基于模糊层次分析法的高原矿井人机功效评价

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.871

基于模糊层次分析法的高原矿井人机功效评价

马宁^,, 胡乃联, 李国清^,, 郭对明, 侯杰

北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083

Evaluation of Human-Machine Effectiveness of Plateau Mine Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

MA Ning^,, HU Nailian, LI Guoqing^,, GUO Duiming, HOU Jie

Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

通讯作者: 李国清（1973-），女，山东青岛人，副教授，从事矿山企业信息化与数字矿山研究工作。qqlee@ustb.edu.cn

收稿日期: 2019-07-01 修回日期: 2019-09-02 网络出版日期: 2019-12-20

基金资助:

国家重点研发计划项目“地下金属矿规模化无人采矿关键技术研发与示范”. 2018YFC0604400
中华人民共和国工业和信息化部2017年智能制造综合标准化项目“面向黄金生产行业的数字化车间通用模型标准与试验验证”. Z135060009002

Received: 2019-07-01 Revised: 2019-09-02 Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

马宁（1994-），男，吉林辽源人，硕士研究生，从事矿业系统工程研究工作447326752@qq.com , E-mail：447326752@qq.com

摘要

高原矿井人机功效评价是关系到高原高效采矿的重要问题之一，高原地区施工相比平原地区更加复杂。从人员因素、设备因素和环境因素3个方面出发，确立了17个评价指标，以构建高原矿井人机功效评价指标体系。同时，采用层次分析法计算各项指标的权重，并在此基础上建立多层次模糊综合评价模型。以西藏某铜多金属矿为研究对象，构造判断矩阵，建立权重向量和综合模糊矩阵，得出系统隶属度向量。评价结果表明：该系统的人机功效评价结果为“中等”水平，受环境因素影响严重。该评价模型为制定提高人机功效的合理对策提供了科学依据，具有一定的理论意义与实用价值，也为类似的高原施工问题提供了参考。

关键词： 高原矿井 ; 人机功效 ; 环境因素 ; 指标体系 ; 层次分析法 ; 模糊综合评价 ; 铜多金属矿

Abstract

The evaluation of human-machine efficiency in plateau mines is one of the important issues related to high-efficiency mining at high-altitude.Compared with the plain area，it is more complex.The mining industry at home and abroad rarely develops the ergonomics of high altitude and cold or special and extremely difficult environments.The high-altitude，low-pressure，low-oxygen，low-temperature environment not only causes a significant reduction in personnel fatigue tolerance，but also negatively affects the ability and efficiency of personnel to operate equipment，and produces correlation feedback with complex production factors such as multiple types of work and continuous labor in mines.It has a superimposed effect on the decline of human-computer efficiency.Taking a copper polymetallic mine in Tibet as the research object，this paper investigated and analyzed the influencing factors of human-machine effectiveness of plateau mines and scores made by experts.From the three aspects of human factors，equipment factors and environmental factors，17 evaluation indicators were established and a comprehensive evaluation index system suitable for high-altitude mines was constructed. The weight of each index was determined by analytic hierarchy process，so as to clarify the weight of each influential factor index in each level and the whole.The multi-level fuzzy comprehensive evaluation method was used to construct the judgment matrix.The weight vector and the integrated fuzzy matrix were established to obtain the system membership vector.The evaluation results of the mine indicate that the ergonomic evaluation level of the mine is “medium”.The analysis of the evaluation results shows that the oxygen pressure in the environmental factors is low，which has a great impact on the physical condition of the employees and the operating state of the equipment.To improve the human-machine efficiency of the mine，the working environment at the construction site should be improved.Based on the analysis of human-machine effectiveness and the characteristics of high-altitude mines，this paper establishes an evaluation index system for human-machine effectiveness of plateau mines.The comprehensive scientific nature of evaluation was fully considered when setting indicators.The evaluation index system was weighted and the evaluation model was constructed.In order to reduce the influence of subjectivity on the evaluation results of human-machince effectiveness in AHP method，the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method were combined to evaluate the human-machine effectiveness of plateau mine.The method has the characteristics of rationality，objectivity and scientificity to avoid artificial error.This model can provide an effective tool for the evaluation of the plateau mine management，provide support for the optimization of production organization in high-altitude and high-altitude mines，and provide a scientific basis for formulating reasonable countermeasures to improve human-effects.It has certain theoretical significance and practical value.It provides a certain reference for similar plateau construction problems.

