D01:10.13374.isml00103x.2009.06.0I2 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 大型露天矿运输安全控制与预警系统 贾水库 北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 摘要采用安全系统工程的原理.结合信息论和控制论的思想，针对当前管理模式的不足.提出了“事故发现型”超前安全 管理模式.针对矿山运输安全控制的非线性、多因素及多层次特点.建立了模糊综合评判模型.运用“4M要素”理论分析并提 出了矿山运输事故控制及预防的措施 关键词露天矿：运输：安全控制：预警系统 分类号TD571 Pre-warning and control system of transport safety in a large-scale surface mine JIA Shui-ku School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT In order to solve the lack of effective management modes,a pre-warning safety management mode based on accidents discovery w as put forw ard using the principle of safety system engineering in combination with the ideas of informationism and cyber- netics.A fuzzy synthetic judgment model was established for the safety control of mine transport in view of its nonlinear,multi-factor and multi-level characteristics Based on analysis results with the'4M (man,machine,medium,management)factors'theory. some measures were provided for preventing and controlling mine transport accidents KEY WORDS open-pit mine:transport;safety control;pre-w arning system 露天矿是一个以采掘为中心，以运输为纽带的 包括50t工程车、42t工程车、30t工程车，42t洒水 大型生产系统.我国的大型露天矿山大多数始建于 车和解放牌卡车等，该矿经过多年开采浅部资源 20世纪五六十年代.经过多年的开采，浅部资源逐 逐渐采完，20世纪末进入深部凹陷开采.预计该矿 渐采完矿山陆续进入了深部开采，开采方式由山坡 的凹陷开采深度将达到470m,最终边坡垂直高度 露天开采转为深部凹陷开采运输方式由重载下坡 将达到660m,不但运输距离加长，运输效率降低 运行变为重载上坡运行. 运输成本急剧增加，而且给运输安全也带来严重威 具有典型性和代表性的首钢水厂铁矿位于河北 胁 省迁安市，始建于20世纪60年代，是首钢的主要矿 由于水厂铁矿在我国大型深凹露天矿中具有典 石原料基地，担负首钢60%以上的铁矿石供应量. 型性和代表性因此被选为国家“十五”科技攻关计 该矿整个露天采场南北长约3600m,东西宽约 划重大项目课题“大型深凹露天矿高效运输系统及 1600m,是我国第一大治金露天矿山，铁矿石生产 强化开采技术研究”的工程依托单位，“运输安全控 能力最高达到1600万ta.水厂铁矿共有各类运 制”是课题的研究内容之」？.露天矿运输系统是 输车辆100多台.其中用于矿石和废石运输的大型 一复杂的、非线性、强耦合、多因素及多层次并存的 汽车60多台，包括85t机械传动汽车、77t机械传 系统工程对事故发生进行危害预测及评判时，由于 动汽车、170t电动轮汽车和130t电动轮汽车四种 所涉及的因素极其复杂，很难进行精确的描述，建 类型：各类铲运机20多台：其他杂用车辆20多台， 立运输车辆的新型安全控制预警系统，可以有效控 收稿日期：200809-18 基金项目：国家“十五”科技攻关项目资助(No.2001BA609一08) 作者简介：贾水库(1966-），男，别教授，E-mail:jk2935@amim.usth.ed血.cm
大型露天矿运输安全控制与预警系统 贾水库 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 采用安全系统工程的原理, 结合信息论和控制论的思想, 针对当前管理模式的不足, 提出了“ 事故发现型” 超前安全 管理模式.针对矿山运输安全控制的非线性、多因素及多层次特点, 建立了模糊综合评判模型.运用“ 4M 要素” 理论分析并提 出了矿山运输事故控制及预防的措施. 