變權綜合下黃金洞尾礦庫風險評價范文

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摘要：尾礦庫的安全運行受很多因素的影響，且影響程度不一，因此在尾礦庫的安全評價過程中，確定各因素權重是關鍵的一步。為了避免固定不變的常權權重對評價結果的影響，構造了均衡函數，引入了變權權重。同時，也為了避免個人主觀認識差異及客觀數據之間的關系片面性對權重值的影響，提出了基于AHP－熵權法的變權綜合權重風險評價方法。在評價過程中，結合實際從洪水漫頂、壩體潰壩、地基沉陷、安全管理、自然因素五方面，選取了壩體高度、庫容量等18個措施層指標建立黃金洞尾礦庫安全評價指標體系。通過專家打分，得到指標初始值，經過變權綜合權重風險評價，得出此尾礦庫安全度等級為較安全狀態。此方法計算過程簡單，為指標權重的確定提供了一條新的途徑。

關鍵詞：尾礦庫；風險評價；變權綜合；AHP；熵權法；TOPSIS

引言

目前，我國現有尾礦庫1．2萬余座。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流重大危險源，有嚴重的安全隱患，時常會發生滑坡、泥石流等重大災害［1－2］。尾礦庫一旦失事，會給周圍居民帶來生命財產損失，也會造成當地經濟、環境嚴重破壞。根據美國馬薩諸塞洲Clark大學災害評價小組的報告結果，在調查的93種事故災害隱患中，尾礦庫失事高居第18位，遠大于航空事故，火災等60種災害事故［3］。近年來，我國學者對尾礦庫事故原因及預防做了大量的分析與研究。王英博等［4］采用和聲探索算法和BP神經網絡建立了尾礦庫安全評價模型，有效地刻畫了尾礦庫事故隨機波動特性；鄭欣等［5］將集權分析理論與層次分析法結合用于尾礦庫安全評價，根據i的不同取值可反應尾礦庫的具體安全狀態；姜洲等［6］基于尾礦庫突變機理和大量工程實踐，確定了尾礦庫評價指標體系及評價指標體系的等級量值區間，從而找出尾礦庫的具體敏感因素；王醒等［7］采用改進的模糊評價模型計算得出某尾礦庫的安全評價結果；高振興等［8］將突變理論與模糊分析結合起來，對尾礦庫進行多目標分解，得出尾礦庫安全總突變級數，又將其變換得出尾礦庫的安全度；陳水生［9］通過對尾礦庫料物力學性質試驗，尾礦庫本構模型及固結理論，以及尾礦庫潰壩致災過程等的研究，提出了尾礦庫重點研究方向；李全明等［10］根據實踐經驗，指出尾礦庫安全評價應立足于有限元理論的定量評價法；張力霆等［11］利用壩體位移跟蹤測量系統對尾礦庫壩體潰決的演進過程進行了觀測，總結了整個試驗過程中的潰決模式及破壞形式；李強等［12］根據尾礦庫幾何特征建立了尾礦庫的三維數值分析模型，實現了尾礦庫基于流固耦合－強度折減的三維穩定性分析，并分析了尾礦壩滑移面的形成過程。尾礦庫失事受到很多因素的影響，但是前人在確定影響尾礦庫安全運行的因素權重時，大多數采用常權綜合，在實際問題中，具有片面性［13］。本文在確定因素權重時，采用主觀性的層次分析法和客觀性的熵權法相結合，通過構造均衡函數，引入了變權綜合。先分別求出兩種方法的因素權重，然后再通過構造均衡函數，引入變權綜合，再對得到的因素權重求變權權重；最后引入偏好系數，將兩種方法取得的變權權重結合起來，求得綜合權重。變權的目的是根據因素狀態之間的均衡水平調整各因素在綜合決策中的作用，既注重各因素的作用，又注重各因素之間的作用，具有科學性［14－15］。通過引入偏好系數，既可以克服AHP賦值的主觀性，又可以保證權重的客觀性，使得到的綜合權重達到主觀與客觀的統一。本文在確定了變權綜合權重之后與風險評估相結合，建立變權綜合權重風險評估模型，并將其模型應用到黃金洞尾礦庫的安全評價中。

