基于G1-EW-MIE-可拓理論的露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評價模型研究

趙 彬 寇向宇 康 虔 賀 嚴(yán)

（1.五礦勘查開發(fā)有限公司，北京 100010；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

卡車運輸具有調(diào)度靈活快捷、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國露天礦山運輸?shù)闹饕绞?，其運輸費用約占礦山經(jīng)營成本的一半［1］。隨著礦山機械化、科技化進(jìn)程的加快，開采規(guī)模和生產(chǎn)能力不斷提升，露天礦山逐漸向智能化發(fā)展，越來越多的大型露天礦山建立了卡車調(diào)度系統(tǒng)［2］?？ㄜ囌{(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的合理性，直接決定著礦山調(diào)度運輸效率和企業(yè)經(jīng)濟效益。因此，科學(xué)合理地進(jìn)行露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)評估分析，根據(jù)評估結(jié)果持續(xù)優(yōu)化完善系統(tǒng)建設(shè)，是露天礦山企業(yè)實現(xiàn)降低運營成本、提高經(jīng)濟效益的有效路徑。

目前，眾多專家學(xué)者在露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化方面做了大量研究工作，取得了豐碩的研究成果。如引入生物地理學(xué)優(yōu)化算法［3］、多目標(biāo)遺傳算法［4］、改進(jìn)蟻群算法［5］、改進(jìn)DCW-QPSO算法［6］、SA-GA算法［7］等進(jìn)行露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化與系統(tǒng)評估中，提高了調(diào)度系統(tǒng)運行的合理性。趙松松等［8］基于層次分析法有效識別了卡車調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化過程的主要因素，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論支撐；孫效玉等［9］基于模糊層次分析法理論，構(gòu)建了卡車調(diào)度系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)體系，對系統(tǒng)進(jìn)行了整體評價。分析發(fā)現(xiàn)，在卡車調(diào)度系統(tǒng)評估方面研究相對較少，暫未形成完善的理論體系，難以指導(dǎo)實踐。由于露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)評估要統(tǒng)籌考慮多個方面，影響因素多，因素之間具有不相容性的特點，且影響因素以定性指標(biāo)為主，一定程度上增加了評估工作的難度?？赏乩碚撃Ｐ屯ㄟ^構(gòu)建關(guān)聯(lián)度函數(shù)計算指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，能夠?qū)崿F(xiàn)定性概念的量化分析計算，在風(fēng)險評估［10］、效果評價［11］等方面應(yīng)用較多，并取得了滿意的效果。在應(yīng)用可拓理論模型進(jìn)行綜合評估時，首先要建立一套系統(tǒng)完善的多層次綜合評價指標(biāo)體系，并確定各層次指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重合理性直接影響著評估結(jié)果的可靠性。當(dāng)前，權(quán)重計算主要分為主觀計算法和客觀計算法兩大類，其中主觀計算法對于評估者認(rèn)知水平依賴性較高，權(quán)重計算帶有較強的主觀性；客觀計算法對數(shù)據(jù)完整全面性要求較高，過分強調(diào)了數(shù)據(jù)本身屬性。單純采用主觀計算法或客觀計算法，會導(dǎo)致權(quán)重計算偏于主觀或偏于客觀，從而導(dǎo)致評估失效［12］。

鑒于此，本研究將可拓理論模型應(yīng)用到露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)評估中，并采用G1-EW分別計算指標(biāo)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，基于MIE理論確定指標(biāo)綜合權(quán)重，構(gòu)建了基于G1-EW-MIE-可拓理論的露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)的綜合評價模型，以福建某露天礦山為研究對象，進(jìn)行卡車調(diào)度系統(tǒng)的綜合評估，驗證模型的有效性。

1 構(gòu)建露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系

露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)是以無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，尋求卡車的最優(yōu)運行路線，在滿足運輸量、剝采比等約束條件下實現(xiàn)車流規(guī)劃和卡車的實時動態(tài)調(diào)度。在文獻(xiàn)［8-9］和咨詢相關(guān)專家的基礎(chǔ)上，從最優(yōu)路線、車流規(guī)劃和實時調(diào)度3個方面，選取了包括運輸速度、路網(wǎng)節(jié)點等16個指標(biāo)構(gòu)建了露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系。為科學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)評估，將評估結(jié)果劃分為優(yōu)秀、良好、中等和差4個等級。各指標(biāo)選取情況和分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 基于G1-EW-MIE-可拓綜合評價模型

2.1 指標(biāo)權(quán)重

2.1.1 G1法計算指標(biāo)主觀權(quán)重

G1法是郭亞軍基于傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上提出的一種主觀權(quán)重計算法，該方法在權(quán)重計算過程中，只需要進(jìn)行兩兩指標(biāo)相對重要性比較，并確定相對重要性比值，根據(jù)相對重要性確定指標(biāo)權(quán)重。與層次分析法相比較，G1法可以降低對評估者主觀認(rèn)知要求，避免了重復(fù)性調(diào)整比較矩陣以滿足一致性的要求，因此，G1法計算指標(biāo)主觀權(quán)重計算過程更加簡便、符合實際。具體計算過程如下［13］：

