基于模糊综合评价的煤矿安全预警模型研究

第 1 层次指标 第 2 层次指标
第 3 层次指标
指标值
违章作业率
32.1%
作业人员 违章指挥 违反劳动纪律
15.2% 2.8%
技术水平达标率
65.2%
维修保养合格率
92.6%
设备故障率
7.6%
机械设备 设备待修率 设备更新率
2.1% 10.4%
设备带病作业率
15.6%
安全防护设备合格率
93.5%
粉尘控制合格率
技术水平达标率/%
< 40 ≥ 40 ≥ 50 ≥ 60
维修保养合格率/%
< 60 ≥ 60 ≥ 80 ≥ 90
设备故障率/%
≥ 30 ≥ 20 ≥ 10 < 10
机械设备 设备待修率/% 设备更新率/%
≥ 20 ≥ 10 ≥ 5 < 5 < 0.5 < 3 < 5 ≥ 5
设备带病作业率/%
≥ 30 ≥ 20 ≥ 10 < 10
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基于模糊综合评价的煤矿安全预警模型研
究
张自政，杨勇，陈见行，张德海*
（中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116） 摘要：本文给出了一种利用模糊综合评价法建立起的煤矿安全预警模型。利用模糊数学模型， 很好地避免了利用层次分析法（AHP）的主观性。并结合文献 2 中的某矿实例，利用 matlab 求解给出了预警结果，结果说明该矿综合预警结果为无警。 关键词：煤矿安全；模糊综合评价；煤矿安全预警；matlab
关于隶属度的确定，从一个 ui 出发进行评价，以确定评价对象对评价集元素 v j 的隶属
度 rij （ j = 1,2,", m ）。 ui 属于第 j 类安全预警级别的隶属函数为：
⎧0
⎪ ⎪
ci
−
si, j−1
rij
=
⎪⎪ si, j+1 − si, j
⎨ ⎪
si, j+1
−
ci
⎪ ⎪
si
,
j
+1
3 结论与建议
本文给出模糊综合评价法的原理，结合文献 2 中某矿的实例，计算知该矿综合预警结果 为无警。但是该矿的违章作业率已经达到了中警的警限范围，违章指挥达到了轻警的警限范 围，因此还需要加强该矿的安全教育和安全管理。
86.7%
噪声控制合格率
89.2%
温度
26℃
瓦斯浓度（体积分数）
0.5%
矿井总风压
2428Pa
作业环境
矿井风量
13577 m3 / min−1
矿井等积孔 通风系统可靠度 矿井风量供需比
5.92 m2 1.15
矿井有效风量率
0.877
矿井通风方式
9.4
风机运转稳定性
9.2
通风系统抗灾能力 9.6
管理制度
安全防护设备合格率/% < 60 < 70 < 85 ≥ 85
粉尘控制合格率/%
< 50 < 60 < 80 ≥ 80
噪声控制合格率/%
< 50 < 60 < 80 ≥ 80
温度/℃
≥ 30 ≥ 28 ≥ 26 < 26
瓦斯浓度/%
≥ 1 ≥ 0.9 ≥ 0.8 ≥ 0.8
矿井总风压/Pa
≥ 3000 ≥ 2800 ≥ 2700 < 2700
表 2 煤矿安全预警指标的警限值
Tab.2 early- warning indices for coal mine safety
项目
安全预警指标
警限值 重警 中警 轻警
无警ห้องสมุดไป่ตู้
违章作业率/%
≥ 50 ≥ 30 ≥ 20 < 20
作业人员 违章指挥/% 违反劳动纪律/%
≥ 40 ≥ 20 ≥ 10 < 10 ≥ 50 ≥ 30 ≥ 15 < 15
千人死亡率
≥5 ≥3 ≥1 <1
千人负伤率
≥ 10 ≥ 8 ≥ 5 < 5
伤害平均严重率
≥ 100 ≥ 80 ≥ 50 < 50
百万吨死亡率
≥3 ≥2
≥1
<1
利用 matlab 按照步骤 2 中原理进行编程[6]，可以很快求出评价结果，如下： TheResultMoHu = 0.0032 0.0517 0.1267 0.8184 上述运算结果表明该矿对各级的隶属度分别为 0.0032，0.0517，0.1267，0.8184。因此， 根据最大隶属度原则，该矿的综合预警结果为无警。
1.3 确定评价因素的模糊权向量
通常各因子的重要程度不同，对每个因子 ui 赋与一个相应的权重 ai 构成权重集 A 。因 子 ai 的权重值确定方法如下：
wi
=
ci si
（5）
其中 ci ——因子 ui 的实测数值
si ——因子 ui 是安全预警级别的标准值
