基于G1法-改進熵權法的煤礦機電安全評價及應用

摘要：針對煤礦機電設備安全評價體系不完善、指標權重確定不符合實際等問題，構建基于G1法、改進熵權法兩種評價方法，運用最小信息熵原理在G1法和改進熵權法確定的相對主、客觀權重中尋找平衡，充分考慮專家經驗與樣本已知數據，提高了所確定指標權重與實際情況的契合度，并基于前人研究，從人、機、管理、環境四方面對評價體系進行了分析與簡化，分析篩選出影響程度較大的指標，并構建煤礦機電安全評價體系，獲取煤礦機電安全狀態級別。通過工程應用，對評估結果進行分析，對癥下藥，對煤礦開采薄弱環節加強管理措施，提高煤礦機電安全水平，對煤礦安全高效生產起到了積極作用。

關鍵詞：煤礦機電設備；安全評價；G1法；改進熵權法

中圖分類號：TD608? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0060-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.016

0? ? 引言

隨著科技的不斷進步和需求的不斷變化，煤礦機電設備的發展趨勢必然是更加智能化、自動化[1]，這種趨勢將為煤礦行業的發展做出重要貢獻。煤礦機電設備安全是煤礦安全生產中一個不可忽視的重要部分。

近年來，煤礦機電設備事故不斷發生，造成了重大損失，煤礦機電設備安全的重要性受到了越來越多的關注，而安全狀態評估是保障煤礦安全的重要手段之一[2-3]。

對煤礦機電設備進行數據收集、分析處理，了解其安全狀態和潛在風險，開展風險評估并針對薄弱環節加強管理措施，提高煤礦機電安全水平是當前重要的研究內容。

近些年來，關于煤礦機電安全評價不少專家學者已開展了相關研究[4-7]，但所用方法較為單一，據此建立的煤礦機電安全評價體系難以準確找到具體的安全隱患并評估其風險程度。

評價指標體系可以結合定量和定性方法，既考慮數據指標的量化測定，又兼顧專家判斷和經驗的定性評估[8]。

本文運用G1法和改進熵權法得到指標的主觀權重與客觀權重，通過最小信息熵原理綜合計算確定組合權重，以貴州省某煤礦為應用對象，對評估結果進行分析，對癥下藥，對煤礦開采薄弱環節加強管理措施，對煤礦高效開采起到了積極作用。

1? ? 評價體系指標權重的確定方法

1.1? ? 相對主觀權重的確定

序關系分析法（G1法）是一種用于解決復雜決策問題的分析方法[9]。它是在復雜系統理論的基礎上發展起來的，主要用于分析和處理具有序關系的決策問題。

G1法將復雜決策問題表示為一組決策事件的順序組合或序列。通過分析每個決策事件的影響和關聯關系，可以逐步推導出最終的決策結果。步驟如下[10]：

（1）確定序關系。

將不同評價指標di對評價準則的重要關系進行比較，與專家給出的評定建議結合加以分析，確定各指標的重要性排序，即若指標di相對于dj重要，則di＞dj。

（2）鄰近指標重要性判定。

記專家關于評價指標di-1和di的相對重要性程度之比為■=γi，其中i=n，n-1，…，3，2，n為指標總數；γi為評價指標相對重要性程度之比，γi取值參考表1；di-1、di為評價指標值。

（3）計算主觀權重ωi。

經專家對鄰近指標重要性作出判別得到γi，則權重系數由ωi=1+■■γi■，ωi-1=γiωi（i=n，n-1，…，3，2）兩個公式計算得到。

通過上述步驟可以看出，通過G1法所確定出來的指標主觀權重其依據是征集專家對各指標的相對重要性意見的“定性-定量”主觀計算方式，該方法盡管通過后續的計算降低了主觀因素帶來的權重誤差，但仍然不排除個別專家做出差異性較大的判斷，因此需要通過另一種客觀的評價方法進一步降低G1法中的主觀成因誤差。

