一种wmnt瓦斯爆炸灾害风险评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，属于煤矿安全技术领域。本发明方法包括如下步骤：一、确定瓦斯爆炸灾害风险指标体系，对瓦斯爆炸灾害风险划分风险等级；二、确定所述指标体系中的各指标的权重向量；三、确定成本型隶属度函数或效益型隶属度函数，并得到指标隶属度矩阵；四、计算所述风险等级的目标隶属度向量；五、判断瓦斯爆炸灾害的风险等级。本发明提供的方法计算简单、操作性强、评价结果可靠，是一种非线性评价瓦斯爆炸灾害风险等级的模型。
【专利说明】
一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于煤矿安全生产中对于瓦斯爆炸灾害评价的方法，特别是涉及 一种瓦斯爆炸灾害风险评价方法，属于煤矿安全生产技术领域。
【背景技术】
[0002] 煤矿生产系统是一个典型的非线性系统，具有复杂性、动态性和模糊性等特点。当 前，煤矿安全成为制约煤炭工业发展的主要问题之一。瓦斯爆炸灾害事故的频频发生严重 影响着煤矿职工的生命安全和煤炭工业的可持续发展。由于我国存在大量的高瓦斯矿井， 且随着开采深度的增加及机械化程度的加强，瓦斯涌出量逐渐增大;而瓦斯爆炸危险因素 具有非线性动力学特征，因此对瓦斯爆炸灾害进行风险评价是一个重要的课题。
[0003] 目前，众多专家学者对瓦斯爆炸灾害风险评价方法进行了研究。如:随着现代应用 数学在安全评价理论中的应用和发展，早期出现了模糊数学综合评价方法、神经网络评价 方法、AHP-GT危险性评价模型、G-K评价与粗糙集模型以及属性模式识别模型。这些研究促 进了煤矿安全技术的发展，但上述方法均为线性评价方法，不能很好的适应非线性煤矿生 产系统的发展。
[0004] 期刊"基于IAHP-ECM的瓦斯爆炸灾害风险评估"使用区间层次分析法（IAHP)建立 层次结构体系，用区间数特征根法求解指标权向量，设置指标风险等级分界点，确立单项指 标分段功效函数改进功效系数法(ECM)，从而构建了基于IAHP-ECM的灾害风险评估模型。该 模型虽然操作性强，但在计算指标权重时采用的IAHP方法过于繁琐。期刊"基于网络分析和 联系熵的煤与瓦斯突出预测研究"将网络分析法和联系熵理论相耦合，建立了煤与瓦斯突 出预测的ANP-CE模型。该模型使用网络分析法建立了煤与瓦斯突出预测指标的网络模型， 并且计算出指标的权重、划分危险性等级，最终由联系熵累加确定了各风险等级的联系熵 范围。该模型在煤与瓦斯突出危险性预测上具有可行性和合理性，但利用联系熵的累加使 得计算复杂度有所增加。
[0005] 通过上述分析，目前瓦斯爆炸灾害风险评价存在的问题主要有：（1)常用的评价方 法仍为线性评价方法；（2)模型计算复杂，操作性相对较弱。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法。首先， 从"人-机-环境-管理"4个方面考虑，确定瓦斯灾害风险的指标体系，对瓦斯爆炸灾害风险 划分风险等级;针对AHP定权方法存在的问题，本发明采用改进的AHP单准则排序方法确定 所述指标体系中的各指标的权重向量(Weight，W);本发明根据所述各指标匹配的各风险等 级的临界值确定隶属度函数并得到指标隶属度矩阵(Membership Function，M);针对当前 用加权平均线性模型实现隶属度转换的不足，本发明使用非线性隶属度转换的方法和所述 指标体系中各指标的权重向量计算所述风险等级的目标隶属度向量（Nonlinear Membership Transform,NT)，最终根据置信度识别准则和所述目标隶属度向量判断瓦斯爆 炸灾害的风险等级。本发明为瓦斯爆炸灾害风险评价提供了新的方法。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方法来实现:一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法， 包括以下步骤：
[0008] 步骤1:从"人-机-环境-管理"4个方面考虑，确定瓦斯爆炸灾害风险指标体系，对 瓦斯爆炸灾害风险划分风险等级；
[0009] 步骤2:采用改进的AHP单准则排序方法确定所述指标体系中的各指标的权重向 量；
[0010] 步骤3:根据所述各指标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度函数分为成本型隶 属度函数或效益型隶属度函数;依据各风险等级隶属度函数的确定公式来确定所述成本型 隶属度函数或效益型隶属度函数，并根据所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数得到 相应的指标隶属度矩阵y;
[0011] 步骤4:根据非线性隶属度转换算法和所述指标体系中各指标的权重向量，将所述 的指标隶属度矩阵y转换为目标隶属度向量；
[0012] 步骤5:根据置信度识别准则和所述目标隶属度向量，判断瓦斯爆炸灾害的风险等 级。
