高海拔矿山无轨运输系统“人-机-环境”综合安全评价方法研究

马俊生,肖志雄,王树勋,黄莹莹,马黎明(.中国恩菲工程技术有限公司,北京00038;.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430000)

1 前言

随着经济的快速发展,矿产资源的需求日益增大,平原地区的矿产资源已经难以满足当下矿产资源的需求。而高海拔寒区拥有大量矿产资源,因此对高寒地区矿产资源的开发已成为当下缓解矿产资源紧缺问题的重要途径之一[1]。高海拔低温低压的恶劣环境给矿山开采生产带来诸多困难,在影响人体健康的同时也阻碍运输设备的正常工作,导致矿山运输环境十分严峻。

适用于平原地区的矿山井下无轨运输安全评价体系已经难以满足高海拔矿山的需要,因此研发一套适合高海拔寒区矿山井下无轨运输的安全评价模型显得尤为重要[2-3]。

2 高海拔矿山井下无轨运输系统的安全影响因素

高海拔矿山井下无轨运输安全受多种因素的影响,主要包括人、机和环境三个方面。

从对人体健康影响的角度来看,随着海拔高度逐渐增加,大气压强明显降低,大气中的氧分压和含氧量也同步降低,人体内肺泡的氧分压明显下降,进而使人体血液饱和度和血氧分压也明显降低,轻则导致驾驶员身体机能下降,重则威胁驾驶员生命安全。所以针对驾驶员的心率、血压、血氧和体温指标的安全评价具有重要意义[4]。

从车辆运行状态来看,高寒地区低温缺氧的特点同样对矿用无轨车辆内燃机的工作产生显著影响。一方面由于燃料的不充分燃烧,容易产生有毒有害的尾气,污染井下运输环境的同时也损害着工作人员的身体健康。另一方面也降低了内燃机的工作效率,造成了化石燃料的浪费[5]。针对井下无轨运输车辆的尾气、载重和速度指标的评价可反映运输设备的安全状态[6]。

从井下无轨运输环境的角度出发,由道路分布强度、围岩变形指标、有害气体浓度、含氧量以及排尘风速组成的环境安全评价指标反映了井下无轨运输环境的安全程度[7]。

基于以上分析,本文建立了由人的不安全状态、运输设备的不安全状态和环境的不安全因素组成的人-机-环境安全评价体系。并基于层次分析法(AHP)的模糊综合性分析方法(FCE)对大量复杂的信息进行模糊综合分析处理,建立了人-机-环境多因素安全评价模型,该模型可基于现场监测数据,对安全进行评价分级进而指导决策。

3 基于人-机-环境安全评价体系的建立

结合安全科学理论和高海拔矿山井下无轨运输现状,基于人、机和环境三大要素构建高海拔矿山井下无轨运输安全评体系见表1。

表1 安全评价体系

建立安全评价体系的目的是根据该体系可以对各指标进行评分分级,进而根据监测数据评价现场安全等级,并根据相关参考文献对各指标进行区间等级评分,形成各安全指标评价标准。查阅相关文献可知,人的不安全状态指标评价标准[8-10]见表2,运输设备的不安全状态评价标准[11-13]见表3,环境的不安全因素指标评价标准[14-17]见表4。

表2 人的不安全状态指标评价标准

表3 运输设备的不安全状态评价标准

表4 环境的不安全因素指标评价标准

4 高海拔地区安全评价模型构建

高海拔地区井下运输涉及多个安全评价指标,将诸多分散的指标整合为完整的模糊综合评价体系明确各指标之间关系以及各指标所占权重值显得尤为重要。综合考虑指标之间的串、并联关系,基于层次分析法(AHP)以及模糊综合评价方法(FCE)对其进行优化,提出一套改进的模糊综合评价体系,更加合理地完成对高海拔寒区井下无轨运输系统安全性的评价。

4.1 基于AHP 法确定权重

4.1.1 建立权重判断矩阵

各指标对高海拔矿山井下运输风险的影响程度是不同的,因此通过将各定性指标分析转化为定量分析,通过权重体现其重要性程度。但权重值的确定往往受主观臆测影响,在不同人的不同价值观以及不同身体状态影响下其往往存在较大差异。为了尽量避免主观臆测导致的误差影响,本文采用层次分析法通过专家判断评定,从而得到各指标的权重值。具体步骤如下。

1)建立层次结构模型

为打造一个有效的多层次分析模型,通常将风险评估体系分为三个层次,分别是目标层、准则层以及指标层。

2)建立权重判断矩阵

通常采用1～9 度标度法,通过专家将两两要素进行对比并确定其重要性程度。1～9 度标度法见表5。

表5 1 ～9 度标度法

3)计算指标权重系数

在单层次条件下,为了计算指标权重系数,通常使用特征值法计算出判断矩阵行元素的均值,其计算公式为

式中:n——矩阵阶数。

式中:Wi——该指标的权重系数,得出权重向量是W=(W1,W2,…,Wn)T。

4)单层次一致性检验

一致性检验是为了确定各指标重要程度的协调性,防止出现指标权重相互冲突。

一致性评价指标CI计算公式为

其中,λmax是判断矩阵的最大特征值,计算公式如下:

一致性比率CR计算公式为

其中,RI为层次分析方法的指标,具有平均、随机和一致性,其具体取值见表6。

表6 RI 具体取值表

当CR<0.1 时,可以认为该判断矩阵符合一致性检验,反之则要重新调整判断矩阵。

5)总层次排序

同一层次下,如果所有层次都是单独进行排序的话,需自上而下逐层进行总层次排序。其计算公式为

式中:αi——上层指标的权值;

