關(guān)維娟　陳明強　趙志根　許峰

(安徽理工大學(xué)　安徽淮南 232001)

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職業(yè)安全與健康

隨機模擬法在礦山井下工作面環(huán)境評價中的應(yīng)用*

關(guān)維娟陳明強趙志根許峰

(安徽理工大學(xué)安徽淮南 232001)

摘要礦山井下工作面環(huán)境評價對于找出當(dāng)前環(huán)境存在的問題和管理環(huán)節(jié)存在的不足，進而有效整改以保障作業(yè)人員身體健康具有重要意義。針對目前環(huán)境評價方法過于依賴于專家意見和指標(biāo)權(quán)重信息的問題，提出基于隨機模擬法，在貧(無)評價偏好信息的情況下，對礦井井下工作面環(huán)境進行綜合評價。實例應(yīng)用分析表明：利用隨機模擬評價法可以得到較為準(zhǔn)確的工作面環(huán)境評價結(jié)論，且概率形式的結(jié)論信息相對絕對性評價結(jié)論更為客觀和符合實際，從而可為決策者管理和制定措施提供更為豐富的依據(jù)。

關(guān)鍵詞礦山井下工作面環(huán)境綜合評價隨機模擬概率性結(jié)論

0引言

井下工作面是礦山生產(chǎn)的重要作業(yè)場所之一，與地面空間環(huán)境相比空間有限，其環(huán)境質(zhì)量對于作業(yè)人員的健康及工作效率影響較大。掌握工作面環(huán)境影響因素并對環(huán)境質(zhì)量準(zhǔn)確評估，可為找出當(dāng)前環(huán)境管理存在的不足，進而制定有針對性的整改措施奠定基礎(chǔ)。隨機模擬評價算法是近年來發(fā)展起來的一種新型自主式評價方法，特點是不需要太多的評價偏好信息即可得到具有一定概率(可靠性)特征的評價結(jié)論，相對絕對性評價結(jié)論具有可解釋性和客觀性優(yōu)勢。其已在體育教學(xué)評價、水利科學(xué)、煤礦安全化評價中得到應(yīng)用和認(rèn)可。本文研究利用隨機模擬評價法，研究在無法獲取評價指標(biāo)權(quán)重信息的情況下，進行礦山工作面環(huán)境評價，并利用已有文獻數(shù)據(jù)進行了驗證分析，以為類似研究提供新的研究思路。

1問題描述

設(shè)有n個被評價對象o1，o2，…，on，m個評價指標(biāo)x1,x2,…，xm組成的多指標(biāo)評價系統(tǒng)，xij=xj(oi)(i=1,2,…，n;j=1,2,…，m)為評價對象oi關(guān)于指標(biāo)xj的觀測值，則評價矩陣可表示為：

(1)

通常情況下，要求m,n大于等于3，而矩陣A中為規(guī)范化后的無量綱數(shù)據(jù)，從而使不同類型的指標(biāo)間具有可對比性。

2隨機模擬評價方法

基于隨機模擬視角的綜合評價方法的步驟如下。

(1)對第j個指標(biāo)xj的n個觀測值進行從大到小的降序排列，從1到n對降序所得的n元組記為dij，稱之為評價對象Oi在指標(biāo)xj上的優(yōu)勢數(shù)，從而可得優(yōu)勢數(shù)矩陣D=[dij]n×m，i∈N，j∈M。

(2)對被評價對象Oi的優(yōu)勢數(shù)集Di={dij/j∈M}中的元素進行升序排序，得到指標(biāo)優(yōu)勢序組Di,i∈N。

(3)設(shè)置b值，計算優(yōu)勢權(quán)向量和指標(biāo)的優(yōu)勢權(quán)向量。設(shè)ωi=(ωi1,ωi2,…，ωim)為優(yōu)勢序組的優(yōu)勢權(quán)向量，其計算公式為：

(2)

式中，u:R+→R+，而u為一連續(xù)遞增函數(shù)。wi=(wi1，wi2，…，wim)(i∈N)為關(guān)于指標(biāo)x1，x2，…，xm的優(yōu)勢權(quán)向量。

(5)運用蒙特卡羅模擬算法計算被評價對象的優(yōu)勝度矩陣。通過模擬仿真，得到n個評價對象的優(yōu)勝度矩陣S，記sij=s(oi,oj)，有

(3)

對應(yīng)b取值的數(shù)據(jù)序列(b1, b2,…, bq)，可得到q個優(yōu)勝度矩陣S1,…,Sq, 進而可得綜合優(yōu)勝度矩陣S為

(4)

式中，

(5)

稱為組合權(quán)系數(shù)。

(6)計算評價對象優(yōu)超數(shù)，并得到評價對象之間的最終排序，以及該排序下的理想序貼近度系數(shù)τ和序可靠系數(shù)ρ。

3應(yīng)用分析

3.1煤礦掘進工作面環(huán)境評價

此處引用文獻[1]中的數(shù)據(jù)，根據(jù)工作面作業(yè)環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)，選定了O2、CH4、CO2、CO、NO2、SO2、H2S、NH3、H2和粉塵等10個指標(biāo)，待評價工作面數(shù)為4個，進行歸一化處理后的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　指標(biāo)歸一化處理結(jié)果