Keywords： plateau mine ; human-machine effectiveness ; environmental factors ; indicator system ; analytic hierarchy process ; fuzzy comprehensive evaluation ; copper polymetallic mine

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本文引用格式

马宁, 胡乃联, 李国清, 郭对明, 侯杰. 基于模糊层次分析法的高原矿井人机功效评价[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 871-878 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.871

MA Ning, HU Nailian, LI Guoqing, GUO Duiming, HOU Jie. Evaluation of Human-Machine Effectiveness of Plateau Mine Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(6): 871-878 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.871

高海拔地区蕴藏着丰富的矿产资源，但同时具有大气压低、空气含氧量低、气温低、日照长、紫外线辐射强和风速大等高原环境气候特点^[1]。许多学者对高原矿井人机功效影响因素进行了分析，“人机功效”即人员、设备与环境三者相互作用下的人员操作设备的效率。王云龙^[2]根据现场实测得出，青藏高原低氧、低气压环境会引起人体的一系列适应性变化，如头晕、头痛、胸闷、气短、易怒、食欲不振、身体虚弱和高原病等症状，对人员的劳动能力造成一定的影响，大大降低了人员操作设备的工作效率。李琦等^[3]分析了高原寒冷缺氧环境对施工设备机械效率的影响，采用柴油机机械效率数学模型，计算分析了各种环境因素（大气压力、温度和氧浓度）对高空施工机械效率的影响程度和规律。唐志新等^[4]通过对高原矿山环境参数进行实测，分析了高原矿山的特点，认为低气压、缺氧等因素加大了井下粉尘和有毒气体对采矿人员的危害，增加了工人的劳动强度，从而严重影响工作效率。

高海拔高寒地区的低压、低氧和低温环境对人员和设备的工作效率产生直接影响，与矿山的多工种、连续劳动等复杂生产因素间产生关联反馈，对人机功效的降低产生叠加效果^[5,6]。有效提高人机功效的基础是对人机功效进行综合评价，建立基于高海拔特点的人机功效评价指标体系，成为高原矿井管理部门面临的一个重要问题。目前，关于高海拔高寒矿山的人机功效评价方面的研究较少，通常仅考虑高原环境对人员的影响，或高原环境对设备的影响，导致评价结果出现一定的偏差。本文通过对高原矿井人机功效的影响因素进行调查分析，并结合专家打分，构建出适合高原矿井的人机功效综合评价指标体系，利用层次分析法确定各指标的权重，明确各影响因素指标在各层次与总体中的权重，利用多层次模糊综合评价法对高原矿井进行人机功效评价，从而制定有针对性的对策。

1 高原矿井人机功效评价指标体系的建立

1.1 人机功效评价指标的影响因素分析

对于一个复杂的人机环系统，其人机功效受众多因素的影响，而高原地区因其特殊的气候条件使得其人机系统所受的影响因素更加复杂。本文从人的因素、设备因素和环境因素等方面对影响高原矿井人机功效的因素进行分析。

（1）人员因素。高原地区属于低氧、低压和低温地区，对人体各系统均有明显的影响，包括生理和心理两方面的影响，大量研究表明高原环境众多因素会引起机体功能变化，尤其是初到高原人群。除此之外，工作人员的技能素质、文化程度和习服程度都会对人机功效产生影响^[7,8,9,10]。

