【摘要】 对国内矿井通风系统安全评价技术常用的模糊综合评价法、层次分析法、灰色关联度分析法、未确知测度评价法、人工神经网络评价法等进行分析和比较，给出了各种方法的数学原理和评价程序与步骤。然后，介绍多种评价方法相结合的复合评价模型及其应用。最后，分析和探讨了评价方法及其应用中存在评价指标与权重标准不统一、多种评价方法对同一资料的评价结果存在差异、缺乏评价支持软件系统等方面的问题；指出安全评价应引入非线性科学等交叉学科理论和开展基于方法集的综合集成评价研究；建立科学合理的评价指标体系和综合集成评价的决策支持系统，形成“人－机－环境－评价对象”一体化评价模式。
【关键词】 安全评价；评价方法；通风系统；矿井；人工神经网络(ANN)；非线性理论
引 言
由于我国煤炭分布范围广泛，埋藏地形复杂，煤炭生产一直受到瓦斯、水害、火灾、煤尘及顶板等灾害的威胁，虽然采用各种措施抑止事故的发生，百万吨死亡率正逐年下降，但我国目前煤矿安全生产仍面临严峻的挑战，与发达国家的差距很大，事故总量和死亡人数均远高于其他主要产煤国家。矿井通风是矿井安全工作的基础，是稀释和排除矿井瓦斯与粉尘最有效、最可靠的方法，也是创造良好劳动环境的重要途径，而合理的通风又是抑制煤炭自燃和火灾发展的重要手段。
评价矿井通风系统安全性的目的在于及时发现矿井通风系统中存在的问题和安全隐患，调整和改造系统；优化通风设计，准确编制应急预案，指导通风安全管理。因此，准确地对矿井通风系统作出科学合理的评价、发现存在的事故隐患并及时处理以抑止事故的发生成为防范的关键。
对矿井通风系统的评价可采用安全检查表和专家打分法。安全检查表属于定性评价，不能对整个系统的安全性给出确定的结果，专家打分法虽然属于定量评价，但专家各自的权重很难确定，操作起来也较为困难。该类方法作为安全管理的手段之一是可行的，但是作为对系统危险程度的评价，以各指标的得分值作为评价依据，主观性比较强，多人评价时结论难收敛，评价结果不统一，其结果缺乏说服力。
随着矿业的发展，对矿井通风系统进行安全评价也得到了人们的关注，国内学者对矿井通风系统的评价方法及评价标准作了大量的研究，提出了多种多样的评价方法。笔者在总结国内研究成果的基础上，介绍常用的矿井通风系统安全评价方法，并对其进行分析和探讨。
1 矿井通风系统安全评价方法
1.1 模糊综合评价
模糊综合评价最早是由我国学者汪培庄教授提出的，是指对多个涉及模糊相关因素影响的事物或方案进行总评决策的方法，能很好地解决在生产和生活中存在的大量内涵和外延都不明确的模糊概念，并用定量的方式表达出来，提高定性评价的客观性。在矿井通风系统安全评价中常常采用模糊综合评价。
模糊综合评价方法对多因素、多层次的较复杂问题进行模型的建立和评价，实现指标定性和定量有效结合，解决判断的模糊性和不确定性，克服传统数学方法中“惟一解”的弊端，方法简单、容易掌握，适应性广。缺点是不能解决评价指标间相关造成的信息重复问题，各因素权重带有一定主观性，多目标模型确定隶属度繁琐。
1.2 层次分析法
层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(T. L. Saaty) 于1973年提出的，1982年引入国内。该方法建立在系统工程理论基础上，在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，从而求解多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题。
层次分析法能够统一处理评价中的定性与定量因素，具有实用性、系统性、简洁性等优点，因而，在矿井通风系统安全评价中得到应用。
