煤礦巷道掘進(jìn)護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化變權(quán)模糊評(píng)價(jià)方法

馬宏偉 王建科 王川偉

摘 要：為解決團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的煤礦巷道掘進(jìn)護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)裝置存在構(gòu)件重量大、運(yùn)輸裝拆難等問(wèn)題，采用模塊化設(shè)計(jì)基于特征度給定了經(jīng)濟(jì)性、工藝性及可維護(hù)性3種模塊細(xì)化方案，可滿(mǎn)足不同地質(zhì)環(huán)境不同巷道搬運(yùn)、裝卸需求；提出將“熵權(quán)法+模糊數(shù)學(xué)+變權(quán)理論”相結(jié)合的變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，可根據(jù)不同巷道環(huán)境不同側(cè)重需求，評(píng)價(jià)選擇裝置模塊化最優(yōu)方案；從模塊化需求分析，建立模塊化方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法的臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案評(píng)價(jià)模型，結(jié)合某煤礦實(shí)際條件驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的合理性和可行性。結(jié)果表明：通過(guò)變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)選擇的模塊化最優(yōu)方案適用地質(zhì)條件與該煤礦實(shí)際地質(zhì)條件相符，模塊化設(shè)計(jì)后的裝置裝配空間、最大零部件重量及最大零部件尺寸均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，提高了裝置運(yùn)輸與裝配的便捷性和高效性，證明了評(píng)價(jià)方法的賦權(quán)指標(biāo)權(quán)重合理，變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確可用，為煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)先期模塊化決策提供一定的參考與指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：臨時(shí)支護(hù)；模塊化；熵權(quán)法；模糊評(píng)價(jià)；變權(quán)理論

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 421文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）03-0576-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0315開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Fuzzy evaluation method of modular variable weight for temporary supporting device in coal mine roadway

MA Hongwei^1，2，WANG Jianke¹，WANG Chuanwei^1，2

（1.College of Mechanical Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Mine Electromechanical Equipment Intelligent Detection and Control，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to solve the problems of? heavy weight and difficult transportation and disassembly of the shield temporary support device for coal mine roadway excavation developed by the team in the early stage，the modular design was adopted to put forward three types of module detailed schemes of economy，technology and maintainability based on the characteristic degree，which can meet the different transportation and loading and unloading needs of different geological environments and roadways.A variable weight fuzzy comprehensive evaluation method combining entropy weighting method，fuzzy mathematics and variable weight theory was proposed to evaluate and select the optimal modularization scheme according to different demands and emphasis on different roadway environments.From the analysis of modularization demands，a modularization scheme evaluation index system was established，and a temporary support device modularization scheme evaluation model based on variable weight fuzzy comprehensive evaluation method was constructed，with the rationality and feasibility of the evaluation method confirmed by combining with the actual conditions of a coal mine.The results show：The applicable geological conditions of the modularization optimal scheme selected by the variable weight fuzzy comprehensive evaluation model is suitable for the geological conditions of the coal mine，and the assembly space，maximum weight and maximum size of the device by the modular design are optimized，which improves the convenience and efficiency of transportation and assembly of the device，indicating the rationality of the weighting index and the accuracy and applicability of the variable weight fuzzy comprehensive evaluation model.The results provide a certain reference and guidance for the early modular decision-making in coal mine equipment design.

Key words：temporary support；modularization；entropy weight method；fuzzy evaluation；variable weight theory

0 引 言

中國(guó)煤炭資源豐富，但在對(duì)煤炭資源開(kāi)采的過(guò)程中一直存在“掘快支慢”，“掘支不并行”的難題，國(guó)外針對(duì)該難題研制的掘錨一體機(jī)可提升一定的掘進(jìn)效率，但不能適應(yīng)易片幫的巷道，無(wú)法有效保障設(shè)備及人員安全。團(tuán)隊(duì)針對(duì)大斷面巷道夾矸與片幫共存的復(fù)雜地質(zhì)條件掘進(jìn)難題，創(chuàng)新性的提出一種護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、錨護(hù)、運(yùn)輸于一體的高效作業(yè)模式^[1]；但研制的臨時(shí)支護(hù)裝置構(gòu)件體積和重量均較大，導(dǎo)致運(yùn)輸裝拆較為困難，亟待進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，然而模塊化設(shè)計(jì)方法的合理性需要進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)。

