基于AHP 和熵權法的煤礦安全態(tài)勢評價模型

胡 霞，鐘文杰，程靜靜

（中國礦業(yè)大學 管理學院，江蘇 徐州221008）

我國作為煤炭生產和消費大國，煤礦安全生產關乎到國家經(jīng)濟和民生穩(wěn)定。我國的煤礦安全生產形勢雖然逐年好轉，事故數(shù)量、事故死亡人數(shù)、百萬噸死亡率均呈逐年下降趨勢，但與一些產煤大國相比，我國的煤炭百萬噸死亡率是印度、南非、澳大利亞等國的10 余倍，是美國的30 多倍[1]。利用礦井的隱患記錄信息和井工煤礦功能進行煤礦安全態(tài)勢定量威脅評估，根據(jù)井工煤礦的功能結構，以功能和位置為感知指標，提出一種感知煤礦安全態(tài)勢的層次化模型。該模型把位置、功能和井工煤礦系統(tǒng)3 個層次作為理解煤礦安全態(tài)勢3 個角度，能演化一定時空范圍內的煤礦安全態(tài)勢，便于煤礦安監(jiān)人員直觀地理解掌握煤礦的安全水平，及時調整煤礦的安全生產策略，使煤礦的安全管理水平能有效地提升。

1 安全態(tài)勢研究現(xiàn)狀

1.1 安全風險評價研究現(xiàn)狀

在煤礦安全風險評價方面，可以分為事故級別和系統(tǒng)級別2 種不同類型的安全風險評價。在系統(tǒng)級別，研究學者側重于研究煤礦安全生產風險評價體系。如楊軍[2]對常用的風險評價方法和預警方法進行全面總結，確定煤礦安全生產風險評價指標體系；張洪杰[3]根據(jù)煤礦安全生產風險系統(tǒng)影響因素的特點、國家法律法規(guī)、行業(yè)標準等，定義了各安全風險指標的含義，并將指標量化；喬國厚[4]將人、機、環(huán)、管、信息等要素相結合，建立更為全面的評估指標體系模型。在事故級別，皮子坤[5]等將模糊綜合評價與前景理論相結合，構建了煤礦瓦斯爆炸風險評價模型；佟瑞鵬[6]等提出了模糊Bow-tie 模型，對頂板事故進行了風險分析研究。

不管是事故級還是企業(yè)級方面的煤礦風險評價，其數(shù)據(jù)集字段指標大都是人為設計的指標，如設備完好率，人員持證率等，反映的主要是系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)。采取人為設計的指標，一方面有利于評價體系的有效易用，但另一方面卻讓數(shù)據(jù)集在反應煤礦安全風險時本身存在一定主觀性。隱患記錄日志作為對煤礦具體運行的反映，是一種有效反映煤礦系統(tǒng)安全水平的數(shù)據(jù)來源。然而大量的隱患記錄日志僅在當日查閱后封存在企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫中，沒法有效利用。目前，在煤礦安全評價方面很少將隱患記錄日志應用于安全評價方面的研究。

隨著智慧礦山、感知礦山概念[7]的提出，隱患記錄和系統(tǒng)記錄從維度、粒度、深度、廣度等方面都成指數(shù)級上升，學者開始注重如何快速感知和反映礦山發(fā)生的改變。從這個角度看，人為設計的指標在煤礦安全評價存在不足，有必要以微觀、數(shù)據(jù)源的視角，去評估煤礦的生產風險，適應新技術的要求。

1.2 安全態(tài)勢

態(tài)勢感知的定義由Endsley[8]首次明確提出。態(tài)勢感知是指“在一定的時空范圍內，認知、理解環(huán)境因素，并且對未來的發(fā)展趨勢進行預測”。

在煤礦安全方面，目前對煤礦安全評價的研究仍處于煤礦安全態(tài)勢的要素提取上，目的在尋找一種指標體系能全面地反映煤礦的安全水平。如何對煤礦安全態(tài)勢進行理解仍處于空白。然而，在網(wǎng)絡安全態(tài)勢領域，研究者已經(jīng)陸續(xù)提出了數(shù)十種網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知模型，并且基于已存在模型，提出了多種數(shù)據(jù)融合算法的實際應用[9]。

結合已有研究成果以及現(xiàn)階段煤礦數(shù)據(jù)采集水平，采取基于數(shù)學模型的融合方法，以煤礦隱患記錄日志為數(shù)據(jù)源實現(xiàn)礦山安全態(tài)勢的定量評價，利用煤礦記錄的隱患日志，根據(jù)過去時空內煤礦隱患存在生命周期的記錄情況，結合功能、位置的重要性，提出一種感知煤礦安全態(tài)勢的層次化模型，把位置、功能和井工煤礦系統(tǒng)3 個層次作為理解煤礦安全態(tài)勢3 個角度，演化一定時空范圍內的煤礦安全態(tài)勢。