（2）设备因素。高原环境不仅影响人体机能，而且也会使机械设备出现严重降效问题。相比平原地区，在高海拔地区施工的各类机械设备的发动机功率、每小时作业效率、牵引加速能力和爬坡性能等均会降低，并因氧含量不足，燃烧不充分，产生积碳，进而出现设备磨损率和能耗增高的现象，加之机械设备老化，造成机械设备的维护成本升高等问题^[11]。

（3）环境因素。高原环境本身具有低压缺氧、寒冷干燥、日照时间长和阳光辐射强等特点，加之与高危行业矿井开采结合在一起，还存在工作地点的粉尘、噪音和照明等问题^[12]。

1.2 评价指标体系的建立

科学客观地评价高原矿山人机功效是一项复杂而细致的工作。当构建评价指标体系时，不仅要考虑其综合性、合理性和科学性，还要考虑可操作性。因此，设计指标不是越多越好，最合适的评价指标数量应根据评价的复杂程度而定。只有遵循系统性、一致性、可测性、独立性、科学性和可比性等原则，才能建立合理的评价指标体系，使评价结果能够反映出事物原本的面貌^[13]。

通过对高原矿井人机功效3个子系统进行分析，运用专家调查法，提取影响人机功效的评价指标，根据专家意见对指标进行筛选，并结合实际情况去掉影响相对较弱的指标，确定出各子系统要素之间的相互关系，建立具有层次结构的人机功效评价体系。所建立的指标体系划分为3个层次：第一层为体系的目标层，即高原矿井人机功效；第二层为准则层，从人员因素、设备因素和环境因素3个方面来评测对目标层的重要性；第三层为指标层，每项指标因素对相应准则层的相对重要性。具体指标体系如表1所示。

表1 高原矿井人机功效影响因素指标体系

Table 1 Index system of factors affecting human-machine effectiveness of plateau mines

一级指标	二级指标	三级指标
高原矿井人机功效	人员因素	员工的身体状况
		员工的心理状况
		员工的技能素质
		员工的文化程度
		员工的高效工作意识
		员工劳动习服时长
	设备因素	机械设备的运行状态
		机械设备负荷与能耗
		机械设备的自动化水平
		机械设备老化、磨损率
		机械设备的维护
	环境因素	工作地点的含氧状况
		工作地点的大气压
		工作地点的温度状况
		工作地点的粉尘状况
		工作地点的噪音状况
		工作地点的照明状况

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2 层次分析—模糊综合评价法

2.1 层次分析法权重的确定

权重主要反映出各指标在整个指标体系中的相对重要程度，已有的确定权重的方法有很多，常见的方法有对比打分法、最小平方法、特征向量法和层次分析法等^[14,15,16]。本文采用层次分析法来确定高原矿井人机功效评价体系中各项指标的权重，具体步骤如下：

（1）层次结构模型的构建。分析问题，将问题层次化、条理化，建立具有目标层、准则层和指标层的结构模型，在此结构模型中，层次数量应与相应问题的复杂程度和分析问题的详细程度相关联。之后结合数学与定性分析计算指标的权重。

（2）构造各个层次的判断矩阵。目标层以A代表高原矿井人机功效，u_a，u_b（a，b=1，2，…，n）表示同一层中的每个指标，对相对重要性给予一定判断，用u_ab表示，组成判断矩阵R，可表示为

R = [\begin{matrix} u_{11} & u_{12} & ⋯ & u_{1 b} \\ u_{21} & u_{22} & ⋯ & u_{2 b} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ u_{a 1} & ⋯ & ⋯ & u_{a b} \end{matrix}]

（1）

（3）判断矩阵的最大特征值。根据判断矩阵，利用幂法计算其最大特征值λ_max及其所对应的标准化特征向量w，并将特征向量w归一化，所得即为各因素的权重。

λ_{m a x} = \frac{1}{n} \overset{n}{∑_{i = 1}} \frac{{(R w)}_{i}}{w_{i}}

（2）

（4）一致性检验。为了评价权重的有效性，对判断矩阵的结果进行一致性检验。检验公式如下：

C I = (λ_{m a x} - n) / n - 1

（3）

C R = C I / R I

（4）

1~9阶的标度和判断矩阵RI数值，分别见表2和表3。

表2 判断矩阵标度与含义

Table 2 Judgment matrix scale and meaning

标度	含义
1	a，b相比，同样重要
3	a，b相比，a稍微重要
5	a，b相比，a明显重要
7	a，b相比，a强烈重要
9	a，b相比，a极端重要
2，4，6，8	介于相邻标度中间数值
倒数	a，b相比，u_ij=1/u_ji

