面向安全硬約束的煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化研究

王金鳳，翟雪琪，馮立杰，2

（1.鄭州大學管理工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南鄭州 450016）

面向安全硬約束的煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化研究

王金鳳1，翟雪琪1，馮立杰1，2

（1.鄭州大學管理工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，河南鄭州 450016）

在保證安全生產(chǎn)前提下實現(xiàn)效率最大化是煤炭生產(chǎn)企業(yè)亟需解決的現(xiàn)實問題。本文結(jié)合煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)的復雜性特征，首先從人員素質(zhì)、機械裝備、環(huán)境改善、安全管理、應急救援等方面確定了煤礦生產(chǎn)物流的安全投入指標，運用響應曲面法分析了安全指標與安全水平間的作用關(guān)系，確定了煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束條件；然后以效率最大化為目標函數(shù)、安全目標和資源投入為約束條件，構(gòu)建了煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型；最后通過實例驗證了模型的有效性及適用性，為安全生產(chǎn)前提下實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高煤礦生產(chǎn)物流效率提供了科學依據(jù)。

煤礦生產(chǎn)物流；安全硬約束；效率優(yōu)化；響應曲面法

1 引言

煤炭生產(chǎn)是國民經(jīng)濟的命脈之一，煤炭資源的廣泛利用為推動我國國民經(jīng)濟建設進程、提高人民生活水平做出了并且仍將繼續(xù)做出巨大貢獻。近年來，鑒于煤炭行業(yè)事故多發(fā)，傷亡率持續(xù)居高的殘酷現(xiàn)實，各級政府及煤炭生產(chǎn)企業(yè)均加大了安全方面的投入，通過改善礦井通風、加強危險源監(jiān)測、健全事故預防與應急機制逐步扭轉(zhuǎn)被動局面，取得了較為顯著的成效。然而，我國仍是煤礦事故傷亡人數(shù)最多的國家，每年煤礦事故死亡人數(shù)約占世界煤礦事故死亡總?cè)藬?shù)的80%左右，發(fā)展形勢還不容樂觀。

一直以來我國煤礦的安全水平不穩(wěn)定，安全狀態(tài)隨時間變化波動，在安全生產(chǎn)高壓線下，不少煤礦企業(yè)均存在為保安全而不惜壓縮額定生產(chǎn)能力的現(xiàn)象，即過分地追求資源冗余，忽視了生產(chǎn)效率的提高，增加了企業(yè)負擔，也進一步拉大了在安全高效生產(chǎn)上我國與發(fā)達國家的差距［1-2］。因此，如何平衡生產(chǎn)過程的安全與效率，保障安全生產(chǎn)的同時實現(xiàn)效率最大化，成為煤炭行業(yè)迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

煤炭生產(chǎn)和其他行業(yè)相比有其明顯特質(zhì)。煤炭生產(chǎn)過程主要是煤炭物理形態(tài)的變化（開采和破碎），以及煤炭空間位置的改變（井下和地面輸送），這實質(zhì)上是一種特殊的物流過程。此外，在煤炭生產(chǎn)過程中還存在著設備、材料、水流、風流等多種形式的物料與物質(zhì)的流動，這些共同組成了煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)，是煤炭生產(chǎn)的主體部分。實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)物流的安全高效，是實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)安全高效的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外學者對煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化做了大量的研究，多集中煤礦生產(chǎn)效率影響因素分析、效率評價、測算等方面［3-8］。Sharma［2］應用隨機生產(chǎn)前沿模型分析了美國伊利諾斯州12個地下開采煤礦的效率問題，指出影響因素主要在勞工數(shù)量、資本利用率、煤層深度、災害頻率和煤層賦存條件；Stoker等［4］采用Malmquist指數(shù)方法對煤礦生產(chǎn)物流效率進行動態(tài)評價，分析了礦區(qū)的煤礦生產(chǎn)物流動態(tài)效率及變化趨勢；姚平等［7］應用DEA方法分析煤礦生產(chǎn)效率問題，該方法不需要對生產(chǎn)函數(shù)進行假設，但沒有表述出效率隨時間變化的特征。對于煤礦生產(chǎn)物流，安全與效率作為相互聯(lián)系、相互制約的矛盾體，如何在安全與效率之間權(quán)衡，使得煤礦生產(chǎn)物流在保障安全生產(chǎn)下優(yōu)化效率，目前有研究價值的成果不多。

