基于云模型的地勘行業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)評(píng)價(jià)

史小棒，趙云勝，羅 聰，胡東濤，田 輝

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

地質(zhì)勘查行業(yè)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為地勘行業(yè))作業(yè)流動(dòng)性大、危險(xiǎn)性高、工作環(huán)境多變、條件艱苦，從業(yè)人員在多種高風(fēng)險(xiǎn)并存的環(huán)境下作業(yè)，也因此被我國(guó)列入高危行業(yè)。為了提高我國(guó)地勘單位整體的安全水平，地勘單位逐步開(kāi)始創(chuàng)建安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系。

企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化作為提高企業(yè)整體安全水平的重要手段，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-5]。如Antonsen等[6]指出安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理可以提高從業(yè)人員的安全意識(shí)，規(guī)范操作人員的安全行為；何華剛等[7]根據(jù)湖北省安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審經(jīng)驗(yàn)，將安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化與國(guó)外安全管理體系進(jìn)行了對(duì)比，引入模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建了地勘行業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估模型；陳述等[8]運(yùn)用軟件成熟度評(píng)估框架，使用分級(jí)加權(quán)法評(píng)估了水利工程安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系；鄭霞忠等[9]針對(duì)目前企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審過(guò)程中存在的問(wèn)題和缺陷，提出了可變模糊評(píng)價(jià)模型；周晶等[10]利用馬氏田口法對(duì)煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化篩選，為煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系評(píng)價(jià)提供了新視角；曾佳龍等[11]在尾礦庫(kù)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)過(guò)程中，引入熵權(quán)-未確知理論，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。

上述安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法雖然都在一定程度上減少了專(zhuān)家主觀性和定性概念模糊性對(duì)評(píng)審結(jié)果的影響，但是未考慮評(píng)審過(guò)程中的隨機(jī)性，尤其是針對(duì)環(huán)境復(fù)雜、管理困難的地勘行業(yè)。為了解決上述問(wèn)題，本文在建立地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用云模型評(píng)價(jià)方法解決了評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊性和隨機(jī)性問(wèn)題，旨在提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度，可為地勘行業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)提供理論支持。

1 云模型理論

“未確知信息”概念于1990年由閆樂(lè)林提出，進(jìn)而產(chǎn)生未確知數(shù)學(xué)理論。未確知測(cè)度理論是王光遠(yuǎn)教授在未確知數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出的不同于灰色理論和模糊數(shù)學(xué)的不確定性理論。該理論最先在城市環(huán)境評(píng)價(jià)中取得了較好的應(yīng)用效果[12]，之后廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)之中[13-15]。

云模型屬于不確定性的人工智能范疇，是1995年由中國(guó)工程院李德毅院士提出的概念，是一種處理定性概念和定性描述的相關(guān)轉(zhuǎn)換模型[16]。云模型的定義：設(shè)A是一個(gè)定量論域,x∈A，B是與A相關(guān)聯(lián)的定性概念，若A中的元素x(x∈A)對(duì)B所表達(dá)的定性概念的隸屬確定度Ct∈[0,1]是一有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，概念B從論域A到區(qū)間[0,1]的映射在數(shù)域空間的分布，稱(chēng)為云(Cloud)。Ct在[0,1]區(qū)間內(nèi)取值，云是從論域到區(qū)間[0，1]的映射，即：

Ct:A→[0,1],x∈A,x→Ct(x)

(1)

云模型的數(shù)字特征通過(guò)三個(gè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)，分別是期望、熵和超熵，它們體現(xiàn)了定性概念的定量特征。其中，期望是云滴空間的重心位置，是最能夠代表定性概念的點(diǎn)；在云模型中，熵用來(lái)衡量定性概念的概率與模糊度，反映了模糊性與隨機(jī)性的關(guān)聯(lián)性，它一方面反映數(shù)域空間語(yǔ)言值可被接受的范圍，同時(shí)也表示云滴在數(shù)域空間出現(xiàn)的隨機(jī)性；超熵即熵的熵，是熵的不確定性的度量，是所有云滴的不確定度的凝聚度。

2 地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)地勘行業(yè)的特色，從文獻(xiàn)[7]中梳理出影響地勘單位作業(yè)安全的因素，參照行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范[17]，提煉、集合并建立了計(jì)劃-執(zhí)行-檢查與改進(jìn)(P-D-CA)3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)、14項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)體系，詳見(jiàn)圖1。