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表3 平均随机一致性指标RI值

Table 3 Average random consistency indicator RI value

N	RI	N	RI
2	0	5	1.1185
3	0.5149	6	1.2494
4	0.8931	7	1.345

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CI值越大，则偏离判断矩阵完全一致性的程度越大，当CR<0.1或λ_max=n，CI=0时，则可以判断该矩阵是可以接受的一致性，否则需调整各个指标。

2.2 模糊综合评价模型的构建

将所有影响因素进行多层次模糊综合评价，构建出模糊子集，得到各个影响因素的综合评价指标^{[17,18,19,20,21]}。

（1）建立评价子目标集U：

U = \{U_{1}, U_{2}, …, U_{n}\}

（5）

（2）根据上述层次分析法的结果，建立第三级目标权重分配集：

B = \{B_{1}, B_{2}, …, B_{n}\}

（6）

且满足条件 $0 < B_{i} ≤ 1, \overset{n}{∑_{i = 1}} B_{i} = 1 (i = 1, 2, ⋯, n)$

（3）确定被评事物的n个评价影响因素：

u = \{u_{i 1}, u_{i 2}, …, u_{i k}\} (i = 1,2, …, n)

（7）

（4）根据AHP法的计算结果，确定指标u_i的权重分配集w_i：

w_{i} = (w_{i 1}, w_{i 2}, …, w_{i n}) (i = 1,2, …, n)

（8）

（5）建立被评事物的评判等级论域V：

V = \{V_{1}, V_{2}, …, V_{n}\}

（9）

即评价等级集合。每一个评估等级集合相当于一个模糊子集。

（6）请若干专家对各项指标进行投票评价，生成单因素评判模糊关系矩阵D：

D = [\begin{array}{l} d_{11} & d_{12} & ⋯ & d_{1 n} \\ d_{21} & d_{22} & ⋯ & d_{2 n} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ d_{k 1} & d_{k 2} & ⋯ & d_{k n} \end{array}]

（10）

（7）各第二级子目标综合评价向量A_i：

A_{i} = w_{i} r_{i} (i = 1,2, …, n)

（11）

（8）对子目标矩阵进行评价，表示为

A = (A_{1}, A_{2}, …, A_{s})^{T}

（12）

（9）得出总目标的评价向量P：

P = A R

（13）

（10）根据最大隶属度原则，得到企业人机功效等级。

3 实例分析

通过对西藏某铜多金属矿进行调研，从人员、设备和环境3个方面确定出17个评价指标。结合专家意见，采用层次分析法分析上述指标对高原矿井人机功效的重要性，根据1~9尺度法，对指标进行两两比较。如：环境因素当中“工作地点含氧情况”相比“工作地点噪音情况”对人机功效的影响“相当重要”，标度为5。以环境因素为例，根据层次分析法构造环境因素判断矩阵，如表4所示。

表4 环境因素判断矩阵

Table 4 Environmental factor judgment matrix

	大气压	含氧	粉尘	温度	照明	噪音
大气压	1	1/2	3	2	5	4
含氧量	2	1	4	3	6	5
粉尘	1/3	1/4	1	1/2	3	2
温度	1/2	1/3	2	1	4	3
照明	1/5	1/6	1/4	1/3	1	2
噪音	1/4	1/5	1/3	1/2	1/2	1