1.2? ? 相對客觀權重的確定

改進熵權法是一種用于確定決策問題中客觀權重的方法，它主要是通過分析各個指標之間的關系，給不同指標分配不同的權重，從而實現對決策問題進行客觀的評價和排序[11]。

相比傳統的熵權法，改進熵權法所確定的指標權重在提高原本指標權重確定的客觀性的基礎上，降低了其在確定過程中產生的誤差過大的問題，使其更加符合實際情況[12]。

（1）確定各項評價指標的原始數據。

設評價對象T包含n個指標因素，T=（t1，t2，…，tn），通過訪問多個專家，以評價調查問卷的形式，統計專家贊成各指標在各評價等級下的人數，得到T的m個樣本數據，這些數據共同構成了評價對象的原始數據陣，記為A=（aij）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

（2）標準化處理各指標數據。

由于在系統評價體系中，針對各指標情況越優、整個系統安全性就越好的情況，不同的評價指標往往具有不同的單位與量綱，為消除指標的差異性，采用均值化法無量綱化處理原始數據，得到標準化矩陣，即B=（bij）n×m，其中bij=■，a* ij=■。bij為標準化的指標值；a* ij為正效應指標值；a* ij為正效應指標值的平均值。

（3）通過上述計算得到標準化矩陣后，根據公式Li=-t■uijln uij計算求得當前層指標下屬第i個評價指標的熵值，式中的uij=（bij+0.1）■（bij+0.1），t=■。

將計算得到的熵值按照公式wi=■Lj+2-3Li

■■Lj+2-3Li計算求得當前層下屬下級第i個評價指標的熵權，即評價指標的相對客觀權重，其中，j=1，2，…，n，進而得到指標權重向量Wi=（w1，w2，…，wn）T。

1.3? ? G1法-改進熵權法確定組合權重

G1法計算得到的主觀權重需要一定的主觀判斷和專業知識的支持，改進熵權法計算得到的客觀權重具有客觀性強而主觀性弱的特點。兩種方法所確定的權重均與實際情況存在一定偏差，故通過最小信息熵原理，組合G1法和改進熵權法確定指標的綜合權重，能夠提高評價指標的準確性和可信度。具體通過公式zi=■■■計算得到組合權重Zi=（z1，z2，…，zn）T。

2? ? 煤礦機電系統安全評價指標體系

2.1? ? 機電安全狀態評價指標體系

構建和賦權煤礦機電設備安全評價指標體系，是全面、準確地評價煤礦機電設備安全狀況的關鍵步驟。

當前，國內外學者對于煤礦機電安全評價開展了大量研究，但關于機電安全評價考慮的因素仍不夠全面，而煤礦機電設備安全評價的關鍵就是對其指標權重的確定，現從人為因素、機電設備狀況、管理組織和環境因素4個方面歸納出影響煤礦機電設備安全狀態的16個因素，確定為煤礦機電安全評價指標體系，各指標之間關系如圖1所示。

2.2? ? 機電系統安全評價體系等級劃分

煤礦機電安全評價可以采用評分和評定等級相結合的方法，即根據煤礦機電的實際情況進行定性或定量評估進行評分，評分結果與各指標的組合權重兩者相結合得到各二級指標的相對評分，可用于了解煤礦機電設備存在的具體安全隱患及風險程度。將相對評分累加求和得到煤礦機電安全評價體系安全評分，依據十分制對煤礦機電安全評價等級進行劃分，評價等級劃分為四級，具體如表2所示。

3? ? 實例應用

3.1? ? 工程背景

深入貴州某礦開展研究，目前該礦正回采12705工作面，該工作面位于M27煤層中，所采煤層屬Ⅲ類不易自燃煤層，工作面煤層賦存相對穩定，煤層結構簡單，上距M24煤層采空區26～30 m，下距M30煤層45 m。12705工作面采用綜合機械化采煤工藝：采用EBZ-160綜掘機、刮板機、膠帶運輸機出貨，膠帶運輸機6臺。

