基于組合賦權(quán)的煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析

王學(xué)琛，李墨瀟，郭昕耀

(武漢理工大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于組合賦權(quán)的煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析

王學(xué)琛，李墨瀟，郭昕耀

(武漢理工大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的特點(diǎn)，在分析煤礦生產(chǎn)的復(fù)雜性、動態(tài)變化性、隨機(jī)性、災(zāi)害事故的關(guān)聯(lián)性等風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過對內(nèi)蒙古尹泰集團(tuán)各煤礦的一線專家進(jìn)行訪談和調(diào)研，在廣泛征求專家意見的基礎(chǔ)上，基于“人、機(jī)、環(huán)、管”的理論框架，提出了12大類煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)一步細(xì)化為78個(gè)二級指標(biāo)。將主觀賦權(quán)中的層次分析法和客觀賦權(quán)中的熵值法結(jié)合起來對煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，通過建立系數(shù)優(yōu)化模型使兩種賦權(quán)方法組合的結(jié)果最優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上建立基于逼近理想解排序分析理論(TOPSIS)的煤礦安全評價(jià)模型。最后，以內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)酸刺溝煤礦為例，驗(yàn)證了模型的可靠性與有效性。

煤礦；安全生產(chǎn)；組合賦權(quán)；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

煤礦安全生產(chǎn)事故頻繁發(fā)生，這是由于煤炭在生產(chǎn)過程中受到諸多因素的影響，主要有“人、機(jī)、環(huán)、管”4個(gè)方面的安全隱患，使得煤礦作業(yè)人員的生命安全時(shí)刻遭受威脅，進(jìn)而嚴(yán)重限制煤礦行業(yè)的正常發(fā)展。這些年來，為了加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)管力度，我國政府制定并頒布了一系列法律法規(guī)；加強(qiáng)安全管理、增加煤礦安全投入等措施也體現(xiàn)出煤炭企業(yè)對安全生產(chǎn)逐漸重視起來；為了提高安全性，煤炭企業(yè)人員也開始注重對安全技能的掌握，逐漸提高了安全意識，這些都有助于扭轉(zhuǎn)我國煤礦安全生產(chǎn)的不利形勢。安全評價(jià)和預(yù)警作為安全系統(tǒng)工程的重要內(nèi)容之一，是進(jìn)行安全生產(chǎn)管理及監(jiān)督檢查的重要手段，同時(shí)還能有效地支撐煤礦安全生產(chǎn)長效機(jī)制。而煤礦安全評價(jià)的具體過程是以煤礦開采的負(fù)效應(yīng)為落腳點(diǎn)，對可能產(chǎn)生的損失和破壞進(jìn)行分析評價(jià)，同時(shí)利用預(yù)警系統(tǒng)對煤礦可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)，以便能及時(shí)采取針對性的措施，避免事故的發(fā)生。

在對以往文獻(xiàn)進(jìn)行梳理歸納的基礎(chǔ)上，通過實(shí)地調(diào)研、專家訪談等手段構(gòu)建了煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并建立了基于組合賦權(quán)的逼近理想解排序法(TOPSIS)模型，既考慮了專家的主觀因素，又綜合了客觀法的數(shù)據(jù)性，加強(qiáng)了煤礦安全評價(jià)的準(zhǔn)確性。

1 煤礦安全評價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則及設(shè)定條件

煤礦由于其綜合程度高導(dǎo)致其井下生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜，人員、設(shè)備、環(huán)境和管理等方面都對煤礦產(chǎn)生極為重要的影響，因此在構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋上述因素，該指標(biāo)體系的構(gòu)建對煤礦安全管理的評價(jià)和管控影響巨大。在構(gòu)建指標(biāo)體系的過程中主要遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性、易評價(jià)、定性結(jié)合定量和獨(dú)立性原則[1-2]。我國煤礦生產(chǎn)因復(fù)雜、多變的條件，導(dǎo)致其安全問題具有隨機(jī)性和關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)，考慮到上述指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則，在選取設(shè)定煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)時(shí)要遵循就簡不就繁、從整體層面掌控煤礦的安全生產(chǎn)、突出評價(jià)指標(biāo)共性、突出安全評價(jià)的系統(tǒng)性這4個(gè)條件。