2 安全態(tài)勢評價體系

2.1 安全態(tài)勢體系層次和規(guī)模

按規(guī)模和層次關系，提出了層次化礦山安全態(tài)勢量化評估模型，煤礦安全態(tài)勢層次分析圖如圖1。把煤礦記錄的隱患記錄作為原始數(shù)據(jù), 挖掘各個功能的威脅情況，分析統(tǒng)計隱患嚴重程度、發(fā)生次數(shù)，進而評估各項功能的安全威脅狀況、性能條件[10]。以此作為，綜合理解煤礦生產系統(tǒng)中各功能的安全狀況。最后，根據(jù)煤礦系統(tǒng)結構理解全煤礦生產系統(tǒng)的安全態(tài)勢。

圖1 煤礦安全態(tài)勢層次分析圖Fig.1 Analytic hierarchy process of coal mine safety situation

隱患層包含常見的煤礦安全隱患，主要有人、機、環(huán)、管4 大類。為敘述方便，定義以下概念：①隱患H 為安全檢查中記錄危險源隱患；②位置功能風險指數(shù)RLF為在位置Li中功能Fj的風險，LFij為位置Li的功能Fj；③功能風險指數(shù)RF為功能Fj的風險；④煤礦風險指數(shù)RS為煤礦系統(tǒng)S 的風險。

2.2 安全態(tài)勢感知計算

2.2.1 位置功能級

隱患蘊含的風險對煤礦系統(tǒng)安全態(tài)勢的影響與隱患自身的威脅程度有關，也與隱患存在的地點，能影響的功能單位有關。定義時間區(qū)間t 內，位置Li的功能Fi風險值RLFij（t）為：

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的井工煤礦功能分類和各功能要求來確定隱患的嚴重度和可能帶來后果，確定了井工煤礦所需的功能集合，并把隱患按嚴重度劃分為高、中、低3 個類別，用3、2、1 表示。其中《規(guī)程》中提及事項若出現(xiàn)在隱患記錄中，則其嚴重程度最高，表示為3；《規(guī)程》中沒提及事項按照專家經(jīng)驗知識劃分為中、低2 個等級，分別用2、1 表示。

2.2.3 系統(tǒng)級別

在時刻t 礦山系統(tǒng)S 的風險指數(shù)為:

3 礦山安全態(tài)勢感知實例

3.1 研究背景

以煤礦2803 工作面為研究對象。該礦井主要災害類型為地質水害和瓦斯突出，礦井地質類型極復雜，水文地質類型中等。以2019 年7 月份數(shù)據(jù)為例進行安全態(tài)勢評價. 評價采用收集于該煤礦的隱患數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)記錄的隱患信息包含人、機、環(huán)、管，樣本容量為638 條，根據(jù)隱患數(shù)據(jù)記錄詳情可以將其劃分到對應功能以及威脅等級。

3.2 煤礦位置功能安全態(tài)勢

以2803 工作面的上回風巷、上運輸巷車場、下回風巷為例，根據(jù)式（1）可以繪制煤礦防瓦斯功能安全態(tài)勢感知圖如圖2。

圖2 煤礦防瓦斯功能安全態(tài)勢感知Fig.2 Safety situational awareness of coal mine gas prevention function

由圖2 可知：

1）7 月份，上運輸巷車場在防瓦斯方面沒有出現(xiàn)功能波動，上回風巷出現(xiàn)出現(xiàn)過數(shù)次功能波動，下回風巷功能波動較為頻繁。根據(jù)隱患數(shù)據(jù)和煤礦工作面結構分析可知，由于上運輸巷車場遠離工作面，瓦斯難以在該工作面聚集，該地因而在防治瓦斯措施上較另外2 處簡單，治理條件較好。而上回風巷和下回風巷作為工作面的進出風巷，該地防治瓦斯措施繁多，因而更容易出現(xiàn)功能波動情況。且下回風巷作為出風巷，防治手段更多，因而比上回風巷更容易產生功能共振。圖中的數(shù)值波動符合工作面實際。

2）與其他位置相比，安全管理人員在現(xiàn)階段應更多地重視對下回風巷防瓦斯功能的維護檢查，減少功能失效的發(fā)生，預防險情發(fā)生。

3）圖中下回風巷于多日波峰值位于100 以上，說明極可能存在重大的隱患的整改的時間超過1 天問題，對煤礦的安全生產不利，提示煤礦管理人員應該加快對隱患整改的速度或采取對應的臨時措施，減低高威脅的持續(xù)時間，保證煤礦安全生產。