考慮到多變的地質(zhì)環(huán)境和復雜的開采方式?jīng)Q定著影響煤礦生產(chǎn)物流安全的因素眾多，且這些因素對安全的影響重要程度不一致，本文采用多目標優(yōu)化理論協(xié)調(diào)安全與效率的不一致性問題，將安全目標看作重要約束條件，效率最大化看作目標函數(shù)，構(gòu)建煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型，從而實現(xiàn)安全與效率的協(xié)同優(yōu)化。

2 煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束分析

從安全經(jīng)濟學角度來看，在前期生產(chǎn)階段，隨著資源投入的加大，煤礦生產(chǎn)物流安全水平提高速度較快，當資源投入持續(xù)增加時，安全水平提高速度緩慢，增長至一定水平資源冗余也會逐步增加，導致資源配置效率降低?？梢?，安全水平與資源配置效率息息相關(guān)，而安全作為煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化至關(guān)重要的前提條件，分析安全這一硬約束條件成為效率優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。

2.1 煤礦生產(chǎn)物流安全指標確定

煤礦生產(chǎn)物流資源投入不僅要保障煤炭開采過程的順利進行，提高煤礦安全水平，保證作業(yè)人員生命安全，還要提高煤炭生產(chǎn)效率，保證煤礦可持續(xù)發(fā)展。由于煤炭生產(chǎn)工藝流程復雜，其多屬性、環(huán)境隨時間變化、模糊的復雜性工藝流程特征，加上其“行業(yè)間特殊性”和“行業(yè)內(nèi)普適性”（行業(yè)間特殊性指與其他行業(yè)相比煤炭生產(chǎn)場地動態(tài)移動、時刻受到多種災害的威脅。行業(yè)內(nèi)普適性指煤炭生產(chǎn)同時并存離散物流和流程物流，不同物流形態(tài)之間有耦合關(guān)系又相對獨立），導致影響煤礦生產(chǎn)物流安全的因素眾多。依據(jù)科學性、全面性、可比性等原則，從人-機-環(huán)-管四方面將安全指標［9］劃分為人員素質(zhì)x1、機械裝備x2、環(huán)境改善x3、安全管理x4、應急救援x5，具體見表1。

（1）人員素質(zhì)x1：推進煤礦安全生產(chǎn)與作業(yè)人員素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展是煤炭生產(chǎn)企業(yè)面臨的主要課題，可以通過加大作業(yè)人員投入，開展安全教育培訓，從安全意識、技術(shù)和文化等措施提高作業(yè)人員的綜合素質(zhì)。

（2）機械裝備x2：煤礦生產(chǎn)中的開采、掘進、運輸、提升、通風、排水、鉆探等設備（即煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)機械裝備）水平?jīng)Q定煤礦生產(chǎn)能力，提高機械裝備水平、加強日常維護管理、開展維護人員技能培訓等對改善安全生產(chǎn)狀況有極大的促進作用。

（3）環(huán)境改善x3：創(chuàng)建安全、舒適的工作環(huán)境，不僅可以減少疲勞和人的不安全行為，減少事故的發(fā)生，還可以提高煤礦生產(chǎn)效率。煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，且工作場所隨著煤礦的開采和掘進不斷變化，隨時面臨著水、火、瓦斯、頂板壓力等多種災害的威脅，從自然環(huán)境和工作環(huán)境兩方面保證煤礦安全生產(chǎn)極為重要。

