孫玉潔, 王文慶

(西安郵電大學(xué) a.通信與信息工程學(xué)院; b.自動化學(xué)院，西安 710061)

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基于粗糙集的礦井環(huán)境安全因素綜合評價

孫玉潔a, 王文慶b

(西安郵電大學(xué) a.通信與信息工程學(xué)院; b.自動化學(xué)院，西安 710061)

總結(jié)了粗糙集在環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程研究領(lǐng)域的國內(nèi)相關(guān)研究，并進(jìn)一步針對傳統(tǒng)煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中存在的不夠客觀的問題，基于粗糙集理論并使用信息熵的理論計算安全因素綜合權(quán)重的方法,對于礦山井下環(huán)境中CO、H2S、粉塵等安全性因素做出更加客觀的、合理的綜合評價,以使更多學(xué)者了解和運(yùn)用粗糙集理論和方法,進(jìn)而推進(jìn)該理論在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用.

粗糙集；信息熵；綜合權(quán)重

由于地下礦山的環(huán)境非常復(fù)雜，加之井下生產(chǎn)設(shè)備和工作人員數(shù)量龐大，整體的安全生產(chǎn)基礎(chǔ)比較薄弱[1]，導(dǎo)致各類安全問題日益突出.國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，安全形勢依然嚴(yán)峻[1]，因此礦山井下環(huán)境安全性的綜合評價作為礦山安全性管理的重要環(huán)節(jié),是不斷提高礦山井下環(huán)境安全質(zhì)量的重要保證[2-3].

粗糙集理論在改進(jìn)和強(qiáng)化礦山安全生產(chǎn)工作方面的作用愈來愈明顯，例如：礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)[1].如文獻(xiàn)[4]討論的是粗糙集結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價模型及應(yīng)用領(lǐng)域.如文獻(xiàn)[5]提出的同樣是一種基于RS-RBF網(wǎng)絡(luò)(粗糙集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))復(fù)合在水環(huán)境質(zhì)量評價領(lǐng)域的方法，其結(jié)合粗糙集理論對水質(zhì)監(jiān)測評價后的結(jié)果更加科學(xué)且可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)與污染治理的相關(guān)領(lǐng)域.在室內(nèi)環(huán)境評價方面，主觀評價是重要評價方法之一，該評價同樣涉及有大量具有不確定性和不完備性的信息，結(jié)合粗糙集理論可從諸多主觀評價指標(biāo)中找出其中的關(guān)鍵指標(biāo)，以使得在保留信息的完整性的同時能夠減小計算量.如文獻(xiàn)[6-7]均研究了在在室內(nèi)環(huán)境舒適評價方法,先應(yīng)用粗糙集理論約簡不必要的屬性，然后確定權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊變換計算出評價集，但是文獻(xiàn)[7]仍然是基于主觀的評價來找出總體評價中重要的影響指標(biāo).然而，以上的研究主要是基于主觀上的評價方法進(jìn)行的分析，不足以客觀地作出評價，所以僅限于基本的粗糙處理辦法的監(jiān)測系統(tǒng)是難以作出有效決策的，應(yīng)該結(jié)合其他方法對數(shù)據(jù)進(jìn)一步有效挖掘.

本文結(jié)合粗糙集理論設(shè)計了一個礦井環(huán)境安全因素綜合評價模型，通過對礦山井下環(huán)境安全性綜合評價指標(biāo)體系的屬性進(jìn)行約簡，結(jié)合條件熵客觀的確定了評價指標(biāo)體系中的各個評價指標(biāo)的權(quán)重，以及使用主觀權(quán)重對礦山井下環(huán)境安全性水平進(jìn)行了綜合評價以實現(xiàn)客觀評價，進(jìn)而可以對井下環(huán)境安全性指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效挖掘，最終可依據(jù)公正客觀的評價結(jié)果采取相應(yīng)合理的安全措施，例如預(yù)警等提示.

1　粗糙集理論及評價模型

1.1粗糙集

粗糙集理論是Z.Pawlak于1982年提出的一種處理模糊和不確定知識的數(shù)學(xué)工具.它是繼模糊集之后又一進(jìn)展，與模糊集不同的是它不需要任何的主觀知識，可以在保持分類能力不變的前提下，通過知識約簡，導(dǎo)出問題的決策或分類規(guī)則.

若S=(U,R,V,f)是一個決策系統(tǒng)，其中C∪D=R，C為條件屬性集，D為決策屬性，A集合屬于C集合，則任意屬性xi=C-A的重要性SGF(xi,A,D)=H(D|A)-H(D|A∪{xi}).

