基于AHP的隧道瓦斯爆炸事故致因研究

徐明智 蔡立勇 尹智雄 周訓兵

(1.貴州省勞動保護科學技術(shù)研究院；2.貴州煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗中心)

基于AHP的隧道瓦斯爆炸事故致因研究

徐明智1,2蔡立勇1,2尹智雄1,2周訓兵1,2

(1.貴州省勞動保護科學技術(shù)研究院；2.貴州煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗中心)

在系統(tǒng)分析了隧道瓦斯爆炸致因的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AHP基本原理建立了隧道瓦斯爆炸事故致因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建了判斷矩陣，計算了各因素的權(quán)重并進行了排序。結(jié)果表明：管理缺陷是隧道瓦斯爆炸事故致因的首要因素，其次是人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，環(huán)境的不安全條件影響最小。因此，加強瓦斯管理，完善規(guī)章制度，加大安全培訓力度，同時禁止明火作業(yè)和漏檢瓦斯，是預防隧道瓦斯爆炸事故的重要措施。

隧道 瓦斯爆炸 層次分析法 事故致因

我國是一個多山的國家，交通線路在通過山嶺重丘時需要修建大量的隧道，其中有些隧道不可避免的需要穿越煤系地層，這就導致在施工過程中有發(fā)生瓦斯突出、瓦斯爆炸和瓦斯燃燒的危險，其中又以瓦斯爆炸事故比較常見，一旦發(fā)生瓦斯爆炸，就會造成嚴重的人員傷亡和重大的財產(chǎn)損失[1-2]。隨著我國交通建設(shè)的大力發(fā)展，隧道瓦斯出現(xiàn)的頻率將會大大增加，發(fā)生隧道瓦斯爆炸事故的幾率也將隨之增大，因此，有必要對隧道瓦斯爆炸事故進行系統(tǒng)全面的分析，以找到瓦斯爆炸的致因，采取相應(yīng)的治理措施。

本文以層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)為基礎(chǔ)，探討了隧道瓦斯爆炸事故的致因，為預防隧道瓦斯爆炸提供科學指導。

1 AHP的基本原理與步驟

1.1 AHP的基本原理

層次分析法是美國運籌學家薩蒂等人于20世紀70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法，其基本原理是結(jié)合各因素之間的相互影響和隸屬關(guān)系，將其分層類聚組合，建立遞階有序的層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)對實際情況的客觀判斷，對模型中每一因素的相對重要程度進行量化，再計算每一層因素的權(quán)重向量，最后綜合計算所有因素的總排序權(quán)重，以此判斷各因素的重要程度[3-4]。

1.2 AHP的基本步驟

1.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)分析對象所包含的因素和因素間的隸屬關(guān)系，按照不同的特征，將各因素自上而下分解成若干層，通?？煞譃槿龑樱耗繕藢?、準則層和措施層。同一層的因素既作用于上一層因素，同時又受到下一層因素的影響。

1.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

對隸屬于上一層某一因素的同一層中每個因素進行兩兩對比，確定相對重要程度，采用1～9標度法進行量化[5]，以此構(gòu)成判斷矩陣。判斷矩陣中各元素的取值和含義如表1所示。

表1 比例標度值及含義

1.2.3 計算權(quán)重向量

根據(jù)構(gòu)造好的判斷矩陣，計算出最大特征值λmax和對應(yīng)的特征向量W，將W歸一化后得到的向量即為同一層因素對于上一層某因素相對重要性的權(quán)重向量。權(quán)重向量的計算方法一般有根法、冪法、和積法、最小二乘法和對數(shù)最小二乘法等[6]。

1.2.4 一致性檢驗

為了防止判斷矩陣受到其它不相干因素的影響，需要對其進行一致性檢驗。只有通過了檢驗，說明判斷矩陣在邏輯上是合理的，是符合客觀事實的[4]。檢驗過程如下：

計算一致性指標CI：

CI=(λmax-n)/(n-1) .