（4）安全管理x4：安全管理是為實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)進行的決策、計劃、組織和控制等活動。通過制定安全行為規(guī)范，加強安全文化管理，分析煤礦生產(chǎn)過程的各種不安全因素，采取有力措施對其進行控制，有利于預防煤礦生產(chǎn)事故，提高安全水平。

（5）應急救援x5：煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)具有復雜性和不確定性等特征，開采過程存在各種各樣的危險源，建立完善的應急救援體系、配備應急救援裝備、開展應急救援培訓及演練至關(guān)重要。

表1 煤礦生產(chǎn)物流安全指標及含義

2.2 基于響應曲面法的安全硬約束分析

（1）響應曲面法基本原理

響應曲面法（Response Surface Methodology，RSM）最早由Box和Willson［10］提出，通過研究多個影響因素輸入與響應輸出值之間的數(shù)學關(guān)系，以解決質(zhì)量改進和優(yōu)化問題。半個多世紀以來，響應曲面法得到了較快的發(fā)展，Alibrandi等［11］將響應曲面法引入至隨機動態(tài)分析過程中，運用高斯模型擬合了隨機動態(tài)系統(tǒng)因素間的強非線性關(guān)系；Huang Yufon等［12］利用響應曲面法研究了因素敏感性分析；Campatelli等［13］運用響應曲面法優(yōu)化碳素鋼生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，有效降低了加工能耗；Ashok等［14］利用響應曲面法分析了航空空氣質(zhì)量對美國環(huán)境的影響；Park等［15］將響應曲面法應用于橋梁快速震害評估，通過確定相應的輸入變量與輸出變量，建立了RSM評估模型，結(jié)果表明RSM方法有效地提高了橋梁震害評估精度；田軍等［16］針對電路模擬需要滿足的精確度及速度要求，采用響應曲面法建立輸出與輸入的近似關(guān)系模型。

綜上知，眾多國內(nèi)外學者將響應曲面法擴展到了航空、工程、電子等應用領(lǐng)域，利用其較強的逼近能力用于航空質(zhì)量評價、工藝流程參數(shù)優(yōu)化、震害評估、電路模擬等方面。在煤礦生產(chǎn)過程中，影響煤礦安全生產(chǎn)的指標與安全水平之間作用關(guān)系復雜，如何優(yōu)化安全指標值使得安全水平達到最高是煤礦安全生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問題。而解決該問題在于能否通過某種方法建立生產(chǎn)過程的近似模型，該模型不僅可以描述安全指標與安全間的復雜作用關(guān)系，還能進行安全預測和優(yōu)化。因此，本文采用響應曲面法擬合安全指標與安全之間的作用關(guān)系。

表2 煤礦影響變量及安全水平評分

將影響煤礦安全生產(chǎn)的指標看作因素，安全水平看作質(zhì)量特性或響應，即定義輸入指標x1，x2，…，xn稱為因素，輸出指標y稱為響應，響應的測量誤差、背景噪聲、因素變異等各種影響稱為系統(tǒng)誤差ε，即輸入與輸出響應之間的函數(shù)關(guān)系式為［17］：

在大多數(shù)響應曲面問題中，自變量和響應之間的函數(shù)關(guān)系表達式均采用一階或二階模型表達［18］。若響應適用于用自變量的線性函數(shù)建模，則擬合函數(shù)可采用一階模型：

若系統(tǒng)較為復雜，自變量和響應之間的擬合函數(shù)可考慮采用二階模型：

由于二階模型的函數(shù)形式比較復雜，可以擬合很多廣泛函數(shù)形式，采用最小二乘法又可以較容易地計算其參數(shù)值［19］。因此本文選取二階模型確定煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束。

（2）煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束分析

由于煤礦安全水平難以直接量化，本文將其定義為4個等級，見表2。依據(jù)專家打分法劃分評分區(qū)間（60～100），分別為最佳安全水平（90～100），較佳安全水平（80～89），一般安全水平（70～79），不安全水平（60～69）。