3.3 煤礦功能安全態(tài)勢

利用RLR建立熵權法初始矩陣，利用隱患數(shù)據(jù)算數(shù)平均值建立準則層初始矩陣。位置功能客觀評價指標層V→計算結果，各位置功能權向量vi為：2803上回風巷0.106，上運輸巷車場0.192，下底抽巷0.219，下回風巷0.070，下運輸巷車場0.147，中間巷0.080，切眼0.091，工作面0.097。以綜采功能、爆炸功能以及支護和頂板控制功能為例，根據(jù)式（2）繪制出的功能安全威脅感知圖如圖3。

圖3 煤礦功能安全態(tài)勢感知Fig.3 Coal mine function safety situational awareness

由圖3 可直觀理解到：①該工作面爆破功能管控較好，不存在爆炸功能的波動，該方面安全水平較高；②在綜采方面，2803 工作面于7 月22 日到7 月25 日出現(xiàn)了一個峰值但峰值較小，說明在此期間2803 工作面綜采功能出現(xiàn)了小范圍的功能波動，但功能威脅很?。虎鄞送?，在支護和頂板控制功能方面，2803 工作面一直處于一個較高水平。這說明該工作面在此功能上一直存在較大的功能振福，反應該工作面在這方面存在一些設計或實施不合理的情況，導致此功能一直處于高風險狀態(tài)中。安全管理人員在此功能上仔細排查引發(fā)功能波動的直接原因和間接原因，減少功能失效的發(fā)生。

3.4 煤礦系統(tǒng)安全態(tài)勢

由于待判斷功能數(shù)量較多會嚴重影響專家對各功能判斷，因此預先把17 個功能劃分到5 個功能組。由專家先在功能組別間兩兩比較建立準則層1判斷矩陣，然后再在各功能組內兩兩比較建立各功能組準則層2 判斷矩陣。判斷矩陣均具有一致性。求解各準則層判斷矩陣，各功能權向量值計算結果見表1。其中，w1為準則層1 判斷矩陣求解權重，w2為準則層2 判斷矩陣求解權重。wj為功能Fj的權向量值。

表1 各功能權向量值Table 1 Value of each function weight direction

根據(jù)式（3）繪制的煤礦系統(tǒng)整體安全態(tài)勢感知圖如圖4。由圖4 可直觀了解到：煤礦的整體安全水平總是不斷變動的，安全水平存在一定的周期規(guī)律。這告知安全管理人員應該在波谷時加強對各功能的檢查維護，及時調整安全策略，減少系統(tǒng)功能的整體波動。煤礦管理人員可以根據(jù)峰值出現(xiàn)時間規(guī)律，在該時間點內提高安全防范意識，對人員、設備進行更仔細地監(jiān)控監(jiān)測，減少在波峰時期出現(xiàn)功能失效。

圖4 煤礦系統(tǒng)整體安全態(tài)勢感知圖Fig.4 Overall safety situation awareness map of coal mine system

實驗表明，位置、功能和整個煤礦系統(tǒng)的安全態(tài)勢能被煤礦安全態(tài)勢評價模型以較直觀地方式展示。引入了安全態(tài)勢的概念，較一般安全風險評價法而言，讓煤礦安全管理人員能夠更及時地了解煤礦的安全動態(tài)，排查安全水平變化的直接、間接原因，調整煤礦安全策略，維持系統(tǒng)處于安全水平。其次，可以把安全威脅的演化規(guī)律從長期安全態(tài)勢理解曲線中挖掘提煉出來。該評價模型在陳四樓2803 工作面隱患日志數(shù)據(jù)中得到很好地應用，能夠科學合理地評價常見隱患對系統(tǒng)安全的威脅，給安全管理人員提供更好的決策依據(jù)。

4 結 語

在煤礦實地調查和文獻分析的基礎上，從隱患、位置、功能和系統(tǒng)4 個層次建立較為全面的層次化礦山安全態(tài)勢評價體系，提出了基于隱患記錄數(shù)據(jù)的AHP-熵權煤礦功能權重評判模型：依靠行業(yè)法規(guī)和專家經(jīng)驗確定隱患風險，以隱患提供的信息量作為求解位置功能權重的依據(jù)，利用專家經(jīng)驗進行對功能進行修正。目前煤礦安全定量評價模型的實驗分析僅基于煤礦自身排查的隱患日志記錄，但這些信息在反應煤礦安全水平和揭示煤礦事故發(fā)生軌跡方面仍存在不足，沒有考慮到傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和井下視頻的監(jiān)控數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段進一步的研究重心是：結合目前正在建設的智慧礦山功能提供的多源數(shù)據(jù)，進一步提高安全態(tài)勢評估的精度和信度；在隱患數(shù)據(jù)的基礎上，研究基于規(guī)則推理的融合方法、基于概率統(tǒng)計的融合方法以及基于邏輯關系的融合方法在安全態(tài)勢感知上引用。