1.2 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

指標(biāo)體系應(yīng)具有以下功能：能夠?qū)γ旱V安全生產(chǎn)的主要特點(diǎn)和基本情況進(jìn)行有效反映，能夠?qū)ζ浒踩珷顩r進(jìn)行系統(tǒng)全面地反映。構(gòu)成要素作為指標(biāo)體系的關(guān)鍵所在，對風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)來說十分重要。因此，評價(jià)指標(biāo)不能過多也不能過少，指標(biāo)過多使得風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加，對評價(jià)人員來說工作開展更加困難，評價(jià)的操作性也會大打折扣；指標(biāo)過少雖然會使評價(jià)操作簡便，但是其客觀性和科學(xué)性會大大降低，使得評價(jià)結(jié)果不夠全面。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則及條件，筆者對煤礦安全影響因素應(yīng)用人-機(jī)-環(huán)-管系統(tǒng)分析方法進(jìn)行全面的調(diào)查和研究，通過對煤礦專家的調(diào)查訪問，并參考2016年《煤礦安全規(guī)程》，確定了煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的12大類主要影響因素[3]，并對其進(jìn)一步細(xì)化，得到78個(gè)二級指標(biāo)，評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

2 基于組合賦權(quán)TOPSIS法的煤礦安全生產(chǎn)評價(jià)模型

2.1 組合權(quán)重的確定

主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法均存在一定的優(yōu)點(diǎn)和不足，決定了單獨(dú)使用任何一種都不能使得決策者的主觀信息和原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來的客觀事實(shí)得以同時(shí)反映。若將兩者組合使用，并將其組合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修正，將使兩種方法的優(yōu)劣互補(bǔ)，使最終確定的權(quán)重同時(shí)兼顧主觀信息和客觀事實(shí)，將會使最終的評價(jià)結(jié)果更科學(xué)合理。筆者選取的組合賦權(quán)法是將主觀賦權(quán)法中的層次分析法和客觀賦權(quán)法中的熵值法組合而成。

參照主客觀賦權(quán)方法評價(jià)結(jié)果偏差最小原則，構(gòu)建以下系數(shù)優(yōu)化模型：

(1)

采用拉格朗日函數(shù)進(jìn)行最小極值計(jì)算[4]，最終獲得α、β的計(jì)算公式為：

(2)

式中：α為主觀賦權(quán)法權(quán)系數(shù)；rki為原始數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后的第i個(gè)指標(biāo)在第k個(gè)方案中所占比重；pi為主觀評價(jià)獲得權(quán)重結(jié)果；β和qi分別為客觀賦權(quán)權(quán)重系數(shù)和客觀評價(jià)獲得權(quán)重結(jié)果。該模型實(shí)現(xiàn)了主客觀評價(jià)結(jié)果的偏離程度最小化，這將避免進(jìn)行平均分配或主觀性分配做法而忽略了指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)際存在的意義。

2.2 逼近理想解排序分析法(TOPSIS法)

TOPSIS法對樣本的資料無特殊要求，且能消除不同指標(biāo)量綱的影響，在處理原始數(shù)據(jù)之后仍能充分利用其信息，客觀真實(shí)地反映出各方案之間的差距，評價(jià)結(jié)果可靠性較高。由于其能夠有效處理較復(fù)雜的問題而得到廣泛應(yīng)用。TOPSIS法的核心為確定各項(xiàng)指標(biāo)的正理想值和負(fù)理想值，然后求出各方案與正理想值、負(fù)理想值之間的加權(quán)歐氏距離，最終得到各方案與最優(yōu)解的接近程度，以此評價(jià)方案優(yōu)劣[5]。具體操作方法如下：

