基于AHP-SPA的煤礦安全管理模型構建及應用

張婷婷，宿國瑞，侍大軍

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院，北京 100042；2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105；4.兗礦集團濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272071)

隨著我國物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術、云計算技術、可視化技術、決策支持技術等先進技術在煤礦生產(chǎn)中的運用[1-5]，煤礦進入工業(yè)化、信息化時代，傳統(tǒng)安全管理模式已無法適應，煤礦企業(yè)應抓住“兩化融合”機遇，借鑒國內(nèi)外先進安全管理理念，改變管理模式，科學進行風險辨識評估，動態(tài)分級管控預警，全方位隱患排查，閉環(huán)治理，實現(xiàn)信息化的煤礦本質(zhì)安全，提高安全生產(chǎn)管理水平，最終達到“零事故”目的[6-9]。

目前，科學有效的安全管理體系是目前指導煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要理論依據(jù)和技術手段。Zhai J等[10]闡述了突變理論的基本原理，設計了煤礦安全管理指標體系，建立了基于突變理論的煤礦安全管理評價模型；Yang等[11]研究了“煤礦人-機-環(huán)境”系統(tǒng)，運用灰色系統(tǒng)理論和煤礦生產(chǎn)實踐觀測相結合的方法，對煤礦事故及其影響因素進行了灰色關聯(lián)分析，定量分析煤礦安全事故；Zhang等[12]從安全生產(chǎn)體系、設備與技術管理等七個方面建立了煤礦安全管理系統(tǒng)，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術對煤礦安全管理進行綜合性評估，提高了安全決策和優(yōu)化的準確性。雖然眾多專家學者做了探索，但是這些科研成果卻很難應用在我國煤礦安全生產(chǎn)實際中。因此，基于我國煤炭安全生產(chǎn)形勢，結合煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)特色，構建一套科學、完善的煤礦安全管理體系，并建立符合煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)的安全管理模型，對預防及減少煤礦事故具有重大意義。

1 煤礦風險辨識與標準化評分

1.1 風險辨識及定量分級

煤礦井下安全風險的辨識是煤礦風險分級管控最基礎的工作，因此對于煤礦安全風險的辨識工作必須做到科學、全面。安全風險定量評估可以很好的了解安全隱患的風險等級，根據(jù)風險等級制定相應的管控措施，從而抑制風險轉化成隱患，降低事故發(fā)生的概率，提高安全管理水平。

根據(jù)風險管理國際標準ISO 31000中各風險評估方法的適用性和能否提供定量結果以及各煤礦實際應用，采用風險矩陣(Risk Matrix)對風險進行定量分級。風險矩陣[13]是一種將定性或半定量的后果分級與產(chǎn)生一定水平的風險或風險等級的可能性相結合的方式。風險矩陣法通過度量風險大小后利用矩陣的方式對風險計算分級。計算公式為：

R=L×S

(1)

式中，R為安全風險等級結果；L為風險發(fā)生的概率、頻次；S為發(fā)生風險的嚴重程度。

利用理論研究和現(xiàn)場調(diào)研相結合的方法對發(fā)生風險后的嚴重程度和發(fā)生風險的概率、頻次進行了綜合分析，根據(jù)人的傷害程度或者傷害估算損失S進行量化分為5級，具體見表1。

表1 發(fā)生風險后的損失估算

通過對我國煤礦事故的統(tǒng)計分析，將煤礦發(fā)生風險發(fā)生的概率和發(fā)生的頻次進行量化分為5個等級，具體見表2。

根據(jù)風險矩陣方法原理，結合表1和表2的量化結果繪制風險矩陣圖，如圖1所示。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)文規(guī)定將風險分成“紅橙黃藍”4個級別，第Ⅰ級表示低風險，風險結果在1～3之間，用藍色表示；第Ⅱ級表示一般風險，風險結果在4～9之間，用黃色表示；第Ⅲ級表示較大風險，風險結果在10～16之間，用橙色表示；第Ⅳ級表示重大風險，風險結果在20～25之間，用紅色表示。風險等級劃分見表3。