(1)由定義得到優(yōu)勢數(shù)矩陣：

(2)設(shè)b從(0.5,1,2)中取值，當(dāng)b=2時，可計算得到(強)優(yōu)勢權(quán)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)計算各評價對象關(guān)于指標(biāo)的優(yōu)勢權(quán)向量ωi(i=1,2,…,10)，以第一個待評價工作面為例(第一行數(shù)據(jù)對應(yīng)的工作面)，指標(biāo)優(yōu)勢數(shù)集為(3,3,4,2,4,4,4,3,4,1)，對應(yīng)優(yōu)勢數(shù)序組為(1,2,3,3,3,4,4,4,4,4),則調(diào)整后的優(yōu)勢權(quán)向量為ω2=(0.259 7,0.190 9,0.055 84,0.010 39)，最終得到所有評價對象關(guān)于指標(biāo)的優(yōu)勢權(quán)向量如下：

(4)用蒙特卡羅法計算評價對象之間的優(yōu)勝度矩陣S，記sij=s(oi,oj)(i=1,2,…,n,j=1,2,…,n)，理論上sij+sji=1，但實際上sij+sji-1=ε(此處ε取0.001)，其中仿真次數(shù)sum人工設(shè)定，具體大小根據(jù)仿真計算情況確定，sum是否足夠大通過下式評價：

|sij+sji-1|<ε

(6)

首先設(shè)置sum=20 000，計算得到優(yōu)勝度矩陣為：

(7)

部分元素之間的優(yōu)勝度不符合式(6)精度要求，增大sum=40 000，重新計算優(yōu)勝度矩陣：

(8)

然后根據(jù)公式：sij=[sij+(1-sij)]/2對優(yōu)勝度矩陣進行調(diào)整，以使調(diào)整后的元素嚴(yán)格滿足sij+sji=1：

(9)

表2　評價結(jié)論信息

3.2金屬礦山工作面環(huán)境等級評價分析

某金屬礦山井下工作面環(huán)境污染物主要來自于粉塵、機器尾氣、電器設(shè)備產(chǎn)生的O3等，為了對工作面環(huán)境有一個較為準(zhǔn)確的評價和定量分析，進而為改善工作面環(huán)境提供依據(jù)，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3095—1996)，并結(jié)合實際情況，選擇TSP、CO、NOx、O3作為評價指標(biāo)，并將工作面空氣環(huán)境質(zhì)量分為5個等級標(biāo)準(zhǔn)(如表3所示)。

表3　工作面空氣環(huán)境質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)

待評監(jiān)測點位置共有7個，根據(jù)隨機模擬綜合評價思想，將表2中的5個等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)一合并為評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相互之間的最終排序，確定監(jiān)測點的環(huán)境質(zhì)量等級，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　待評價監(jiān)測點環(huán)境數(shù)據(jù)

首先根據(jù)定義得到優(yōu)勢數(shù)矩陣：

(10)

當(dāng)b=2時，可計算得到(強)優(yōu)勢權(quán)向量ω=(0.533 3,0.300 0, 0.133 3,0.033 3)，進而可通過蒙特卡羅算法，計算次數(shù)sum=60 000，得到校正后的優(yōu)勝度矩陣如下：

4結(jié)語

隨機模擬算法作為一種貧偏好信息的多屬性綜合評價方法，僅需要極少量的決策信息，即可進行評價。分別將其應(yīng)用于煤礦掘進工作面作業(yè)環(huán)境評價、金屬礦山工作面環(huán)境分級評價，結(jié)果表明在不需要專家提供評價決策信息的情況下，也可以得到豐富、公正的評價結(jié)論，降低了評價者的實施難度。而相對于其他方法往往給出絕對形式的評價結(jié)論，造成形式過于單一且絕對，隨機模擬評價法提供具有概率信息的結(jié)論，提升了靈活性和結(jié)論形式多樣性，給出了評價對象之間最可靠的優(yōu)劣排序，但同時又包含了多種可能排序，更加貼近實際，而決策者可根據(jù)最可靠排序和可能的排序，制定更為全面、客觀的整改措施。

參考文獻

[1]景國勛,彭信山,李創(chuàng)起,等. 基于光環(huán)境指數(shù)綜合評價法的綜掘工作面照明環(huán)境評價[J]. 安全與環(huán)境工程,2012(3):41-44.

[2]郭勇義，吳世躍，劉玉海.呼吸性粉塵對綜采工作面環(huán)境質(zhì)量影響的評價[J].煤炭學(xué)報，1996(4)：65-68.

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(41172138)。

作者簡介關(guān)維娟，女，博士，講師，研究方向：采礦環(huán)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