以往的評(píng)價(jià)方法大多通過(guò)層次分析法與模糊理論相結(jié)合進(jìn)行最終評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，游穎等采用層次分析法與物元模型評(píng)估方法相結(jié)合對(duì)FDM打印機(jī)模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FDM打印機(jī)模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)價(jià)分析^[2]。黃志強(qiáng)等基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)工作模式進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，完成山地物探鉆機(jī)的最優(yōu)選擇評(píng)價(jià)^[3]。閆瓊等構(gòu)建層次分析法與熵值法相結(jié)合的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，完成摩托車(chē)模塊化設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)分析^[4]。王欣彤等將主客觀(guān)權(quán)重相結(jié)合構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，完成對(duì)地下洞室?guī)r爆的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)^[5]。譚忠生等基于修正層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型，完成對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)選型的評(píng)價(jià)決策^[6]。喬偉勝等基于層次分析法對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)^[7]。武杰等基于模糊數(shù)學(xué)對(duì)煤礦區(qū)煤層氣可采性進(jìn)行評(píng)價(jià)^[8]。趙丁等將模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法結(jié)合構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系，完成煤礦瓦斯突出的預(yù)警分析^[9]。但以上研究均未考慮常權(quán)模型中各指標(biāo)內(nèi)部的差異性對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象造成片面不合理影響以及存在較強(qiáng)的主觀(guān)性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性存在不足。

針對(duì)團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)中臨時(shí)支護(hù)裝置存在構(gòu)件重量大、拆卸運(yùn)輸難的問(wèn)題，采用模塊化思想進(jìn)行模塊方案設(shè)計(jì)，并就模塊化適用方案的選擇提出一種熵權(quán)法+模糊數(shù)學(xué)+變權(quán)理論相結(jié)合的變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法。采用隸屬度描述模糊邊界，將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，結(jié)合變權(quán)理論實(shí)現(xiàn)權(quán)重隨著指標(biāo)狀態(tài)值的改變而變化^[10-12]，提高了裝置模塊化評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，對(duì)煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)先期模塊化決策具有重要指導(dǎo)意義。

1 護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案

1.1 護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

為解決煤礦巷道掘進(jìn)長(zhǎng)期存在的“掘快支慢”難題，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了護(hù)盾式煤巷掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1所示，主要由截割機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和Ⅱ、鉆錨機(jī)器人、電液控平臺(tái)等組成。該系統(tǒng)已在陜煤小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司1號(hào)煤礦，巷道單日進(jìn)尺突破45 m，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸并行作業(yè)^[13-14]。

1.2 護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)前期研制的護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置重量、體積均較大，運(yùn)輸、拆裝僅適用于條件較好的大斷面巷道環(huán)境，很難適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下盾體的搬運(yùn)及拆裝需求。因此，亟待根據(jù)不同巷道搬運(yùn)及拆裝要求，對(duì)盾體關(guān)鍵部件進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置根據(jù)零部件作用分為上盾體和下盾體2部分，工作時(shí)通過(guò)液壓缸推動(dòng)上盾體對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)裝置如圖2所示。采用功能分析法對(duì)臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行模塊劃分^[15]，實(shí)現(xiàn)從部件-零件的分析，因液壓缸和導(dǎo)向柱為標(biāo)準(zhǔn)件，故不對(duì)其進(jìn)行模塊劃分研究，臨時(shí)支護(hù)裝置模塊劃分如圖3所示。

模塊劃分將臨時(shí)支護(hù)裝置分為底座、下側(cè)幫盾體、上側(cè)幫盾體、頂梁4大功能模塊，各模塊材料均選用Q345鋼，根據(jù)功能-結(jié)構(gòu)映射關(guān)系可以對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案劃分，現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)裝置總體尺寸為4 000 mm×5 400 mm×3 500 mm（長(zhǎng)×寬×高），根據(jù)煤礦環(huán)境中不同的地質(zhì)巷道條件，不同的搬運(yùn)、裝拆需求，采用特征度r計(jì)算判定設(shè)計(jì)了3種模塊化方案。分別為經(jīng)濟(jì)性方案、工藝性方案及可維護(hù)性方案，具體劃分見(jiàn)表1。其中特征度是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)給定。后續(xù)可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工藝進(jìn)一步優(yōu)化，具體表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

