CN110135760A - 一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，该方法包括步骤：1)确定经典域、节域及物元矩阵；2)对经典域物元、待评物元进行规格化处理；3)确立各评价指标权重；4)贴进度计算；5)等级评判。本发明在引用物元可拓方法对煤矿安全状态进行综合评判的基础上，运用变权理论确定指标权重以减少人为主观因素对评价结果的影响，结合采用贴近度替代最大隶属度准则构建基于变权物元可拓的煤矿安全状态评价模型，基于该模型对煤矿安全状态进行综合评判，经过敏感性分析指出了评价对象对权重和评价结果的影响并得出煤矿安全综合评价指标的敏感性，评价精确性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，属于煤矿安全评价技术领域。
背景技术
煤炭作为不可再生资源，具有能源、工业原料双重属性。当前，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2015年我国煤炭消费量仍占国内能源消费总量的64％，煤炭作为我国主导能源的地位短期内不会改变。我国粗放型的煤炭产业发展，使其在支撑国民经济快速发展的同时，也付出了沉重的代价，发生了许多重大人员伤亡事故，生态环境破坏严重。因此，有必要对矿井的安全状态进行阶段性评价，从而提高煤矿的本质安全化程度和管理水平，实现煤炭行业健康可持续发展。同时，在工程实际中，需要对矿井安全等级进行排序并以此来进行决策与计划。因此，需要建立一种客观、合理的综合方法对煤矿安全进行评价分析。
随着科学技术理论的发展，如概率评价法、模糊评价法、层次分析法、灰色关联法、神经网络法等理论被广泛应用于煤矿安全综合评价中，并取得了丰富的研究成果，但这些理论在评价过程中容易忽略指标内部差异性对评价结果的影响，且其可操作性及客观性有待进一步完善。变权理论是在常权权重的基础上实现变权化处理，是由汪培庄教授于20世纪80年代最先提出来的一种动态建模原理，强调指标权重应随指标取值状态的变化而变化，以应对常权权重给实际决策造成的偏差。90年代，李洪兴教授基于因素空间理论的角度对变权理论进行了系统的研究，首次引入了变权的公理化定义，讨论了状态变权向量与均衡函数之间的关系，使得变权理论更趋于完善。李博等最先将变权理论引入煤层底板突水评价领域，建立了煤层底板突水预测评价模型，取得了较为满意的结果。王洪德等开创性提出基于改进变权物元可拓模型的围岩稳定性评价法，进一步提高评价的可操作性和准确性。基于变权理论的评价过程中，指标权重及关联度的确定对综合评价结果的准确性至关重要。通常使用常权或一些简单的关联函数计算权重，缺乏体现评价对象在评级体系中的动态参与；采用最大隶属度准则进行等级评定，无法客观反映被评价对象自身界限的模糊性，容易损失信息，使得评定结果产生偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)确定经典域、节域及物元矩阵
经典域物元Rj表示为：
式中：Nj表示第j个评价等级；Ci表示第i个评价事物的特征；Vij是Nj对应Ci的取值范围，即为经典域；aij和bij分别为Vij的上下限。j＝1，2，…，m；
节域物元Rp表示为
式中：Np为标准事物全体；Vpi是Np对应Ci的取值范围，api和bpi表示安全评价等级全体所对应评价指标量值区间内的最小值和最大值，即为节域；
物元矩阵表示为
式中：R0为待评价物元；N0为某一具体的评价对象；Ci表示N0的n个特征；i＝1,2…,n，为待评物元的指标数；Vi是N0对应Ci的实际值；
(2)规格化处理
对经典域物元Rj，待评物元R0进行规格化处理，可得：
(3)确立各评价指标权重