當(dāng)A=?時，SGF(xi,A,D)=H(D)-H(D|{xi})稱為xi屬性和決策D的互信息.記為I(xi，D)[8，11-12].

1.2建立關(guān)系數(shù)據(jù)模型

為了結(jié)合粗糙集理論來對礦山井下各個安全因素進(jìn)行綜合評價，需要將各安全因素視為評價指標(biāo).為了保證客觀、合理地對各個指標(biāo)進(jìn)行評價，首先建立相應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型，即計算并確定每個指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，將這些評價指標(biāo)視為條件屬性[13]，則條件屬性集合C={c1,c2,…，cm}，決策屬性集合D={y}.實際應(yīng)用中，可通過專家對每個評價指標(biāo)打分后的最后綜合得分y最終確定決策屬性[14-15].

1.2.1評價指標(biāo)權(quán)重的確定

影響地下礦井環(huán)境安全因素有很多，在本文研究的地下礦山生產(chǎn)中，主要的指標(biāo)如表1所示.

表1　地下礦井環(huán)境安全因素指標(biāo)體系

將信息觀下的基于條件熵的權(quán)重αi與主觀權(quán)重βi結(jié)合起來，得到?jīng)Q策系統(tǒng)的綜合權(quán)重wi=μβi+(1-μ)αi(0μ1)，其中μ為主觀因子，它由決策者以個人經(jīng)驗所決定.μ越小說明決策者越重視客觀權(quán)重，μ越大越重視主觀權(quán)重.

1.2.2綜合評價模型

(1)構(gòu)建信息系統(tǒng)S=(U,R,V,f)，其中U為待評價的作業(yè)區(qū)的集合，評價體系中的指標(biāo)為條件屬性C，專家的綜合得分作為決策屬性D.由專家的得分特點選擇合適的粗糙集離散方法將初始數(shù)據(jù)離散化.

(2)在初始信息系統(tǒng)S=(U,R,V,f)中，對評價對象U，屬性值相同的ri,rj∈R的評價能力相同，只需保留一個.根據(jù)屬性約簡的概念，進(jìn)一步簡化信息系統(tǒng).

(3)利用信息熵概念，從信息觀的角度計算各評價指標(biāo)的客觀權(quán)重，結(jié)合主觀權(quán)重由公式wi=μβi+(1-μ)αi(0μ1)求得相應(yīng)評價指標(biāo)的綜合權(quán)重wi.

圖1井下環(huán)境安全水平綜合評價流程圖

2　應(yīng)用與實例分析

本文以某地下礦山為例，以驗證本文方法的有效性.該地下礦有6個采掘作業(yè)區(qū)，需要監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)有CO、H2S、CO2、粉塵濃度、SO2、風(fēng)速.通過已建成的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù),進(jìn)行離散化處理，并進(jìn)行屬性約簡以及利用信息熵的理論計算出各指標(biāo)的綜合權(quán)重，最終得到各采場環(huán)境安全的水平及排序.

表2是專家對某礦山的6個井下作業(yè)區(qū)的評價表.C={C1∶CO的值，C2∶H2S的值，C3∶CO2的值，C4∶粉塵濃度,C5∶SO2的值,C6∶風(fēng)速的值}，決策屬性為D={最后總得分}.

(1)實際測量之后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式如表2所示：

表2　各采場井下環(huán)境指標(biāo)評價初始評價表

離散化標(biāo)準(zhǔn)如表3所示：

表3　離散化標(biāo)準(zhǔn)

以優(yōu)、良、中、差的標(biāo)準(zhǔn)，對礦山井下環(huán)境安全性水平評價體系的各指標(biāo)進(jìn)行評價，結(jié)果如表4所示:

表4　各采場井下環(huán)境指標(biāo)評價表

(2)對所有礦山的每個評價指標(biāo)下的結(jié)果按優(yōu)、良、中、差分別對應(yīng)1、2、3、4進(jìn)行進(jìn)一步離散化處理，從而得到離散化的評判結(jié)果，刪除屬性值相同的重復(fù)屬性，得到初步簡化后的評價情況如表5所示：