关键词 露天矿;运输;安全控制;预警系统 分类号 TD571 Pre-warning and control system of transport safety in a large-scale surface mine JIA Shui-k u S chool of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT In o rder to solve the lack of effective manag ement modes, a pre-warning safe ty management mode based on accidents discovery w as put forw ard using the principle o f safety system engineering in combination with the ideas of informationism and cy bernetics .A fuzzy synthetic judgment model was established for the safety control of mine transport in view of its nonlinear, multi-facto r and multi-level characteristics.Based on analysis results with the ` 4M ( man, machine, medium, management ) factors' theory, some measures w ere provided fo r preventing and controlling mine transpo rt accidents. KEY WORDS open-pit mine;tr anspo rt ;safety co ntrol ;pre-w arning sy stem 收稿日期:2008-09-18 基金项目:国家“十五”科技攻关项目资助( No .2001BA609A-08) 作者简介:贾水库( 1966—) , 男, 副教授, E-mail:jsk2935@admin.ustb.edu.cn 露天矿是一个以采掘为中心, 以运输为纽带的 大型生产系统.我国的大型露天矿山大多数始建于 20 世纪五六十年代.经过多年的开采, 浅部资源逐 渐采完, 矿山陆续进入了深部开采, 开采方式由山坡 露天开采转为深部凹陷开采, 运输方式由重载下坡 运行变为重载上坡运行. 具有典型性和代表性的首钢水厂铁矿位于河北 省迁安市, 始建于 20 世纪 60 年代, 是首钢的主要矿 石原料基地, 担负首钢 60 %以上的铁矿石供应量 . 该矿整个露天采场南北长约 3 600 m, 东西宽约 1 600 m, 是我国第一大冶金露天矿山, 铁矿石生产 能力最高达到 1 600 万 t·a -1 .水厂铁矿共有各类运 输车辆 100 多台 .其中用于矿石和废石运输的大型 汽车 60 多台, 包括 85 t 机械传动汽车 、77 t 机械传 动汽车、170 t 电动轮汽车和 130 t 电动轮汽车四种 类型;各类铲运机 20 多台;其他杂用车辆 20 多台, 包括 50 t 工程车、42 t 工程车、30 t 工程车、42 t 洒水 车和解放牌卡车等 .该矿经过多年开采, 浅部资源 逐渐采完, 20 世纪末进入深部凹陷开采.预计该矿 的凹陷开采深度将达到 470 m, 最终边坡垂直高度 将达到 660 m, 不但运输距离加长, 运输效率降低, 运输成本急剧增加, 而且给运输安全也带来严重威 胁[ 1] . 由于水厂铁矿在我国大型深凹露天矿中具有典 型性和代表性, 因此被选为国家“十五” 科技攻关计 划重大项目课题“大型深凹露天矿高效运输系统及 强化开采技术研究”的工程依托单位, “运输安全控 制”是课题的研究内容之一 [ 2] .露天矿运输系统是 一复杂的、非线性 、强耦合 、多因素及多层次并存的 系统工程, 对事故发生进行危害预测及评判时, 由于 所涉及的因素极其复杂, 很难进行精确的描述 .建 立运输车辆的新型安全控制预警系统, 可以有效控 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.012
第5期 贾水库：大型露天矿运输安全控制与预警系统 543。 制运输事故，实现露天矿的安全生产到， 理与控制，保证运输系统的安全高效运行. 1.2安全控制子系统 1安全控制管理系统 1.21系统运行过程监控 行车安全控制预警系统是应用安全系统工程的 (1)实时监测与数据采集.监测系统主要功 理论和方法，结合信息论和控制论的思想通过综合 能：巡回检测各设备的运行方式、工作状态等信号， 利用现有露天矿安全控制系统所提供的行车运输系 并在屏幕上实时显示：检测环境监测点的数据（线路 统的信息，对运输系统的安全状况及出现事故的可 塌方、路基状态信息和路障等监测信息)；根据监测 能性进行超前预测和综合评判，并针对运输系统的 信号及数据进行故障自动检测判断；故障声光报警： 人员(man)、环境(medium)、设备(machine)和管理 故障时间、类型确认：将检测数据直接输入数据库. (management)四要素(4M),采取超前的预防和控制 水厂铁矿己经建成了基于GPS的自动化生成调度 措施，将事故消灭在萌芽状态 和管理信息系统通过车载计算机系统、无线数据通 11事故管理控制模型 讯系统和中央调度计算机控制系统，可以实现路况、 目前，露天矿普遍利用两种安全管理模式，即一 车况，车流、故障和事故等运输综合信息的实时、自 般管理模式和“事故出发型管理模式（见图1）. 动采集与传输，为运输安全预防、控制和管理提供了 安全管理控制控制因素生产事故、故障 便利的条件和可靠的保证习， -① (2)设备保障信息系统.该系统由设备检测数 安全信息库 ②- 据库和设备信息库组成.检测数据库为设备实时状 态的检测数据：设备信息库包括设备寿命库和设备 图1露天矿运输安全管理模式.①一般管理模式：②“事故出 发型”管理模式 故障库组成，前者用于存放各种设备的使用时间，后 Fig.I Transport management modes of a open-pit mine:1 comr 者用于存放设备的故障信息. mon management modek 2 management model based on accidents 1.22故障后诊断 occurrence 智能故障诊断专家系统构成如图3所示.