集成DEMATEL/ISM的鋼廠復(fù)雜系統(tǒng)安全影響因素研究

段宇航，董紹華，宋 頂，張耀元

(1.中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249；2.中國民航大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

煉鋼廠具有工作人員基數(shù)大、崗位多、工種多、煉鋼工序復(fù)雜、危險有害因素多等特點，一旦發(fā)生事故，對社會影響很大，因此需要對煉鋼廠的危險有害因素及其事故致因因素進行系統(tǒng)分析[1]。近年來，我國煉鋼企業(yè)事故頻發(fā)，如2012年2月，鞍鋼重型機械有限責(zé)任公司鑄鋼廠的砂型型腔發(fā)生噴爆事故，造成13人死亡，1人失蹤，17人受傷[2-3]；據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年我國共發(fā)生13起鋼廠事故，共16人死亡，7人受傷，造成了巨大的經(jīng)濟損失；2019年南昌市青山湖區(qū)方大特鋼科技股份有限公司發(fā)生3起事故。鋼廠安全事故頻繁發(fā)生是由于鋼廠工作人員和機械設(shè)備密集，鋼鐵加工環(huán)節(jié)復(fù)雜，危險有害因素較多，在鋼廠事故調(diào)查中，只是將事故歸因為人員失誤和設(shè)備的故障或缺陷，并未深層次探索事故原因和相關(guān)因果關(guān)系[4]。

與層次分析法相比，決策實驗室法(decision making trial and evaluation laboratory，DEMATEL)不僅可以考慮兩兩因素之間的關(guān)系，還考慮了所有因素之間的間接影響關(guān)系，便于分析事故發(fā)生原因，排除安全隱患，有效預(yù)防事故的發(fā)生。解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling，ISM)可將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，是以定性分析為主的概念模型，可將模糊不清的關(guān)系、思想等轉(zhuǎn)化為直觀清晰的多級遞階結(jié)構(gòu)模型[5-6]。

在DEMATEL-ISM模型實踐方面，申霞等[7]運用DEMATEL-ISM模型，總結(jié)了煤礦工人違章行為的關(guān)鍵影響因素及各因素的綜合影響關(guān)系，構(gòu)建多級遞階結(jié)構(gòu)模型，對從根源上預(yù)防和控制煤礦工人的違章行為有重要意義。張兆寧等[8]以某終端區(qū)管制系統(tǒng)為實驗對象，對該系統(tǒng)進行了風(fēng)險分析，結(jié)果驗證了DEMATEL-ISM 模型的有效性。張學(xué)睦等[9]基于DEMATEL-ISM模型，建立了影響煤礦安全管理指標(biāo)體系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型, 并提出安全管理的有效措施。黎新華等[10]通過DEMATEL和ISM融合篩選出城市軌道交通車站運營安全評價關(guān)鍵指標(biāo)。LI等[11]采用DEMATEL-ISM相結(jié)合的方法進行城市埋地燃氣管網(wǎng)的風(fēng)險研究，建立了由因果圖表示的層次網(wǎng)絡(luò)模型，清晰地確定了各種事故致因因素與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系，確定了預(yù)防相關(guān)事故的優(yōu)先行動。

為此，筆者集成決策實驗室法和解釋結(jié)構(gòu)模型法(DEMATEL-ISM)，深入探究煉鋼廠事故致因因素之間的因果關(guān)系，計算各致因因素的影響度、被影響度、中心度和原因度，并構(gòu)建鋼廠事故復(fù)雜系統(tǒng)模型，以期為鋼廠復(fù)雜事故熵模型提供參考，為鋼廠安全管理提供指導(dǎo)。

1 集成DEMATEL-ISM方法

決策實驗室法(DEMATEL)是在矩陣論和圖論原理的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)各因素進行分析，得出各因素之間存在的邏輯關(guān)系，并繪制初始直接影響矩陣，計算出各因素之間的被影響度、影響度、中心度和原因度[12]。解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM)是一種以定性分析為主的方法，是定性表示系統(tǒng)構(gòu)成要素及其內(nèi)在相互依賴和制約的模型。集成DEMATEL-ISM方法則是先確定復(fù)雜系統(tǒng)安全事故致因因素，并通過專家打分得出其初始直接影響矩陣；然后計算得出綜合影響矩陣及各事故致因因素的影響度、被影響度、中心度和原因度；最后根據(jù)綜合影響矩陣，利用ISM，得出事故系統(tǒng)模型。集成DEMATEL-ISM方法流程圖如圖1所示。