（1）確定指標(biāo)序列。假設(shè)選取了n個評價指標(biāo)，評估者根據(jù)自身經(jīng)驗，從所有指標(biāo)中挑選出認(rèn)為最重要的指標(biāo)，記為X1，權(quán)重記為w1，在剩下的n-1個指標(biāo)中繼續(xù)挑選最重要的指標(biāo)，直到n個指標(biāo)依次按照相對重要性全部挑選完成，得到指標(biāo)序列（X1，X2，…，Xn）。

（2）確定指標(biāo)相對重要性比值。根據(jù)指標(biāo)序列（X1，X2，…，Xn），由評估者確定相對重要性比值rj。其中，相對重要性大小表征指標(biāo)相對重要性程度的描述見表2。相對重要性比值rj計算公式為

注：1.1、1.3、1.5、1.7、1.9，介于上面情況之間。

（3）計算第n個指標(biāo)權(quán)重。第n個指標(biāo)權(quán)重計算公式為

（4）計算所有指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)相對重要性比值rj，確定其他所有指標(biāo)權(quán)重，計算公式為

2.1.2 熵權(quán)法計算指標(biāo)客觀權(quán)重

熵權(quán)法是依據(jù)各指標(biāo)反映整體信息量大小來確定指標(biāo)權(quán)重的客觀計算法。該方法可以最大限度體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身屬性和反映數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。具體計算步驟見文獻(xiàn)［14］。

2.1.3 組合權(quán)重的計算

為提高權(quán)重結(jié)果科學(xué)性和合理性，以G1-EW分別計算指標(biāo)主觀權(quán)重αi和客觀權(quán)重βi，根據(jù)MIE原理，計算指標(biāo)組合權(quán)重，權(quán)重結(jié)果更加均衡。計算公式如下：

式中，αi為主觀權(quán)重；βi為客觀權(quán)重；w為組合權(quán)重；n為指標(biāo)個數(shù)。

基于拉格朗日算法，組合權(quán)重w計算公式為

2.2 可拓理論

2.2.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域和評價物元

蔡文提出的物元可拓模型理論，通過構(gòu)建關(guān)聯(lián)函數(shù)計算指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，實現(xiàn)定性概念向量化計算的轉(zhuǎn)化，為不相容性問題的分析提供了解決思路。該模型以有序數(shù)組R=（N，C，V）來表征事物整體特征；其中N代表事物名稱，C為事物特征，V為事物關(guān)于特征的量值。經(jīng)典域表示為

式中，Rj為經(jīng)典域；Nj代表劃分等級；C為指標(biāo)Vji表示第i個指標(biāo)第j個等級；aji、bji分別為指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)取值。

節(jié)域表示為Rp：

式中，Rp為節(jié)域；api、bpi分別代表各等級下指標(biāo)取值閾值。

待評對象可以組成物元：

式中，vi為指標(biāo)對應(yīng)的實測值。

2.2.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算

關(guān)聯(lián)度K公式為

式中，Ki（vj）代表各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；ρ（vi，Vji）、ρ（vi，Vpi）分別代表vi與有限區(qū)間Vji、Vpi的距離。

2.2.3 等級判斷

由于待評對象受多方面、多因素的共同影響，需要計算綜合指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，并基于最大隸屬度原則綜合分析評估。其中綜合關(guān)聯(lián)度計算公式為

為更好分析待評對象的變化與發(fā)展趨勢，引入變量特征值概念，其中變量特征值j*計算公式［15］為

2.3 基于G1-EW-MIE-可拓綜合評價模型的實現(xiàn)過程

如前所述，本文建立了基于G1-EW-MIE-可拓綜合評價模型，具體的計算過程為：①在分析待評對象影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系，并進(jìn)行指標(biāo)分級；②采用G1-EW-MIE計算指標(biāo)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重和組合權(quán)重，根據(jù)各指標(biāo)取值情況，構(gòu)建指標(biāo)關(guān)聯(lián)度函數(shù)，計算各層次指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；③計算綜合關(guān)聯(lián)度和變量特征值，并基于最大隸屬度原則，確定卡車調(diào)度系統(tǒng)的綜合等級，描述系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢。

3 模型應(yīng)用

為驗證本研究所建立的基于G1-EW-MIE-可拓理論模型在露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評估方面具有適用性，以福建省某露天礦山為研究對象，進(jìn)行相應(yīng)的計算。

為提高現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度管理水平和礦石運輸效率，該露天礦山于2018年底正式上線卡車調(diào)度系統(tǒng)，并不斷持續(xù)優(yōu)化完善系統(tǒng)建設(shè)，卡車調(diào)度系統(tǒng)得到了成功的應(yīng)用。為對該礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行評估，組織了5位專家，根據(jù)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，逐一對指標(biāo)進(jìn)行打分，取各專家打分的平均數(shù)作為各指標(biāo)的最終值。各指標(biāo)取值情況見表3。