(1)初始評判矩陣的建立。設(shè)有m個(gè)樣本組成樣本集A={A1，A2，…，Am}，每個(gè)樣本的評價(jià)指標(biāo)構(gòu)成樣本指標(biāo)集x={x1,x2,…,xn}，指標(biāo)xij(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)表示第i個(gè)樣本的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)，則建立的初始評判矩陣A′=(xij)m×n。

(2)決策矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化。對于步驟(1)中建立的樣本集，以n個(gè)指標(biāo)特征值為依據(jù)，識別標(biāo)準(zhǔn)為已知的c個(gè)級別指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，得出指標(biāo)特征值和矩陣分別為：

(3)

為避免出現(xiàn)特征值量綱不同而造成結(jié)果出錯，對初始評判矩陣A′作無量綱化處理，從而形成標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣:

(4)

(3)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣的建立。將標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B的每一列與其對應(yīng)指標(biāo)層中各指標(biāo)的總排序權(quán)重作乘，可得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C。

(5)

(4)樣本貼近度計(jì)算。貼近度反映了樣本各項(xiàng)指標(biāo)靠近最優(yōu)解的程度，在貼近度的計(jì)算中首先應(yīng)計(jì)算出正理想解與負(fù)理想解，隨后計(jì)算樣本指標(biāo)與理想解之間的距離，其計(jì)算公式分別為:

(6)

(7)

式中:C+、C-分別為正、負(fù)理想解；J1、J2分別為效益型和消耗型指標(biāo)集；d+i、d-i分別為樣本指標(biāo)與正負(fù)理想解間的距離；c+j、c-j分別為理想解C+、C-所對應(yīng)的元素值。

貼近度的計(jì)算公式為:

(8)

由式(8)可知，當(dāng)樣本為正理想解時(shí)，Ei=1;當(dāng)樣本為負(fù)理想解時(shí)，Ei=0。通常情況下Ei∈(0,1)，通過貼近度排序可以實(shí)現(xiàn)對指標(biāo)的評價(jià)。

2.3 基于組合賦權(quán)和TOPSIS的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型

根據(jù)逼近理想解排序理論和組合賦權(quán)法，建立了針對煤礦系統(tǒng)安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型，對查找、分析和預(yù)測礦井存在的危險(xiǎn)及評價(jià)整體安全都具有實(shí)際意義。基于組合賦權(quán)法和逼近理想解排序理論的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型為：

(9)

式中：Fi為綜合貼近度，即煤礦安全程度；ωj為運(yùn)用組合賦權(quán)法確定的各指標(biāo)的權(quán)；Ej為采用逼近理想解排序法計(jì)算的貼近度。顯然，F(xiàn)i越大，說明該煤礦與理想標(biāo)準(zhǔn)的要求越接近，安全程度越高，條件越好。依據(jù)所得的綜合關(guān)聯(lián)值評估該煤礦與標(biāo)準(zhǔn)安全水平的差距，為煤礦提高自身安全程度指明方向[6]。

3 煤礦安全生產(chǎn)評價(jià)模型實(shí)例分析

3.1 案例概況及數(shù)據(jù)收集

酸刺溝煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)南16km處，行政區(qū)劃隸屬準(zhǔn)格爾旗哈岱高勒鄉(xiāng)。井田附近的交通十分方便，極大地方便了煤炭外運(yùn)和其他物資運(yùn)輸。該井田內(nèi)斷層、褶曲不發(fā)育，波狀起伏寬緩，并且沒有巖漿活動侵入。鉆孔瓦斯測試結(jié)果表明，甲烷含量為0.00～0.01mL/g。井田內(nèi)煤層煤塵爆炸指數(shù)為34.92%～46.05%，屬于易爆炸煤層。綜上所述該井田有煤塵爆炸危險(xiǎn)。井田內(nèi)各可采煤層煤的變質(zhì)程度低，揮發(fā)分高，絲炭含量高，吸氧性強(qiáng)，且含有黃鐵礦結(jié)核或薄膜，煤層易發(fā)生自燃。還原樣燃點(diǎn)(T1)為328℃～353℃，原煤樣燃點(diǎn)為308℃～324℃，氧化樣燃點(diǎn)為298℃～311℃，ΔT1-3在29℃～45℃，煤的自燃趨勢等級為易自燃，自燃發(fā)火期一般為4個(gè)月。由于沖溝發(fā)育，礦區(qū)很容易導(dǎo)致地下水排泄，使煤田東部地下水埋深達(dá)百米以下，屬排泄區(qū)；西北大路溝、十里長川溝是地下水補(bǔ)給徑流區(qū)，且常年或大或小有表流。

