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        基于PCA的礦山設備安全評價

        2013-08-25 08:27:42馬鴻廉
        金屬礦山 2013年2期
        關鍵詞:礦山設備提升機礦區(qū)

        蔣 猛 馬鴻廉 陳 棟 李 瑋

        (1.天津大學管理學院;2.河南省安評監(jiān)測檢驗技術有限公司;3.鄭州大學管理工程研究所)

        近年來,礦山安全事故頻繁發(fā)生,不僅嚴重威脅礦井工作人員的生命安全,而且造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響[1]。據(jù)統(tǒng)計,2010年全國礦山共發(fā)生生產(chǎn)安全事故2 412起、其中煤礦事故1 403起,金屬非金屬礦山事故1 009起,死亡3 704人,較大事故153起、死亡696人,發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故26起、死亡558人,造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。礦山設備作為礦山生產(chǎn)的必備要素,其安全性能運行狀況將直接影響礦山的生產(chǎn)安全和工作人員的生命安全。

        2011年10月,國務院辦公廳正式下發(fā)《安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃》,確立了安全發(fā)展理念和“安全第一,預防為主,綜合治理”的方針。在礦山安全生產(chǎn)中,礦山設備檢驗檢測對防止和減少傷亡事故,保障人民生命和財產(chǎn)安全有著重要作用。目前許多學者致力于檢測方法的研究以及單一設備的故障分析。于治富、李旭鳴等[2]介紹了提升機運行速度、負荷電流、變位質量以及制動閘空動時間、制動力矩、油壓位移等的測試方法。黃軍、葉義成等[3]運用模糊綜合評價對提升機系統(tǒng)的安全性進行了分析。楊海、王蒙等[4]對礦山機械中的滾動軸承的常見問題進行分析,并對一些具體問題提出了解決辦法。王宏圖、黃振華等[5]運用粗糙集-BP神經(jīng)網(wǎng)絡理論對礦井通風系統(tǒng)進行綜合評價。黃松[6]針對安全檢測過程中設備安全保護裝置的問題進行探討,并介紹了相關檢測方法,增強了檢測工作可操作性。單一設備的好壞并不能說明礦山生產(chǎn)整體安全,需要對礦山設備的整體進行評價。本研究通過對礦山設備進行安全檢測,運用主成分分析法(PCA)對檢測結果進行分析處理,進而對礦山設備安全性進行整體評價,從而為礦山的安全生產(chǎn)和設備改造提供依據(jù)。

        1 評價指標體系的構建

        通過綜合分析礦山生產(chǎn)設備的重要性,選擇礦山“四大件”,即提升機、排水泵、通風機和空氣壓縮機作為評價指標,依據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局正式頒布實施的《AQ 2029—2010 金屬非金屬地下礦山主排水系統(tǒng)安全檢驗規(guī)范》、《AQ 2022—2008 金屬非金屬礦山在用提升絞車安全檢測檢驗規(guī)范》、《AQ 1011—2005 煤礦在用主通風機系統(tǒng)安全檢測檢驗規(guī)范》和《AQ 1013—2005 煤礦在用空氣壓縮機安全檢測檢驗規(guī)范》將指標進一步分解,構建礦山設備安全性評價指標體系。具體指標體系見圖1。

        圖1 礦山設備安全評價指標體系

        礦用排水泵主要將地下開采過程產(chǎn)生的地下水及時排至地面,對保證井下人員的安全和礦山安全生產(chǎn)有重要作用。排水泵排水能力指單位時間水泵排水量,是排水泵安全性能的直接指標;水泵運行狀況指各部件和系統(tǒng)是否有影響正常運行或起動的異?,F(xiàn)象發(fā)生;振動值是判斷水泵是否出現(xiàn)故障的主要指標。