3.1 指標(biāo)權(quán)重計算

（1）G1法計算指標(biāo)主觀權(quán)重。根據(jù)露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系的構(gòu)建情況，由專家確定各層次指標(biāo)序列，并給出相對重要性比值。以一級指標(biāo)層為例，專家給出指標(biāo)序列為：X2＞X3＞X1，權(quán)重分別記為w1、w2、w3，相對重要性比值分別為：r1=1.8，r2=1.6，根據(jù)式（1）～式（3），可得w3=（1+1.8×1.6+1.6）-1=0.183，w2=0.183× 1.6=0.291，w1=0.291× 1.8=0.526。那么，一級指標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重分別為（0.183，0.526，0.291）。同理，可得各一級層下二級指標(biāo)權(quán)重，具體計算結(jié)果見表4。

（2）EW法計算指標(biāo)客觀權(quán)重。根據(jù)文獻(xiàn)［14］，將指標(biāo)取值與各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)的中間值（即95，85，70，30）構(gòu)建多屬性決策矩陣，通過計算得到各指標(biāo)熵和權(quán)重，具體計算結(jié)果見表4。

（3）基于MIE原理計算指標(biāo)綜合權(quán)重。根據(jù)式（4）～式（5），對一級指標(biāo)層和二級指標(biāo)層指標(biāo)分別計算組合權(quán)重，具體計算結(jié)果見表4。

3.2 計算綜合隸屬度

（1）二級指標(biāo)層等級關(guān)聯(lián)度的計算。以X11為例，根據(jù)式（9）～式（11），計算單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度：

同理，可得其他各指標(biāo)單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表5。將指標(biāo)權(quán)重與單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度相乘，可以得到等級關(guān)聯(lián)度，基于最大隸屬度原則，進(jìn)行等級判斷，結(jié)果見表6。

（2）綜合關(guān)聯(lián)度計算。根據(jù)式（12），得到一級指標(biāo)層的等級關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度，并確定各層次等級。最后，將本研究所建立的基于G1-EW-MIE-可拓綜合評價模型與模糊層次分析法和未確知測度理論評估結(jié)果相對比，具體結(jié)果見表7。由表7可知，3種評估模型評價結(jié)果完全一致；該露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)的最優(yōu)路線、車流規(guī)劃和實時調(diào)度評估等級分別為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅱ級，綜合評價等級為Ⅱ級，表明該礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)在路線尋優(yōu)方面為優(yōu)秀，在車流規(guī)劃和實時調(diào)度方面表現(xiàn)良好，還有待提升的空間。

在確定露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)的綜合評估等級后，根據(jù)式（13）～式（14），計算變量特征值j*，j*=1.913＞1.5，表明該系統(tǒng)綜合評價等級介于Ⅰ級～Ⅱ級，且偏向于Ⅱ級，表明該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步持續(xù)優(yōu)化升級。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：盡管該礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位，且根據(jù)實際需要與軟件供應(yīng)公司共同開發(fā)了特色功能模塊，但是在配礦功能方面存在程序不穩(wěn)，會發(fā)生數(shù)據(jù)處理異常導(dǎo)致計算失敗的現(xiàn)象；在智能調(diào)度方面操作界面稍顯復(fù)雜，沒有指令反饋等技術(shù)漏洞，容易導(dǎo)致生產(chǎn)調(diào)度失誤，嚴(yán)重影響了運輸效率。該系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化配礦功能，做好現(xiàn)場網(wǎng)路實時更新，確保路線調(diào)度最優(yōu)；進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)軟件配置，提升系統(tǒng)功能的可操性。

綜上所述，本文所建立的基于G1-EW-MIE-可拓理論的綜合評價模型評估結(jié)果合理可靠，符合實際，表明該模型在露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)評估方面具有適用性，可以為系統(tǒng)評估提供新思路，也可以為系統(tǒng)優(yōu)化升級提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）為提高指標(biāo)權(quán)重計算的科學(xué)性和合理性，采用G1-EW分別計算指標(biāo)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，并基于MIE算法確定指標(biāo)組合權(quán)重，避免了因權(quán)重計算失衡導(dǎo)致評估結(jié)果失效。

（2）考慮了露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)評估指標(biāo)不相容性，且指標(biāo)以定性指標(biāo)為主的特點，將可拓理論模型引入到到系統(tǒng)評估中，構(gòu)建了基于G1-EW-MIE-可拓理論綜合評價模型，并以福建某露天礦為研究背景，驗證了該模型的適用性，為系統(tǒng)評估工作提供了一種完善有效的評估思路。

（3）由于露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)評估影響因素多，且因素之間具有不相容性，在后續(xù)的研究中，還需要進(jìn)一步完善指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，優(yōu)化指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，以提高模型的應(yīng)用性。