r=（A-a）/A（1）

式中 A為臨時(shí)支護(hù)裝置總度量值；a為方案結(jié)構(gòu)模塊度量值。

度量單位可以為裝置重量、體積或長(zhǎng)度等，可根據(jù)裝置特性選擇最方便運(yùn)算的度量單位。因臨時(shí)支護(hù)裝置模塊劃分是長(zhǎng)度方向細(xì)分為多個(gè)模塊，因此，長(zhǎng)度是區(qū)分各模塊的度量單位，所以使用臨時(shí)支護(hù)裝置長(zhǎng)度作為特征度計(jì)算依據(jù)。下側(cè)幫長(zhǎng)×高記為L(zhǎng)₁×H₁，上側(cè)幫長(zhǎng)×高記為L(zhǎng)₂×H₂，頂板模塊長(zhǎng)×寬記為L(zhǎng)₃×B₃。底座模塊尺寸結(jié)構(gòu)較小，可滿(mǎn)足運(yùn)輸裝配需求，不對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。

考慮裝置裝配工藝及方案地質(zhì)條件適用性初步給定判定閾值，后續(xù)隨著矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置應(yīng)用案例的增多結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與工藝可對(duì)判定閾值進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)特征度為0～0.3時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)特征度取值為0.3～0.6時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于工藝性；當(dāng)特征度為0.6～1時(shí)，認(rèn)為方案更側(cè)重于裝置的可維護(hù)性。

經(jīng)濟(jì)性方案中各功能模塊即為結(jié)構(gòu)模塊，計(jì)算其特征度值小于0.3，適用于地質(zhì)環(huán)境條件良好，不易發(fā)生片幫的地質(zhì)條件中，大型輔助裝拆工具可以使用的巷道，該方案研發(fā)周期較短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；工藝性方案特征度值小于0.6，該方案模塊數(shù)量較少，各模塊具體尺寸還是偏大，因此，對(duì)地質(zhì)環(huán)境還是具有一定的要求，適用于地質(zhì)環(huán)境一般的環(huán)境中；維護(hù)性方案特征度值大于0.6，該方案具有較好的維護(hù)性，適用于地質(zhì)松軟、環(huán)境較差，巷道容易片幫，大型輔助裝拆工具無(wú)法使用的情況下。

2 建立裝置模塊化方案評(píng)價(jià)模型

2.1 臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化多層次模型構(gòu)建

基于實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目需求對(duì)裝置模塊化方案建立多層次模型，將矩形護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化最優(yōu)方案作為目標(biāo)層，將模塊化指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)作為指標(biāo)層，將指標(biāo)層細(xì)化到具體的子指標(biāo)層，一共細(xì)分為模塊化程度、模塊可制造性、接口簡(jiǎn)易性等6個(gè)子指標(biāo)，面向不同需求即不同側(cè)重指標(biāo)選擇最合適的方案。其多層次模型如圖4所示。

2.2 變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型主要包括評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化及評(píng)語(yǔ)集的建立、隸屬函數(shù)的建立、熵權(quán)法確定常權(quán)、變權(quán)綜合評(píng)價(jià)4大部分。

2.2.1 評(píng)語(yǔ)集的建立及評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

模塊化方案評(píng)價(jià)結(jié)果分為不合格、差、中、良、優(yōu)五等級(jí)。其中，指標(biāo)C₁、C₂、C₃、C₅為正向指標(biāo)，即認(rèn)為指標(biāo)取值范圍越大越好，指標(biāo)C₄、C₆為負(fù)向指標(biāo)，數(shù)值越小代表指標(biāo)隸屬等級(jí)越好。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)量化表是構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵步驟，依據(jù)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)量化結(jié)果見(jiàn)表2，各方案中指標(biāo)取值均通過(guò)理論計(jì)算仿真結(jié)合煤礦實(shí)際應(yīng)用分析初步確定，后續(xù)通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用分析檢驗(yàn)評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性可判斷量化區(qū)間取值是否合理并可進(jìn)一步優(yōu)化。

模塊化程度的好壞選用各模塊之間獨(dú)立性評(píng)判，取值范圍為（0，1），當(dāng)模塊獨(dú)立性越接近0代表各模塊間獨(dú)立性越差，取值越接近1代表各模塊間獨(dú)立性越高，模塊化程度越好。