为减少确定评价指标权重时的主观因素，依据层次分析法对各指标权重进行初步确定，并使用变权理论对各指标权重进行修正，对因素常权变量做一致化处理，以突显各指标在评价中的均衡性。同时，利用评价指标的实测数据和其对应节域来确定状态变权向量，以体现评价对象在综合评价中的动态参与，根据因素空间理论，设因素状态变量X＝(x1，x2，...，xn)，因素常权变量W＝(w1，w2，...，wn)，状态变权向量S(X)＝(S1(X)，S2(X)，...，Sn(X))，则变权向量W(X)＝(w1(X)，w2(X)，...，wn(X))可由因素常权向量W和状态变权向量S(X)的Hadamard乘积确定，变权向量wi(X)公式为
式中：wi由层次分析法计算得出，di max＝max[|vi-api|，|bpi-vi|]；di min＝min[|vi-api|，|bpi-vi|]，其中，α为变权因子，取α＝-1；
(4)贴进度计算
采用贴近度替代最大隶属度准则计算得出评价对象与等级集合的符合程度，贴近度计算公式为
式中：N为贴近度；D为距离；wi为权重，待评物元对应于各等级的贴近度为
式中，Dj(v′i)表示待评物元与经典域规格化后的距离，a′ij、b′ij分别为经典域规格化后各指标上、下界；
(5)等级评判
由Nj′(p0)＝max[Nj(p01)]计算知，待评价物元属于j′级，令
式中，式中，j*为待评价物元的等级变量特征值，表示评价对象与该等级集合的符合程度，同时指示偏向临近等级的程度，其中，m表示安全等级个数。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在引用物元可拓方法对煤矿安全状态进行综合评判的基础上，运用变权理论确定指标权重以减少人为主观因素对评价结果的影响，结合采用贴近度替代最大隶属度准则构建基于变权物元可拓的煤矿安全状态评价模型，基于该模型对煤矿安全状态进行综合评判，经过敏感性分析指出了评价对象对权重和评价结果的影响并得出煤矿安全综合评价指标的敏感性，评价精确性高。
附图说明
图1是三种权重方法的比较；
图2是权重随单指标值的变化情况；
图3是随单指标值的变化情况；
图4是等级变量特征值随各指标值的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)确定经典域、节域及物元矩阵
经典域物元Rj表示为：
式中：Nj表示第j个评价等级；Vij是Nj对应Ci的取值范围，即为经典域；aij和bij分别为Vij的上下限，j＝1，2，…，m；
节域物元Rp表示为
式中：Np为标准事物全体；Vpi是Np对应Ci的取值范围，即为节域；
物元矩阵表示为
式中：R0为待评价物元；Ci表示N0的n个特征；i＝1,2…,n，为待评物元的指标数；Vi是N0对应Ci的实际值；
(2)规格化处理
对经典域物元Rj，待评物元R0进行规格化处理，可得：
(3)确立各评价指标权重
为减少确定评价指标权重时的主观因素，依据层次分析法对各指标权重进行初步确定，并使用变权理论对各指标权重进行修正，对因素常权变量做一致化处理，以突显各指标在评价中的均衡性。同时，利用评价指标的实测数据和其对应节域来确定状态变权向量，以体现评价对象在综合评价中的动态参与。根据因素空间理论，设因素状态变量X＝(x1，x2，...，xn)，因素常权变量W＝(w1，w2，...，wn)，状态变权向量S(X)＝(S1(X)，S2(X)，...，Sn(X))，则变权向量W(X)＝(w1(X)，w2(X)，...，wn(X))可由因素常权向量W和状态变权向量S(X)的Hadamard乘积确定，变权向量wi(X)公式为
式中：wi由层次分析法计算得出，di max＝max[|vi-api|，|bpi-vi|]；di min＝min[|vi-api|，|bpi-vi|]，其中，α为变权因子，α的取值表明对因素均衡性的考虑，为了确保评价结果的准确性及可行性，要求各指标具有一定的均衡性，取α＝-1；
(4)贴进度计算
采用贴近度替代最大隶属度准则计算得出评价对象与等级集合的符合程度，贴近度计算公式为