圖1 集成DEMATEL-ISM方法流程圖

2 鋼廠影響因素計算與分析

2.1 鋼廠安全管理體系構(gòu)建

在鋼廠安全管理體系中，“人”是由鋼廠企業(yè)人員構(gòu)成，可分為管理者(車間各廠長、組長、安全員等)、受管理者(作業(yè)工人、調(diào)度員、質(zhì)檢員等) ; “機”指機械設(shè)施、電氣設(shè)施等; “環(huán)”指環(huán)境; “管”指安全管理過程。因此，筆者通過鋼廠工傷事故統(tǒng)計分析和相關(guān)專家的訪談，應(yīng)用預(yù)先危險性分析和安全檢查表法，將鋼廠安全事故致因因素分為人員、機器、環(huán)境和管理4類共15個因素，具體為人為失誤F1、安全文化薄弱F2、職工知識水平低F3、職工工種安排不合理F4、機器設(shè)備故障F5、防護設(shè)施失效F6、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施落后F7、防塵及救護設(shè)備不到位F8、作業(yè)環(huán)境艱苦F9、設(shè)備能量交互受阻F10、人機信息交互受阻F11、勞動防護用品缺失F12、管理規(guī)范不健全F13、安全管理制度不完善F14、安全管理落實不到位F15，具體如圖2所示。

2.2 構(gòu)建直接影響矩陣

為了清晰表述不同因素之間的相互影響，筆者采用0、1、2、3、4五級標(biāo)度，邀請相關(guān)專家對各因素進行打分并求平均值，得出初始直接影響矩陣B，如表1所示。其中，0表示無影響，1表示影響弱，2表示影響一般，3表示影響較強，4表示影響強。

表1 初始直接影響矩陣B

2.3 計算規(guī)范化直接影響矩陣C

按照式(1)對初始直接影響矩陣進行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化直接影響矩陣C。

(1)

2.4 計算綜合影響矩陣T

直接影響矩陣C只考慮了鋼廠事故致因因素中兩兩因素之間的直接影響，而未考慮因素間的間接影響和由一個事故因素變化而引起的波及效應(yīng)。綜合影響矩陣是鋼廠中各致因因素直接影響和間接影響的累加，從而可以確定每個致因因素對鋼廠安全事故的最終影響矩陣，綜合影響矩陣的計算式如式(2)所示。當(dāng)n→∞時，Cn-1→0，綜合影響矩陣可用式(3)近似計算。由式(3)計算得到鋼廠致因因素的綜合影響矩陣T，如表2所示。

表2 綜合影響矩陣T

(2)

T=C(I-C)-1

(3)

其中，I為單位矩陣。

2.5 計算影響度、被影響度、原因度和中心度

在綜合影響矩陣T中，對第i行元素求和可得到該行對應(yīng)元素的影響度fi，對第j列元素求和可得到該列對應(yīng)元素的被影響度ej，中心度由該對應(yīng)元素的影響度fi與被影響度ej相加得到，原因度由該對應(yīng)元素的影響度fi與被影響度ej相減得到[13-14]。根據(jù)鋼廠致因因素的綜合影響矩陣T計算出各致因因素的影響度、被影響度、原因度和中心度，如表3所示。

表3 各致因因素的影響度、被影響度、原因度和中心度

其中，影響度表示該因素對其他所有因素的綜合影響度，包括直接影響和間接影響兩方面；被影響度表示該因素受其他所有因素的綜合影響度；中心度表示該因素在所有因素中的重要程度，中心度越大代表該因素越重要；原因度表示該因素對其他因素的純粹影響，若原因度為正，表明其會對其他因素產(chǎn)生較大影響，為原因因素，若原因度為負，表明其他因素會對該因素產(chǎn)生影響，為結(jié)果因素。鋼廠事故致因因素因果圖如圖3所示。

圖3 鋼廠致因因素因果圖

由圖3可知，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)7，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)15為原因因素，是導(dǎo)致其他因素發(fā)生的原因。而F1，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)8，F(xiàn)9，F(xiàn)10，F(xiàn)11，F(xiàn)12是上述7類基本原因因素的外在表現(xiàn)，也就是結(jié)果因素。從鋼廠致因因素因果圖可以清晰地看出原因因素和結(jié)果因素，但是無法確定各類因素之間的邏輯影響關(guān)系，因此通過引入ISM模型來確定各個因素之間的邏輯影響關(guān)系。

2.6 解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)

利用DEMATEL方法得到的綜合影響矩陣，加上因素對自身的影響，H則可得到整體影響矩陣H=[hij]n×n=I+T。通過給定閾值λ，即可利用整體影響矩陣H，計算可達矩陣K=[kij]n×n，如式(4)所示。

