层中，所采煤层属Ⅲ类不易自燃煤层，工作面煤层赋存相对稳定，煤层结构简单，上距M24煤层采空区26～30 m，下距M30煤层45 m。12705工作面采用综合机械化采煤工艺：采用EBZ-160综掘机、刮板机、胶带运输机出货，胶带运输机6台。

工作面掘进全部采用综合机械化掘进工艺：EBZ200掘进机、EBZ160掘进机。

3.2 指标相对权重的确定

3.2.1 计算相对主观权重

为了保证指标选取的可靠性，邀请煤矿机电领域数位权威专家基于评价体系各层指标的重要级别，确定各个指标的排序。以煤矿机电安全评价指标体系中的一级指标为例，计算各一级指标的权重，计算过程如下：

选用D1、D2、D3、D4表示4个一级指标，确定它们之前的排序关系为D1＞D2＞D4＞D3？圯d1＞d2＞d4＞d3，由表1可以得到，γ2=■=1.4，γ3=■=1.6，γ4=■=1.2，γ2×γ3×γ4=2.688，γ3×γ4=1.92，γ4=1.2，γ2×γ3×γ4+γ3×γ4+γ4=5.808。

由公式ωi=1+■■γi■得到ω* 4=（1+5.808）-1≈

0.146 9，ω* 3=γ4×ω* 4=0.176 3，ω* 2=γ3×ω* 3=0.282 0，ω* 1=

γ2×ω* 2=0.394 8，则ω1=ω* 1=0.394 8，ω2=ω* 2=0.282 0，ω3=ω* 3=0.176 3，ω4=ω* 4=0.146 9。

故煤矿机电设备安全评价各一级指标权重为（0.394 8，0.282 0，0.176 3，0.146 9）。

通过重复上述步骤得到二级指标的权重，继而得出二级指标相对于一级指标的相对主观权重，如表3所示。

3.2.2 计算相对客观权重

结合制定的评价体系等级划分表，邀请该矿高工和技术人员共15名（Ti，i=1，2，3，…15），对煤矿机电设备安全评价的各二级指标进行评价打分，得到16个二级评价指标在不同评价等级下的支持数，如表4所示。

通过表4的原始数据，经改进熵权法计算相对客观权重，得到各指标熵值Li及其相对客观权重如表5所示。

3.2.3 G1法-改进熵权法确定组合权重

基于上文求得的相对主客观权重，通过公式zi=■■■求得各个二级指标的组合权重，如表6所示。

3.3 机电安全状态指标体系安全评价

根据来自该矿的10位机电科技术人员、5位勘探人员、5位专家的评分意见，将各级人员评分进行加权平均计算得到各指标综合评分，评分结果与各指标的组合权重两者相结合得到各二级指标的相对评分，累加求和得到该矿的煤矿机电设备安全评分情况，如表7所示。

由计算结果可知，该矿的安全评分为8.016 6，结合表2可得，该矿机电安全评价等级为较安全，与该矿实际状况相符，说明G1法-改进熵权法组合评价体系对于煤矿机电安全评价科学有效。根据评价体系各指标的综合评分可知，该矿人员操作违规率C2、设备维修水平C7、顶底板稳定状况C15的综合评分严重低于安全评分，因此，应该提高人员机电设备操作能力，加强设备的检修水平以及对顶底板的支护管理，以提高该矿机电安全水平。

4 结束语

传统的使用单一评价方法进行煤矿机电安全评价具有一定的局限性。本次采用G1法對煤矿机电安全评价体系指标的相对主观权重进行了计算，利用改进熵权法降低了相对客观权重确定过程中产生误差过大的问题，并将两种方法经最小信息熵原理组合得到相对组合权重。将两种方法综合使用后，可以更全面地评估煤矿机电的安全状况，提高评价指标的准确性和可信度。将该方法应用于贵州某矿，对计算结果进行了分析，对症下药，对煤矿开采薄弱环节加强管理措施，使该矿煤矿机电安全水平在短时间内得到了较大的改善，这对煤矿的安全高效生产有着重要意义。

[参考文献]

[1] 许剑波.煤矿用机电设备安全管理系统分析[J].机电工程技术，2021，50（7）：184-186.

[2] 王利峰.我国煤矿重要机电运输设备安全管理现状及对策措施研究[J].煤炭工程，2022，54（4）：162-166.

[3] 张国兵.煤矿机电设备安全管理探讨[J].当代化工研究，2021（21）：122-123.

[4] 安泰，都琨，吴亚妮.DEA模型下的煤矿机电设备安全管理效率评价研究[J].中国设备工程，2023（13）：69-71.

[5] 成剑飞.井下机电安全生产状况的模糊综合评价[J].煤炭与化工，2017，40（1）：102-105.

[6] 孙巨峰.基于信息化技术的煤矿机电安全管理体系研究[J].当代化工研究，2021（19）：77-78.

[7] 卢会凯.基于信息化技术的煤矿机电安全管理体系研究[J].煤矿现代化，2021（1）：160-162.

[8] 许鹏飞，赵浩，付恩三，等.煤矿系统性安全风险评价指标体系及应用[J].煤炭工程，2023，55（5）：135-140.

[9] 王学军，郭亚军.基于G1法的判断矩阵的一致性分析[J].中国管理科学，2006，14（3）：65-70.

[10] 李龙清，宫雯，许永刚.基于G1法的煤矿企业信息化水平指标权重的确定[J].西安科技大学学报，2012，32（4）：518-521.

[11] 王杰，杨霖堃.基于改进熵权法的矿井运输系统可靠性评判研究[J].煤炭技术，2021，40（4）：109-111.