基于熵權(quán)TOPSIS模型的煤礦安全現(xiàn)狀評價(jià)

陸衛(wèi)東，尹 彬，韋 剛，郝朝瑜，劉 闖

(1.新疆工程學(xué)院 安全工程系,新疆 烏魯木齊 830000;2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 阜新 123000;3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

?

基于熵權(quán)TOPSIS模型的煤礦安全現(xiàn)狀評價(jià)

陸衛(wèi)東1，尹 彬1，韋 剛1，郝朝瑜2，劉 闖3

(1.新疆工程學(xué)院 安全工程系,新疆 烏魯木齊 830000;2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 阜新 123000;3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

為對煤礦安全現(xiàn)狀做出客觀評價(jià)，建立了熵權(quán)TOPSIS評價(jià)模型。TOPSIS法以評價(jià)對象與正、負(fù)理想解的距離為評價(jià)準(zhǔn)則，對現(xiàn)有對象相對優(yōu)劣做出排序；熵權(quán)法以評價(jià)對象原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算權(quán)重，計(jì)算結(jié)果較客觀，避免了TOPSIS法底層指標(biāo)多人為確定權(quán)重的主觀性。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诿旱V安全評價(jià)中的可行性，從人的因素、物的因素、環(huán)境因素及管理因素4個(gè)方面選取20個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了礦井安全現(xiàn)狀評價(jià)指標(biāo)體系，以義馬煤業(yè)5個(gè)礦井為應(yīng)用樣本，得出了礦井安全現(xiàn)狀的預(yù)警級別，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況及模糊可變識別方法評判基本一致，表明了模型的適用性。

安全現(xiàn)狀評價(jià)；熵權(quán)；TOPSIS；耦合模型

為促進(jìn)安全生產(chǎn)管理，預(yù)防和減少事故發(fā)生，國家安全生產(chǎn)監(jiān)察管理總局頒發(fā)了《安全評價(jià)通則》，通過對安全現(xiàn)狀的客觀評價(jià)，以提高煤礦的本質(zhì)安全程度和安全管理水平[1]。針對煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的研究，包括故障樹分析[2]、事件樹分析、模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法[3]、灰色系統(tǒng)理論[4-5]、層次分析法[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]等。故障樹、事件樹分析方法計(jì)算量較大且復(fù)雜；模糊綜合評價(jià)法計(jì)算中權(quán)重及隸屬度的確定較為困難；灰色系統(tǒng)理論準(zhǔn)確性不足；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在閾值的確定中主觀性較強(qiáng)。上述模型雖取得了一定效果，但均具有一定的局限性[8]。鑒于此，筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了多指標(biāo)多層次的礦井安全評價(jià)結(jié)構(gòu)，將熵權(quán)與逼近理想解排序[9](TOPSIS)相結(jié)合應(yīng)用在煤礦安全評價(jià)中。

TOPSIS方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)對對象的優(yōu)劣度排序，然而在多因素綜合分析中其一維定性的方法無法合理確定指標(biāo)權(quán)重[10]。熵權(quán)法基于原始數(shù)據(jù)隱藏的信息，計(jì)算得出的結(jié)果較客觀，從而避免了TOPSIS法底層多因素人為確定權(quán)重造成判斷過于主觀。TOPSIS方法綜合考慮了影響礦井安全的20種因素，熵權(quán)法基于樣本本身客觀給出了底層指標(biāo)的權(quán)重，耦合模型計(jì)算得出安全現(xiàn)狀評價(jià)結(jié)果，逆序分析可以找出影響礦井安全的薄弱環(huán)節(jié)，為本質(zhì)安全礦井建設(shè)創(chuàng)造了條件。

1 熵權(quán)TOPSIS模型

1.1 熵權(quán)集的建立

熵是度量系統(tǒng)無序程度的指標(biāo)，由SHANNON于1948年首次提出，熵的大小客觀反映了數(shù)據(jù)攜帶的信息量[11]。一般而言，樣本中某一指標(biāo)變異程度越大，熵值越小，所含信息量就越復(fù)雜，權(quán)重亦越大?；诓煌笜?biāo)的變異度，借助熵理論可以客觀計(jì)算出不同指標(biāo)的權(quán)重。

(1)原始數(shù)據(jù)規(guī)格化。

(1)

其中，yij為第i個(gè)樣本第j項(xiàng)指標(biāo)值的比重。

(2)指標(biāo)熵值的確定。

且0ln0=0

(2)

式中：Hj為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值；m為樣本個(gè)數(shù)。

(3)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。

(3)

熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重?zé)o須加入任何主觀信息，是一種基于客觀實(shí)際的權(quán)賦值法，有利于現(xiàn)場決策。

1.2 TOPSIS方法

逼近理想解排序法(TOPSIS)是通過計(jì)算被評價(jià)對象與正、負(fù)理想解之間的距離進(jìn)行優(yōu)劣排序，越靠近正理想解越好，越靠近負(fù)理想解越差[12]。其中，正、負(fù)理想解均是假想值，當(dāng)各指標(biāo)均達(dá)到最好時(shí)計(jì)算為正理想解，當(dāng)各指標(biāo)最差時(shí)計(jì)算為負(fù)理想解。

1.2.1 初始評判矩陣構(gòu)建

假設(shè)m個(gè)樣本構(gòu)成一個(gè)樣本集，每個(gè)樣本由n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，指標(biāo)xij為樣本i的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)，則可構(gòu)建如下初始評判矩陣：

(4)

1.2.2 決策矩陣規(guī)格化

根據(jù)礦井實(shí)際將評價(jià)指標(biāo)分為數(shù)值越大越好的效益型指標(biāo)和數(shù)值越小越好的成本型指標(biāo)，然而由于指標(biāo)間的量綱差異，考慮公度性，必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。

1.2.3 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)的指標(biāo)層中各指標(biāo)的總排序權(quán)重ωj作乘，可得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C。

1.2.4 貼近度的計(jì)算

樣本的貼近度反映了各指標(biāo)對最優(yōu)解的靠近程度，貼近度的計(jì)算過程中首先需要計(jì)算得出正、負(fù)理想解：

式中：R+為正理想解；R-為負(fù)理想解；J1為效益型指標(biāo)集；J2為成本型指標(biāo)集。

各樣本中指標(biāo)與正、負(fù)理想解的距離為：

(10)

式中：d+i、d-i為指標(biāo)與正、負(fù)理想解的距離；c+j、c-j為理想解R+、R-對應(yīng)的元素值。

樣本貼近度的計(jì)算公式為：

Ei=d-i/(d+i+d-i)

(11)

若Ei=1，表示樣本各指標(biāo)處于最優(yōu)解值(正理想解)；若Ei=0，表示樣本各指標(biāo)處于最劣解值(負(fù)理想解)。通過對貼近度(Ei)的排序可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)評價(jià)。

1.3 熵權(quán)TOPSIS綜合評價(jià)

根據(jù)貼近度的計(jì)算結(jié)果構(gòu)造樣本貼近度判斷矩陣E，結(jié)合熵權(quán)法確定的樣本指標(biāo)權(quán)重矩陣ω，構(gòu)建如下樣本綜合評價(jià)向量：

F=ω×E

(12)

2 模型的實(shí)例應(yīng)用

以文獻(xiàn)[13]中采集的河南義馬煤業(yè)5個(gè)礦井為實(shí)例樣本，用以驗(yàn)證熵權(quán)TOPSIS模型對礦井安全狀態(tài)評價(jià)的合理性，樣本數(shù)據(jù)如表1所示，5個(gè)樣本礦井中一礦與五礦在“千日安全礦井”建設(shè)中保持時(shí)間較長。

2.1 礦井安全評價(jià)指標(biāo)集

礦井安全狀態(tài)評價(jià)屬系統(tǒng)工程，指標(biāo)體系是安全狀態(tài)評價(jià)的基礎(chǔ)，指標(biāo)體系的構(gòu)建是否客觀準(zhǔn)確直接影響評價(jià)結(jié)果。軌跡交叉理論認(rèn)為，事故的發(fā)生是人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)在同一時(shí)空內(nèi)相遇造成的，同時(shí)受環(huán)境的影響。基于安全評價(jià)主體原則，從人的因素、物的因素、環(huán)境因素及管理因素4個(gè)方面對礦井安全現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析[14]，結(jié)合層次分析法的基本原理和現(xiàn)場專家的經(jīng)驗(yàn)，建立了礦井安全狀態(tài)的三級評價(jià)指標(biāo)體系，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層，如圖1所示。

2.2 指標(biāo)權(quán)重評判

2.2.1 指標(biāo)層評判

(1)人的因素。結(jié)合表1提供的樣本數(shù)據(jù)及所構(gòu)建的指標(biāo)體系，由式(1)計(jì)算原始數(shù)據(jù)規(guī)范化矩陣Y1，其中行表示底層指標(biāo)，列表示5組樣本。