系统 可根据所收集到的大量故障数据，采用基于大样本 一般管理模式是一种“单”闭环的反馈管理控制 的故障概率统计方法、神经网络或基于小样本的灰 模式，只有在事故发生后才能采取控制事故、保证安 色理论等智能复合的推理方法，实现故障智能诊断. 全的措施，安全管理主要靠经验和主观判断，缺乏科 学的、客观的依据；“事故出发型”管理控制模式也是 领城专家 知识工程师 一种反馈式控制模式它虽增加了安全信息库中间 环节，为事故的调查、评价提供了客观的依据，但它 知识库 推理机 用户接口 用户 并不能够对事故做到事先预测分析，并实时预警. 数据库 工作空间 为此，本文提出“事故发现型”管理控制模式来提高 系统的超前性、实时性和可靠性（见图2）.该模式包 图3专家系统框图 容了前两种管理控制模式的优点，能够通过因果，逻 Fig 3 Block diagram of an expert system 辑演绎关系分析推断预想事故的可能结果，或由预 1.3 安全预警子系统 想事故推理其发生的原因，尽可能减少事故的随机 行车安全预警系统从“4M要素”理论着手，建 性和偶然性.这是一种“前馈与反馈耦合的超前管 立了适应现代露天矿安全管理控制工作的集信息采 理控制模式”，能够实现对行车事故、故障的超前管 集、传输、处理、预测分析、决策为一体的综合管理监 可控制因素 迹反 控信息系统特别是通过前馈与反馈相耦合的动态 安全管理控制 突变 实时监控实现对影响安全的相关要素的管理.行车 不可控制因素 安全预警系统的运作模式见图4. 随机偶然 生产事故、故障 1.3.1信息处理子系统 因果必然 信息处理子系统具有信息汇总、信息筛选、信息 图2“事故发现型”管理控制模式 处理和信息传递等四个主要功能.根据安全系统工 Fig.2 Transport management mode of a opempit mine based on ac 程原理，采用事故树分析的方法，对不安全的信息进 cidents discovery 行分析和评价，确定当前影响安全的最危险因素，传
制运输事故, 实现露天矿的安全生产 [ 3] . 1 安全控制管理系统 行车安全控制预警系统是应用安全系统工程的 理论和方法, 结合信息论和控制论的思想, 通过综合 利用现有露天矿安全控制系统所提供的行车运输系 统的信息, 对运输系统的安全状况及出现事故的可 能性进行超前预测和综合评判, 并针对运输系统的 人员( man) 、环境( medium) 、设备( machine ) 和管理 ( management) 四要素( 4M ) , 采取超前的预防和控制 措施, 将事故消灭在萌芽状态[ 4] . 1.1 事故管理控制模型 目前, 露天矿普遍利用两种安全管理模式, 即一 般管理模式和“事故出发型”管理模式( 见图 1) . 图 1 露天矿运输安全管理模式.① 一般管理模式;②“事故出 发型”管理模式 Fig.1 T ransport managemen t modes of a open-pit mine :① common management model;② management model based on accidents occurrence 图 2 “事故发现型”管理控制模式 Fig.2 T ransport management mode of a open-pit mine based on accidents discovery 一般管理模式是一种“单”闭环的反馈管理控制 模式, 只有在事故发生后才能采取控制事故、保证安 全的措施, 安全管理主要靠经验和主观判断, 缺乏科 学的 、客观的依据;“事故出发型”管理控制模式也是 一种反馈式控制模式, 它虽增加了安全信息库中间 环节, 为事故的调查、评价提供了客观的依据, 但它 并不能够对事故做到事先预测分析, 并实时预警 . 为此, 本文提出“事故发现型” 管理控制模式来提高 系统的超前性 、实时性和可靠性(见图 2) .该模式包 容了前两种管理控制模式的优点, 能够通过因果、逻 辑演绎关系分析推断预想事故的可能结果, 或由预 想事故推理其发生的原因, 尽可能减少事故的随机 性和偶然性.这是一种“前馈与反馈耦合的超前管 理控制模式”, 能够实现对行车事故 、故障的超前管 理与控制, 保证运输系统的安全高效运行 . 1.2 安全控制子系统 1.2.1 系统运行过程监控 ( 1) 实时监测与数据采集.监测系统主要功 能 :巡回检测各设备的运行方式、工作状态等信号, 并在屏幕上实时显示;检测环境监测点的数据( 线路 塌方 、路基状态信息和路障等监测信息) ;根据监测 信号及数据进行故障自动检测判断;故障声光报警; 故障时间 、类型确认 ;将检测数据直接输入数据库. 水厂铁矿已经建成了基于 GPS 的自动化生成调度 和管理信息系统, 通过车载计算机系统、无线数据通 讯系统和中央调度计算机控制系统, 可以实现路况、 车况 、车流 、故障和事故等运输综合信息的实时、自 动采集与传输, 为运输安全预防 、控制和管理提供了 便利的条件和可靠的保证[ 5] . ( 2) 设备保障信息系统 .该系统由设备检测数 据库和设备信息库组成 .检测数据库为设备实时状 态的检测数据 ;设备信息库包括设备寿命库和设备 故障库组成, 前者用于存放各种设备的使用时间, 后 者用于存放设备的故障信息 . 1.2.2 故障后诊断 智能故障诊断专家系统构成如图 3 所示 .系统 可根据所收集到的大量故障数据, 采用基于大样本 的故障概率统计方法 、神经网络或基于小样本的灰 色理论等智能复合的推理方法, 实现故障智能诊断. 图 3 专家系统框图 Fig.3 Block diagram of an expert system 1.3 安全预警子系统 行车安全预警系统从“4M 要素” 理论着手, 建 立了适应现代露天矿安全管理控制工作的集信息采 集 、传输 、处理、预测分析、决策为一体的综合管理监 控信息系统, 特别是通过前馈与反馈相耦合的动态 实时监控实现对影响安全的相关要素的管理.行车 安全预警系统的运作模式见图 4 . 1.3.1 信息处理子系统 信息处理子系统具有信息汇总、信息筛选、信息 处理和信息传递等四个主要功能.根据安全系统工 程原理, 采用事故树分析的方法, 对不安全的信息进 行分析和评价, 确定当前影响安全的最危险因素, 传 第 5 期 贾水库:大型露天矿运输安全控制与预警系统 · 543 ·