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的是數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)源為蒙伊泰集團(tuán)各煤礦的調(diào)查數(shù)據(jù)，有助于保證風(fēng)險(xiǎn)類型分析與安全風(fēng)險(xiǎn)程度的準(zhǔn)確性和客觀性。經(jīng)加工整理后得到綜合評價(jià)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)影響因素?cái)?shù)值，并結(jié)合礦井安全生產(chǎn)的特點(diǎn)，其安全狀態(tài)包括5個(gè)等級：Ⅰ級(安全)、Ⅱ級(較安全)、Ⅲ級(中等安全)、Ⅳ級(較不安全)及Ⅴ級(不安全)，并根據(jù)行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)程確定礦井安全級別臨界值。

3.2 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

針對上述12大安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)了50份問卷，分發(fā)給該礦各部門負(fù)責(zé)人依據(jù)重要程度進(jìn)行兩兩指標(biāo)打分。使用層次分析法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)40份有效問卷進(jìn)行平均得到最終的權(quán)重。通過收集伊泰集團(tuán)幾個(gè)主要煤礦的原始數(shù)據(jù)，采用熵值法計(jì)算煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[7-8]。利用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，采用系數(shù)優(yōu)化模型得主客觀組合賦權(quán)法的組合系數(shù)分別為0.6和0.4，計(jì)算得到各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重，如表1所示。

表1 各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果匯總表

3.3 TOPSIS法指標(biāo)評判

在確定各指標(biāo)的綜合權(quán)重之后，以安全生產(chǎn)管理指標(biāo)為例，運(yùn)用TOPSIS法對酸刺溝煤礦的各指標(biāo)及綜合安全狀態(tài)進(jìn)行評判。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)建立煤礦安全管理指標(biāo)的初始判斷矩陣P(1～6行分別表示安全生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)完備率、安全生產(chǎn)責(zé)任制完善率、安全規(guī)章制度完善率、噸煤安全投入、年度災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急處理計(jì)劃完備率、職工月平均安全培訓(xùn)；1～4列為安全等級量化值，第5列為原始值)及對初始評判矩陣P做無量綱處理，從而形成標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C。

根據(jù)式(6)得出煤礦安全管理的正、負(fù)理想解分別為：C+=[0.049 6,0.033 1,0.016 5,0.000 0,0.026 5]T，C-=[0.016 4,0.010 9,0.005 5,0.000 0,0.009 0]T。

根據(jù)式(8)計(jì)算各等級原始值與正理想解的貼近度分別為：E+11=1.000 0；E+12=0.614 9；E+13=0.333 3；E+14=0.000 0；E+15=0.543 9。

基于TOPSIS法計(jì)算得到其他準(zhǔn)則層指標(biāo)貼近度矩陣E，其中行表示準(zhǔn)則層，前 4 列表示安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，第 5 列表示實(shí)例原始值計(jì)算值。

由式(9)可知，F(xiàn)=ω×E=[0.885 0,0.618 3,0.361 3,0.114 8,0.647 4]。

由計(jì)算結(jié)果得到礦井各不同安全級別的量化等級標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。其中酸刺溝煤礦的原始值計(jì)算結(jié)果為0.647 4，可知礦井安全等級屬Ⅱ級(較安全) ，與現(xiàn)場情況相符，說明該模型對礦井安全評價(jià)是準(zhǔn)確的。