1確定綜合權重

1．1層次分析法確定主觀權重層次分析法（AHP）是一種將定量分析與定性分析結合起來，根據不同因素之間的隸屬關系和影響進行層次化條理化的處理，建立自上而下的多層次（準則層，目標層，措施層）結構模型［16］。利用決策者的經驗判斷各衡量目標的重要性，并給予定量，然后再根據數學方法確定每一層次因素的權重值，最后通過綜合計算，得出每個因素的相對重要性并進行排序，作為評價和選擇的依據。具體計算步驟如下：①建立層次結構模型；②構造判斷矩陣；③一致性檢驗及計算權重；④層次總排序［17］。

1．2熵權法確定客觀權重熵最早運用在物理學中，表示物質熱狀態的概率，是表征物質系統狀態的函數。后來熵被用在信息論中，表示事物的不確定性，并將熵作為不確定性的度量，因此產生了信息熵，即一個系統越有序，信息熵越低，反之越高。現在很多專家以及學者將信息熵廣泛應用于管理科學、生物醫學、人工智能、金融學，評價決策等領域［18］。熵權法是一種客觀賦值的方法，將其用到評價方面，用熵權表示某個評價指標的相對重要程度，當評價指標差異越大，信息熵越小，提供信息越多，權重越大，在綜合評價中的作用越大；反之，當評價指標差異越小，信息熵越大，提供信息越少，權重越小，在綜合評價中的作用就越小［19］。因此，在對評價對象的分析過程中，可以根據評價指標的差異度，利用熵權法計算各個指標的熵權，從而確定各指標的權重。具體步驟如下所述［20］。1）計算指標規范值yij，見式（1）式中：yij為規范值；xij為指標值。2）計算指標熵值ej，見式（2）。式中：ej為指標熵值；k＝1／lnm；yij為規范值。3）計算指標熵權wj，見式（3）。

1．3確定變權綜合權重層次分析法是屬于主觀賦權的方法，在很大程度上受到研究人員經驗、能力、知識水平的限制，容易導致評價結果與實際產生偏差，往往具有過度的主觀色彩。而用熵權法求得的指標權重的大小是根據各指標的信息差異程度，得到的結果比較客觀，盡量避免了評價人的主觀因素對評價指標權重的影響。但是這兩種方法確定的指標權重值一般是固定不變的，不會隨著對象的改變而改變，即通常人們在做決策時會不自覺的遵循“均衡”原則［21］，也就是某個方案由于某個指標權重過大或者過小就會導致整個方案被放棄了，不能反應樣本復雜的系統的非線性特征。為了做出更加正確合理的決策，本文引入了一種均衡函數，通過分別對層次分析法和熵權法得到的權重進行自動調整，從而體現決策者對評價對象的偏好，最后得出新的權重。同時為了使得到的數據更能反應實際情況，需要通過一定的運算整合，將層次分析法得到的權重和熵權法得到的權重進一步處理，步驟如下所述。1）設得到的指標權重表達式見式（4）。 式中，wj0為指標初始權重值。2）根據文獻［21］提供的均衡函數進行計算，見式（5）。3）根據變權公式進行計算，得到變權權重wj，見式（6）。式中，a為參數。0＜a＜0．5時，表示評價者過于保守，對各指標的平衡問題考慮過多；0．5＜a＜1時，表示評價者比較開明，可以容忍各個指標的差異；a＝1時，表示常權模式。4）將所得指標權重進行再次分配，見式（7）。wj＝εwαj＋（1－ε）wβj（7）式中：wαj為AHP綜合變權權重；wβj為熵權綜合變權權重；ε為折中系數，ε越大，表示層次分析法確定的變權權重對綜合權重的影響更大；反之，熵權法確定的權重值對綜合權重的影響更大。通常情況下ε＝0．5，重要性相當。雖然ε的取值依然帶有一定的主觀性，但是相較于直接用層次分析法或者熵權法得到的權重更加適合實際應用。