。544 北京科技大学学报 第31卷 故中，主要由驾驶员疲劳驾驶(X5)、在特殊地段不 预测失败 安全信息安全预警 鸣笛或不减速(X6)、未能采取应急措施(X7)和汽车 预测成功 生产事故 运行错误等四种因素造成的，在事故发生概率中分 控制因素安全管理控制 别占40%，30%、25%和5%.采用重要度优先级原 图4安全预警系统运作模式 则和专家系统的正向推理，可知底层事件中X5临 Fig 4 Function mode of a safety warring system 界重要度最大，其次是X6和X7,这三个事件概率 的变化量对顶上事件发生影响最大，所以在预防事 递给决策系统并将决策系统的指令立即传递给实 故发生的过程中，要加强这三个方面的监控与管理 施车队（车间）. 保证铁矿运输安全， 13.2信息预警子系统 T 下矿车运输伤害事故 安全信息预警子系统细化为事故树预警、安全 U11:非司机违章操作 △ U12:司机违章操作 评价预警和定量预测预警等三个模块.从分析、评 X1:电力线架设太低 X2:非司机人员驾驶 价和预测三个不同的角度实现安全事故的动态监 U11 U12 X3:道路不良 控、超前预防判断. X4:照明不良 X5:驾驶员疲劳驾驶 (1)事故树预警模块.以安全信息预警子系统 X6:在特殊地段不鸣笛 或不诚速 为依据确定基本事件，建立相关的运输安全事故树， ⑧⑧©③ ⑧©©©⑧ X7:未能采取应急措瓶 X8:汽车运行错误 并求解出其最小割集、最小径集及基本事件结构重 要度，从而预先辨识运输生产系统的危险性和安全 图5刊矿车运输事故树 性.综合利用德尔菲法、概率统计和模糊数学理论 Fig.5 Accident tree of truck transport 作为分析方法 (2)安全评价预警模块.使用层次分析法或直 2安全控制模糊综合评判模型及其应用 接赋值确定指标的权重，通过线性加权评价模型给 模糊综合评判法的预评价数学模型简单、容易 出评价指标体系的量纲1的评价值或主观效用，评 掌握，是对多因素、多层次的复杂问题评判比较好的 价指标体系兼顾事故指标与隐患指标，既考察运输 方法.故借助模糊综合评判这一新的工具，将专 系统在一定时期内的安全绩效，又考察运输系统的 家经验与智能数学相结合，对造成事故的诸多相关 安全隐患状况。避免单用一类指标评价的片面性，全 因素进行综合评判，为安全管理控制中心提供较可 面地反映行车运输生产系统的安全状况. 靠的辅助决策依据， (3)定量预测预警模块.采用多种时间序列分 2.1模糊综合评判数学模型 析预测数学模型，预测所运输系统未来可能的发展 模糊综合评判的步骤如图6所示. 趋势.根据预测运输系统具体情况选择不同的数学 模型，并通过人工设定调节模型参数使预测尽可能 集合的确定 地逼近实际情况.如采用模糊神经网络方法对路段 计算各评价因素的隶属函数值。 行程时间进行预测，实现系统的实时调度：采用灰色 确定评价因素的隶属度或隶属度函数 理论对行车事故频次进行建模预测等. L.3.3智能决策支持子系统 收集和处理计算各个对象评价因素的具体数据 为了建立智能决策支持系统首先要构建知识 库.本文基于事故树分析构建了知识库.推理分析 收集和计算各评价要素的权重值 时，首先根据故障征兆，确定哪些底层事件会发生， 各单元综合评价计算 再根据各底层事件的重要度的优先级进行推理.通 过对事故树的定性与定量分析，找出事故发生的主 图6模糊综合评价步骤 Fig 6 Procedure of fuzzy synthetic judgment 要原因.根据水厂铁矿运输模式、事故分析以及经 验知识建立铁矿运输事故树，如图5所示. (1)建立模糊综合评判集合.首先确定评价对 从水厂铁矿的实际情况以及对其以往的事故实 象的m个评价因素，设因素集合为U={U1,U2,: 例分析，因司机违章操作(U12)导致运输伤害事故 Um};将评价结果划分为n个等级，设评价等级集 发生的概率大约为70%左右.在司机违章作业的事 合为={V1,'2,；'n}
图 4 安全预警系统运作模式 Fig.4 Function mode of a safety warning system 递给决策系统, 并将决策系统的指令立即传递给实 施车队(车间) . 1.3.2 信息预警子系统 安全信息预警子系统细化为事故树预警、安全 评价预警和定量预测预警等三个模块.从分析 、评 价和预测三个不同的角度实现安全事故的动态监 控、超前预防判断. ( 1) 事故树预警模块 .以安全信息预警子系统 为依据确定基本事件, 建立相关的运输安全事故树, 并求解出其最小割集、最小径集及基本事件结构重 要度, 从而预先辨识运输生产系统的危险性和安全 性.综合利用德尔菲法、概率统计和模糊数学理论 作为分析方法. ( 2) 安全评价预警模块.使用层次分析法或直 接赋值确定指标的权重, 通过线性加权评价模型给 出评价指标体系的量纲 1 的评价值或主观效用 .评 价指标体系兼顾事故指标与隐患指标, 既考察运输 系统在一定时期内的安全绩效, 又考察运输系统的 安全隐患状况, 避免单用一类指标评价的片面性, 全 面地反映行车运输生产系统的安全状况 . ( 3) 定量预测预警模块.