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由式（3）得到最大特征值λ_max=6.122。最大特征值所对应的特征向量w=（0.252，0.382，0.101，0.159，0.064，0.042）；由式（4）得到CI=0.0244，判断矩阵的阶数为6，查表3可知RI=1.2494；由式（5）求得CR=0.0194<0.1，所以该判断矩阵满足一致性检验。

同理可得高原矿井人机功效体系中人员因素、设备因素和环境因素的权重，如表5所示。

表5 高原矿井人机功效评价体系指标权重

Table 5 Plateau mine human-machine effectiveness evaluation system index weight

目标层	准则层	权重	三级指标（指标层）	对上一层权重	对目标层权重	λ_max	CR
高原矿井人机功效	人员因素	0.238	员工的身体状况	0.464	0.110	6.195	0.0311<0.1
			员工的心理状况	0.118	0.028
			员工的技能素质	0.075	0.017
			员工的文化程度	0.047	0.013
			员工的高效工作意识	0.049	0.011
			员工劳动习服时长	0.247	0.058
	设备因素	0.137	机械设备的运行状态	0.313	0.043	5.013	0.0032<0.1
			机械设备负荷与能耗	0.098	0.013
			机械设备的自动化水平	0.313	0.042
			机械设备老化、磨损率	0.101	0.013
			机械设备的维护	0.175	0.024
	环境因素	0.625	工作地点的含氧状况	0.382	0.238	6.122	0.0194<0.1
			工作地点的大气压	0.252	0.161
			工作地点的温度状况	0.159	0.099
			工作地点的粉尘状况	0.101	0.062
			工作地点的噪音状况	0.064	0.042
			工作地点的照明状况	0.042	0.026

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经过计算得出高原矿井人机功效评价体系的指标权重，由指标权重值可知，导致高原矿井人机功效降低的各因素中，环境因素（权重为0.625）占主导地位，其次为人员因素（权重为0.238）和设备因素（权重为0.137）。

由于上述指标大多为定性指标，难以量化，如员工的身体状况、机械设备的运行状态等。因此，在层次分析法确定的指标权重的基础上，建立模糊综合评价模型，邀请9位专家对该矿的各项指标进行打分，高原矿井人机功效水平的评语集为V=｛高，较高，中等，较低｝。其中，“员工的文化程度”为定量指标，单位为“本科及以上比率”，90%及以上评语为高，70%~90%评语为较高，50%~70%评语为中等，低于50%评语为较低。模糊综合评定结果如表6所示。

表6 高原矿井人机功效评定结果

Table 6 Plateau mine human-machine efficacy assessment results

准则层	权重	三级指标（指标层）	对上一层权重	评语等级
准则层	权重	三级指标（指标层）	对上一层权重	高	较高	中等	较低
人员因素	0.238	员工的身体状况	0.464	0	3	5	1
		员工的心理状况	0.118	0	3	6	0
		员工的技能素质	0.075	5	4	0	0
		员工的文化程度	0.047	0	9	0	0
		员工的高效工作意识	0.049	2	2	5	0
		员工劳动习服时长	0.247	3	4	2	0
设备因素	0.137	机械设备的运行状态	0.313	0	3	3	3
		机械设备负荷与能耗	0.098	0	0	4	5
		机械设备的自动化水平	0.313	0	8	1	0
		机械设备老化、磨损率	0.101	0	2	7	0
		机械设备的维护	0.175	0	8	1	0
环境因素	0.625	工作地点的含氧状况	0.382	0	0	5	4
		工作地点的大气压	0.252	0	0	6	3
		工作地点的温度状况	0.159	0	4	5	0
		工作地点的粉尘状况	0.101	0	4	5	0
		工作地点的噪音状况	0.064	5	2	2	0
		工作地点的照明状况	0.042	5	2	2	0

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（1）由表6可得，三级指标相对二级指标的模糊隶属度矩阵R_i：