根據(jù)確定的煤礦生產(chǎn)物流安全指標，利用響應曲面法的二階模型擬合安全生產(chǎn)水平，采用最小二乘法估計模型中的各參數(shù)，從方差分析、回歸系數(shù)及顯著檢驗、失擬分析等方面檢驗模型的有效性，并進行模型修正，直到安全水平擬合值與實際情況相符。

式（4）中，線性項βixi表示影響變量Xi對煤礦生產(chǎn)物流安全水平的線性影響；平方項影響變量Xi對煤礦生產(chǎn)物流安全水平的平方影響；交互項βijxixj表示影響變量Xi和Xj的交互作用對煤礦生產(chǎn)物流安全水平的影響；ε表示誤差項，服從正態(tài)分布N（0，σ2）。

不同煤礦的生產(chǎn)方式、整體管理水平及生產(chǎn)效率都有所區(qū)別，但影響生產(chǎn)方式、整體管理水平及生產(chǎn)效率的所有因素對煤礦安全生產(chǎn)均有影響，且因素與安全生產(chǎn)間的影響規(guī)律是一致的。此外，也正是由于不同煤礦間存在的差異，便于對比分析各煤礦的安全生產(chǎn)狀況，進一步查找制約因素，制定改善策略。例如，人員的素質(zhì)、設備的機械化程度、開采環(huán)境等對煤礦安全生產(chǎn)均有影響，但在大量的樣本數(shù)據(jù)中煤礦的這些因素又各不相同，通過尋找這些因素對安全生產(chǎn)的影響規(guī)律，以期發(fā)現(xiàn)各煤礦安全生產(chǎn)過程中的制約因素，從而提出有針對性的改善方案，做到共性與個性的相結(jié)合。因此，本文從大樣本中隨機挑選20家煤礦企業(yè)在2008～2010年間的資源投入產(chǎn)出情況，并邀請煤礦專家對各礦井歷年來的安全水平劃分等級并打分。根據(jù)建立的安全水平測算模型對其求解，結(jié)果見表3。

表3 煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束擬合方差分析

表3匯總了包括人員素質(zhì)、機械裝備、環(huán)境改善、安全管理及應急救援因素的線性項、平方項和交互作用項在內(nèi)的方差分析。其中，各因素線性項方差比重較小，線性項P值為0.108，這表明各因素線性項對煤礦安全水平的影響效果不顯著；而各因素的平方項和交互作用項占回歸方差的比重較大，平方項的P值（p=0.026）和交互作用P值（p= 0.009）較小，表明各因素平方項和交互作用項對煤礦安全水平的影響效果顯著，煤礦生產(chǎn)物流安全水平響應曲面有彎曲。對于二階模型，失擬P值為0.203，說明此二階模型可充分擬合數(shù)據(jù)，模型較為合理。

煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束估計回歸系數(shù)見表4，結(jié)果顯示因素的回歸系數(shù)有正有負，一般而言，所有因素的投入均對安全水平為正相關(guān)，但由于煤礦安全投入與安全水平間呈非線性關(guān)系，不同階段的煤礦安全投入所增加的安全水平是不一樣的。王曉梅［20］指出當安全投入的數(shù)量達到一定程度時，所獲得的安全水平（或稱安全度）將維持在某一確定的水平之上，繼續(xù)增加安全投入，安全效益不再增加甚至呈遞減趨勢。因此，本文將煤礦生產(chǎn)物流中的邊際投入定義為安全水平每增加一單位時引起的投入增量［21-22］，如圖1所示。

圖1 煤礦生產(chǎn)物流資源投入與安全水平關(guān)系

不難發(fā)現(xiàn)，隨著安全水平的逐步提升，每提升一單位的安全水平時需要的安全投入量逐漸增大。在初期階段，安全水平隨著安全投入的增加迅速提升，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，如圖1的OA階段所示。隨著資源投入的增多，達到一定程度后，繼續(xù)增加投入時，安全水平增加緩慢，如AB階段。當達到最高點F時，如果繼續(xù)增加安全投入，安全冗余度較高，帶來的安全水平增量為負，還引起了資源浪費，造成了資源配置不合理。因此，回歸結(jié)果為負系數(shù)的因素表明了該因素的資源投入已達到“飽和”，繼續(xù)對其增加投入并不能帶來安全水平的提升。