采用多种时间序列分 析预测数学模型, 预测所运输系统未来可能的发展 趋势 .根据预测运输系统具体情况选择不同的数学 模型, 并通过人工设定调节模型参数使预测尽可能 地逼近实际情况 .如采用模糊神经网络方法对路段 行程时间进行预测, 实现系统的实时调度;采用灰色 理论对行车事故频次进行建模预测等. 1.3.3 智能决策支持子系统 为了建立智能决策支持系统, 首先要构建知识 库.本文基于事故树分析构建了知识库.推理分析 时, 首先根据故障征兆, 确定哪些底层事件会发生, 再根据各底层事件的重要度的优先级进行推理 .通 过对事故树的定性与定量分析, 找出事故发生的主 要原因 .根据水厂铁矿运输模式、事故分析以及经 验知识建立铁矿运输事故树, 如图 5 所示. 从水厂铁矿的实际情况以及对其以往的事故实 例分析, 因司机违章操作( U12) 导致运输伤害事故 发生的概率大约为 70 %左右 .在司机违章作业的事 故中, 主要由驾驶员疲劳驾驶( X5) 、在特殊地段不 鸣笛或不减速(X6) 、未能采取应急措施( X7) 和汽车 运行错误等四种因素造成的, 在事故发生概率中分 别占 40 %、30 %、25 %和 5 %.采用重要度优先级原 则和专家系统的正向推理, 可知底层事件中 X5 临 界重要度最大, 其次是 X6 和 X7, 这三个事件概率 的变化量对顶上事件发生影响最大, 所以在预防事 故发生的过程中, 要加强这三个方面的监控与管理, 保证铁矿运输安全 . 图 5 矿车运输事故树 Fig.5 Accident tree of truck transport 2 安全控制模糊综合评判模型及其应用 模糊综合评判法的预评价数学模型简单 、容易 掌握, 是对多因素 、多层次的复杂问题评判比较好的 方法[ 6] .故借助模糊综合评判这一新的工具, 将专 家经验与智能数学相结合, 对造成事故的诸多相关 因素进行综合评判, 为安全管理控制中心提供较可 靠的辅助决策依据 . 2.1 模糊综合评判数学模型 模糊综合评判的步骤如图 6 所示 . 图 6 模糊综合评价步骤 Fig.6 Procedure of fuzzy synthetic judgment ( 1) 建立模糊综合评判集合.首先确定评价对 象的 m 个评价因素, 设因素集合为 U ={U1, U2, …, Um};将评价结果划分为 n 个等级, 设评价等级集 合为 V ={V 1, V 2, …, Vn}. · 544 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第5期 贾水库：大型露天矿运输安全控制与预警系统 ·545。 (2)确定被评价各因素的隶属度或隶属函数 (5)进行综合评价.在确定了模糊矩阵R和模 首先对U集合中的单因素U:(i=L,2,,m)作单 糊向量A后，则可作模糊变换来进行综合评判，得 因素评判，即从因素U:各因素子集着眼确定该事 出对U集中的单因素U:进行一级评判后的结果 物对评价等级'，(j=1,2,,n)的隶属度r,则得 即得一级评判向量： 出第i个因素U:的单因素评判集： B=A°R=(b1,b2,…,bn) r1=(r11,r12,;r1n, 或 它是评价等级集合V上的模糊子集.m个评价因 (b1,b2,,bm=(a1,a2,;an)° 素的评价集就构成一个总的评价矩阵R,反映了两 r11r12 …r1m 集合U、V间所存在的某种约束模糊关系： r21 ”2 r2m r11r12…r1n (5) r21 ”22 r2n R- (1) LIn1 In2 广nm 对因素U集中的各个单因素U:进行一级评判 rml rm2…rmn 完成后，可根据需要将一级评判结果集合起来构成 式中，r表示因素U:对评价等级'的隶属程度. 二级评判矩阵对因素U进行二级评判，步骤与一级 (3)确定综合评判模型.理论上，广义模糊合 评判相同.再用公式B=A·R得： 成运算有无穷多种，但实际应用中经常采用的为以 「B1 下四种综合评判模型：①M(∧，V)一主因素决 B2 定型：②M(·,V)一主因素突出型：③M(A, B=(A1,A2,..,An) .· (6) ⊕)一各种因素综合平均型：④M(·,⊕)一加 LB 权平均型. 其中，(A1,A2,,An)是因素U的权重集，B(i= 本文采用M(·,⊕)一加权平均型综合评判 1,2,n)是一级评判向量.由一级评判向量的评 模型.在该模型中： 判结果构成二级评判矩阵再进行二级评判，即一级 =(ary小，=l2…n (2) 评判向量是二级评判矩阵的一个子集， 式中，“。”为普通实数乘法，a⊕B=min(1,a十B), 以此类推可进行三级评判. 自为对m个数在田运算下求和且a:应满足 2.2水厂铁矿运输安全控制模糊综合评判分析 现以水厂铁矿行车运输系统出现事故的危险性 乃 m=1.通过运算求和，得 作为评价对象根据前述的方法步骤，建立数学模型 6=minl。 1a小，=12n3 并进行定量计算. (1)建立危险性评价因素集.首先将事故危险 (4)确定各评判因素的权重.对于被评判项 性划分为五个因素等级，构成危险性的评价因素集 目，由于从不同的评价因素着眼可以得到绝然不同 即： 的结论：而且，在诸多评价因素U(i=1,2,,m) U={事故发生的可能性(U1),对驾驶员造成 中，对总评的影响程度不一，存在着模糊择优问题. 的危害程度(U2,对企业造成的影响程度(U3), 所以，评判的着眼点可看成因素域U上的模糊子集 事故后的严重程度(U4),预防事故的难易程度 A,记作： (U5)}. A=(a1,a2,,am) 4) 对评价因素集中各因素进行权重（对安全系统 式中，：称为因素U:的重要程度系数即权重. 影响的重要程度)分配.根据德尔菲法确定的权重 权重的确定有三种常用方法，即德尔菲法（亦称 集为A=(05,0.15,0.15,0.1,01) 专家评议法)、判断矩阵分析法和二项系数法. (2)建立评判集.对危险性评价结果划分为五 判断矩阵分析法是把n个评价因素排成一个n 个等级，建立评价等级集合： 阶判断矩阵，专家通过对因素两两比较，根据各因素 ={大('，较大('2)，一般(V3, 的重要程度来确定矩阵中元素值的大小，再计算判 较小(V4,小(V5)} 断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，此特征 对因素集中的各个因素的评判，可采用专家座 向量即为所求的权重值. 谈或投票进行评定，本文采用投票评定，请专家对