[0013] 本发明的有益效果在于：
[0014] (1)本发明利用改进的AHP单准则排序方法确定所述指标体系中的各指标的权重 向量，具有一定的理论基础。并且实现了因素层各因素的无量纲归一化，满足风险评价的分 级要求；
[0015] (2)本发明采用的隶属度转换算法是非线性转换，既不增加新的先验知识，也不造 成已有信息损失。该模型具有可行性和正确性，为瓦斯爆炸灾害风险评价提供了新的思路；
[0016] (3)本发明提出的WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价模型的计算简单、操作性强、评价结 果可靠，实现了非线性评价瓦斯爆炸灾害风险等级的方法。该模型在瓦斯爆炸灾害风险评 价上具有科学性和准确性。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法流程图；
[0018] 图2是本发明的成本型隶属度函数示意图；
[0019] 图3是本发明的效益型隶属度函数示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0021] 图1是本发明的一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法流程图，该方法包括以下步 骤：
[0022]步骤1:从"人-机-环境-管理"4个方面考虑，确定瓦斯爆炸灾害风险的指标体系， 对瓦斯爆炸灾害风险划分风险等级；
[0023] 确定的瓦斯爆炸灾害风险指标体系，如表1所示。
[0024] 根据煤矿生产系统的特点、专家经验及常用《国家突发公共事件总体应急预案》中 规定的分级标准，将瓦斯爆炸灾害风险等级划分为5个等级:V={ V1-安全，v2-较安全，V3-- 般安全，V4_较不安全，V5_不安全}。
[0025]表1瓦斯爆炸灾害风险指标体系
[0027] 步骤2:由于AHP给出的基于判断矩阵一致性检验的特征根定权法中，临界值的确 定缺乏必要的理论基础，采用改进的AHP单准则排序方法确定所述指标体系中的各指标的 权重向量；
[0028] 步骤21:当所述指标体系中指标i与j进行重要性比较时，用Slj表示所述指标i相对 于所述指标j的重要性得分，用s#表示所述指标j相对于所述指标i的重要性得分，且 Slj，Sjl 满足： 5.. >0, > 0
[0029] < 「1 i^j (1) l〇 i-j
[0030] 显然，SU是一种标度，因为SU能表征所述指标体系中指标i与j重要性程度的差 异，称SU是评分标度，同理Sjl也是评分标度。
[0031] 步骤22:虽然5^￡[0，1]，但是81」不是[0，1]上的连续实数而是[0，1]区间上的离 散值，通常可由比例标度aVa」转换成评分标度。由比例标度转换成评分标度的转换公 式为：
[0032]这样，对区间[1/9,9]上任一比例标度ai/aj(i辛j)有唯一的评分标度SijG [0? 1， 0.9]与之对应。
[0034] 式中，ai/aj是比例标度，表示所述指标体系中的指标i与j重要性程度的比例差异； aj/ai表示所述指标体系中的指标j与i重要性程度的比例差异;叫表示得到的所述指标体 系中指标i相对于所述指标体系中指标j的评分标度的值。
[0035] 步骤23:通过步骤22所述评分标度，得到评分标度矩阵为：
[0036] B=(Sij)mXm (3)
[0037] 式中，Slj表示得到的所述指标体系中指标i相对于所述指标体系中指标j的评分标 度的值;m表示所述指标体系中指标的总个数;B表示得到的评分标度矩阵。
[0038]因B的主对角线元素均为0，所以B不是正矩阵，不存在"一致性"，更不存在"一致性 检验问题"。注意到B的第i行是所述指标体系中指标i与m个指标(包含i)各进行一次比较后 i的重要性得分序列，由于同一指标的重要性得分可以相加，用S(i)表示指标i的累积得分， 则：
[0039] (4) M
[0040] 式中，Slj表示得到的所述指标体系中指标i相对于所述指标体系中指标j的评分标 度的值；
[0041] m个指标两两进行比较，共比较
t次，共彳I
分，用n表示i的 得分率，则：
[0043] 显然ri就是m项指标按重要度排序时所述指标体系中指标i的排序度量，俗称ri是 所述指标体系中指标i的重要性权重。
[0044] 所以，m个指标的权重向量为：
[0045] r=(ri,r2,---,rm) (6)
[0046] 步骤3:根据所述各指标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度函数分为成本型隶 属度函数或效益型隶属度函数;依据各风险等级隶属度函数的确定公式来确定所述成本型 隶属度函数或效益型隶属度函数，并根据所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数得到 相应的指标隶属度矩阵y。