(4)

當(dāng)λ取值不同時，構(gòu)造出的可達矩陣也不相同。參考文獻[7]，取λ=0.05，進而得到可達矩陣K，如表4所示。

表4 可達矩陣K

根據(jù)表4進行層級劃分，根據(jù)式(5)建立多級遞階ISM，得到第一層因素集合為{F8，F(xiàn)10，F(xiàn)11，F(xiàn)12}；第二層因素集合為{F5，F(xiàn)6}；第三層因素集合為{F1，F(xiàn)7，F(xiàn)9}；第四層因素集合為{F3，F(xiàn)4}；第五層因素集合為{F2，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)15}。根據(jù)劃分結(jié)果繪制復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，如圖4所示。

Ri=Ri∩Si

(5)

式中：Ri為事故因素的可達集合；Si為事故因素的前因集合。

從圖4可以看出，F(xiàn)2，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)15是引起事故的根層影響因素，F(xiàn)8，F(xiàn)10，F(xiàn)11，F(xiàn)12是事故發(fā)生的表層因素。事故的發(fā)生看似是由表層因素F8，F(xiàn)10，F(xiàn)11，F(xiàn)12引起的，實際上卻受更深層次的因素影響，同時事故復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖也反映出一個因素可以對多個因素產(chǎn)生影響，克服了事故樹中單一影響的不足。

圖4 事故復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

3 鋼廠安全管理影響因素的結(jié)果分析

(1)中心度分析。在鋼廠安全管理體系中，安全文化薄弱F2、安全管理制度不完善F14、安全管理落實不到位F15、管理規(guī)范不健全F13、人為失誤F1的中心度較高。其中，安全文化薄弱在鋼廠安全管理體系中占據(jù)著重要地位，鋼廠中人的不安全因素、物的不安全狀態(tài)、工作環(huán)境惡劣、安全管理的不到位歸根結(jié)底是由于企業(yè)管理者和工人安全文化薄弱。因此，人只有具備安全意識，才會有安全行為，進而才能保證安全。

在鋼廠事故中，管控事故直接致因因素或臨近致因因素時，事故隱患的清除不能立竿見影，但中心度大的因素對其他致因因素有明顯的影響。因此，保障鋼廠的安全，應(yīng)做好中心度大的因素的管理工作。

(2)原因度分析。在鋼廠安全管理體系中，7個原因因素按重要性依次排序為:安全文化薄弱F2、安全管理制度不完善F14、安全管理落實不到位F15、管理規(guī)范不健全F13、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施落后F7、職工知識水平低F3、職工工種安排不合理F4。根據(jù)事故致因理論，原因因素屬于鋼廠安全事故發(fā)生的間接原因及根本原因，故應(yīng)足夠重視以上因素，采取有效措施，從根本上杜絕事故的發(fā)生。作業(yè)環(huán)境艱苦F9、勞動防護用品缺失F12、機器故障F5、人為失誤F1、防護設(shè)施失效F6、防塵及救護設(shè)備不到位F8、設(shè)備能量交互受阻F10、人機信息交互受阻F11的原因度小于0，屬于結(jié)果因素，受其他因素影響較大，是鋼廠安全事故發(fā)生的直接原因。

綜上所述，表層影響因素受深層影響因素影響較大，因此需加強對原因因素的重視，以有效預(yù)防事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)筆者采用集成DEMATEL-ISM方法對鋼廠安全復(fù)雜系統(tǒng)影響因素進行分析，將鋼廠安全事故致因因素分為人員、機器、環(huán)境、管理4個一級指標(biāo)，以及人為失誤、安全文化薄弱、職工知識水平低、職工工種安排不合理、機器設(shè)備故障、防護設(shè)施失效、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施落后、防塵及救護設(shè)備不到位、作業(yè)環(huán)境艱苦、設(shè)備能量交互受阻、人機信息交互受阻、勞動防護用品缺失、管理規(guī)范不健全、安全管理制度不完善、安全管理落實不到位15個二級指標(biāo)。

(2)人為失誤、管理規(guī)范不健全、安全管理落實不到位、安全文化薄弱、安全管理制度不完善中心度大，對重多致因因素可產(chǎn)生復(fù)雜的影響。因此，在鋼廠安全管理工作中應(yīng)重點管理中心度大的致因因素。

(3)根據(jù)鋼廠安全復(fù)雜系統(tǒng)影響因素中各因素之間的影響關(guān)系，將其分別歸為原因因素和結(jié)果因素。結(jié)果因素受原因因素影響較大，故加強對原因因素的重視，能夠有效預(yù)防事故的發(fā)生。