( 2) 确定被评价各因素的隶属度或隶属函数 . 首先对 U 集合中的单因素 Ui ( i =1, 2, …, m) 作单 因素评判, 即从因素 Ui 各因素子集着眼确定该事 物对评价等级 Vj( j =1, 2, …, n) 的隶属度 rij , 则得 出第 i 个因素Ui 的单因素评判集 : r1 =( r 11, r 12, …, r 1n ), 它是评价等级集合 V 上的模糊子集.m 个评价因 素的评价集就构成一个总的评价矩阵 R, 反映了两 集合 U 、V 间所存在的某种约束模糊关系: R = r 11 r 12 … r 1n r 21 r 22 … r 2n … rm1 rm2 … rmn ( 1) 式中, rij表示因素Ui 对评价等级 Vj 的隶属程度. ( 3) 确定综合评判模型.理论上, 广义模糊合 成运算有无穷多种, 但实际应用中经常采用的为以 下四种综合评判模型 :① M ( ∧ , ∨ ) ———主因素决 定型 ;② M ( ·, ∨ ) ———主因素突出型;③ M ( ∧ , ) ———各种因素综合平均型 ;④ M ( ·, ) ———加 权平均型 . 本文采用 M (·, ) ———加权平均型综合评判 模型 .在该模型中 : bj = m i =1 ( airij), j =1, 2, …, n ( 2) 式中, “·”为普通实数乘法, α β =min( 1, α+β), m i =1 为对 m 个数在 运算下求和, 且 ai 应满足 ∑ m i =1 ai =1 .通过运算求和, 得: bj =min 1, ∑ m i =1 ( airij) , j =1, 2, …, n ( 3) (4) 确定各评判因素的权重.对于被评判项 目, 由于从不同的评价因素着眼可以得到绝然不同 的结论 ;而且, 在诸多评价因素 Ui ( i =1, 2, …, m ) 中, 对总评的影响程度不一, 存在着模糊择优问题 . 所以, 评判的着眼点可看成因素域 U 上的模糊子集 A, 记作: A =( a1, a2, …, am) ( 4) 式中, ai 称为因素 Ui 的重要程度系数, 即权重 . 权重的确定有三种常用方法, 即德尔菲法(亦称 专家评议法) 、判断矩阵分析法和二项系数法 . 判断矩阵分析法是把 n 个评价因素排成一个n 阶判断矩阵, 专家通过对因素两两比较, 根据各因素 的重要程度来确定矩阵中元素值的大小, 再计算判 断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量, 此特征 向量即为所求的权重值. ( 5) 进行综合评价.在确定了模糊矩阵 R 和模 糊向量 A 后, 则可作模糊变换来进行综合评判, 得 出对 U 集中的单因素Ui 进行一级评判后的结果, 即得一级评判向量 : B =A·R =( b1, b2, …, bn ) 或 ( b1, b2, …, bn ) =( a1, a2, …, an) · r 11 r 12 … r 1m r 21 r 22 … r 2m … r n1 rn2 … r nm ( 5) 对因素 U 集中的各个单因素Ui 进行一级评判 完成后, 可根据需要将一级评判结果集合起来构成 二级评判矩阵对因素 U 进行二级评判, 步骤与一级 评判相同.再用公式 B =A·R 得 : B =( A1, A2, …, An) · B1 B2 Bn ( 6) 其中, ( A1, A2, …, An )是因素 U 的权重集, Bi( i = 1, 2, …, n)是一级评判向量.由一级评判向量的评 判结果构成二级评判矩阵再进行二级评判, 即一级 评判向量是二级评判矩阵的一个子集 . 以此类推可进行三级评判. 2.2 水厂铁矿运输安全控制模糊综合评判分析 现以水厂铁矿行车运输系统出现事故的危险性 作为评价对象, 根据前述的方法步骤, 建立数学模型 并进行定量计算. ( 1) 建立危险性评价因素集.首先将事故危险 性划分为五个因素等级, 构成危险性的评价因素集, 即 : U ={事故发生的可能性( U1), 对驾驶员造成 的危害程度( U2 ), 对企业造成的影响程度( U3), 事故后的严重程度( U4 ), 预防事故的难易程度 ( U5)}. 对评价因素集中各因素进行权重( 对安全系统 影响的重要程度) 分配.根据德尔菲法确定的权重 集为 A =( 0.5, 0.15, 0.15, 0.1, 0.1) . ( 2) 建立评判集 .对危险性评价结果划分为五 个等级, 建立评价等级集合 : V ={大( V1), 较大( V 2), 一般( V 3), 较小( V 4), 小( V5)}. 对因素集中的各个因素的评判, 可采用专家座 谈或投票进行评定 .本文采用投票评定, 请专家对 第 5 期 贾水库:大型露天矿运输安全控制与预警系统 · 545 ·