(1)

計算隨機一致性比例CR：

CR=CI/RI .

(2)

當CR<0.1時，即可認為判斷矩陣滿足大體上的一致性，構(gòu)造的判斷矩陣符合數(shù)學邏輯，否則應(yīng)對矩陣進行適當修正。其中RI為平均隨機一致性指標，是重復多次(大于500次)進行隨機判斷矩陣特征值計算后取算術(shù)平均值得到的，其取值如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標RI取值

2 隧道瓦斯爆炸事故致因研究

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

瓦斯隧道施工系統(tǒng)由人員、設(shè)備、環(huán)境與管理4方面組成，瓦斯爆炸事故的發(fā)生取決于人、物(機)、環(huán)三大因素之間相互作用，而這三者又受到管理的制約[7-8]。人對事故的影響主要是指導致隧道瓦斯爆炸的人的不安全行為，主要表現(xiàn)在明火作業(yè)、漏檢瓦斯、操作錯誤和違章作業(yè)等行為;物的因素主要是指物的不安全狀態(tài)，在一定條件下就會轉(zhuǎn)化為事故，主要表現(xiàn)在通風問題、放炮火花、機電火花和摩擦火花等；人的生產(chǎn)活動離不開生產(chǎn)環(huán)境，環(huán)境因素是指環(huán)境的不安全條件，主要包括瓦斯異常涌出和局部積聚、煤自然發(fā)火；影響事故發(fā)生的深層次原因是管理因素，管理缺陷會放大人、物(機)、環(huán)三者之間相互作用關(guān)系，加速事故的發(fā)生，主要包括瓦斯管理缺陷、制度不完善、違章指揮和安全培訓不夠等。

通過對隧道瓦斯爆炸事故致因的分析，按照層次分析法的基本步驟，建立隧道瓦斯爆炸層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 隧道瓦斯爆炸層次分析結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

采用1～9標度法進行兩兩比較，同時參考專家意見，確定各因素之間的重要程度并按規(guī)定的標度值進行賦值，構(gòu)造出每一層的判斷矩陣，如表3～表7所示。

表3 目標層A對準則層B判斷矩陣M1

表4 準則層B1對措施層C1～ C4判斷矩陣M11

2.3 計算各層權(quán)重向量并一致性檢驗

對于M1判斷矩陣，使用MATLAB計算出最大特征值λmax=4.189 1，特征向量歸一化后有W1=(0.280 8，0.132 8，0.063 8，0.522 6)T，對應(yīng)的隨機一致性指標RI1=0.89，一致性指標CI1=0.063 0，則一致性指標比例CR1=0.070 8<0.1。因此，該判斷矩陣的一致性合理的。

表5 準則層B2對措施層C5～ C8判斷矩陣M12

表6 準則層B3對措施層C9～ C11判斷矩陣M13

表7 準則層B4對措施層C12～ C14判斷矩陣M14

按上述方法計算判斷矩陣M11～M14最大特征值和對應(yīng)的權(quán)重向量，計算結(jié)果如表8所示。

表8 判斷矩陣M11～M14計算結(jié)果

2.4 計算總排序權(quán)重

由準則層B對目標層A的權(quán)重W1和措施層C對準則層B的權(quán)重W1i，可計算措施層C對目標層A的總排序權(quán)重W，具體計算結(jié)果如表9所示。

表9 隧道瓦斯爆炸事故致因權(quán)重總排序

對權(quán)重總排序進行一致性檢驗，計算綜合一致性指標比例CR：

=0.008 447<0.1

因此，綜合排序的一致性是合理的，權(quán)重總排序可以作為目標層的依據(jù)。

2.5 結(jié)果分析

從以上結(jié)果可以看出，管理缺陷(權(quán)重 0.522 6)是隧道瓦斯爆炸事故致因的首要因素，其次是人的不安全行為(0.280 8)和物的不安全狀態(tài)(0.132 8)，環(huán)境的不安全條件(0.522 6)對隧道瓦斯爆炸影響最小。