式中：N为贴近度；D为距离；wi为权重，进而，待评物元对应于各等级的贴近度为
式中，Dj(v′i)表示待评物元与经典域规格化后的距离，a′ij、b′ij分别为经典域规格化后各指标上、下界；
(5)等级评判
由Nj′(p0)＝max[Nj(p0)]计算知，待评价物元属于j′级(贴近度最大)，令
式中，j*为待评价物元的等级变量特征值，表示评价对象与该等级集合的符合程度，同时指示偏向临近等级的程度，其中，m表示安全等级个数。
为了说明本发明的有益效果，进行如下实例：
1、煤矿安全评价指标体系
矿井安全状态评价属系统工程，其评价结果准确与否直接受指标体系的影响。从人、机、环、管等4个方面对矿井安全状态进行综合评判，建立煤矿安全状态评价指标体系，包括一级评价指标2个(A1～A2)，二级评价指标4个(B1～B4)，三级评价指标20个(C1～C20)。各评价指标分类依据相关文献及行业内相关规程确定，煤矿安全状态评价指标体系见表1。
表1煤矿安全状态评价指标体系
2、安全等级确定及数据规格化
根据矿井安全生产的特点，矿井的安全等级分为Ⅰ级(安全)、Ⅱ级(较安全)、Ⅲ级(一般)、Ⅳ级(较不安全)及Ⅴ级(不安全)，矿井安全性评价指标分级标准见表2，矿井安全级别临界值依据行业内相关规程确定。
表2评价指标分级标准
为验证改进变权物元可拓模型的正确性和合理性，采用某A矿井作为研究样本，并进行验证对比分析。由于各指标量纲和数量大小有所差别，利用公式(4)和(5)分别对经典域物元及待评样本指标进行规格化处理，处理结果见表3。
表3指标规格化后经典域表
3、权重的确定
运用变权理论，根据式(6)～(7)，使用MATLAB软件计算各指标权重。考虑权重的确定不失系统性和一般性，分别基于变权法、层次分析法、熵权法求取各指标权重，如图1所示。
由图1可知，三种方法求得的权重总体差异不大，而当环境的状态信息表现异常时，如R11和R15，熵权法求得的权重较大，由于熵权法确定的权重与指标的取值有关，而变权法运用变权理论对各指标权重进行修正，从而导致3种方法的权重不同，结合3种方法分析，熵权法对异常状态信息有高度敏感性，不利于整体评判，无法保证评价结果精度。经过比较分析，变权法对取值较差的指标作用不会进一步放大，可以减弱对煤矿安全状态评价的影响，从而有效地反映煤矿安全状态，提高评价结果的准确性。
4、贴近度及等级特征值计算
依据式(9)～(12)计算得出待评价物元与各评价等级的贴近度，根据式(11)求得等级特征值，由三种方法确定的权重所求得的等级特征值符合：2＜j*＜2.5，安全等级均为Ⅱ级，即矿井安全状态处于较安全状态，偏向于安全状态。结合三种方法作比较分析，采用变权法求得的j*值介于熵权法和层次分析法之间，即矿井处于较安全状态且接近于安全状态的评判将更加准确、可靠。基于变权法运用变权理论对各指标权重进行修正，且对取值较差的指标作用不会进一步放大，因此变权法求得的结果最为可靠。三种方法求得贴近度和等级特征值的结果如表4所示。
表4贴近度和等级特征值计算结果
5、敏感性分析
敏感性分析是指从众多不确定性指标中找出对权重和等级变量特征值有重要影响的敏感性因素，并分析其对综合安全状态的影响程度和敏感程度，进而判断评价对象承受风险的能力。当评价指标的实测值分别变化±10％、±20％、±30％、±40％时，权重及等级变量特征值随指标实测值变化情况分别如图2～图4所示。
由图2可知，整体评价指标权重随着指标实测值的变化逐渐减少，其中指标C2、C3、C7、C9、C18的权重值变化幅度较大，C1、C14的权重值变化规律基本相同，随着指标实测值的变大而增加、变小而减少；C11和C15的权重值随着指标值得变大而有所减少，变小而增大，C10的指标值变大时，其权重值几乎不变，而变小时其权重值减少。通过分析上述指标权重随指标值的变化可以看出，指标值的权重会随着指标值的大小而变化，这充分体现了指标在评价过程中的动态参与。
