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        基于改進(jìn)層次分析法—TOPSIS的采煤方法優(yōu)選模型研究

        2021-05-21 07:33:08苗海軍
        同煤科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:煤礦方法模型

        苗海軍

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦山西大同037003)

        采煤方法選擇是否合理直接決定著煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前,采煤方案與工藝的確定主要依靠類比法。但是,采煤方法的選擇,受到多方面因素影響,需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等方面,是一個(gè)多目標(biāo)決策的過程[2]。眾多專家和學(xué)者在采煤方法優(yōu)選方面做了大量的研究[3~5]。隨著數(shù)學(xué)理論模型的研究與發(fā)展,逼近理想解,即TOPSIS,是目前進(jìn)行多目標(biāo)決策的理想模型,在工程實(shí)踐中應(yīng)用越來越多[6~7]。在進(jìn)行采煤方法的優(yōu)選時(shí),首先,要構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。權(quán)重計(jì)算是否合理直接影響評(píng)估結(jié)果的可靠性。目前,權(quán)重計(jì)算主要采用層次分析法,研究表明,傳統(tǒng)層次分析法在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí),受主觀評(píng)估者學(xué)識(shí)水平和認(rèn)知程度影響較大,指標(biāo)計(jì)算帶有很強(qiáng)的主觀性,評(píng)估結(jié)果可能與實(shí)際情況不符,導(dǎo)致評(píng)估失效[8]。鑒于此,本文構(gòu)建基于改進(jìn)層次分析法—TOPSIS 的采煤方法優(yōu)選模型,以某煤礦為研究對(duì)象,驗(yàn)證模型的有效性。

        1 構(gòu)建采煤方法優(yōu)選綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        采煤方法的選擇,需要統(tǒng)籌考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等3個(gè)方面,是一個(gè)綜合決策的過程。在參考文獻(xiàn)[9]和咨詢現(xiàn)場(chǎng)專家的基礎(chǔ)上,選取了工作面單產(chǎn)(X1)、工作面產(chǎn)出率(X2)、含矸率(X3)、投資成本(X4)、工作面安全穩(wěn)定性(X5)和方案靈活性(X6)等6 個(gè)指標(biāo),構(gòu)建采煤方法綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

        2 改進(jìn)層次分析法-TOPSIS模型

        2.1 改進(jìn)層次分析法

        傳統(tǒng)的AHP 因其計(jì)算簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),成為了指標(biāo)權(quán)重最常用的計(jì)算方法。但由于該方法以9標(biāo)度理論為基礎(chǔ)建立比較矩陣,在權(quán)重計(jì)算過程中,對(duì)主觀評(píng)價(jià)者認(rèn)知程度依賴較大,指標(biāo)計(jì)算偏于主觀,可能導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不合理。以3標(biāo)度理論構(gòu)建比較矩陣,對(duì)傳統(tǒng)層次分析法進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后權(quán)重計(jì)算更加客觀,能夠保證評(píng)估結(jié)果合理可靠,具體計(jì)算過程見文獻(xiàn)9。

        2.2 TOPSIS理論

        TOPSIS,即逼近理想解理論,是一種通過確定正、負(fù)理想解,計(jì)算各方案與正、負(fù)理想解的距離,實(shí)現(xiàn)方案之間優(yōu)劣性排序的方法。

        2.2.1 構(gòu)建多屬性決策矩陣

        假設(shè)有m個(gè)待評(píng)對(duì)象,選擇n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),可以構(gòu)建初始決策矩陣A為:

        2.2.2 決策矩陣歸一化

        指標(biāo)之間量綱的差異不能直接進(jìn)行比較,需要先進(jìn)行歸一化處理。其中,歸一化公式為:

        2.2.3 建立加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

        加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C為

        式中:B為歸一化矩陣,W為指標(biāo)權(quán)值,由改進(jìn)層次分析法確定。

        2.2.4 評(píng)判對(duì)象貼近度計(jì)算

        (1)理想解的確定

        理想解表示為:

        式中:C+和C-分別為正理想解和負(fù)理想解;W1為效益型指標(biāo)集;W2為成本型指標(biāo)集。

        (2)各方案與理想解的距離

        (3)計(jì)算貼近度

        根據(jù)大小,對(duì)各評(píng)價(jià)方案進(jìn)行優(yōu)劣性排序。

        3 模型應(yīng)用

        以文獻(xiàn)10中所著某煤礦為例,進(jìn)行采煤方法的優(yōu)選,驗(yàn)證所建立的模型的適用性。該煤礦為急傾斜厚煤層礦山,礦體厚度平均為7 m,礦體傾角約50°,地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。根據(jù)礦體賦存條件,選取了偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法(P1)、斜切分段放頂煤采煤法(P2)、偽傾斜分層走向長(zhǎng)壁采煤法(P3)3種采礦方法,各采礦方案的指標(biāo)參數(shù)取值情況見表1。

        表1 各指標(biāo)參數(shù)取值情況

        3.1 指標(biāo)權(quán)重

        基于3標(biāo)度理論,構(gòu)建指標(biāo)比較矩陣為:

        根據(jù)改進(jìn)層次分析法的計(jì)算步驟,確定綜合判斷矩陣,計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 綜合判斷矩陣計(jì)算結(jié)果

        計(jì)算指標(biāo)權(quán)重為:

        3.2 TOPSIS模型計(jì)算

        根據(jù)表1和式(1),可以建立初始評(píng)估矩陣,并將初始矩陣與指標(biāo)權(quán)重相乘,得到初始加權(quán)矩陣為:

        根據(jù)式(4),可以確定指標(biāo)的正、負(fù)理想解為:

        根據(jù)式(5~6),可以得到各等級(jí)下的貼近度,根據(jù)貼近度計(jì)算結(jié)果,確定各備選方案的優(yōu)劣性。貼近度具體結(jié)果見表3。根據(jù)表3,三種備選的采煤方案貼近度分別為0.305、0.175、0.825,根據(jù)貼近度大小,各方案優(yōu)劣性排序?yàn)榉桨?優(yōu)于方案1和方案2,即偽傾斜分層走向長(zhǎng)壁采煤法是該煤礦最適宜的采煤方法,結(jié)論與文獻(xiàn)10 一致。目前,該方法在礦山得以應(yīng)用,安全高效、技術(shù)可行,取得了較好的效果。

        表3 貼近度計(jì)算結(jié)果

        4 結(jié)論

        (1)基于3標(biāo)度理論,對(duì)傳統(tǒng)層次分析法加以改進(jìn),計(jì)算過程更加客觀,權(quán)重結(jié)果更加合理,評(píng)估結(jié)果更加可靠。

        (2)將TOPSIS理論應(yīng)用到某煤礦采煤方法優(yōu)選中,根據(jù)煤層賦存條件,選取了3種備選采煤方案,計(jì)算各方案貼近度分別為0.305、0.175、0.825,表明方案三為該礦最適宜的采煤方法。該模型優(yōu)選結(jié)果合理,獲得了滿意的效果,驗(yàn)證了該模型的可靠性。

        (3)由于采煤方案受多方面因素影響,且指標(biāo)選取具有靈活性,在應(yīng)用時(shí),需要考慮礦山差異性,盡量選取具有代表性的指標(biāo),建立完善的指標(biāo)體系,以提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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