随机模拟法在矿山井下工作面环境评价中的应用*

关维娟　陈明强　赵志根　许峰

(安徽理工大学　安徽淮南 232001)



职业安全与健康

随机模拟法在矿山井下工作面环境评价中的应用*

关维娟陈明强赵志根许峰

(安徽理工大学安徽淮南 232001)

摘要矿山井下工作面环境评价对于找出当前环境存在的问题和管理环节存在的不足，进而有效整改以保障作业人员身体健康具有重要意义。针对目前环境评价方法过于依赖于专家意见和指标权重信息的问题，提出基于随机模拟法，在贫(无)评价偏好信息的情况下，对矿井井下工作面环境进行综合评价。实例应用分析表明：利用随机模拟评价法可以得到较为准确的工作面环境评价结论，且概率形式的结论信息相对绝对性评价结论更为客观和符合实际，从而可为决策者管理和制定措施提供更为丰富的依据。

关键词矿山井下工作面环境综合评价随机模拟概率性结论

0引言

井下工作面是矿山生产的重要作业场所之一，与地面空间环境相比空间有限，其环境质量对于作业人员的健康及工作效率影响较大。掌握工作面环境影响因素并对环境质量准确评估，可为找出当前环境管理存在的不足，进而制定有针对性的整改措施奠定基础。随机模拟评价算法是近年来发展起来的一种新型自主式评价方法，特点是不需要太多的评价偏好信息即可得到具有一定概率(可靠性)特征的评价结论，相对绝对性评价结论具有可解释性和客观性优势。其已在体育教学评价、水利科学、煤矿安全化评价中得到应用和认可。本文研究利用随机模拟评价法，研究在无法获取评价指标权重信息的情况下，进行矿山工作面环境评价，并利用已有文献数据进行了验证分析，以为类似研究提供新的研究思路。

1问题描述

设有n个被评价对象o1，o2，…，on，m个评价指标x1,x2,…，xm组成的多指标评价系统，xij=xj(oi)(i=1,2,…，n;j=1,2,…，m)为评价对象oi关于指标xj的观测值，则评价矩阵可表示为：

(1)

通常情况下，要求m,n大于等于3，而矩阵A中为规范化后的无量纲数据，从而使不同类型的指标间具有可对比性。

2随机模拟评价方法

基于随机模拟视角的综合评价方法的步骤如下。

(1)对第j个指标xj的n个观测值进行从大到小的降序排列，从1到n对降序所得的n元组记为dij，称之为评价对象Oi在指标xj上的优势数，从而可得优势数矩阵D=[dij]n×m，i∈N，j∈M。

(2)对被评价对象Oi的优势数集Di={dij/j∈M}中的元素进行升序排序，得到指标优势序组Di,i∈N。

(3)设置b值，计算优势权向量和指标的优势权向量。设ωi=(ωi1,ωi2,…，ωim)为优势序组的优势权向量，其计算公式为：

(2)

式中，u:R+→R+，而u为一连续递增函数。wi=(wi1，wi2，…，wim)(i∈N)为关于指标x1，x2，…，xm的优势权向量。

(5)运用蒙特卡罗模拟算法计算被评价对象的优胜度矩阵。通过模拟仿真，得到n个评价对象的优胜度矩阵S，记sij=s(oi,oj)，有

(3)

对应b取值的数据序列(b1, b2,…, bq)，可得到q个优胜度矩阵S1,…,Sq, 进而可得综合优胜度矩阵S为

(4)

式中，

(5)

称为组合权系数。

(6)计算评价对象优超数，并得到评价对象之间的最终排序，以及该排序下的理想序贴近度系数τ和序可靠系数ρ。

3应用分析

3.1煤矿掘进工作面环境评价

此处引用文献[1]中的数据，根据工作面作业环境安全标准，选定了O2、CH4、CO2、CO、NO2、SO2、H2S、NH3、H2和粉尘等10个指标，待评价工作面数为4个，进行归一化处理后的数据如表1所示。

表1　指标归一化处理结果

(1)由定义得到优势数矩阵：

(2)设b从(0.5,1,2)中取值，当b=2时，可计算得到(强)优势权向量ω=(0.259 7,0.210 4,0.166 2,0.127 3,0.093 5,0.064 9,0.041 6,0.023 4,0.010 4,0.002 6)。