模塊的可制造性、接口的簡(jiǎn)易性以及可裝拆性量化標(biāo)準(zhǔn)采用10分制評(píng)判，取值區(qū)間均為（0，10），當(dāng)取值為0時(shí)，認(rèn)為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案各模塊的可制造性、模塊接口的簡(jiǎn)易性以及可裝拆性不合格，需重新對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)取值為10時(shí)，認(rèn)為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化指標(biāo)中上述相關(guān)影響因素具有完全理想的狀態(tài)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

模塊的可靠性由盾體所受最大應(yīng)力來(lái)評(píng)判，材料為Q345鋼，屈服強(qiáng)度為345 MPa；取值范圍為（0，350），煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)給定規(guī)定的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保設(shè)備運(yùn)行的安全性，因此，當(dāng)取值范圍為（280，350）時(shí)，即認(rèn)為模塊在工作時(shí)，所受最大應(yīng)力為280～350 MPa，其安全系數(shù)為1～1.23，認(rèn)為該狀態(tài)下的模塊可靠性無(wú)法有效保證設(shè)備及人員安全，需重新設(shè)計(jì)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)不合格；當(dāng)臨時(shí)支護(hù)裝置受載最大應(yīng)力小于70 MPa時(shí)，即安全系數(shù)大于4.9時(shí)，認(rèn)為裝置模塊可靠性為理想狀態(tài)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

模塊的可維修性是由裝置出現(xiàn)常規(guī)問(wèn)題單次維修所用時(shí)間進(jìn)行評(píng)判，取值范圍為（0，360），單位為min，當(dāng)單次維修時(shí)長(zhǎng)超過(guò)360 min，認(rèn)為裝置可維修性不合格，當(dāng)取值位于（0，60）時(shí)，裝置具有理想化的可維修性，評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)。

2.2.2 隸屬函數(shù)的建立

模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)根據(jù)曲線(xiàn)類(lèi)型可分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性，前者有梯形、三角形等形式，后者有柯西分布、正態(tài)分布等形式。文中隸屬函數(shù)的建立采用梯形分布，可適用于多區(qū)段的問(wèn)題求解。隸屬函數(shù)分為極小型、中間型以及極大型。確定各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，通過(guò)各指標(biāo)隸屬度構(gòu)建模糊矩陣R^[16]。隸屬函數(shù)表達(dá)形式見(jiàn)表3。

其中，a、b、c、d為臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化評(píng)價(jià)等級(jí)的分界值，通過(guò)分界值確定臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化評(píng)價(jià)指標(biāo)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度函數(shù)見(jiàn)表4。

2.2.3 熵權(quán)法確定常權(quán)權(quán)重

熵權(quán)法是一種用于多對(duì)象、多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果主要依據(jù)客觀(guān)資料，幾乎不受主觀(guān)因素影響^[17-19]。熵權(quán)法本質(zhì)是根據(jù)數(shù)據(jù)本身分析數(shù)據(jù)離散性，通過(guò)信息熵的確定來(lái)得到權(quán)重系數(shù)，信息熵越小，表明指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息就越多，權(quán)重就越大，在綜合評(píng)價(jià)中作用就越大。求權(quán)時(shí)首先構(gòu)造基本矩陣X，見(jiàn)式（2）。

X=（x_ij）_m×n（2）

式中 x_ij為第i方案下的第j個(gè)指標(biāo)的初始值；m為矩陣行數(shù)；n為矩陣列數(shù)。

基本矩陣包含每個(gè)指標(biāo)在不同方案中的實(shí)際值，由于各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)量單位并不統(tǒng)一，因此在計(jì)算權(quán)重前進(jìn)行歸一化處理。利用熵權(quán)法求得臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各指標(biāo)的客觀(guān)權(quán)重，見(jiàn)式（3）。

指標(biāo)j的熵值，見(jiàn)式（4）。

第j項(xiàng)指標(biāo)下第i元素指標(biāo)值的比重，見(jiàn)式（5）。

采用熵值法求得的各指標(biāo)權(quán)重避免了人為因素帶來(lái)的偏差，相對(duì)主觀(guān)賦值法，客觀(guān)性更強(qiáng)，能夠更好的解釋所得到的結(jié)果。