[0047] 步骤31:依据对煤矿安全状况历史分析，科学合理的确定所述指标体系中各指标 对应各风险等级的临界值，如表2所示。
[0048] 表2各指标兀配的各风盼等级临界倌
[0050] 从表2中可以看出，部分所述指标体系中的指标，如U3-U3U3-6以及U3-7匹配的风 险等级的临界值随着所述风险等级的增加而增大，符合成本型隶属度函数的特征;部分所 述指标体系中指标匹配的风险等级临界值随着所述风险等级的增加而减小，符合效益型隶 属度函数的特征。因此，根据所述指标体系中各指标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度 函数分为成本型隶属度函数或效益型隶属度函数。
[0051] 步骤32:确定成本型隶属度函数的公式为：
[0057] 式(7)_(11)中，&(1)，&(2)，&(3)， &(4)，&(5)表示所述指标体系中指标匹配的各风 险等级的临界值，之间的关系是：
[0058] a(l)<a(2)<a(3)<a(4)<a(5);x表示瓦斯爆炸灾害中属于所述各指标的样本 值;fl(X)，f2(X)，f3(X)，f4(X)，f5(X)分别表示所述指标体系中各指标的样本值处于所述各 风险等级的成本型隶属度函数。
[0059] 效益型隶属度函数的确定公式与上述公式顺序相反。依据上述各风险等级隶属度 函数的确定公式来确定所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数，如附图2和附图3所 不。
[0060] 步骤33:将所述指标体系中各指标的样本值与所述成本型隶属度函数或效益型隶 属度函数相对应，并得到所述指标隶属度矩阵y为：
[0062] 式中，表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标中第j个指标的样本值隶属于所述风 险等级中第k个风险等级的隶属度;m表示所述指标体系中指标的总个数;p表示所述风险等 级划分的总级数;y表示瓦斯爆炸灾害中样本值的指标隶属度矩阵。
[0063] 步骤4:根据非线性隶属度转换算法和所述指标体系中各指标的权重向量，将所述 指标隶属度矩阵y转换为目标隶属度向量；
[0064]设瓦斯爆炸灾害在m个指标属于所述风险等级中的第k个风险等级的目标隶属度 为ak(G)。而各种风险评估模型，几乎无例外地都用模糊综合判断的"加权平均"线性模型确 定目标隶属度ak(G)，即： m
[0065] ak{G) = Y/，^k (i3) ;/二1
[0066] 式中，^表示所述指标体系中指标j的权重向量;表示瓦斯爆炸灾害中属于所述 指标中第j个指标的样本值隶属于所述风险等级中第k个风险等级的隶属度。
[0067] 实际上，隶属度转换是非线性转换。本发明采用非线性隶属度转换方法实现隶属 度转换。由指标隶属度矩阵y确定目标隶属度向量的非线性隶属度转换算法步骤如下：
[0068] 步骤41:计算区分权Wj(G)( j = l，2,…，m)
[0069] 区分权Wj(G)的大小由所述的指标隶属度矩阵取值集中与分散的程度决定。区 分权表示的是所述指标体系中的指标j提供给所述瓦斯爆炸灾害并用隶属度向量表征的分 类信息，能把所述瓦斯爆炸灾害所属风险等级"区分开"的程度。
[0070] 冈分权计筧公式如下所示：
[0074]式中，G表示瓦斯爆炸灾害;k表示所述风险等级中第k个风险等级;p表示所述风险 等级划分的总级数;hk表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标中第j个指标的样本值隶属于所 述风险等级中第k个风险等级的隶属度;出(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指 标j的样本值的熵，刻画的是瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值对所述风 险等级的划分所做的贡献值，熵的取值范围为[0，lgp]，熵越小，贡献越大;m表示所述指标 体系中指标的总个数;VKG)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的峰 值;w」(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的区分权。
[0075] 步骤42:计算可比和Mk(G)
[0076]可比和Mk(G)的物理意义是m种指标提供的分类信息使瓦斯爆炸灾害属于所述风 险等级中的第k等级的"程度之和"。
[0077] Mk(G) = X w.^G)xpjk {k = 1,2,- -yp) (17) M