Wi——本层次指标的权重。

总层次排序一致性评价指标计算公式为

总层次排序的随机一致性指标计算公式为

总层次排序随机一致性比率为

同样当CR总<0.1 时,判定构成多层次结构的判断矩阵通过一致性检验。

4.1.2 各级指标权重计算

根据层次分析法对高海拔矿山井下运输风险各指标权重进行计算。

1)计算人的不安全状态B1指标权重

首先,构建人的不安全行为B1的判断矩阵为

其次,计算判断矩阵B1每一行元素的几何平均值,经过归一化处理得到权重向量

W1=(0.277 1,0.465 8,0.096 0,0.161 1)T

最后,计算得到一致性比率CR= 0.011 5 <0.1,可以看出满足一致性判断,说明各项指标之间的重要程度相协调,权重值有效。

2)计算运输机器的不安全状态B2指标权重

运输设备的不安全状态B2的判断矩阵为

根据该矩阵,计算得到权重向量为

在对照组治疗方案的基础上，再予中药口服治疗，药物组成：熟地黄15 g，山茱萸20 g，山药25 g，白术10 g，补骨脂15 g，枸杞子15 g，当归12 g，赤芍10 g，丹参15 g，延胡索12 g，淫羊藿25 g，牡蛎25 g，牛膝15 g，桑寄生30 g。1剂/d，清水煎取药液300 mL，分早晚2次口服。治疗4周为1个疗程，共3个疗程。

W2=(0.159 3,0.251 9,0.588 9)T

一致性比率CR=0.046 5 <0.1,符合一致性判断。

3)计算环境的不安全状态B3指标权重

环境的不安全状态B3的判断矩阵为

根据该矩阵,计算得到权重向量为

W3= (0.094 0,0.074 0,0.176 3,0.278 1,0.126 9,0.250 7)T

一致性比率CR=0.081 66 <0.1,符合一致性判断。

4)计算高海拔矿山井下无轨运输风险指标准则层A指标权重

根据该矩阵,计算得到权重向量为

W=(0.297 3,0.163 9,0.539 0)

一致性比率CR=0.007 9 <0.1,符合一致性判断。

4.2 基于层次分析理论的模糊评价模型

将层次分析法和模糊评价方法结合形成模糊综合评价模型,建立流程分为以下六个步骤[18]。

4.2.1 建立因素集

从众多因素中筛选出重要的评价指标,建立评价因素集为V={v1,v2,…,vn},其中n=13。

4.2.2 建立评价集

每个评价因素分为多个评价因子。评价等级分为5 个,即U= {u1,u2,u3,u4,u5} = {好,较好,一般,较差,差}

4.2.3 建立权重集

一级指标权重集:

W={W1,W2,W3}

二级指标权重集:

Wi={Wi1,Wi2,…Wij}

Wi是一级指标权重集合中第i个因素的权重数值;Wij是二级指标权重集合中第j个因素的权重数值。

4.2.4 构造因素评判矩阵

以评价标准U和评价因素V之间的模糊关系为依据,得到模糊关系矩阵,即评判矩阵R={R1,R2,…,Rn}为

其中,rij取值范围为[0,1],rij为因素vi对应等级uj的隶属关系。

4.2.5 构建综合评价模型

进行2 级评价之前,要对低级别因素进行综合性的评价,进而运用结果对高层次因素评价,才能得出最终结果。

1)1 级综合评级

根据所得的定量指标和定性指标得分,对Ri的单因素进行评判,得出评判矩阵Ri为

对评判矩阵Ri进行模糊合成运算,得到单因素综合评价向量为

Bi=WiRi={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

2)2 级综合评级

更高层中所有因素整合的综合评价由1 级综合评价构成,即:

2 级综合评级模型为

B=WR={b1,b2,b3,b4,b5}

4.2.6 评价结果处理

通过以上五个步骤建立综合评价模型后,需要对评价所得结果采取进一步的处理,通常采用加权平均法处理。设评价等级U=(100,80,60,40,20),则评价结果为

若评价指标归一化后,则:

bj作为权数,因素uj的等级作为变量,计算即可得出最终的结果。

5 实例分析

基于高海拔地区金属矿山各传感器的数据,结合评价指标的计算方法,得出该阶段的各指标数据,从而得到评分值。

首先采用层次分析法确定的一级(Wi)和二级权重(Wij)值,具体见表7。构建因素评判矩阵,以人的不安全状态为例,由隶属函数计算隶属度,形成评判矩阵为

表7 高海拔高寒地区多因素耦合人-机-环系统安全性综合指标权重

同理可得:

B2=(0.656 2,0.252 5,0.053 7,0.037 8,0)

B3=(0.356 8,0.235 0,0.380 4,0.027 8,0)

由此可得高寒地区多因素耦合人-机-环系统评价的模糊评判矩阵为

采用加权平均方法,选择评价集区间的最大值组合成为评价向量,设U=(100,90,75,55,40),那么高海拔高寒地区多因素耦合人-机-环系统安全性综合计算结果为u=90.88,总体情况为“好”。

6 结论

本文针对高海拔寒区井下无轨运输的安全问题,通过分析井下无轨运输系统安全性影响因素,建立了由3 个一级指标、13 个二级指标组成的精细化安全评价体系。采用融合改进的层次分析法和模糊综合评价理论,构建了高海拔矿山井下无轨运输安全评价模型。在二级模糊评价模型的构建上,对正态分布隶属函数进行优化。

基于实例和高海拔矿山无轨运输多因素耦合人-机-环境系统安全评价模型计算了该高海拔矿山各安全指标的权重值,得到安全评分为90.88。验证了采用模糊综合评价模型对高海拔地区多因素耦合人-机-环系统进行综合评价是可行的。