1．4計算評價結果本文采用綜合變權－TOPSIS模型來計算評價結果。TOPSIS（techniquefororderpreferencebysimilaritytoidealsolution）為接近理想點法，是一種多目標決策方法。該方法的基本思路是定義評判對象的理想解和負理想解，然后在可行的方案中找出一個方案，使得此方案距離理想解最近，同時又與負理想解距離最遠。TOPSIS法引進相對接近度的概念來考慮正負理想解距離。理想解是各個指標達到最優，負理想解是各個指標均為最差［22］。由TOPSIS法得到各指標的相對貼近度后，與準則層指標權重結合構造判斷矩陣，最終得到評判對象，綜合評價結果見式（8）。Q＝W×C（8）式中：C為貼近度評判矩陣；W為準則層權重。根據上述變權綜合權重和TOPSIS法的計算原理，將其用于尾礦庫的安全評價，得到的計算流程見圖1。

2實例

2．1工程簡介湖南省黃金洞尾礦庫位于湖南省平江縣黃金洞鄉境內，是一個具有400多年開采歷史的老礦山，目前生產規模是600t／d。尾礦庫庫區山勢陡峭，溝谷發育，地形起伏大，主溝發育有數條沖溝，尾部坡降較大，常年流水不斷。庫區溝谷大多呈“V”字型溝谷，山坡一般在35～50°之間，局部達到65°。該庫區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年降雨天數為150～182天，雨期在4～7月，秋季常干旱。該尾礦庫占地面積300畝①，主要為山地，是一個人為的具有高位能的泥石流形成區，存在安全隱患。為了保證尾礦庫系統的本質安全，要從客觀物體因素和主觀人為因素方面著手。大多尾礦庫發生事故的原因一方面來自自身因素即構造缺陷，環境復雜；另一方面來自外界因素即設計不當，由人類行為造成。本文結合黃金洞尾礦庫的實際情況，將導致尾礦庫事故的指標進行組合與篩選之后，最終選擇洪水漫頂、壩體潰壩、地基沉陷、安全管理和自然因素這5個方面作為目標層指標，選擇壩體高度、庫容量等18個方面作為措施層指標，建立黃金洞尾礦庫安全評價指標體系，見圖2。在尾礦庫的安全標準化管理范圍內，按照尾礦庫的安全標準化法律法規及技術規范，參照《金屬非金屬礦山安全標準化規范》《金屬非金屬礦山安全標準化規范尾礦庫實施指南》《尾礦庫安全技術規程》等文件和相關文獻，將尾礦庫的安全狀態劃分為四個等級：安全、較安全、較不安全、不安全，見表1。給相關專家及技術人員發送E－mail或者調查問卷表，專家根據尾礦庫的實際情況，以專業知識和多年經驗，以各個指標對整體體系的貢獻度大小為基礎來打分，打分值越高越好。其中，不安全對應區間（0～25分）；較不安全對應區間（25～50分）；較安全對應區間（50～75分）；安全對應區間（75～100分）。最終得到每個指標的專家打分值，見表2。