(3)计算各评价对象关于指标的优势权向量ωi(i=1,2,…,10)，以第一个待评价工作面为例(第一行数据对应的工作面)，指标优势数集为(3,3,4,2,4,4,4,3,4,1)，对应优势数序组为(1,2,3,3,3,4,4,4,4,4),则调整后的优势权向量为ω2=(0.259 7,0.190 9,0.055 84,0.010 39)，最终得到所有评价对象关于指标的优势权向量如下：

(4)用蒙特卡罗法计算评价对象之间的优胜度矩阵S，记sij=s(oi,oj)(i=1,2,…,n,j=1,2,…,n)，理论上sij+sji=1，但实际上sij+sji-1=ε(此处ε取0.001)，其中仿真次数sum人工设定，具体大小根据仿真计算情况确定，sum是否足够大通过下式评价：

|sij+sji-1|<ε

(6)

首先设置sum=20 000，计算得到优胜度矩阵为：

(7)

部分元素之间的优胜度不符合式(6)精度要求，增大sum=40 000，重新计算优胜度矩阵：

(8)

然后根据公式：sij=[sij+(1-sij)]/2对优胜度矩阵进行调整，以使调整后的元素严格满足sij+sji=1：

(9)

表2　评价结论信息

3.2金属矿山工作面环境等级评价分析

某金属矿山井下工作面环境污染物主要来自于粉尘、机器尾气、电器设备产生的O3等，为了对工作面环境有一个较为准确的评价和定量分析，进而为改善工作面环境提供依据，参照《环境空气质量标准》(GB/T 3095—1996)，并结合实际情况，选择TSP、CO、NOx、O3作为评价指标，并将工作面空气环境质量分为5个等级标准(如表3所示)。

表3　工作面空气环境质量等级标准

待评监测点位置共有7个，根据随机模拟综合评价思想，将表2中的5个等级标准数据与监测点数据统一合并为评价指标数据，然后根据相互之间的最终排序，确定监测点的环境质量等级，具体数据如表4所示。

表4　待评价监测点环境数据

首先根据定义得到优势数矩阵：

(10)

当b=2时，可计算得到(强)优势权向量ω=(0.533 3,0.300 0, 0.133 3,0.033 3)，进而可通过蒙特卡罗算法，计算次数sum=60 000，得到校正后的优胜度矩阵如下：

4结语

随机模拟算法作为一种贫偏好信息的多属性综合评价方法，仅需要极少量的决策信息，即可进行评价。分别将其应用于煤矿掘进工作面作业环境评价、金属矿山工作面环境分级评价，结果表明在不需要专家提供评价决策信息的情况下，也可以得到丰富、公正的评价结论，降低了评价者的实施难度。而相对于其他方法往往给出绝对形式的评价结论，造成形式过于单一且绝对，随机模拟评价法提供具有概率信息的结论，提升了灵活性和结论形式多样性，给出了评价对象之间最可靠的优劣排序，但同时又包含了多种可能排序，更加贴近实际，而决策者可根据最可靠排序和可能的排序，制定更为全面、客观的整改措施。

参考文献

[1]景国勋,彭信山,李创起,等. 基于光环境指数综合评价法的综掘工作面照明环境评价[J]. 安全与环境工程,2012(3):41-44.

[2]郭勇义，吴世跃，刘玉海.呼吸性粉尘对综采工作面环境质量影响的评价[J].煤炭学报，1996(4)：65-68.

*基金项目：国家自然科学基金(41172138)。

作者简介关维娟，女，博士，讲师，研究方向：采矿环境工程。

(收稿日期：2015-01-10)

Application of Stochastic Simulation in Environment Assessment of Mine Underground Working Face

GUAN WeijuanCHEN MingqiangZHAO ZhigenXU Feng

(AnhuiUniversityofTechnologyHuainan,Anhui232001)

AbstractMine underground working face environment assessment can find out the problems existed in the present environment and the shortcomings in the management, so the corresponding rectification can be conducted to guarantee the health of the operators. As you know, we heavily depend on experts comments and index weights in environment assessment, so the stochastic simulation is put forward, in which the mine underground working face environment is comprehensively assessed lack of assessment preferences information. The application analysis shows that more correct working face environment assessment results can be achieved by using stochastic simulation, also the probability result is more objective and practical compared to the absolute result, so it can provide more rich references for the management and measures formulating of decision-makers.

Key Wordsmine underground working facecomprehensive assessment of environmentstochastic simulationprobability result