工作面掘進全部采用綜合機械化掘進工藝：EBZ200掘進機、EBZ160掘進機。

3.2? ? 指標相對權重的確定

3.2.1? ? 計算相對主觀權重

為了保證指標選取的可靠性，邀請煤礦機電領域數位權威專家基于評價體系各層指標的重要級別，確定各個指標的排序。以煤礦機電安全評價指標體系中的一級指標為例，計算各一級指標的權重，計算過程如下：

選用D1、D2、D3、D4表示4個一級指標，確定它們之前的排序關系為D1＞D2＞D4＞D3？圯d1＞d2＞d4＞d3，由表1可以得到，γ2=■=1.4，γ3=■=1.6，γ4=■=1.2，γ2×γ3×γ4=2.688，γ3×γ4=1.92，γ4=1.2，γ2×γ3×γ4+γ3×γ4+γ4=5.808。

由公式ωi=1+■■γi■得到ω* 4=（1+5.808）-1≈

0.146 9，ω* 3=γ4×ω* 4=0.176 3，ω* 2=γ3×ω* 3=0.282 0，ω* 1=

γ2×ω* 2=0.394 8，則ω1=ω* 1=0.394 8，ω2=ω* 2=0.282 0，ω3=ω* 3=0.176 3，ω4=ω* 4=0.146 9。

故煤礦機電設備安全評價各一級指標權重為（0.394 8，0.282 0，0.176 3，0.146 9）。

通過重復上述步驟得到二級指標的權重，繼而得出二級指標相對于一級指標的相對主觀權重，如表3所示。

3.2.2? ? 計算相對客觀權重

結合制定的評價體系等級劃分表，邀請該礦高工和技術人員共15名（Ti，i=1，2，3，…15），對煤礦機電設備安全評價的各二級指標進行評價打分，得到16個二級評價指標在不同評價等級下的支持數，如表4所示。

通過表4的原始數據，經改進熵權法計算相對客觀權重，得到各指標熵值Li及其相對客觀權重如表5所示。

3.2.3? ? G1法-改進熵權法確定組合權重

基于上文求得的相對主客觀權重，通過公式zi=■■■求得各個二級指標的組合權重，如表6所示。

3.3? ? 機電安全狀態指標體系安全評價

根據來自該礦的10位機電科技術人員、5位勘探人員、5位專家的評分意見，將各級人員評分進行加權平均計算得到各指標綜合評分，評分結果與各指標的組合權重兩者相結合得到各二級指標的相對評分，累加求和得到該礦的煤礦機電設備安全評分情況，如表7所示。

由計算結果可知，該礦的安全評分為8.016 6，結合表2可得，該礦機電安全評價等級為較安全，與該礦實際狀況相符，說明G1法-改進熵權法組合評價體系對于煤礦機電安全評價科學有效。根據評價體系各指標的綜合評分可知，該礦人員操作違規率C2、設備維修水平C7、頂底板穩定狀況C15的綜合評分嚴重低于安全評分，因此，應該提高人員機電設備操作能力，加強設備的檢修水平以及對頂底板的支護管理，以提高該礦機電安全水平。

4? ? 結束語

傳統的使用單一評價方法進行煤礦機電安全評價具有一定的局限性。本次采用G1法對煤礦機電安全評價體系指標的相對主觀權重進行了計算，利用改進熵權法降低了相對客觀權重確定過程中產生誤差過大的問題，并將兩種方法經最小信息熵原理組合得到相對組合權重。將兩種方法綜合使用后，可以更全面地評估煤礦機電的安全狀況，提高評價指標的準確性和可信度。將該方法應用于貴州某礦，對計算結果進行了分析，對癥下藥，對煤礦開采薄弱環節加強管理措施，使該礦煤礦機電安全水平在短時間內得到了較大的改善，這對煤礦的安全高效生產有著重要意義。

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收稿日期：2023-11-20

作者簡介：陳志萊（1993—），男，貴州畢節人，機電助理工程師，貴州林華礦業有限公司安監部主管，研究方向：煤礦機電技術。