2.2.4 變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

為避免常權(quán)模型中各指標(biāo)內(nèi)部的差異性對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象造成片面不合理影響，引入變權(quán)理論來(lái)綜合各個(gè)指標(biāo)狀態(tài)值，核心思想就是指標(biāo)權(quán)重可以隨著狀態(tài)變權(quán)值的變化而變化^[20-21]?；趯?duì)矩形護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各項(xiàng)指標(biāo)均衡性考慮，構(gòu)造滿(mǎn)足均衡性要求的變權(quán)向量W（X）^[22-24]，見(jiàn)式（6）。

變權(quán)狀態(tài)影響量，見(jiàn)式（7）。

式中 ω_j為指標(biāo)常權(quán)值；x_i為第i個(gè)指標(biāo)最低等級(jí)或最高等級(jí)對(duì)應(yīng)的隸屬度狀態(tài)值；α∈[0，1]，x_imin為第i個(gè)指標(biāo)的最低等級(jí)所屬隸屬度值；x_imax為第i個(gè)指標(biāo)的最高等級(jí)所屬隸屬度值。

當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各指標(biāo)評(píng)價(jià)要求較寬松，通常取α大于0.5；當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各指標(biāo)要求較嚴(yán)，一般取α小于0.5；綜合考慮護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化的工程安全性，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，取α為0.3^[25]。同時(shí)當(dāng)指標(biāo)最低等級(jí)隸屬度值大于0.3時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)狀態(tài)較差，應(yīng)該對(duì)其權(quán)重調(diào)高；當(dāng)指標(biāo)最高等級(jí)隸屬度大于0.5時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)太過(guò)理想，應(yīng)該對(duì)其權(quán)重調(diào)低。最后計(jì)算綜合評(píng)價(jià)向量，見(jiàn)式（8）。

S=W（X）×R（8）

式中 R為隸屬度矩陣。

為了直觀(guān)了解各方案的特性，基于5分制評(píng)分方式對(duì)評(píng)語(yǔ)等級(jí)進(jìn)行評(píng)分。規(guī)定評(píng)語(yǔ)等級(jí)為不合格記為1分，對(duì)各評(píng)語(yǔ)等級(jí)依次累加賦值，即最終評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)記為5分，通過(guò)與各方案對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的綜合隸屬度值運(yùn)算得到各方案綜合得分。具體數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（9）。

式中 F為各方案綜合得分；R_i為第i個(gè)指標(biāo)綜合隸屬度值；U_i為第i個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)得分。

3 裝置模塊化方案評(píng)價(jià)分析

3.1 裝置模塊化方案應(yīng)用評(píng)價(jià)分析

已知煤礦1地質(zhì)環(huán)境較好，不易發(fā)生片幫，未進(jìn)行模塊細(xì)化設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)裝置已應(yīng)用于該煤礦。煤礦2地質(zhì)松軟、條件復(fù)雜，巷道容易出現(xiàn)片幫。

針對(duì)煤礦2的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行模塊化適用方案應(yīng)用評(píng)價(jià)分析，從而檢驗(yàn)變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性與適用性。其中用到定量指標(biāo)來(lái)源于煤礦實(shí)際的相關(guān)參數(shù)，定性指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)研結(jié)合煤礦實(shí)際應(yīng)用分析得到，各指標(biāo)狀態(tài)值見(jiàn)表2。由式（2）～式（5）求取各指標(biāo)常權(quán)見(jiàn)表5。

將各方案指標(biāo)數(shù)值代入相應(yīng)的隸屬度函數(shù)中，可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，從而構(gòu)建各指標(biāo)隸屬度矩陣。計(jì)算變權(quán)狀態(tài)影響量，判斷是否需要變權(quán)處理，從而計(jì)算求得最終評(píng)價(jià)結(jié)果。各方案變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型相關(guān)計(jì)算值見(jiàn)表6。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知經(jīng)濟(jì)性方案與工藝性方案變權(quán)狀態(tài)影響量均為1，即不需要進(jìn)行變權(quán)處理，可維護(hù)性方案中C₂與C₆最高隸屬度高于0.5，指標(biāo)過(guò)于理想，對(duì)其權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)低處理；得到臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化各方案綜合權(quán)重，與指標(biāo)隸屬度矩陣運(yùn)算求得各方案綜合評(píng)價(jià)向量。由式（9）計(jì)算得到各方案綜合得分值見(jiàn)表7。