表1 樣本原始數(shù)據(jù)

注：“+”表示效益型指標(biāo)，“-”表示成本型指標(biāo)

由式(2)計(jì)算可得各指標(biāo)的熵值為：H1=(0.941，0.986，0.995)。由式(3)計(jì)算可得各指標(biāo)權(quán)重為：ω1=(0.761，0.175，0.064)。由表1知，指標(biāo)R1為成本型指標(biāo)，R2、R3為效益型指標(biāo)。根據(jù)式(5)～式(7)計(jì)算可得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣C1：

圖1 煤礦安全狀態(tài)綜合評價(jià)指標(biāo)

依據(jù)判斷準(zhǔn)則，5個(gè)評價(jià)對象在人的因素方面的排序?yàn)椋核牡V?二礦?五礦?三礦?一礦。

(2)物的因素。同理可得5個(gè)評價(jià)對象在物的因素方面的計(jì)算過程數(shù)據(jù)分別為：

H2=(0.914，0.916，0.900，0.917，0.911，0.906)

ω2=(0.076，0.048，0.069，0.264，0.096，0.448)

依據(jù)判斷準(zhǔn)則，5個(gè)評價(jià)對象在物的因素方面的排序?yàn)椋阂坏V?五礦?二礦?三礦?四礦。

(3)環(huán)境因素。同理可得：

H3=(0.984，0.906，0.955，0.993，0.990，0.821)

ω3=(0.045，0.275，0.132，0.003，0.022，0.523)

依據(jù)判斷準(zhǔn)則，5個(gè)評價(jià)對象在環(huán)境因素方面的排序?yàn)椋何宓V?四礦?三礦?二礦?一礦。

(4)管理因素。同理可得：

H4=(0.996，0.997，0.999，0.999，0.998)

ω4=(0.379，0.259，0.094，0.066，0.203)

依據(jù)判斷準(zhǔn)則，5個(gè)評價(jià)對象在管理因素方面的排序?yàn)椋阂坏V?三礦?五礦?二礦?四礦。

2.2.2 準(zhǔn)則層評判

文獻(xiàn)[14]基于事故致因軌跡交叉理論及國內(nèi)外專家對事故致災(zāi)因子的研究，從人的因素、物的因素、環(huán)境因素及管理因素4個(gè)方面對70起事故案例危險(xiǎn)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：人的因素為15.3%，物的因素為20.3%，環(huán)境因素為12.0%，管理因素為52.4%。根據(jù)我國近年礦井發(fā)展的實(shí)際情況，整體裝備水平得到較大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)對不利環(huán)境的抵抗能力，礦井人員受教育程序已達(dá)到一定水平，然而據(jù)煤礦一線人員反映某些礦井在管理上仍存在有章不循、有法不依，安全管理效率低、時(shí)效差等情況。筆者認(rèn)為在現(xiàn)階段煤礦安全有必要狠抓管理，上述準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重采用文獻(xiàn)[14]調(diào)查分析結(jié)果是合理的。

2.3 安全狀態(tài)綜合評價(jià)

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析得到準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重矩陣ω=(0.153，0.203，0.120，0.524)，基于TOPSIS法計(jì)算得指標(biāo)層貼近度矩陣E。

根據(jù)式(12)計(jì)算知，F(xiàn)=[0.683，0.457，0.537，0.362，0.605]。依據(jù)判斷準(zhǔn)則，可得各評價(jià)對象安全綜合評價(jià)排名：一礦?五礦?三礦?二礦?四礦。

綜合評判結(jié)果與現(xiàn)場安全生產(chǎn)事故統(tǒng)計(jì)情況相符，如表2所示，顯示了熵權(quán)TOPSIS評判模型計(jì)算結(jié)果與模糊可變識別法評判結(jié)果總體一致?？紤]影響礦井安全的4方面因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果逆序分析排查各礦井的薄弱環(huán)節(jié)，一礦應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)人員培訓(xùn)和礦山水、火、瓦斯、頂板、粉塵等環(huán)境因素方面基本災(zāi)害的治理；二礦應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)安全管理體系建設(shè)、礦山基本災(zāi)害防治及相關(guān)設(shè)備的維護(hù)；三礦應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)人員培訓(xùn)、設(shè)備維護(hù)及礦山基本災(zāi)害防治；四礦應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)及安全管理體系建設(shè)，確保管理的時(shí)效性及有效性；五礦各項(xiàng)因素整體控制較好，但仍需進(jìn)一步強(qiáng)化人員培訓(xùn)及礦山安全管理體系建設(shè)。