[0078]式中，G表示瓦斯爆炸灾害泊表示所述指标体系中指标j的权重向量％(G)表示瓦 斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的区分权;Wj(G)X^k表示使用区分权提 取出的有效值;^X Wj(G)Xhk表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值隶 属于所述风险等级中第k个风险等级的可比值;M k(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体 系中指标j的样本值隶属于所述风险等级中第k个风险等级的可比和。
[0079]步骤43:计算目标隶属度ak(G)
(18)
[0081]式中，Mk(G)，Mjk(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值隶属 于所述风险等级中第k个风险等级的可比和 [0082]输出的目标隶属度向量为：
[0083] a(G) = (a1(G)，a2(G)，."，ap(G)) (19)
[0084]此方法的特点是由状态转移矩阵实现的隶属度转换是非线性转换，并且转换过程 既不增加新的先验知识，也不造成已有信息损失。
[0085]步骤5:根据置信度识别准则和所述目标隶属度向量，判断瓦斯爆炸灾害的风险等 级。
[0086]置信度识别准则的定义为：
[0087] 设{V1，V2,…，Vp}是一个有序的风险评价空间集，A为置信度(A>〇.5,通常取入= 0.6或0.7)，令 k
[0088] .左二 min {k /=i
[0089] 式中，k表示所述风险等级中第k个风险等级;p表示所述风险等级划分的总级数； aKG)表示所述的风险等级中前k个风险等级中第1个风险等级的目标隶属度向量的值;A表 示置信度；
[0090] 判断瓦斯爆炸灾害的风险等级为所述风险等级中第k个风险等级，并且有不低于入 的置信度。
【主权项】
1. 一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，其特征在于:包括以下步骤： 确定瓦斯爆炸灾害风险的指标体系，对瓦斯爆炸灾害风险划分风险等级； 采用改进的AHP单准则排序方法确定所述指标体系中的各指标的权重向量； 根据所述各指标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度函数分为成本型隶属度函数或 效益型隶属度函数;依据各风险等级隶属度函数的确定公式来确定所述成本型隶属度函数 或效益型隶属度函数，并根据所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数得到相应的指标 隶属度矩阵μ; 根据非线性隶属度转换算法和所述指标体系中各指标的权重向量，将所述的指标隶属 度矩阵μ转换为目标隶属度向量； 根据置信度识别准则和所述目标隶属度向量，判断瓦斯爆炸灾害的风险等级。2. 根据权利要求1所述的一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，其特征在于:所述的采 用改进的AHP单准则排序方法确定所述指标体系中的各指标的权重向量，包括： 当所述指标体系中指标i与j进行重要性比较时，用Sij表示所述指标i相对于所述指标j 的重要性得分，用Sjl表示所述指标j相对于所述指标i的重要性得分，且Slj，Sjl满足：Slj是一种标度，因为叫能表征所述指标体系中指标i与j重要性程度的差异，称Slj是评 分标度，同理Sjl也是评分标度。 由比例标度ai/a_i转换成评分标度的转换公式为：式中，ai/a通比例标度，表示所述指标体系中的指标i与j重要性程度的比例差异;Va1 表示所述指标体系中的指标j与i重要性程度的比例差异;Slj表示得到的所述指标体系中指 标i相对于所述指标体系中指标j的评分标度的值； 通过所述评分标度，得到评分标度矩阵为： B- ( SIj)mXm 式中，m表示所述指标体系中指标的总个数;B表示得到的评分标度矩阵； 其中，B的第i行是所述指标体系中指标i与m个指标各进行一次比较后i的重要性得分 序列，用S( i)表示所述指标体系中指标i的累积得分，则： m个指标两两进行比较，共比，用η表示i的得分 率，则： 式中，S (i)表〕if指标两两进行 比较后共得Iri就是m项指标按重要度排序时所述指标体系中指标i的排序度量，称ri是所述指标体 系中指标i的权重向量； 所以，m个指标的权重向量为： r= (ri，r2,…，rm) 〇3.根据权利要求1所述的一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，其特征在于:根据所述 各指标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度函数分为成本型隶属度函数或效益型隶属度 函数;依据各风险等级隶属度函数的确定公式来确定所述成本型隶属度函数或效益型隶属 度函数，并根据所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数得到相应的指标隶属度矩阵μ， 包括： 依据对煤矿安全状况历史分析，确定所述各指标匹配的各风险等级的临界值； 部分所述指标体系中的指标匹配的风险等级的临界值随着所述风险等级的增加而增 大，符合成本型隶属度函数的特征;部分所述指标体系中的指标匹配的风险等级临界值随 着所述风险等级的增加而减小，符合效益型隶属度函数的特征;根据所述指标体系中各指 标匹配的各风险等级的临界值，将隶属度函数分为成本型隶属度函数或效益型隶属度函 数； 确定成本型隶属度?