圖1 地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Standardized evaluation system for safety production in geological exploration units

3 地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化云模型評(píng)價(jià)方法

在專(zhuān)家打分的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算和確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云和評(píng)價(jià)綜合云，并通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云與評(píng)價(jià)綜合云的相似度來(lái)確定地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)。地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化云模型評(píng)價(jià)方法的具體流程，見(jiàn)圖2。

圖2 地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化云模型評(píng)價(jià)方法Fig.2 Evaluation method of standardized cloud model for safety production in geological exploration units

3.1 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]和行業(yè)規(guī)范[17]確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)，并建立評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，常分為5級(jí)。此外，邀請(qǐng)地質(zhì)局及科研機(jī)構(gòu)相關(guān)專(zhuān)家s人，通過(guò)查閱地勘單位安全管理資料和檢查現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系U(見(jiàn)圖1)對(duì)地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。

3.2 生成標(biāo)準(zhǔn)云

(2)

式中：m為常數(shù)，反映評(píng)價(jià)的隨機(jī)性，主要根據(jù)地勘單位的實(shí)際情況酌情調(diào)整。

3.3 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

利用未確知測(cè)度理論，計(jì)算專(zhuān)家可信度，并在專(zhuān)家打分的基礎(chǔ)上結(jié)合專(zhuān)家可信度獲得盲數(shù)矩陣，再利用熵權(quán)法理論，可求得各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

(1) 計(jì)算專(zhuān)家可信度：結(jié)合地勘行業(yè)的特點(diǎn)，制定專(zhuān)家可信度評(píng)定分類(lèi)表(見(jiàn)表1)，計(jì)算專(zhuān)家組成員(h1,h2,…,hs)4項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)定得分gij，并通過(guò)下面公式分別計(jì)算第j個(gè)專(zhuān)家成員的可信度αj和綜合可信度θj:

表1 專(zhuān)家可信度評(píng)定分類(lèi)表

(3)

(4)

式中：gij為第j個(gè)專(zhuān)家對(duì)第i項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)定得分。

(2) 計(jì)算盲數(shù)矩陣：將專(zhuān)家評(píng)估值與專(zhuān)家綜合可信度相結(jié)合，得到綜合應(yīng)急預(yù)案評(píng)定得分矩陣。假設(shè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分為k個(gè)等級(jí),再依據(jù)單指標(biāo)未確知測(cè)度算法[18]，可計(jì)算得到盲數(shù)矩陣D：

(5)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(3) 計(jì)算第p個(gè)指標(biāo)的熵值rp：

(6)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(4) 計(jì)算第p個(gè)指標(biāo)的權(quán)重wp：

(7)

式中：p=1,2,…,14。

由此得到指標(biāo)權(quán)重向量為W=(w1,w2,…,wp)(p=1,2,…,14)。

3.4 確定各指標(biāo)評(píng)價(jià)云

針對(duì)專(zhuān)家打分的結(jié)果Zjp=(zj1,zj2,zjp,…,zj14)(j=1,2,…,s)，利用一維逆向正態(tài)云發(fā)生器[19]，按照下面公式計(jì)算得到相應(yīng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)云，實(shí)現(xiàn)評(píng)分結(jié)果定量到定性的變換，并可求出第p個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)云的3個(gè)數(shù)字特征值CUp(EXp,ENp,HEp)(p=1,2,…,14)：

(8)

(9)

(10)

(11)

3.5 計(jì)算評(píng)價(jià)綜合云

將上述計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重wp代入下面公式，便可計(jì)算得到地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化綜合云CU(EX,EN,HE):

(12)

3.6 根據(jù)云相似度確定安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)

將綜合云與標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度比較，根據(jù)最大隸屬度原則，地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)結(jié)果就是云相似度最大值γk對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云等級(jí)所處的評(píng)價(jià)空間。云相似度γk的計(jì)算步驟如下：