得到各方案所得綜合分值分別為3.3，3.7，4.2，可知維護(hù)性方案綜合得分最高，方案最優(yōu)，該方案適用于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的條件下，與煤礦實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了變權(quán)模糊模型的準(zhǔn)確性。

3.2 裝置方案模型及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)該地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的煤礦，采用維護(hù)性方案對(duì)裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，裝置方案模型如圖5所示。裝置最大部件為頂板護(hù)盾模塊，可維護(hù)性方案將頂板護(hù)盾、上側(cè)幫盾體及下側(cè)幫盾體細(xì)分為3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知煤礦巷道及安裝硐室空間尺寸要求，通過(guò)對(duì)比模塊細(xì)化前后裝配空間、最大零部件尺寸與重量，判定模塊細(xì)化方案是否實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)輸及裝配的便捷性和高效性。煤礦應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。

其中煤礦1相關(guān)數(shù)據(jù)是根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期設(shè)計(jì)及煤礦設(shè)計(jì)要求所得。煤礦2相關(guān)數(shù)據(jù)是根據(jù)裝置模塊細(xì)化方案設(shè)計(jì)及煤礦設(shè)計(jì)要求所得。分析矩形護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置煤礦應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)可知。模塊細(xì)化前的裝置應(yīng)用地質(zhì)環(huán)境較好，煤礦巷道設(shè)計(jì)要求為6.5 m×4.2 m，完成裝配所需的安裝空間為10 m×7 m，最大部件即頂板護(hù)盾重量為60 t，最大部件尺寸為3.9 m×6.4 m×0.4 m（長(zhǎng)×寬×高）。

煤礦1中的設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿(mǎn)足煤礦2的設(shè)計(jì)要求，因此，對(duì)裝置進(jìn)行模塊細(xì)化。模塊化優(yōu)化后的裝置應(yīng)用地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，煤礦巷道設(shè)計(jì)要求為6 m×3.8 m，完成裝配所需的安裝空間為7.5 m×5 m，最大部件重量為14 t，最大部件尺寸為1.3 m×5.4 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬×高）。模塊化設(shè)計(jì)使裝置滿(mǎn)足了復(fù)雜條件下煤礦的設(shè)計(jì)要求，完成了實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。

護(hù)盾臨時(shí)支護(hù)裝置煤礦應(yīng)用結(jié)果對(duì)比分析表明，針對(duì)地質(zhì)松軟、條件復(fù)雜的巷道環(huán)境，通過(guò)變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法可對(duì)裝置模塊化最適方案評(píng)價(jià)選擇，裝配空間、最大部件重量及最大部件尺寸均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，提高了裝置搬運(yùn)的便捷性以及裝拆的高效性。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確可行。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)團(tuán)隊(duì)前期研制的臨時(shí)支護(hù)裝置存在的構(gòu)件體積和重量均較大的問(wèn)題，采用模塊化思想，基于特征度r計(jì)算判定設(shè)計(jì)3種模塊細(xì)化方案。同時(shí)針對(duì)以往模塊化評(píng)價(jià)方法存在主觀(guān)性強(qiáng)、評(píng)價(jià)模型不合理等問(wèn)題，提出了一種變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，可實(shí)現(xiàn)客觀(guān)求權(quán)及變權(quán)處理，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2）研究“熵權(quán)法+模糊數(shù)學(xué)+變權(quán)理論”相結(jié)合的變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，完成裝置模塊化最適方案變權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。依據(jù)對(duì)變權(quán)狀態(tài)影響量的判定完成對(duì)常權(quán)權(quán)重的調(diào)整，保證了評(píng)價(jià)模型的科學(xué)合理性。

3）實(shí)例分析驗(yàn)證構(gòu)建的變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型合理準(zhǔn)確，完成臨時(shí)支護(hù)裝置模塊化方案適用性選擇。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析，可維護(hù)性方案綜合得分值最高，方案最優(yōu)；裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用裝配空間、最大部件重量及尺寸均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，提高裝置搬運(yùn)的便捷性以及裝拆的高效性。

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