1.3 灰色关联度分析法
灰色理论是我国学者邓聚龙教授于1982年首创，现已广泛应用并取得较大成果。基于灰色系统理论评价方法主要有灰色关联度分析法和灰色聚类分析法。
灰色关联度分析法的基本思想是根据系统动态过程发展态势，即有关数据的几何关系及其相似程度来判断其关联程度，认为数据列所构成的曲线形状越接近，则变化态势越接近，关联度越大。灰色关联分析法能够处理信息部分明确、部分不明确且相关性大的系统，客观给出评价对象所属等级。物理概念清晰、直观，计算简单。
1.4 未确知测度理论的评价方法
未确知测度理论是研究未确知信息的一种数学方法，用未确知集合描述“不确定性”或“边界不清”现象，满足非负有界性、可加性、归一性等测量准则，并提供比较合理的置信度识别准则。未确知测度理论的关键在于根据背景、领域知识、实测数据及决策者的经验去构造合理的未确知测度函数。
在矿井通风系统安全评价中存在有模糊信息和灰信息，受主客观条件的限制、知识的缺乏，决策者得到的信息通常具有不完整性、不确定性，必然存在大量的未确知信息，因此，未确知测度理论也进行了应用。
1.5 人工神经网络评价方法
人工神经网络起源于20世纪40年代，以1987年首届国际人工神经网络学术会议为开端，迅速在全世界范围内掀起了人工神经网络的研究应用热潮，在各学科领域得到了很大发展和应用。人工神经网络是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构与功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统，是人工智能的一个前沿研究领域。图1为人工神经网络的基本结构，其中“○”表示一个神经元，又称处理单元或节点。
各个神经元之间互相连接形成一个网络拓扑，网络不仅有输入层节点，输出层节点，而且有隐含层节点(可以是一层或多层)。输入信号先向前传播到隐含层节点，经过作用函数后，再把隐含层节点的输出信息传播到输出层节点，最后给出输出结果。
人工神经网络具有自学习、自适应和大规模并行处理信息的能力，能自行领悟训练样本的内在规律，并把这些规律存储于网络之中。
影响系统安全性的基本因素多，关系复杂，数据干扰大，因素测度难以确定，将高度非线性的人工神经网络模型应用于系统安全分析评价，通过不同层之间神经元之间的学习、组织和推理，以网络输出层的评价模式作为分析评价的结果，为系统安全分析与评价提供了新思路。
基于人工神经网络的矿井通风系统安全评价方法充分运用了神经网络的非线性、容错性、自学习及实时处理等特点，解决了矿井通风系统安全评价的非结构性问题。该方法具有较强的学习和联想功能，人工干预少，精度较高，能够“提炼”评价对象本身的客观规律进行对相同属性评价对象的评价。
2 评价方法的综合集成
综合集成的评价方法是将两种或两种以上的方法加以改造并结合，以便在评价方法中能考虑到更多的评价因素，综合利用各种方法所提供的信息，从而尽可能地提高评价水平和精度，使评价结果更客观。对同一评价问题，不同的评价方法提供不同的有用信息，而且每一种方法都有自己固有的缺陷，把多种评价方法进行适当组合，有利于弥补这些缺陷，使评价结果更为精确。
矿井通风系统安全评价属于多属素综合评价范畴，不少学者在安全评价过程中，为克服单一数学模型存在的缺陷，在综合各方法优点基础上，相继开发了多种方法相结合的复合评价模型。
2.1 层次分析法、模糊理论与灰色理论结合