4 實(shí)例驗(yàn)證

青海省某礦產(chǎn)勘查院是一支以地質(zhì)巖芯鉆探和巖芯鉆探工程技術(shù)研究為重點(diǎn)，地質(zhì)硐探及其他地勘工程施工、固體地質(zhì)礦產(chǎn)勘查為一體，專(zhuān)業(yè)性質(zhì)突出的地勘單位，擁有地質(zhì)巖芯鉆探甲級(jí)、地質(zhì)坑探乙級(jí)、固體礦產(chǎn)勘查乙級(jí)、營(yíng)業(yè)性爆破資質(zhì)。為滿(mǎn)足地勘工程質(zhì)量、安全、環(huán)境保護(hù)不斷提高的管理要求，已通過(guò)了地勘行業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化二級(jí)單位認(rèn)證。

4.1 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云和綜合云

參考相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)和專(zhuān)家意見(jiàn)，將安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)分為5級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，表示理想、良好、一般、較差、很差。其中Ⅰ級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為(90,100]，Ⅱ級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為(75,90]、Ⅲ級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為(60,75]、Ⅳ級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為(30,60]、Ⅴ級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為[0,30]，相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云的特征參數(shù)，詳見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分及標(biāo)準(zhǔn)云的特征參數(shù)

根據(jù)5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云特征參數(shù)，利用MATLAB 6.0a軟件繪制地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖，見(jiàn)圖3。

圖3 地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖Fig.3 Standard cloud map for standardized evaluation of safety production in geological exploration units

4.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，確定指標(biāo)云

邀請(qǐng)9名來(lái)自冶金地質(zhì)局相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以及科研機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家對(duì)該礦產(chǎn)勘查院各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，同時(shí)從職稱(chēng)、學(xué)歷、工齡和專(zhuān)業(yè)對(duì)專(zhuān)家的可信度進(jìn)行打分，按照相關(guān)文獻(xiàn)方法計(jì)算各個(gè)專(zhuān)家成員的可信度和綜合可信度，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 專(zhuān)家可信度和綜合可信度

將專(zhuān)家評(píng)估值與專(zhuān)家綜合可信度相結(jié)合，可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合得分，見(jiàn)表4。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合得分

由此可得出該礦產(chǎn)勘查院安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化單指標(biāo)未確知測(cè)度矩陣如下：

首先根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算公式(6)和(7)，可計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和權(quán)重，見(jiàn)表5；然后依據(jù)專(zhuān)家評(píng)分結(jié)果，利用公式(8)、(9)、(10)可計(jì)算得到各指標(biāo)云的3個(gè)特征值。如以目標(biāo)與計(jì)劃u11指標(biāo)為例，9位專(zhuān)家對(duì)其打分分別為90、95、92、93、96、90、91、92、93，得其指標(biāo)評(píng)價(jià)云的特征值為Cu11=(92.440 0，2.011 5，0.481 3);同理，可得到其他各個(gè)指標(biāo)云的特征值，見(jiàn)表5。

表5 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)云特征值

將計(jì)算獲得的指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)云結(jié)果代入公式(12)，可計(jì)算得到該礦產(chǎn)勘查院安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)綜合云為CU=(84.687 090，2.266 933，0.550 000),見(jiàn)圖4。

圖4 某礦產(chǎn)勘查院安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)綜合云圖Fig.4 Standardized comprehensive cloud map of safety production in a mineral exploration institute

4.3 計(jì)算云相似度，確定安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)

將5個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云Cloud分別與綜合云進(jìn)行云相似度rk比較(見(jiàn)表6)，并依據(jù)最大隸屬度原則，綜合云與第Ⅱ等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云CloudⅡ的相似度最大，則該礦產(chǎn)勘查院安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)為良好。

表6 云相似度計(jì)算結(jié)果

4.4 討論

由上述評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該礦產(chǎn)勘查院安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)為良好，這與該地勘單位的實(shí)際情況相符，表明安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化云模型評(píng)價(jià)方法是合理、可行的。該云模型評(píng)價(jià)方法考慮了安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)過(guò)程中的隨機(jī)性和模糊性，且利用云模型圖實(shí)現(xiàn)了定性語(yǔ)言與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)形式更加生動(dòng)、直觀，便于管理者利用評(píng)價(jià)信息。

5 結(jié) 論

本文利用云模型理論，借鑒其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)評(píng)估模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明，云模型評(píng)價(jià)方法可以有效地對(duì)地勘單位安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少了評(píng)價(jià)過(guò)程中信息獲取的模糊性，修正了評(píng)審過(guò)程中人為主觀因素的影響，極大地提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度。