表2 風險發(fā)生的概率與頻次估算

圖1 風險矩陣圖

表3 風險等級劃分

1.2 安全生產(chǎn)標準化評分

根據(jù)最新的煤礦安全生產(chǎn)標準化評分方法規(guī)定：井工礦將生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為11個部分，即安全風險分級管控、事故隱患排查治理、通風、地質(zhì)災害防治與測量、采煤、掘進、機電、運輸、職業(yè)衛(wèi)生、安全培訓與應急管理以及調(diào)度。

井工礦標準化總分為100分，根據(jù)安全生產(chǎn)標準化中井工礦各專業(yè)評分細則進行評分，各專業(yè)得分乘以相應權重，求和得到標準化總分如式(2)。各專業(yè)相應的權重見表4。

表4 井工礦各專業(yè)權重

(2)

式中，M為井工礦安全生產(chǎn)標準化總分；ai為各專業(yè)對應的權重值；Mi為各專業(yè)的標準化得分。

如果在考核評分中，出現(xiàn)專業(yè)缺失情況，將該專業(yè)加權分值，平均折算到其他專業(yè)中進行計算：

(3)

式中，T為安全生產(chǎn)標準化實際得分；P為缺失專業(yè)加權值；Q為加權分值。

2 AHP-SPA安全管理模型構建

安全管理模型構建的基礎是煤礦安全風險評估定量分級與安全生產(chǎn)標準化指標，因此在結合兩者的基礎之上，結合層次分析法與集對勢分析，構建AHP-SPA的安全管理模型，實現(xiàn)對煤礦安全管理效果的動態(tài)評估。

1)層次分析法 (Analytic Hierarchy Process，AHP)是將與決策具有一定聯(lián)系的元素分解成目標層、主因子層、次因子層等[14]，層次分析法是一種定性與定量相結合的決策方法，其RI取值見表5。利用AHP法計算評價指標權重的主要步驟如圖2所示。

2)根據(jù)煤礦安全管理實際情況建立安全評估指標，將煤礦安全狀態(tài)分為“安全”、“一般安全”、“不安全”，運用層次分析(AHP)與集對分析(SPA)耦合進行煤礦“三位一體”安全管理效果的動態(tài)評估。

表5 RI值取值

圖2 基于層次分析的指標權重計算過程圖

集對分析法 (Set Pair Analysis，SPA)的基本思想是將事物的確定性與不確定性看作一個對立系統(tǒng)，從同、異、反3個角度進行分析[12]。算法運用聯(lián)系度對不確定性進行描述，將不確定性的辯證認識轉換為直觀的數(shù)學模型，用來分析解決不確定問題。

集對H(A，B)的聯(lián)系度表達式為：

(4)

式中，i為差異度系數(shù)，i∈[-1，1]；j為對立性系數(shù)，一般情況下設定j=1。

對于聯(lián)系度的計算存在考慮權重和不考慮權重兩種情況，根據(jù)文獻[15]結論不考慮指標權重比考慮指標權重的安全程度要低，論文采用考慮權重計算聯(lián)系度。計算公式為：

(5)

在聯(lián)系度μ=a+bi+cj中，若c≠0，則同一度a與對立度c的比值就是集對勢，一般用e表示。集對勢中若a>c，則集合A、B為同勢；若a=c，則集合A、B為均勢；若a

一般SPA模型評估結果分為以下三種情況：①集對勢表現(xiàn)為反勢，無需考慮悲觀勢，評價結果判定為“不安全”狀態(tài)；集對勢表現(xiàn)為同勢，且a/b+c≤1，評價結果判定為“一般安全”狀態(tài)；集對勢表現(xiàn)為同勢，且a/b+c>1，評價結果判定為“安全”狀態(tài)。

建立煤礦安全評價指標，利用AHP法計算出評價指標權重，運用權重結果到式(5)中進行聯(lián)系度的計算，然后進行集對勢的分析，完成安全管理效果動態(tài)評估。