wi ——因子 ui 的权重值
在模糊综合评价中， ai 本质上是因子 ui 对评价事物的重要程度，为进行模糊运算，对
图 1 煤矿安全预警指标体系 Fig1 early- warning indices system for coal mine safety
2.2 模糊综合评价法评定模糊指标
本文采用的数据都源自文献 2 中，下表 1 为某矿的各项指标数据。
表 1 各指标的原始数据
Tab.1 initial data of every indices
1.1 建立评价对象的因素集
在模糊综合评价法中，因素是参与评价的评价指标，而在对煤矿安全预警级别的定量综
作者简介：张自政（1988-），男，中国矿业大学采矿工程本科在读. E-mail: zhang-zi-zheng@
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制度完善率 制度标准率
85.4% 88.2%
管理状态
组织状态
专业管理人员占有率 65.2%
安全管理组织的协调性 91.2%
千人死亡率
0.59‰
事故控制
千人负伤率 伤害平均严重率
2.35‰ 15%
百万吨死亡率
0.42%
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在使用模糊综合评价法评定模糊指标时，需要首先知道指标标准，也即是煤矿安全预警 指标的界限，如下表 2 所示
B
=
A×
R
=
(a1, a2 ,",
an
)
r21, r22 ,", r2m """""
= (b1,b2 ,",bm )
rn1, rn2 ,", rnm
（9）
其中，bj 称为评定指标，它是综合考虑所有因子的影响时，评价对象对评价集中第 j 个
元素的隶属程度。显然 R 的第 i 行表示第 i 个因子影响评定对象时对各个评价元素的隶属程
⎥ ⎥ ⎥
⎢ ⎣rn1
,
rn
2
,",
rnm
⎥ ⎦
（8）
1.5 综合评价
单因素模糊评价仅反映一个因子对评价对象的影响，而未反映所有因子的综合影响，也
就不能得出综合评价的结果。模糊综合评价考虑所有因子的影响，将模糊权向量 A 与单因素
模糊评价矩阵 R 复合，得出每个被评价事物的模糊综合评价向量 B 。
r11, r12 ,", r1m
0 引言
改革开放后，煤炭占我国一次性消费能源一直达 70%以上，在今后很长一段时间内其 比重亦不会低于 50%。然而，伴随着煤炭产量的增加，煤矿事故却一直十分严重。我国煤 矿大都是井工开采，自然灾害较多，地质条件复杂，同时还受制于机械化设备的可靠性及人 员工作素质的熟练性，各种事故不断。为了降低煤矿事故的发生，建立相应的煤矿安全预警 系统是十分重要的。
各因子的权重值进行归一化运算得出因子的权重 ai ：
ci
ai =
si
n ∑
ci
i = 1 si
= wi
n
i
∑ =
1
wi
（6）
上述 n 项因子指标，分别计算出权重后，组成一个1× n 模糊权重集：
∑ A = (a1, a2 ,"ai ", an ) 且 n ai = 1 ai ≥ 0 i=1
1.4 确定单因素评价矩阵 R 进行单因素评价
−
si,
j
⎪⎩1
ci ≤ si, j−1或ci ≥ si, j+1 si, j−1 < ci < si, j
si, j < ci < si, j+1 ci = si, j
（7）
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其中 rij ——因子 ui 对 j 类安全预警级别的隶属度
建立可靠的煤矿安全预警系统首先要建立预警的指标体系和安全预警模型。本文将就模 糊综合评价法在煤矿安全预警模型的应用作一些介绍和说明。[1-3]
1 基于模糊综合评价的煤矿安全预警模型
模糊综合评价法（Fuzzy Comprehensive Evaluation）是运用模糊数学和模糊统计方法， 通过对影响某事物的各个因素的综合考虑，对该事物的优劣做出科学评价。模糊综合评价是 由最底层开始逐层向上做出多层次综合评价，直至目标层的评价结果，需针对准则层和目标 层进行二级综合评价。[4]
ci ——因子 ui 的实测数值
si, j ——因子 ui 第 j 类安全预警级别标准
对第 i 个因子 ui 评价的结果组成单因素模型评价集 Ri = (ri1 , ri2 ,", rim ) 。根据以上计算
过程可得到相应于每个因子的单因素模糊评价集：