表4 煤礦生產(chǎn)物流安全硬約束估計回歸系數(shù)

此外，人員素質(zhì)與安全管理、機械裝備與安全管理、人員素質(zhì)與機械裝備的交互作用效果不明顯，P值分別為0.215，0.131，0.258。進一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著煤礦安全基礎(chǔ)管理不斷改善，企業(yè)管理人員安全培訓不斷加強，設備科技支撐能力明顯增強，人員素質(zhì)與安全管理、機械裝備與安全管理之間的相互影響程度對總體安全水平的提高逐漸減弱，因此它們的交互作用效果不明顯。而其余兩兩變量之間的交互作用P值均小于0.05，說明其余變量間的相互影響程度對總體安全水平的提高具有顯著性，因此煤礦企業(yè)欲進一步提高煤礦安全水平時，需充分考慮這些變量的交互作用。

通過上述分析可知，煤礦生產(chǎn)物流安全指標與安全水平間的作用關(guān)系，即安全硬約束表達式為：

3 面向安全硬約束的煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型構(gòu)建

在上述安全指標與安全水平間的作用關(guān)系分析基礎(chǔ)上，通過確定決策變量及模型假設，構(gòu)建以效率最大化為目標函數(shù)、安全目標為重要硬約束條件的效率優(yōu)化模型，以實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)物流資源的合理配置［23-24］。

3.1 模型假設與決策變量確定

鑒于煤礦生產(chǎn)物流的復雜性，構(gòu)建效率優(yōu)化模型時，提出如下假設：

（1）假設煤炭生產(chǎn)企業(yè)為追求經(jīng)濟效益不會無限增加安全投入，企業(yè)追求的是最佳安全水平，即通過資源優(yōu)化配置，將生產(chǎn)過程中潛在的不安全因素控制在安全許可范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)目標；

（2）煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)投入具有滯后性，故假設在一定時期內(nèi)煤礦生產(chǎn)物流總投入一定，且各決策變量的投入相對重要性保持不變；

（3）假設煤礦生產(chǎn)物流效率用產(chǎn)量與投入之比衡量，且煤炭產(chǎn)量采用柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)。

考慮到安全硬約束作為效率優(yōu)化的重要前提，結(jié)合已確定的煤礦生產(chǎn)物流安全指標，選取人員素質(zhì)、機械裝備、環(huán)境改善、安全管理、應急救援為煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型的決策變量。

3.2 效率優(yōu)化模型構(gòu)建

（1）目標函數(shù)

本文選取效率最大化為目標函數(shù)。首先，依據(jù)柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)設定產(chǎn)出函數(shù)，即煤炭總產(chǎn)量用資源投入表示為：

其中，α1+α2+……+α5=1

式中，F(xiàn)（x1，x2，…，x5）表示煤炭總產(chǎn)量，A為技術(shù)進步水平常數(shù)，x1，x2，…，x5為煤礦生產(chǎn)物流各個決策變量的投入，α1，α1，……，α6表示煤礦生產(chǎn)物流各決策變量的相對重要程度。根據(jù)2008～2010年間各煤礦投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，擬合煤炭總產(chǎn)量生產(chǎn)函數(shù)。通過對公式（5）兩邊取對數(shù)進行求解，轉(zhuǎn)變形式為ln F=ln A+。通過求解得到煤炭開采總產(chǎn)量與資源投入之間的函數(shù)表達式為：