表5　各采場井下環(huán)境指標(biāo)評價最終離散化表

(3)計算信息觀下各評判指標(biāo)的權(quán)重.由于

U/ind(D)={{u1,u3,u5},{u2,u6},{u4}}；

U/ind(C1)={{u1,u3,u5},{u2,u4},{u6}}；

U/ind(C2)={{u1,u2,u6},{u3,u5},{u4}}；

U/ind(C3)={{u1,u4},{u2,u3},{u5,u6}}；

U/ind(C4)={{u1,u2,u5,u6},{u3},{u4}}；

U/ind(C5)={{u1,u2,u5,u6},{u3,u4}}；

U/ind(C6)={{u1,u5},{u2,u3,u4,u6}}；

U/ind(C)={{u1},{u2},{u3},{u4},{u5},{u6}}；

所以:

H(D)=(1/2)log3+(2/3)；H(D|C1)=1/3；

H(D|C2)=(1/2)log3-(1/3)；H(D|C3)=2/3；

H(D|C4)=2/3；H(D|C5)=1；

H(D|C6)=4/3；

I(C1,D)=H(D)-H(D|{C1})=(1/2)log3+(2/3)-1/3=1.125 815;

I(C2,D)=H(D)-H(D|{C2})=(1/2)log3+(2/3)+1/3=1;

I(C3,D)=H(D)-H(D|{C3})=(1/2)log3+(2/3)-2/3=0.792 481;

I(C4,D)=H(D)-H(D|{C4})=(1/2)log3+(2/3)-2/3=0.792 481;

I(C5,D)=H(D)-H(D|{C5})=(1/2)log3+(2/3)-1=0.459 148;

I(C6，D)=H(D)-H(D|{C6})=(1/2)log3+(2/3)-4/3=0.125 815;

由此得到信息觀下的客觀權(quán)重

α1=0.262，α2=0.233，α3=0.184，α4=0.184，α5=0.108，α6=0.029.

假設(shè)決策者根據(jù)專家的評價情況得到的主觀權(quán)重為β1=0.24,β2=0.22，β3=0.20，β4=0.18，β5=0.11，β6=0.03，并經(jīng)過研究選取權(quán)衡因子μ=0.6，則由公式wi=μβi+(1-μ)αi(0≤μ≤1)，得到各評判指標(biāo)的綜合權(quán)重W1=0.247，W2=0.224，W3=0.195，W4=0.181，W5=0.109，W6=0.030，故所有指標(biāo)中最有威脅性的因素是C1，即為CO.

表6　6個作業(yè)區(qū)井下環(huán)境安全性綜合評價及排序

得分越高，則安全威脅越大，越危險.故通過綜合評價結(jié)果可知，3號采場的安全性最高，4號采場的安全性最低，也即4號采場危險系數(shù)最大.此時，系統(tǒng)可以做出相應(yīng)的預(yù)警提示，加上之前所得到的客觀事實，CO是最重要的安全指標(biāo)，故我們可以立即對4號礦山的CO安全因素采取安全措施.

3　結(jié)語

本文在粗糙集的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息熵等知識的方法，彌補(bǔ)了其它評價方法中主觀性和片面性的問題，并且能夠有效地減少綜合評價問題的計算量，提高評價過程的效率，為客觀地對礦山井下環(huán)境安全性綜合評價工作提供了科學(xué)的依據(jù).但由于本實例驗證的對象有限，并不能完全適合所有礦山井下環(huán)境安全性狀況，還有待于更進(jìn)一步的完善.其進(jìn)一步的完善可以解決避免現(xiàn)有系統(tǒng)只針對某一對象而設(shè)計的單一性，使其可以普遍地應(yīng)用到不同的環(huán)境中.

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[責(zé)任編輯王新奇]

Comprehensive Evaluation of Mine Environmental Safety Factorsbased on Rough Set

SUN Yu-jiea, WANG Wen-qingb

(a.School of Communication and Information Engineering;b. School of Automation, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710061,China)

In this paper, the domestic related research in the field of research on rough set of environmental science and engineering and the environment were summarized, and further aiming at the problem of not objective enough that existing in the traditional mine safety monitoring system, based on rough set theory and the method for calculating comprehensive weight of safety factors using information entropy theory, more objective and reasonable comprehensive evaluation were carried out for CO, H2S, dust and other safety factors in underground environment of mine. In order to make more scholars to understand and use the rough set theory and the method, the application of the theory will be promoted in the field of the environment.

rough set; information entropy; comprehensive weight

1008-5564(2016)02-0013-06

2015-12-11

陜西省科技廳項目(2014K05-29)

孫玉潔(1989—)，女，陜西韓城人，西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要從事現(xiàn)代信號處理及應(yīng)用研究；

王文慶(1964—)，男，北京人，西安郵電大學(xué)自動化學(xué)院教授，主要從事智能信息處理研究.

X820.3；TD167

A