由表4可以看出，影響較大的致因因素有：瓦斯管理缺陷(0.252 5)、制度不完善(0.142 0)、明火作業(yè)(0.133 8)、安全培訓不夠(0.082 0)、漏檢瓦斯(0.080 8)和通風問題(0.072 4)，這6個因素占了總權(quán)重的76.35%，其中管理方面的因素占了47.65%。可見管理缺陷因素是引起隧道瓦斯爆炸的根本原因，故要加強瓦斯管理，建立健全相關(guān)管理制度，完善安全規(guī)程，同時加大安全培訓的力度，從根本上防范隧道瓦斯爆炸事故的發(fā)生。同時，還要加強對人員的管理，杜絕人的不安行為的發(fā)生，禁止明火作業(yè)和漏檢瓦斯。

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)用AHP對隧道瓦斯爆炸事故致因進行分析，建立了層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建了判斷矩陣，通過對模型的求解，得出了隧道瓦斯爆炸各致因因素的權(quán)重，基本符合當前瓦斯隧道施工中的實際情況。

(2)通過對隧道瓦斯爆炸事故致因因素的權(quán)重排序發(fā)現(xiàn)，管理缺陷是導致隧道瓦斯爆炸的根本原因，其次是人的不安全行為。因此，必須要加強管理，尤其是瓦斯的管理，完善規(guī)章制度，加大安全培訓的力度。同時，也要禁止明火作業(yè)、漏檢瓦斯等人的不安全行為。

(3)由于瓦斯隧道施工過程復雜多變，影響瓦斯爆炸的因素很多，本文在選取致因因素時可能不夠全面。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)隧道施工中的具體特點，選取全面而準確的因素以建立更精確的層次結(jié)構(gòu)模型，為預防隧道瓦斯爆炸事故提供科學指導。

[1] 姜洪亮.紫坪鋪隧道瓦斯災(zāi)害研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[2] 康小兵，許 模.我國瓦斯隧道建設(shè)現(xiàn)狀綜述[J].人民長江，2011，42(3)：30-33.

[3] 秦書玉.煤礦安全數(shù)學分析與預測[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[4] 韓中庚.數(shù)學建模方法及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 荊全忠，姜秀慧，楊鑒淞，等.基于層次分析法(AHP)的煤礦安全生產(chǎn)能力指標體系研究[J]. 中國安全科學學報，2006，16(9)：74-79.

[6] 鄧 雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究[J]. 數(shù)學的實踐與認識，2012，42(7)：93-100.

[7] 蔣 敏.瓦斯隧道施工過程瓦斯災(zāi)害危險性評價研究[D].成都：成都理工大學，2012.

[8] 陳沅江，程 剛，熊建明.應(yīng)用FTA分析瓦斯隧道在建期瓦斯爆炸事故[J].科技導報，2012，30(24)：46-51.

Research on the Cause of Tunnel Gas Explosion Accident Based on AHP

Xu Mingzhi1,2Cai Liyong1,2Yin Zhixiong1,2Zhou Xunbing1,2

(1.Guizhou Institute of Labor Protection Science and Technology;2.Guizhou Coal Mine Safety Product Inspection Center)

Based on analyzing the factors affecting the tunnel gas explosion, the structure model of the tunnel gas explosion accident is established based on the basic principle of APH,the judgment matrix is constructed and the weights of every factor are calculated and sorted.The results show that the management flaw is the primary factor of the tunnel gas explosion accident, followed by unsafe behavior of human and unsafe state of matter,the impact of unsafe conditions of environmental is smallest.Therefore,strengthen gas management,perfect rules and regulations,increasing safety training intensity,prohibiting working with naked fire and residual gas are the important measures to prevent the tunnel gas explosion accident.

Tunnel, Gas explosion, Analytic hierarchy process, Accident cause

2015-06-03)

徐明智(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，563000 貴州省遵義市紅花崗區(qū)桃溪路51號。