本文將煤礦生產(chǎn)物流效率定義為煤炭總產(chǎn)量與資源總投入之比，因此模型的目標函數(shù)可表示為：

（2）約束條件

① 安全硬約束：根據(jù)“安全第一”的煤炭生產(chǎn)方針，定義煤礦安全生產(chǎn)目標應達到最佳安全水平，即ys≥90

根據(jù)已建立的煤礦生產(chǎn)物流安全水平表達式，該約束條件可表示為：

② 資源投入約束：煤礦生產(chǎn)物流各決策變量的資源投入受到總投入約束，即：③ 非負約束：煤礦生產(chǎn)物流各決策變量的投入均為非負：

（3）模型構(gòu)建及求解

根據(jù)上述對目標函數(shù)及約束條件的設定，依據(jù)式子（6-9），煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型可表達為：

由于該模型屬于有約束的非線性規(guī)劃模型，而序列二次規(guī)劃（SQP）有利于求解中小規(guī)模非線性約束的最優(yōu)化問題，且具有良好的全局收斂性和超線性收斂性［25-27］。因此，本文采用SQP方法，利用軟件對其目標函數(shù)和約束條件進行編程，從而尋求模型的最優(yōu)解。

4 實證研究

4.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取河南某煤業(yè)集團下屬礦井為實證對象，該礦井設計生產(chǎn)能力0.6Mt/a，服務年限20年，井田開拓方式采用斜、豎井混合開拓，共有主斜井、副斜井、回風斜井3個井筒。礦井通風方式為中央并列式，通風方法采用機械抽出式。該礦井通過加大對人員的安全培訓及先進開采設備的引進，提高了整體安全水平，在2010年實現(xiàn)了“零死亡”目標，但是該礦的效率與其他礦井對比經(jīng)濟效益欠佳。

表5 煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化前后結(jié)果

根據(jù)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)得知，該礦井2010年資源總投入為416萬元，對人員、機械裝備、環(huán)境改善、安全管理、應急救援的投入分別為170、85、46、56、59萬元。

4.2 結(jié)果分析

將上述數(shù)據(jù)帶入已建立的煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型，得到：

通過對上述模型求解，結(jié)果見表5。結(jié)果顯示優(yōu)化前后煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)中人員、機器設備、環(huán)境、安全管理及應急救援的資源投入由（170，85，46，56，59）重新分配為（135.86，76.45，51.03，67.22，85.44）。此時安全水平處于最佳狀態(tài)，未因為資源的重新分配而下降，但效率卻明顯提高E后=1.48＞1，這正是煤礦生產(chǎn)物流資源重新分配的結(jié)果。

（1）人員方面：該礦井對人員方面的投入較高，資源冗余高達34.14萬元，嚴重影響了資源配置效率。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該礦井將人員作為實現(xiàn)保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性因素，即通過開展各類安全教育培訓，從文化、技術(shù)和安全意識等方面提高人員的安全素質(zhì)，投入了大量的資源，引起了資源浪費。因此，該礦井管理人員需要適當減少人員的投入，在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下進行資源配置，以提高資源配置效率。

（2）機器設備方面：與人員方面的投入相比，該礦井對機器設備的資源分配還較為合理，但仍存在8.55萬的資源冗余。進一步分析發(fā)現(xiàn)，該礦井大量采購了先進的開采設備、運輸設備及機電設備，通過提升礦井機械化水平來保證煤礦的安全開采，由此帶來了部分資源浪費。因此，煤礦管理人員需在滿足煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，減少對機器設備的投入，以保證資源的合理配置。

（3）環(huán)境改善方面：該煤礦對環(huán)境進行改善的投入相對來說偏少，存在資金投入不足現(xiàn)象。這不僅阻礙了安全水平的提高，還降低了煤礦生產(chǎn)物流整體運行效率。因此，需要充分考慮影響環(huán)境的眾多因素，從自然環(huán)境和工作環(huán)境兩方面加強環(huán)境改善，營造一個安全舒適的煤礦開采環(huán)境。