\{\begin{matrix} R_{1} = [\begin{matrix} 0 & 0.33 & 0.56 & 0.11 \\ 0 & 0.33 & 0.67 & 0 \\ 0.56 & 0.44 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0.22 & 0.22 & 0.56 & 0 \\ 0.33 & 0.45 & 0.22 & 0 \end{matrix}] \\ R_{2} = [\begin{matrix} 0 & 0.33 & 0.33 & 0.34 \\ 0 & 0 & 0.44 & 0.56 \\ 0 & 0.89 & 0.11 & 0 \\ 0 & 0.22 & 0.78 & 0 \\ 0 & 0.89 & 0.11 & 0 \end{matrix}] \\ R_{3} = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0.56 & 0.44 \\ 0 & 0 & 0.67 & 0.33 \\ 0 & 0.44 & 0.56 & 0 \\ 0 & 0.44 & 0.56 & 0 \\ 0.56 & 0.22 & 0.22 & 0 \\ 0.56 & 0.22 & 0.22 & 0 \end{matrix}] \end{matrix}

(14)

（2）由表6可知，三级指标的权重向量W_j：

\{\begin{array}{l} W_{1} = (0.464,0.118,0.075,0.047,0.049,0.247) \\ W_{2} = (0.313,0.098,0.313,0.101,0.175) \\ W_{3} = (0.382,0.252,0.159,0.101,0.064,0.042) \end{array}

（15）

（3）计算单指标综合评价值B_k：

对人员因素的单级评价值矩阵B₁，采用常规矩阵乘规则，有：

B_{1} = W_{1} R_{1} = (0.464,0.118,0.075,0.047,0.049,0.247)

[\begin{matrix} 0 & 0.33 & 0.56 & 0.11 \\ 0 & 0.33 & 0.67 & 0 \\ 0.56 & 0.44 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0.22 & 0.22 & 0.56 & 0 \\ 0.33 & 0.45 & 0.22 & 0 \end{matrix}] = （ 0.134,0.393,0.420,0.051 ）

（16）

再分别对设备因素和环境因素的二级指标进行计算，形成二级模糊评价隶属度关系矩阵R：

R = [\begin{matrix} 0.134 & 0.393 & 0.420 & 0.051 \\ 0 & 0.560 & 0.279 & 0.161 \\ 0.059 & 0.138 & 0.552 & 0.251 \end{matrix}]

（17）

（4）计算综合评价隶属度向量P，由计算可得二级指标的权重向量A：

A = (0.238,0.137,0.625)

（18）

则该矿山人机功效的隶属度向量P为

P = A R = (0.238,0.137,0.625)

\begin{array}{l} [\begin{matrix} 0.134 & 0.393 & 0.420 & 0.051 \\ 0 & 0.560 & 0.279 & 0.161 \\ 0.059 & 0.138 & 0.552 & 0.251 \end{matrix}] \\ = (0.069,0.257,0.483,0.191) \end{array}

（19）

按最大隶属度原则，选取最大隶属度为评价等级，因此该矿山的人机功效评价等级为“中等”水平。对该评价结果进行分析得出，环境因素中氧气压较低对人员和设备的影响较大，若要提高该矿人机功效，需在供氧方面进行改善。

4 结语

（1）通过对人机功效进行调查分析，结合高原矿井的特点，建立了3层递阶结构，具有17项指标的高原矿井人机功效评价指标体系，在进行指标设置时充分考虑了评价的全面性和科学性。同时，对评价指标体系进行了权重计算，从而构建了评价模型。

（2）为了减少层次分析法中主观性对人机功效评价结果的影响，利用层次分析法与模糊综合评价法相结合进行高原矿井人机功效评价，该方法具有合理性、客观性和科学性等特点，避免了人为因素造成的误差。

（3）将层次分析—模糊综合评价法用于高原矿井人机功效中，该模型能够为高原矿井企业管理层提供评价考核的有效工具，为高海拔高寒矿山生产组织的优化提供了支撑。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

年永琼，辛元尧，周雪姣，等.

高原低氧环境对人体的生理影响以及人体药物代谢动力学特征的研究进展

[J].药学研究，2018，37（6）：346-351.