基于主成分分析法的矿井通风系统评价

司浩浩

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

针对矿井安全状况进行全面有效的评价有助于矿井确定合理的风险防范措施，有效降低矿井生产过程中存在的安全隐患。因此，对矿井安全运行情况分析及评价对煤矿的安全生产具有重要作用[1-2]。由于矿井通风系统复杂且较为模糊，其简定性评价的主观影响因素多，且评价数据指标不能单一量化，因此，目前通风系统评价中常用的模糊综合评价、灰色综合评价、安全检查表法等等的评价结果难以准确量化，适用性差[3-4]。基于上述分析，运用主成分分析法对矿井通风系统进行评价，将评价指标量化的同时，将通风系统中相关联的变量转化为独立变量，实现通风系统评价能快速有效的评价。

1 主成分分析法功能分析

主成分分析法是统计方式的一种，着重强调将多个变量通过线性组合转化为少数综合变量，即主成分，通过主成分反映转化前变量的大量信息。分析过程中，主成分方差最大的主成分为第一主成分，通常情况下根据第一主成分进行排序。若排序期间第一主成分的方差较小，则表明其分析的原始数据信息量较小，此时，需要依据第一主成分的具体得分情况对样品进行排序及评价。

由于矿井通风系统运行情况复杂，且影响因素众多，模糊性强，因此，定期对矿井通风系统进行安全评价，对其运行期间存在的安全问题进行深入分析，可以有效保证系统安全运行。由于定性评价存在数据误差较大，涉及主观因素较多的问题，所以，得出的评价结果准确性难以保证。而主成分分析法可使多元数据得到最佳简化，把丢失的数据信息减少到最少，因此，该方法常用于处理分析诸如通风系统此类多元问题。且主成分分析法可将变量在量化指标上转变为独立变量，从而合理消除指标之间的相关性影响，以在最少工作量的情况下获取对应的主成分指标，以便通风系统进行全面评价。因此，用主成分分析法评价矿井通风系统，可使得所获取的数据信息准确无误，确保相关的处理技术科学有效。

2 通风系统相关评价指标的确定

在评价过程中，评价指标的选定直接关系到评价的结果及其准确度。在筛选评价指标时，所选用的指标不仅要尽量符合通风系统的主要特征，同时可以在一定效度检验过程中剔除重复性信息，减小指标之间的相关性。当前，大部分用于通风系统评价的指标体系是在人-机-环思想的基础上建立的，主要从经济性能、管理性能、技术可靠性三个方面建立评价的指标体系。而本文根据对通风系统评价指标选取及量化的分析，并结合矿井实际情况，从以下3个方面（共10项指标）对通风系统评价指标进行选取。

（1）通风设计及能力方面。主要包括矿井通风设施、通风系统设计、局部通风3个指标。

（2）技术方面。瓦斯、火灾、煤尘事故是矿井主要的安全事故，因此，需针对三种事故采取相关技术措施，确保矿井通风系统的安全运行。因此，该方面主要包括综合防尘、瓦斯抽采、防火3个技术指标。

（3）管理方面。管理指标是评价煤矿安全的重要指标之一，该方面主要包括管理制度、爆破管理、通风安全监测监控、瓦斯管理4个指标。

3 基于主成分分析法的通风系统评价

可把通风系统评价过程看作为函数映射。假设n 维向量X、Y分别为评价指标变量、评价结果。则其安全评价过程即为评价指标变量X到评价结果Y的函数映射。主成分分析法是一种多变量统计方法，能够将多数具有相关性的变量集中到几个总综合变量，是将主成分转变为原始变量的线性组合，主要用于特征提取和数据压缩方面。利用该方法对通风系统评价的主要计算过程如下：

（1）对样本数据进行收集。利用编好的安全打分表，对煤矿的安全情况进行具体评价，大量收集样本数据。

（2）原始数据标准化处理。对数据进行标准化处理的目的是为了除去原始数据数量级上的差别和数量刚量的影响。

（3）相关系数矩阵的计算。利用SPSS软件建立和计算进行标准化处理后的数据的相关系数矩阵。

（4）提取样本特征。利用主成分分析方法对进行标准化处理后的数据进行特征提取，并且计算出样本特征值和特征向量ui=（ui1，ui2，ui3，……，uip）。

（5）主成分的提取。主成分与各个成分之间呈线性关系，即Fi=（uiX1+uiX2+uiX3+……+uiXp）。

（6）优化函数。根据主成分的个数和各个主成分的累积贡献率 的大小建立函数，即：F=a1F1+a2F2+a3F3+……+apFp）。

（7）对评价结果进行分析。对综合主成分值F和主成分F1分别进行排序，两者的排序结果越一致，证明提取越合理，能更好地体现最重要的指标。

4 具体算例分析

（1）通风系统样本数据的获取

根据矿井通风系统相关评价指标及通风安全打分表的规则，本节对伯方煤矿通风系统具体情况进行调查分析，并对该矿不同阶段的通风安全情况进行评价，共获得7个月的通风系统评分数据，原始数据如下表1所示。

表1 原始数据表

（2）主成分的提取

将经过标准化处理的原始数据逐次输入SPSS软件中，经过对相关系数矩阵计算，得出实际特征值和累积贡献率，根据累积贡献率92.841%及特征值大于1的原则对主成分进行提取。共提取出F1、F2、F3、F4四个主成分，评分指标量经主成分提取后明显减少，评价打分复杂度有效降低。

（3）主成分关系分析

利用公式Fi=（uiX1+uiX2+uiX3+……+uiXp）对通风系统的主成分进行描述，得出F1主成分所占的比重最大。F1主成分的值越大，表明该矿通风系统的安全稳定性越高。

（4） 构造优化函数

利用计算得出的综合主成分值F和F1对全部检查结果的排数基本一致，通过计算可知伯方煤矿通风系统安全防范的重点在瓦斯治理和通风系统优化两个方面。

5 结论

（1）利用主成分分析法对矿井通风系统进行评价，合理消除指标之间的相关性影响，以在最少工作量的情况下获取对应的主成分指标，以便通风系统进行全面评价。

（2）通过具体例算分析可知：伯方煤矿通风系统的综合主成分值F和F1对全部检查结果的排数基本一致，该矿通风系统安全防范的重点为瓦斯治理和通风系统优化，客观反映了矿井通风系统的现实状况。