（4）安全管理方面：該煤礦在安全管理方面的投入優(yōu)化前后分別為56萬，67.22萬，存在資源投入不足現(xiàn)象。進一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該煤礦安全文化建設方面存在缺陷，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范制度，未形成人員自我約束長效機制，績效考核的激勵機制不到位。因此，煤礦管理人員應著重從安全文化完善角度加大投入，通過建立完善、科學的安全文化提高煤礦安全水平。

（5）應急救援方面：該煤礦對應急救援的資源投入嚴重不足，缺口高達26.44萬元，體現(xiàn)在應急救援理念落后、監(jiān)測預警工作不到位、救援設備不先進，應急救援物資儲備不充足，應急系統(tǒng)不完善等方面。究其原因發(fā)現(xiàn)，雖然煤礦上下級人員將“預防第一，安全第一”作為目標，但是預防方面不是事前預防，而是事中預防，即當災害或事故發(fā)生時才會積極減少存在的災害，把損失降到最低點，此外救援設備比較落后，不能在最短的時間內(nèi)消除災害。因此，煤礦管理人員應從學習先進應急管理理念、購買先進救援設備、完善監(jiān)測預警機制等方面加大投入，從而提高整體應急救援水平。

因此，該煤礦應按照上述優(yōu)化結(jié)果對資源重新配置，適當減少人員和機器設備的投入，加大環(huán)境改善、安全管理、應急救援方面的投入。通過改善工作環(huán)境，減少煤炭開采過程的不安全因素，加強安全行為規(guī)范和安全文化管理，適時分析并控制人員不安全行為，逐步完善應急救援機制，提高礦井應急物流水平。

5 結(jié)語

針對煤礦生產(chǎn)物流安全與效率作為一對相互制約、相互聯(lián)系的矛盾體，從人-機-環(huán)-管方面確定了煤礦生產(chǎn)物流安全指標，定義了安全水平等級，在此基礎(chǔ)上采用響應曲面法定量分析安全硬約束條件，構(gòu)建了面向安全硬約束的效率優(yōu)化模型。研究結(jié)果表明，在最佳安全水平條件下，從人員、機器設備、環(huán)境、安全管理及應急救援方面重新配置煤礦生產(chǎn)物流資源有利于提高系統(tǒng)運行效率。

然而煤礦生產(chǎn)過程眾多因素對安全的影響程度隨時間不斷變化，還需從時序動態(tài)的角度進一步分析煤礦生產(chǎn)物流安全指標與安全水平間的動態(tài)作用關(guān)系。此外，保持合理的資源冗余不僅有利于提高安全系數(shù)，還有利于降低資源消耗，提高生產(chǎn)效率，因此對煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化時也需進一步考慮資源冗余問題。

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Efficiency Optimization of Coal Mine Production Logistics Under Safety Hard Constraint

WANG Jin-feng1，ZHAI Xue-qi2，F(xiàn)ENG Li-jie1，2
（1.Institute of Management Engineering，Zhengzhou University，Henan 450001，China；2.Henan Provincial Coal Seam Gas Development and Utilization Corporation.，LTD.，Henan 450016，China）

Improving efficiency under safety production is an urgent task for coal mine enterprises.Combined the complexity of coal mine production logistics，safety indexes are selected from personnel quality，machinery，environment，safety management and emergency rescue in the paper.The relationship of safety indexes and safety level is analyzed by response surface method and safety hard constraint of coal mine production logistics was obtained.Then an efficiency optimal model of coal mine production logistics is established through setting efficiency maximization as function，safety level and resource investment as constraints.Finally，case study shows the validity and applicability of efficiency optimal model.This research provids a scientific method to improve efficiency realize resource optimal allocation under the condition of safety production logistics.

coal mine production logistics；safety hard constraint；efficiency optimization；response surface method

X913.4

A

1003-207（2014）07-0059-08

2012-04-06；

2014-03-03

國家自然科學基金資助項目（71271194）

王金鳳（1963-），女（漢族），河南人，鄭州大學管理工程學院院長，教授，博士生導師，研究方向：安全管理工程、工業(yè)工程等.