        礦用通風機作為礦山安全生產(chǎn)的主要技術設備,是礦井通風系統(tǒng)的重要組成部分,其運行安全穩(wěn)定、檢測與調節(jié)對礦山安全生產(chǎn)都有重要影響。外觀質量主要指通風機各連接部位的緊固件是否牢固、剎車裝置是否靈活可靠、潤滑系統(tǒng)是否工作正常、主通風機外殼或內部結構是否有異常變形或損傷等;通風機效率是指其運行效率;振動狀況指風機運行過程中的振動速度有效值。

        礦井提升機是升降人員、物料的主要機械設備,是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面相連接的樞紐,提升機的安全對井下工作人員的安全和礦山生產(chǎn)的安全有著至關重要的影響。主提升機的提升系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性將直接影響提升機的安全。

        空壓機作為礦山開采中鑿巖機、風鉆和風鎬等氣動工具的主要動力源,其工作運行狀況直接關系到礦山安全和作業(yè)能力。排氣壓力和排氣量是衡量空壓機性能的主要指標。

        2 基于PCA的礦山設備安全評價模型

        主成分分析是考察多個變量之間相關性的一種多元統(tǒng)計方法。它將多個指標化為少數(shù)相互無關的綜合指標,并盡可能地保留原始變量信息。進行多指標綜合評價是成分分析的主要應用之一[7]。

        設F代表分量,X代表原變量,Y代表標準化后的變量,i代表被評價樣本,j代表評價指標,g代表主成分分量,xij代表第i個樣本的第j個指標數(shù)值,yij代表第i個樣本的第j個標準化指標的數(shù)值,aij表示第i個樣本第j個標準化指標的分量系數(shù),F(xiàn)ig表示第i個樣本的第g個分量,則有

        其中,

        用主成分分析法進行多指標綜合評價主要包括以下步驟:

        (1)原始數(shù)據(jù)標準化。這里一般采用Z-score法,變換公式為

        其中,

        (2)求指標數(shù)據(jù)間的相互關系矩陣R。并不是所有多指標綜合評價問題都可以用主成分分析法來解決的,只有當變量之間不完全相關時可以使用主成分分析。

        (3)求R陣的特征值、特征向量和貢獻率。R的特征方程為

        為對該方程求解得到的特征值,其大小表示了各個主分量在描述被評價對象上所起作用的大小。設Mij為一個P維實向量,由方程組

        求得Mij,為特征值λg對應的特征向量。

        表示每個分量所含原始變量的信息量,即方差貢獻率。

        (4)確定主成分的個數(shù)。若確定k個主成分,則前k個主成分的累計貢獻率

        (5)合成主成分得到綜合評價值。求每個主分量的線性加權和值Fi1-Fik,以每個主分量的貢獻率αg(g=1,2,…,k)作為權重,求Fig的加權和,即

        其中,F(xiàn)i即為多指標綜合評價值。

        3 實證研究

        以河南省洛陽市8個礦區(qū)為評價對象進行了礦山設備安全性評價分析。

        3.1 礦山設備安全性評價

        (1)獲得初始數(shù)據(jù)。通過對8個礦區(qū)的礦山設備進行安全檢驗,收集有關設備運行狀況的第一手資料,為保持數(shù)據(jù)的一致性,對數(shù)據(jù)進行預處理,其值越大,礦區(qū)設備的這項指標愈好,得到原始數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見表1。

        表1 礦山設備檢測原始數(shù)據(jù)

        (2)將表1的數(shù)據(jù)按式(1)進行標準化處理。 處理后的結果見表2。

        表2 礦山設備檢測數(shù)據(jù)標準化結果

        (3)求指標數(shù)據(jù)間的相互關系矩陣。用MINITAB軟件對上述標準化數(shù)據(jù)進行相關關系分析。具體結果見表3。

        由R陣分析可知,數(shù)據(jù)指標之間不存在完全相關關系或完全不相關關系,所以可以使用主成分分析法對其進行綜合評價。

        (4)對標準化后的數(shù)據(jù)進行主成分分析,采用MINITAB軟件實現(xiàn)該功能。求得R陣的特征值、特征向量和貢獻度,具體結果見表4。

        由表4可知,當 k=5時,λk>1且85%,所以主成分個數(shù)選5,對礦區(qū)1設備安全狀況進行綜合評價:

        同理可求的礦區(qū)2-8的評價值分別為

        表3 相互關系矩陣(R陣)

        表4 R陣特征值、特征向量、貢獻率

        3.2 結果解釋與分析

        在用主成分分析進行多指標綜合評價時,綜合評價值Fi中一部分出現(xiàn)負值(比如本文的F1、F2、F3、F6、F7、F8均為負值),并不代表評價對象的社會經(jīng)濟行為的真切含義,只是說明該對象在被評價整體中處于平均水平以下。因為Fi值是通過標準化數(shù)據(jù)計算得到的,正負只表示與平均水平的相對位置關系。

        通過計算結果對8個礦區(qū)進行排序,分值越高代表礦區(qū)設備安全性越優(yōu),排序結果如下:

        即選取的8個礦區(qū)中,礦區(qū)4設備整體狀況最好,礦區(qū)5次之,礦區(qū)6最差。

        對礦區(qū)4的數(shù)據(jù)具體分析可知,排水泵排水能力、通風機效率、提升機制動系統(tǒng)和提升系統(tǒng)、空壓機壓力相對于其他礦區(qū)都較高,礦區(qū)設備安全性較好;而對于礦區(qū)2,水泵的運行狀況、通風機外觀質量、空壓機壓力等指標相對于其他方案較高,但是水泵排水能力和提升機整體性能均較低,使得礦區(qū)綜合得分低于平均值。

        從以上的分析可以看出,提升機、排水泵處于相對重要的位置,尤其是水泵的排水能力和提升機制動系統(tǒng)、提升系統(tǒng)對礦山生產(chǎn)安全有重要影響,這也與我們的常識一致,進而說明了運用PCA模型對礦山設備安全性評價的客觀性和合理性。

        4 結論

        (1)礦山設備是礦山安全生產(chǎn)的重要組成部分,其安全性能是否良好直接影響生產(chǎn)安全和工作人員的人身安全。應用主成分分析法對礦山設備安全性進行綜合評價,較完整地反應了礦山設備的綜合狀況。

        (2)根據(jù)現(xiàn)有的研究成果以及設備檢測過程中的考核指標,選取礦山設備“四大件”作為一級指標,建立了礦山設備安全評價指標體系。

        (3)運用主成分分析法對礦區(qū)設備進行評價分析,減少了評價過程中主觀因素的影響,較好地保證了評價的客觀性與準確性。

        (4)進行評價的重要前提是科學合理地確定評價指標體系,用礦山設備“四大件”代替礦山整體設備,雖然具有一定的代表性,但也有一定的片面性。而且由于不同礦區(qū)的情況不同,在選擇指標時,需要根據(jù)實際情況進行必要調整。在這方面需要進一步研究,逐步對模型進行優(yōu)化。

        [1] 何學秋,宋 利,聶百勝.我國安全生產(chǎn)基本特征規(guī)律研究[J].中國安全科學學報,2008(1):5-13.

        [2] 于治富,李旭鳴,商德勇,等.礦井提升機安全性能檢測方法[J]. 煤礦機械,2009.30(12):165-168.

        [3] 黃 軍,葉義成,李瑩瑩.基于模糊綜合評價的礦井提升機系統(tǒng)安全性分析[J].武漢科技大學學報,2010.33(3):310-313.

        [4] 楊 海,王 蒙,王 建.礦山機械滾動軸承的常見故障分析與診斷[J].煤礦機械,2010.33(8):251-253.

        [5] 王宏圖,黃振華,范曉剛,等.粗糙集-神經(jīng)網(wǎng)絡理論在礦井通風系統(tǒng)評價中的應用[J].重慶大學學報,2011.34(9):90-94.

        [6] 黃 松.礦用空壓機安全保護裝置檢測檢驗問題探討[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,20117(7):183-186.

        [7] 辛士波,孫 超.基于主成分分析法的煤礦安全生產(chǎn)預警分析研究[J].中國煤炭,2010(11):105-108.

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