。546 北京科技大学学报 第31卷 各危险性评价因素属于哪个等级进行投票.具体做 驶和维修人员等)、环境（道路等）、管理（管理条例与 法是，任意选定一个因素，进行单因素评判，最后综 执法)四大方面提高保障安全运输的等级和水平，有 合所有单因素评判结果，得到单因素评判矩阵R, 效地避免和控制了运输系统各类事故的发生 如对于U1的评判结果为：70%的人认为大15%的 3结论 人认为较大，5%的人认为一般，10%的人认为较小， 0%的人认为小，则评判集为(0.7,0.15,0.05,0.1， 应用“4M要素”理论，针对当前管理模式的不 0):采用同样方法，可得到其他四个因素U2、U3、 足，提出了“事故发现型”安全管理模式这种基于前 U4和U5的评判集，分别为(08.0.05,0.15,0,0)、 馈与反馈耦合的超前管理控制模式比传统的“事故 (0.9,0,0.1,0,0)、(0.40.30.0201)和(0.1 出发型”管理模式具有更好的超前性、实时性和可靠 0.2,06,0.0.1. 性.另外，提出了露天矿运输模糊综合评判模型，将 以各单因素评判集的隶属度分别为行组成评价 专家经验与智能数学相结合，对造成事故的诸多相 矩阵R: 关因素进行综合评判，提高了预测及评判结果的科 070150.0501 0 学性.该模型已经成功用于水厂铁矿的运输安全预 080050.150 0 测，为矿山运输安全管理控制提供了较为可靠的辅 R= 0.900.1 0 0 助决策依据， 040.30 0.201 L010.20.6001 参考文献 (3)进行综合评判.采用加权平均型的综合评 [I]University of Science and Technobgy Beijing.Mining Company 判模式，运输事故综合评判的模糊评判模型为B= of Capital Iron and Steel Comporation.Study on High Efficiency A°R=(b1,b2,,bm),将确定的权重向量A和评 Haulage System and Streng thening Mining Ted niques in Large- 价矩阵R代入，计算后得： Scale Dep Depressed Open-Pit Mines.Beijing University of Sci- B=(0.5,015,0.15,0.1,0.1)° ence and Technology Beijing.2004 (北京科技大学，首钢矿业公司.大型深凹露天矿高效运输系 0.70.150.050.10 统及强化开采技术研究北京：北京科技大学，2004) 0.80.0501500 2 Cai M F.Hao S H.Li J C.Study on high efficiency haulage 0.900.100= techniques in deep operpit mines.China Min Mog.2004.13 0.40.300.20.1 (10):13 (蔡美峰，郝树华，李军才.大型深凹露天矿高效运输系统综合 L0.10.20.600.1 (0655.0.20.1225.0.07.0.02) 技术研究.中国矿业.2004,13(10)：13) [3 Zhao E F.Duan M H.Analysis and control of truck transport ac 将上述得到的矩阵B中的各项进行归一化处 cidents in open-pit mines.Opencast Min Technol.2007(3):53 理：首先求出B中各因素的平均值，即0.655十 (赵二夫段明海.露天矿汽车运输事故分析及控制.露天采 0.2+01225+0.07+0.02=1.0675:然后将B中 矿技术，2007(3)：53) 各因素除以该平均值.归一化结果为： [4 XieZ H.Research and development of mine safety management information system.Ind Saf Dust Control,2000 (10):27 B= (谢振华.矿山安全管理信息系统的研究与开发.工业安全与 0.655020.12250.07002 防尘，2000(10)：27) 1.06751.06751.06751.06751.0675 [5 Hao S H.Qi BJ.Zhou YG.Brief intmoduction of mine car auto (0.610.190110.0660024). matic dispatching and management system.Met Mine,2004 因此，对水厂铁矿行车运输系统出现事故危险性的 (11):50 综合评判分析结论为：“大”61%；“较大”19%；“一 (郝树华，齐宝军，周玉贵.矿车自动调度及管理系统简介.金 般”11%：“较小”6.6%：“小”2.4%. 属矿山，200411)：50) 6 Zhao Z Y.Basis and Application of Fuzzy Theory and Neural 所以，水厂铁矿行车运输系统有相当大的出现 Network.Beijing Tsinghua University Pres.1997 事故的危险性.该矿采用了本文提出的一系列安全 (赵振宇模糊理论和神经网络的基础与应用.北京：清华大 监测、预警和控制的措施，从设备（车辆等）、人员（驾 学出版社，1997)