表6 集對勢分析

3 基于AHP-SPA的煤礦安全管理模型應用

3.1 基于AHP-SPA的煤礦安全模型

濟寧二號煤礦在2016年底進行年度安全風險辨識評估，查出風險源2263個。其中安全管理類風險212個、從業(yè)人員類風險1679個、作業(yè)場所類風險163個、設備設施類風險209個。運用風險矩陣法對煤礦風險進行有效準確的分級，其中重大風險89個，較大風險261個、一般風險1210個、低風險703個。

根據(jù)安委辦〔2012〕1號結合濟寧二號煤礦對隱患做了具體分類，共包括4大類45小類487種類，并對隱患做了詳細的分類分級，分別見表7和表8，按照隱患信息不同緯度統(tǒng)計當月隱患情況。

表7 隱患分類

表8 隱患具體分類分級

自模型運用以來，每個月至少進行1次安全生產(chǎn)標準化檢查，按照月份和專業(yè)維度進行統(tǒng)計分析。目前，經(jīng)過模型的試用，將濟寧二號煤礦安全生產(chǎn)標準化評為2級，得分趨于穩(wěn)定，在2月份安全生產(chǎn)標準化得分最高，為85.48分。

3.2 應用效果分析

現(xiàn)采用AHP-SPA方法對安全管理效果做具體分析，煤礦“三位一體”評價指標體系中風險分級管控、隱患排查治理、安全生產(chǎn)標準化三者的主要度見表9。由表9可以看出，CR的值符合一致性要求。

表9 一級指標主要度表

對于風險分級管控，通過2016年11—12月各專業(yè)管控不到位的風險數(shù)量確定相應二級指標相對重要度，同理隱患排查治理通過各專業(yè)查出的隱患數(shù)量確定相對重要度；安全生產(chǎn)標準化根據(jù)各專業(yè)扣分比值確定。2016年11—12月各專業(yè)風險管控不到位情況：通風4例，地質(zhì)災害防治與測量5例，采煤2例，掘進2例，機電1例，運輸1例，職業(yè)衛(wèi)生0例，安全培訓和應急管理0例，調(diào)度0例。2016年11—12月各專業(yè)隱患情況：通風177起，地質(zhì)災害防治與測量134起，采煤432起，掘進312起，機電125起，運輸80起。2016年11—12月各專業(yè)安全生產(chǎn)標準化得分：通風84分，地質(zhì)災害防治與測量79分，采煤88分，掘進87分，機電90分，運輸92分，職業(yè)衛(wèi)生83分，安全培訓和應急管理79分，調(diào)度86分。具體指標權重值見表10。

表10 各級指標權重

根據(jù)綜合權值情況進行分析，地質(zhì)災害防治與測量在三項工作中綜合權值都比較高，采煤專業(yè)隱患最高，達到0.1871，結合現(xiàn)場實際發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)采工作面具有沖擊傾向性，處于危險作業(yè)地段，需要加強沖擊地壓監(jiān)測與監(jiān)控預警，采取一定卸壓技術，保證工作面安全回采。

將煤礦安全等級分為“安全”、“一般安全”、“不安全”三個等級，基于均分原則取值，計算出聯(lián)系度μ，進行歸一化處理，用于表示安全評價結果，具體安全等級劃分見表11。

表11 煤礦安全等級劃分

濟寧二號煤礦聘請煤炭領域權威專家、相關高校教授以及集團公司內(nèi)部的技術人員對2016年10月—2017年2月五個月份的各項指標進行了評價，評級結果見表12。

根據(jù)表求出各月份聯(lián)系度：

(6)

表12 2016年10月—2017年2月各項指標評級

圖3 濟寧二號煤礦安全評估趨勢分析

4 結 論

1)研究確定了安全風險分級辨識評估標準以及安全生產(chǎn)標準化評分準則，建立了以煤礦三位一體(安全風險分級管控、隱患排查治理、安全生產(chǎn)標準化)為基準的煤礦安全管理評估指標體系。并基于建立的二級指標體系，構建了基于AHP-SPA的煤礦安全管理評估模型。

2)將安全管理模型在濟寧二號煤礦進行實際應用，結合濟寧二號煤礦隱患具體情況將隱患分為4大類45小類487種類；運用AHP-SPA模型對安全管理效果進行評估，濟寧二號煤礦總體處于一般安全狀態(tài)。