表2 TOPSIS法安全等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對酸刺溝煤礦各指標(biāo)逐級逆序分析( 依據(jù)計(jì)算結(jié)果由目標(biāo)層向底層指標(biāo)逐層分析) ：由一級指標(biāo)貼近度矩陣E可知，防治水、運(yùn)輸與提升系統(tǒng)是酸刺溝煤礦安全環(huán)節(jié)中較為薄弱的方面；再計(jì)算其具體指標(biāo)貼近度矩陣，并據(jù)此可判斷出在防治水工作中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)水文條件復(fù)雜時(shí)的應(yīng)對措施，預(yù)先制定相應(yīng)方案，避免突發(fā)狀況時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。運(yùn)輸與提升系統(tǒng)中應(yīng)加強(qiáng)礦井應(yīng)急提升預(yù)案工作，定期進(jìn)行井下車輛及防護(hù)裝置的測試和實(shí)驗(yàn)，保證煤礦在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)有足夠的應(yīng)對措施[9-10]。

4 結(jié)論

以當(dāng)前的安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)生成原因的特殊性，給出了必須遵循的相關(guān)原則，通過研究典型案例及相關(guān)文獻(xiàn)，對內(nèi)蒙古尹泰煤礦集團(tuán)各煤礦的一線專家進(jìn)行訪談，并對部分煤礦進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，以“人、機(jī)、環(huán)、管”為理論框架，在廣泛征求專家意見的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含12大類、78個(gè)二級指標(biāo)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。針對煤礦安全問題的復(fù)雜情況，將主觀賦權(quán)中的層次分析法和客觀賦權(quán)中的熵值法相結(jié)合對煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)，通過建立系數(shù)優(yōu)化模型使兩種賦權(quán)方法組合的結(jié)果最優(yōu)化。在綜合指標(biāo)權(quán)重確立的基礎(chǔ)上建立基于逼近理想解排序分析理論(TOPSIS)的煤礦安全評價(jià)模型。以內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)酸刺溝煤礦為例，采用該模型得出的安全風(fēng)險(xiǎn)等級量化值為0.647 4，風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果為第Ⅱ級，屬較安全，與事實(shí)情況相符，驗(yàn)證了筆者評價(jià)方法的有效性。

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LI Moxiao:Postdoctoral；China Research Center for Emergency Management, WUT, Wuhan 430070, China.

Risk Assessment of Coal Mine Safety Production Based on Combination Weighting

WANGXuechen,LIMoxiao,GUOXinyao

According to the characteristic of safety production in coal mine, on the basis analyses of the complexity of the coal mine production, dynamic changes, randomness, disaster risk characteristics such as relevance. On the basis of the typical case analysis, literature research, through to each coal mine of front-line experts interviews and investigation in the Inner Mongolia YiTai coal group, and on the basis of solicit opinions from experts and the theoretical framework of “man, machine, environment, management”, built up 12 categories of safety risk evaluation index system , and has carried on the elaboration to build up 81 categories secondary index. Choose the analytic hierarchy process in the subjective empower and objective empower combine the entropy value method to the coal mine safety risk evaluation index comprehensive empowerment, by establishing the coefficient optimization model to maximize the result of the combination of two methods of empowerment. On the basis of the comprehensive index weight to establish safety evaluation model of TOPSIS. In Inner Mongolia YiTai group acid ditch coal mine as an example and collected data, use TOPSIS method for the level of security risk quantification value of 0.6474, the evaluation criteria are the Ⅱ risk level, belong to the safer level. The results is consistent with the reality, to verify the safety evaluation method proposed in this paper.

coal mine; safety production; combination weighting; risk measurement

2095-3852(2016)05-0538-05

A

2016-05-24.

李墨瀟(1987-)，男，安徽安慶人，武漢理工大學(xué)管理學(xué)院博士后.

X936;X913.4 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.005