翁的公忒·式中，&(1)，&(2)，&(3)^(4)， &(5)表示所述指标体系中指标匹配的各风险等级的临界 值，之间的关系是:a(l)<a(2)<a(3)<a(4)<a(5);x表示瓦斯爆炸灾害中属于所述各指 标的样本值;fl(x)，f2(x)，f3(x)，f4(X)，f5(X)分别表示所述指标体系中各指标的样本值处 于所述各风险等级的成本型隶属度函数； 所述效益型隶属度函数的确定公式与上述公式顺序相反； 依据上述各风险等级隶属度函数的确定公式来确定所述成本型隶属度函数或效益型 隶属度函数； 将所述指标体系中各指标的样本值与所述成本型隶属度函数或效益型隶属度函数相 对应，并得到所述指标隶属度矩阵μ式中，表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标中第j个指标的样本值隶属于所述风险等 级中第k个风险等级的隶属度;m表示所述指标体系中指标的总个数;p表示所述风险等级划 分的总级数;μ表示瓦斯爆炸灾害中样本值的指标隶属度矩阵。4.根据权利要求3所述的一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，其特征在于:所述的根 据非线性隶属度转换算法和所述指标体系中各指标的权重向量，将所述指标隶属度矩阵μ 转换为目标隶属度向量，包括： 计算区分权Wj(G) (j = 1，2，…，m) 区分权W(G)的大小由所述的指标隶属度矩阵^!^取值集中与分散的程度决定； 区分权计算公式如下所示：式中，G表示瓦斯爆炸灾害;k表示所述风险等级中第k个风险等级;p表示所述风险等级 划分的总级数;表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标中第j个指标的样本值隶属于所述风 险等级中第k个风险等级的隶属度;HKG)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j 的样本值的熵，刻画的是瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值对所述风险 等级的划分所做的贡献值，熵的取值范围为[〇, Igp]，熵越小，贡献越大;m表示所述指标体 系中指标的总个数;Vj(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的峰 值;W j(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的区分权； 计算可比和式中，G表示瓦斯爆炸灾害;rj表示所述指标体系中指标j的权重向量;Wj (G)表示瓦斯爆 炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值的区分权;W(G)※^!^表示使用区分权提取出 的有效值;^ Xwj(G)Xyjk表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值隶属于 所述风险等级中第k个风险等级的可比值;M k(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中 指标j的样本值隶属于所述风险等级中第k个风险等级的可比和； 计算目标隶属度Qk(G)式中，Mk(G) ,Mjk(G)表示瓦斯爆炸灾害中属于所述指标体系中指标j的样本值隶属于所 述风险等级中第k个风险等级的可比和； 输出的目标隶属度向量为： a(G) = (al(G),a2(G),---,aP(G))〇5.根据权利要求1所述的一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法，其特征在于:根据置信 度识别准则和所述目标隶属度向量，判断瓦斯爆炸灾害的风险等级，包括： 置信度识别准则的定义为： 设{vm，···，^}是一个有序的风险评价空间集，λ为置信度(λ>〇.5,通常取λ = 〇.6或 0.7)，令式中，k表示所述风险等级中第k个风险等级;ρ表示所述风险等级划分的总级数;Ct1(G) 表示所述的风险等级中前k个风险等级中第1个风险等级的目标隶属度向量的值;λ表示置 信度； 判断瓦斯爆炸灾害的风险等级为所述风险等级中第k个风险等级，并且有不低于λ的置 信度。
【文档编号】G06F19/00GK105893758SQ201610201366
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】李志华, 许新, 陈湘国, 赵继军, 刘开弟
【申请人】河北工程大学