在评价过程中经常会遇到定性指标和定量指标混合的情况，为了使评价更加精确就需要注意定性指标量化的问题，这就使得单一的评价方法必须在指标量化方面作出改进。灰色多层次评判方法能够比较容易地定量描述评价分级的模糊界限。同时，通风系统的安全可靠性决定于多项指标，各指标可分为若干个层次，当评判对象的各指标之间由不同的层次结构时，就必须进行多层次综合评判。
多层次评判是在单层次综合评判的基础之上进行的，其评判方法相似，但在处理数据方面不相同，第一层次的数据完全借助于第二层次的数据，不需再进行数据的无量纲化处理。
矿井通风系统的影响因素具有模糊性、灰色性和层次性，将模糊综合评判、灰色系统理论和层次分析法有机地结合起来，提高了评价结果的可靠性和准确性。
2.2 模糊理论、粗糙集理论与人工神经网络相结合
模糊理论和神经网络技术是近年来人工智能研究较为活跃的两个领域。模糊人工神经网络评价法是基于BP算法发展起来的，引入模糊数学、遗传算法等，汇集神经网络与模糊理论的优点，集学习、联想、识别、自适应及模糊信息处理于一体，将技术方法应用到综合评价领域，方法更加灵活、智能化。
波兰学者Z. Pawlak于1982年提出的粗糙集(Rough Set，RS)理论是一种处理含糊性、不完整数据、不精确知识、不确定性问题的数学工具。相对于概率统计、模糊集等数学工具而言，粗糙集理论有这些理论不具备的优越性。粗糙集理论能从各种不完备信息中发现隐含的知识，揭示潜在的规律，基于不可分辨的思想和知识约简的方法，去掉决策表中的冗余属性，化简后的决策表具有与化简前的决策表相同的功能，但化简后的决策表具有更少的条件属性，同样的决策可以基于更少量的条件。
3 存在的问题
1)评价因素中各指标在评价过程中的权重确定，是安全评价的核心，权重确定正确与否，直接影响到安全评价结果的置信度。矿井通风系统是人－机－环境结构复杂的系统，矿井生产过程中存在的许多问题都是非线性的，变量之间的关系复杂，评价指标体系的建立也十分复杂，难以用确切的数学方程来描述，属于典型的非线性动力学系统。
由于井下系统有限空间及其空间动态变化等特性，矿井通风系统具有复杂、多变、随机等内涵明确、外延模糊的特点，表现出极为明显的非线性动力学特性。因此，无论是传统的分析方法，还是模糊、灰色等综合评价方法，都没有很好地解决评价指标体系及权重的确定问题。由各种模型计算出的安全指数至今没有统一的标准与方法，在安全等级的划分上存在着随意性，这使得评价结果的任意性很大。
2)对一个复杂对象的评价，由于各种评价方法的机制不同、方法的属性层次相异，以及受所遴选的专家群和描述被评价对象特征的指标体系的影响，多种评价方法对同一资料的评价结果、排序结果之间可能存在较大差异。
评价方法的综合集成无疑是很好的探索性研究，但它们并没有从方法论角度解决评价结论的非一致性问题。因此，评价结论的非一致性是目前安全评价研究领域一个亟待解决的问题。
3)多数学者在评价方法的研究上都遵循着一种思路，即针对某类问题构造出一种新的方法，然后用一个例子来说明其方法的有效性，理论研究与实际应用存在差距。绝大多数评价方法缺乏相应的软件系统支持，使得很多工作者望而生畏，严重阻碍了评价方法的推广。随着现代科技的迅速发展，特别是数学方法和计算机科学技术的发展，如何将安全评价理论、应用数学以及现代计算机应用技术有机结合，研究开发普适性的评价软件系统，仍然是期待解决的问题。
4 发展趋势与展望
安全评价理论和技术作为一门交叉学科，涉及自然科学、社会科学、管理科学以及工程技术等多学科领域，包含深刻的科学问题和巨大的理论和实践创新空间。在未来的发展阶段，安全评价理论和技术，特别是矿井安全评价技术，将得到充分的发展和完善。并逐步在行业和社会得到普遍的推广和使用。
1)加强科学合理的评价指标体系的研究