各危险性评价因素属于哪个等级进行投票.具体做 法是, 任意选定一个因素, 进行单因素评判, 最后综 合所有单因素评判结果, 得到单因素评判矩阵 R . 如对于 U1 的评判结果为 :70 %的人认为大, 15 %的 人认为较大, 5 %的人认为一般, 10 %的人认为较小, 0 %的人认为小, 则评判集为( 0.7, 0.15, 0.05, 0.1, 0) ;采用同样方法, 可得到其他四个因素 U2 、U3 、 U4 和 U5 的评判集, 分别为( 0.8, 0.05, 0.15, 0, 0) 、 ( 0.9, 0, 0.1, 0, 0) 、( 0.4, 0.3, 0, 0.2, 0.1) 和( 0.1, 0.2, 0.6, 0, 0.1) . 以各单因素评判集的隶属度分别为行组成评价 矩阵 R : R = 0.7 0.15 0.05 0.1 0 0.8 0.05 0.15 0 0 0.9 0 0.1 0 0 0.4 0.3 0 0.2 0.1 0.1 0.2 0.6 0 0.1 . ( 3) 进行综合评判 .采用加权平均型的综合评 判模式, 运输事故综合评判的模糊评判模型为 B = A·R =( b1, b2, …, bn ), 将确定的权重向量 A 和评 价矩阵R 代入, 计算后得 : B =( 0.5, 0.15, 0.15, 0.1, 0.1)· 0.7 0.15 0.05 0.1 0 0.8 0.05 0.15 0 0 0.9 0 0.1 0 0 0.4 0.3 0 0.2 0.1 0.1 0.2 0.6 0 0.1 = ( 0.655, 0.2, 0.122 5, 0.07, 0.02) 将上述得到的矩阵 B 中的各项进行归一化处 理:首先求出 B 中各因素的平均值, 即0.655 + 0.2 +0.122 5 +0.07 +0.02 =1.067 5 ;然后将 B 中 各因素除以该平均值 .归一化结果为 : B = 0.655 1.067 5 0.2 1.067 5 0.122 5 1.067 5 0.07 1.067 5 0.02 1.067 5 = ( 0.61 0.19 0.11 0.066 0.024) . 因此, 对水厂铁矿行车运输系统出现事故危险性的 综合评判分析结论为 :“ 大” 61 %;“ 较大” 19 %;“ 一 般”11 %;“较小”6.6 %;“小”2.4 %. 所以, 水厂铁矿行车运输系统有相当大的出现 事故的危险性.该矿采用了本文提出的一系列安全 监测 、预警和控制的措施, 从设备( 车辆等) 、人员( 驾 驶和维修人员等) 、环境(道路等) 、管理(管理条例与 执法)四大方面提高保障安全运输的等级和水平, 有 效地避免和控制了运输系统各类事故的发生. 3 结论 应用“4M 要素” 理论, 针对当前管理模式的不 足, 提出了“事故发现型”安全管理模式, 这种基于前 馈与反馈耦合的超前管理控制模式比传统的“事故 出发型”管理模式具有更好的超前性 、实时性和可靠 性 .另外, 提出了露天矿运输模糊综合评判模型, 将 专家经验与智能数学相结合, 对造成事故的诸多相 关因素进行综合评判, 提高了预测及评判结果的科 学性.该模型已经成功用于水厂铁矿的运输安全预 测, 为矿山运输安全管理控制提供了较为可靠的辅 助决策依据 . 参 考 文 献 [ 1] University of Science and Technology Beijing, Mining Company of Capital Iron and St eel Corporati on.S tudy on High Ef ficiency Haulage System an d S treng thening Mining Tech niques in LargeS cale Deep Depressed Open-Pit Mines.Beijing:Uni versit y of Science and Technology Beijing, 2004 ( 北京科技大学, 首钢矿业公司.大型深凹露天矿高效运输系 统及强化开采技术研究.北京:北京科技大学, 2004) [ 2] Cai M F, Hao S H, Li J C .Study on high efficiency haulage techniques in deep open-pit mines.China Min Mag , 2004, 13 ( 10) :13 ( 蔡美峰, 郝树华, 李军才.大型深凹露天矿高效运输系统综合 技术研究.中国矿业, 2004, 13( 10) :13) [ 3] Zhao E F, Duan M H .Analysis and control of truck transport accidents in open-pit mines.Opencast Min Tech nol, 2007( 3) :53 ( 赵二夫, 段明海.露天矿汽车运输事故分析及控制.露天采 矿技术, 2007( 3) :53) [ 4] Xie Z H .Research and development of mine safet y management information system .Ind Sa f Dust Control, 2000 (10) :27 ( 谢振华.矿山安全管理信息系统的研究与开发.工业安全与 防尘, 2000( 10) :27) [ 5] Hao S H, Qi B J, Zhou Y G .Brief introduction of mine car aut omati c dispatching and managemen t syst em .Met Mine, 2004 ( 11) :50 ( 郝树华, 齐宝军,周玉贵.矿车自动调度及管理系统简介.金 属矿山, 2004( 11) :50) [ 6] Zhao Z Y.Basis and App lication of Fuzzy Theory and Neura l Network .Beijing:Tsinghua University Press, 1997 ( 赵振宇.模糊理论和神经网络的基础与应用.北京:清华大 学出版社, 1997) · 546 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