由图3可知，整体评价等级特征值随着指标实测值变化，即整体等级变量特征值j*变化幅度较小，在2.27～2.45之间变化，这说明各指标实测值的变化不会改变矿井安全状态评价的等级及其偏向安全等级的程度。当C2的实测值变小时，等级变量特征值j*变化幅度较大，到-40％点时，j*值已大于2.5，这说明，随着C2实测值的变小，尽管矿井安全等级不变，但等级逐渐偏向一般等级。当C2的实测值变大时，等级变量特征值j*先变小后趋于稳定。其余指标值的变化对评价结果影响较小。综上所述，C2是该矿井安全综合评价的敏感性指标，可通过对其改善提高以实现对敏感环节的及时排查。因此，在煤矿安全管理过程中应加强对员工进行教育培训，以确保培训时数作为重点加强优化的环节。其中，由图4可知，等级变量特征值j*随各指标值的共同变大而逐渐减少，随各指标值的共同变小而增大。
结论：1)结合变权理论和物元可拓方法，建立了适用于煤矿安全状态评价的变权物元可拓模型。通过三种方法比较可知，变权法对取值较差的指标作用不会进一步放大，可以减弱评价指标对煤矿安全状态评价的影响，从而有效地反映煤矿安全状态，提高评价结果的准确性。
2)经过指标敏感性分析得出，月平均培训时间是影响该煤矿安全状态的敏感性指标，从而可实现对敏感环节的及时排查。因此，在煤矿安全管理过程中应加强对员工进行教育培训，以确保培训时数作为重点加强优化的环节。
3)运用变权物元可拓模型得出煤矿安全状态等级为较安全，偏向于安全等级的程度较大，与其他方法得出的结果相一致，表明该模型能够有效地评价煤矿安全状态等级，可为煤矿安全决策提供技术途径。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于变权理论模型的煤矿安全状态评价方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)确定经典域、节域及物元矩阵
经典域物元Rj表示为：
式中：Nj表示第j个评价等级；Ci表示第i个评价事物的特征；Vij是Nj对应Ci的取值范围，即为经典域；aij和bij分别为Vij的上下限。j＝1，2…，m；
节域物元Rp表示为
式中：Np为标准事物全体；Vpi是Np对应Ci的取值范围，api和bpi表示安全评价等级全体所对应评价指标量值区间内的最小值和最大值，即为节域；
物元矩阵表示为
式中：R0为待评价物元；N0为某一具体的评价对象；Ci表示N0的n个特征；i＝1，2…，n，为待评物元的指标数；Vi是N0对应Ci的实际值；
(2)规格化处理
对经典域物元Rj，待评物元R0进行规格化处理，可得：
(3)确立各评价指标权重
设因素状态变量X＝(x1，x2，...，xn)，因素常权变量W＝(w1，w2，...，wn)，状态变权向量S(X)＝(S1(X)，S2(X)，...，Sn(X))，则变权向量W(X)＝(w1(X)，w2(X)，...，wn(X))可由因素常权向量W和状态变权向量S(X)的Hadamard乘积确定，变权向量wi(X)公式为
式中：wi由层次分析法计算得出，dimax＝max[|vi-api|，|bpi-vi|]；dimin＝min[|vi-api|，|bpi-vi|]，其中，α为变权因子，取α＝-1；
(4)贴进度计算
采用贴近度替代最大隶属度准则计算得出评价对象与等级集合的符合程度，贴近度计算公式为
式中：N为贴近度；D为距离；wi为权重，待评物元对应于各等级的贴近度为
式中，Dj(v′i)表示待评物元与经典域规格化后的距离，a′ij、b′ij分别为经典域规格化后各指标上、下界；
(5)等级评判
由Nj′(p0)＝max[Nj(p0)]计算知，待评价物元属于j′级，令
式中，式中，j*表示待评价物元的等级变量特征值，表示评价对象与该等级集合的符合程度，同时指示偏向临近等级的程度，其中，m表示安全等级个数。
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