矿井通风系统是一个动态的、随机的、模糊的、复杂的大系统，要科学合理地对矿井通风系统进行评价，必须确定能够确切地反映矿井通风系统实际状况的参数指标，建立一个科学合理的评价指标体系。评价指标太多，可能过分增加评价指标结构的复杂程度和评价的难度，而且掩盖了主要的关键因素；评价指标过少，评价过程虽然简单易行，但难以全面反映评价对象的客观状况。
指标体系应能全面地反映被评价对象的综合情况，从中抓住主要因素，既能反映直接效果，又要反映间接效果，以保证综合评价的全面性和可信度；定量指标与定性指标结合使用，既可使评价具有客观性，便于数学模型处理，又可弥补单纯定量评价的不足及数据本身存在的某些缺陷；指标体系应使矿井通风系统达到技术可行、安全可靠和经济合理的目标。
2)开展基于方法集的综合集成评价的研究
方法集是指能独立完成对对象进行评价的方法的全体。基于方法集的综合评价方法是在评价的基本原则指导下，根据一定的准则和规则从基本评价方法集中抽取若干方法，通过适当的模型，将它们综合为一种评价模型对评价结果进行优化组合的全过程。对于评价指标权重的确定以及多方法评价结论的非一致性问题，可以通过寻求有效方法的综合集成来解决。
3)引入交叉学科理论进行综合研究
随着井下生产动态推进，在时间和空间上始终处于复杂的变化之中，危险性随时间和空间的推移而变化，危险程度和危害程度的发展是动态的，矿井通风系统是一个多环节、非线性、动态性和模糊性的复杂关联大系统，必须引入交叉学科以及新理论和新方法进行综合性研究。
应用现代应用数学、计算机科学、人工神经网络、非线性科学、复杂性科学等对矿井通风系统评价将是今后的发展方向。
4)建立综合集成评价的决策支持系统
由于矿井通风系统安全评价的“软”科学性。对于矿井通风系统安全评价中的许多不确定因素的考虑，有必要针对矿井通风系统安全评价问题建立起专家系统，更好地为安全评价服务。
将多方法组合、交互式思想同先进的技术方法综合起来构成集成式智能化交互式评价支持系统，应用综合评价对象集、评价目标集、评价方法集，以及知识工程、专家系统、人工神经网络、模糊集理论、非线性理论等，将现代计算机科学等先进技术与基础理论融于一体，形成“人－机－环境－评价对象”一体化模式，使评价工具具备通用性、规范性、智能性、交互性等特征。
5 结论
安全评价是一项改善工业企业安全生产与管理现状、建立安全生产长效机制的手段，是一项持续改进，不断提高和完善的长期工作。对矿井生产系统现有的安全状况、动态分析以及矿井安全性未来科学、准确的预测，是安全评价理论与技术研究的重要内容，也是安全管理过程必须解决的课题。通过对矿山通风系统安全评价方法及其发展趋势的研讨，可以有以下几点结论：
1)矿井通风系统是一个多环节、非线性、动态性和模糊性的复杂关联大系统，具有复杂、多变、随机等内涵明确、外延模糊的特点，安全评价必须引入非线性科学、复杂性科学等交叉学科以及新理论和新方法进行综合性研究。
2)加强科学合理的评价指标体系的研究。指标体系应能全面准确地反映被评价对象的综合情况，定量指标与定性指标结合使用，既使评价具有客观性，便于数学模型处理，又弥补单纯定量评价的不足及数据本身存在的某些缺陷；指标体系应使评价对象达到技术可行、安全可靠和经济合理的目标。
3)各种评价方法的机制不同、方法的属性层次相异，受所遴选的专家群及描述被评价对象特征的指标体系的影响，使得多种评价方法对同一资料的评价结果可能存在较大差异。开展基于方法集的综合集成评价的研究，通过寻求方法的综合集成来有效解决对于评价指标权重的确定以及多方法评价结论的非一致性问题。
4)建立综合集成评价的专家系统和决策支持软件系统，形成“人－机－环境－评价对象”一体化模式，使评价工具具备通用性、规范性、智能性、交互性等特征。