表2 樣本評價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

①筆者基于人的因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素4個(gè)方面的20個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了煤礦安全現(xiàn)狀綜合評價(jià)指標(biāo)體系，基于熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，解決了TOPSIS方法因素多而權(quán)重難以客觀合理分配的不足，同時(shí)又避免了主觀因素導(dǎo)致評判結(jié)果失真。②熵權(quán)耦合TOPSIS法的煤礦安全現(xiàn)狀評價(jià)模型，在煤礦本質(zhì)安全建設(shè)方面具有一定的適應(yīng)性。耦合模型對影響礦井安全的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算評價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)解的相對靠近度，表征礦井的安全現(xiàn)狀水平。③基于所構(gòu)建的模型，計(jì)算得出了5個(gè)礦井的安全現(xiàn)狀排名，與實(shí)際情況一致，顯示了該模型的可操作性，也是煤礦安全評價(jià)方法新的探討。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.安全評價(jià)通則：AQ 8001-2007[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2] 徐志勝，姜學(xué)鵬.安全系統(tǒng)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013:252-253.

[3] 羅景峰,許開立.煤礦安全預(yù)評價(jià)的可變模糊識別方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2010,20(11):107-111.

[4] 王丹,劉琳,張小曼.灰色關(guān)聯(lián)度法在煤礦本質(zhì)安全評價(jià)中的改進(jìn)及應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(1):151-157.

[5] 李仁安,秦晉棟.基于灰色組合關(guān)聯(lián)度的綜合評價(jià)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2012,34(5):592-595.

[6] 荊全忠,姜秀慧,楊鑒淞，等.基于層次分析的煤礦安全生產(chǎn)能力指標(biāo)體系研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(9):74-79.

[7] 劉業(yè)嬌,田志超,劉進(jìn)才.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在煤礦本質(zhì)安全程度評價(jià)中應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009,5(5):102-105.

[8] 李遠(yuǎn)遠(yuǎn),云俊.多屬性綜合評價(jià)指標(biāo)體系理論綜述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2009,31(2):305-309.

[9] LIN M Y, WANG C C, CHEN M S, et al. Using AHP and TOPSIS approaches in customer-driven product design process[J]. Computers in Industry,2008,59(1):17-31.

[10] 岳超源.決策理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2003:34-45.

[11] SHANNON C E. A mathematical theory of communication[J]. Bulletin of System Technology Journal,1948,27(7):379-423.

[12] 徐玖平,吳巍.多屬性決策的理論與方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:372-373.

[13] 喬國厚.煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)與預(yù)警管理模式研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2013.

[14] 楊濤,顧建華.重特大事故危險(xiǎn)因素及指標(biāo)體系實(shí)證研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(9):1190-1193.

LU Weidong:Assoc. Prof.; Department of Safety Engineering,Xinjiang Institute of Engineering,Urumchi 830000,China.

Safety Assessment in Operation Model on Entropy Weight Coupled TOPSIS of Mine Safety

LU Weidong, YIN Bin, WEI Gang, HAO Chaoyu, LIU Chuang

In order to make objective evaluation of coal mine safety status, this paper establishes the entropy TOPSIS evaluation model. TOPSIS method makes the distance between evaluation object and the positive and negative ideal solution as the evaluation criteria, to make the sort of the relative merits of existing objects; entropy method make the original data of evaluation object as fundamental calculating weight, the result is more objective and avoid the subjectivity of TOPSIS method which determine the weight for big underlying index. To test the feasibility of the model for coal mine safety evaluation, from the human factors, factors matter, environmental factors and management factors to select 20 indexes, mine safety status evaluation index system is constructed, and take 5 mines of Yima Group Co.Ltd as the application sample, obtaining the alert level ranking of mine safety status, the calculation results of model are consistent with the actual situation and fuzzy variable identification method, it proves of the model is feasible.

safety assessment in operation; entropy weight; TOPSIS; coupled model

2095-3852(2017)03-0270-05

A

2016-12-11.

陸衛(wèi)東(1970-)，男，江蘇啟東人，新疆工程學(xué)院安全工程系副教授，主要研究方向?yàn)槊旱V災(zāi)害防治理論與技術(shù).

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404127)；新疆自治區(qū)高層次人才培養(yǎng)計(jì)劃基金項(xiàng)目；新疆工程學(xué)院橫向基金項(xiàng)目(2014xgyh051712)；新疆工程學(xué)院博士啟動資金項(xiàng)目(2016xgy381812).

X913.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.03.006