2．2確定綜合權重本文邀請了4位專家及技術人員對各指標進行打分和比較，運用MATLAB軟件分別計算出各個指標在層次分析法和熵權法下的初始權重值。為了達到指標間的“均衡”原則，進一步將層次分析法和熵權法得到的權重值進行變權計算。根據式（6）中a的取值不同，可以將決策者分為悲觀派、保守派、樂觀派，即a分別取值為0．3、0．5、0．8，并通過計算最終得到不同情況下的的變權權重。最后為了避免層次分析法權重的主觀性，以及熵權法權重的客觀性，將兩種方法得到的變權權重進行加權求平均，得到綜合權重值，見表3。2．3確定安全等級將表3得到的權重值分別與TOPSIS結合進行計算，由MATLAB軟件計算得出的結果見表4。據表4計算結果可知AHP－TOPSIS模型（0．5560）和熵權－TOPSIS模型（0．5654）得出尾礦庫安全狀態屬于較不安全等級；綜合權重－TOPSIS模型得出尾礦庫安全狀態屬于較安全等級。通過調查與核實，此尾礦庫實際運行狀況是在屬于較安全狀態。這表明在對尾礦庫進行分析時，單純使用AHP或者熵權法會因為人們主觀認識差異或決策因素的片面性導致決策失誤，與現實狀況不符。綜合變權指標權重根據實際情況發生變化，且通過對AHP和熵權法權重進行自動調整與處理，得到科學準確的權重值，為評價階段打下良好基礎。由綜合變權－TOPSIS模型得到的尾礦庫安全狀態雖然都屬于較安全狀態，但是a的取值不同，尾礦庫得分也不同。當a＝0．3時（0．6037），決策者屬于悲觀派，做決策時對不利因素考慮較多，辦事略悲觀；當a＝0．5時（0．7287），決策者屬于保守派，做決策時綜合考慮不利和有利因素，考慮問題全面；當a＝0．8時（0．6235），決策者屬于樂觀派，做決策時對有利因素考慮的較多，辦事較樂觀。從得分情況來看，保守派得分最高，結果也最好，這也驗證了在考慮變權時，大多數人將a取0．5。

3結論

1）通過對黃金洞尾礦庫的實際調研，以及閱讀相關文獻，最終選取洪水漫頂、壩體潰壩、地基沉陷、安全管理、自然因素這五個準則層指標和壩體高度、庫容量等18個措施層指標建立黃金洞尾礦庫安全評價指標體系，通過分析得到此尾礦庫安全狀態屬于較安全等級，符合實際情況。2）在確定指標權重時，本文通過構造均衡函數，引入變權綜合。變權的目的是指標權重隨著狀態值的變化而變化，從而能更好地在決策中發揮作用。通過變權綜合確定權重值相對于在決策中的常權不變更加具有科學性。雖然是變權綜合，但是變權權重是在常權的基礎上進一步求得的，也與常權有關，常權越大，影響越大，這符合生活常識。3）為了避免層次分析法確定權重時偏主觀性和熵權法確定權重時偏客觀性，本文引入了偏好系數，最終得到各指標的變權綜合權重值。結合風險評估得出該尾礦庫的安全度屬于較安全區間。其中在措施層，壩體高度、抗震系數和安全管理三個指標的權重值較大，即對尾礦庫安全運行的影響程度也最大。因此在對尾礦庫安全監管過程中要適當控制壩體高度，使其保持在安全壩高的范圍內；抗震系數雖與尾礦庫所處地理位置及地下水文地質有關，但仍可以通過壩體建筑物的材料以及有效的安全管理來提高其抗震強度；在安全管理制度方面更要認真貫徹“安全第一、預防為主、防重于搶、有備無患”的方針。同時也要關注其他指標對尾礦庫安全運行的影響，及時對尾礦庫的整體與具體運行情況做出調整。4）尾礦庫的安全評價具有綜合性、復雜性、系統性的特點，在評價時需要盡可能地考慮全方面的評價指標，減少主觀因素的影響，做到評價結果科學性、客觀性。變權綜合權重風險評估模型能夠有效地得出尾礦庫的安全度，計算簡單，其評價結果可以作為決策時的理論依據，為尾礦庫的安全評價提供了一種新的權重計算模型。

作者：李鳳娟 章光 劉明澤 賀坤 單位：武漢理工大學資源與環境工程學院