基于云物元理論的礦工行為安全水平評價研究

白彥龍，陳 昱，李海立，白長江，西 龍，薛玉壁，彭佳佳，王 欣

（1.河南省正龍煤業(yè)有限公司 城郊煤礦，河南 永城476600；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京100083）

統(tǒng)計表明，大多數(shù)煤礦事故都與不安全行為有關(guān)[1]。近年來，隨著機械化水平的提升和安全監(jiān)管的越發(fā)嚴(yán)格，由設(shè)備和環(huán)境引起的事故逐漸減少，但由人員引起的事故所占的比例在增加[2]。因此，科學(xué)合理的評價體系有助于煤礦準(zhǔn)確迅速地掌握一線員工行為安全水平，確定不安全因素，并采取針對性措施，進而預(yù)防和減少事故。國內(nèi)外學(xué)者對煤礦井下作業(yè)人員行為安全水平的研究主要有2 種，一種是基于不安全行為發(fā)生機理，構(gòu)建不安全行為的仿真演化模型，通過調(diào)節(jié)模型參數(shù)來判斷掌握安全行為水平，如Cao 等人結(jié)合遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對煤礦工人群體安全行為進行了全面的定性模擬[3]；楊雪等采用系統(tǒng)動力學(xué)（System dynamics, SD）方法，構(gòu)建情感事件視角下礦工不安全行為影響因素SD模型，并進行了影響因素對不安全行為的作用研究[4]。另一種是構(gòu)建煤礦工人不安全行為的評價指標(biāo)體系，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重進行綜合評價，如安景文等從管理因素、作業(yè)環(huán)境、機械設(shè)備、員工自身素質(zhì)、班組5 個方面建立了評價指標(biāo)體系，并利用網(wǎng)絡(luò)層次分析法（Analytic Network Process, ANP）確定了指標(biāo)權(quán)重[5]；黃萍等從一線職工行為、班組長行為、管理者行為以及組織行為4 個方面來建立指標(biāo)體系，構(gòu)建了煤礦職工不安全行為的熵權(quán)物元可拓模型[6]；鄭僑宏等基于多元集對聯(lián)系數(shù)，圍繞組織技術(shù)、行為個體，技術(shù)和環(huán)境因素，建立了礦工不安全行為風(fēng)險態(tài)勢評估模型[7]。通過建立指標(biāo)體系對行為安全水平進行評價，相較于構(gòu)建復(fù)雜的演化推理模型，更有利于快速掌握企業(yè)當(dāng)前的人員行為安全水平?；诖?，利用SHELL 模型建立評價指標(biāo)體系，引入云物元理論建立評價模型，收集煤礦企業(yè)不安全行為的相關(guān)數(shù)據(jù)對該模型進行有效性驗證。

1 構(gòu)建指標(biāo)體系

1972 年英國學(xué)者Edwards 首次提出SHEL 模型，用于研究與系統(tǒng)資源相關(guān)的人機工程學(xué)問題，Hawkins 在原模型基礎(chǔ)上進行改進并圖表化，形成了SHELL 模型[8]。SHELL 模型包括軟件（Soft, S）、硬件（Hard, H）、環(huán)境（Environment, E）和人（Litigant,L）4 個要素，其中，人處于整個模型的中心位置并與其他要素相連形成S-L 界面、H-L 界面、E-L 界面、L-L 界面。人與其他4 個界面的不匹配被認(rèn)為是人失誤的根源。人的不安全行為是人失誤的特例，人失誤的致因分析和預(yù)防措施也適用于人的不安全行為[9]。因此可以依據(jù)SHELL 模型，結(jié)合前人、成果以及煤礦的實際情況，從人的因素、S-L 界面因素、H-L 界面因素、E-L 界面因素、L-L 界面因素5 個方面選取指標(biāo)，建立不安全行為的評價體系。最終確定了19項評價指標(biāo)，礦工行為安全水平評價指標(biāo)體系如圖1。

圖1 礦工行為安全水平評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of behavior safety level of miners

2 建立評價模型

煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的社會技術(shù)系統(tǒng)，受內(nèi)外部因素的影響，對煤礦員工行為安全水平的評測也具備不確定性的特點，尤其是隨機性和模糊性。其中，隨機性主要指不安全行為的發(fā)生具有一定的隨機性，而模糊性主要指行為安全水平的“好”和“壞”沒有明確的界限，評價指標(biāo)需要主觀進行判斷。云模型在考慮隨機性和模糊性的同時，實現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)化。此外，所構(gòu)建的評價指標(biāo)同時存在正向評價型和反向評價型，引入可拓理論中的物元分析，將正向評價型和反向評價型指標(biāo)的矛盾轉(zhuǎn)換為相容，建立基于云物元理論的礦工行為安全水平評價模型。

2.1 云物元理論

為了能夠清晰地說明模型的評價步驟，對云物元理論的具體原理進行闡釋。假設(shè)C 是定量論域V上的一個定性概念，x∈V 為C 上的一次隨機實現(xiàn)，將x 對C 的確定度記為μ（x）∈［0，1］，且μ（x）是穩(wěn)定傾向隨機數(shù)，那么μ：V→［0，1］，?x∈V，x→μ（x）。則x 在V 上的分布即形成了云C（x），點［x，μ（x）］被稱為“云滴”。云模型一般用期望Ex、熵En、超熵He這3 個特征值來表示。對于云C（Ex，En，He），Ex是定性概念C轉(zhuǎn)化為數(shù)值后的中心值，即平均值; En是定性概念C不確定性的度量，定性概念C 的模糊程度隨著En值的增大而增大；He是對熵不確定性的度量，C 的離散程度隨著He值的增大而增大。對于現(xiàn)實問題的定性模糊概念C，正態(tài)云模型具有普適性，選取正態(tài)云模型進行分析[10]。

物元理論中定義物元為事物的基本元R，則R＝（N，c，V），其中，N 為事物名稱，c 為事物特征，V 為事物特征的值，用云模型中的特征值（Ex，En，He）來代替V，得到云物元模型：

2.2 評價步驟

N 為煤礦企業(yè)的行為安全水平，C1、C2、…、Cn為行為安全水平的n 個指標(biāo)，（Ex，En，He）為指標(biāo)的等級區(qū)間。應(yīng)用云物元模型進行評價的基本思路是，首先將待評價事物進行等級劃分，用云模型來表示每個等級，形成評價等級“標(biāo)準(zhǔn)云”；然后對每個指標(biāo)進行評價，將評價語轉(zhuǎn)化為云模型，形成每個指標(biāo)的“評價云”，并結(jié)合指標(biāo)權(quán)重，擬合出最終的評價結(jié)果“綜合云”；最后，將結(jié)果“綜合云”與等級“標(biāo)準(zhǔn)云”對比，得到評價等級。

2.2.1 生成評價等級“標(biāo)準(zhǔn)云”

結(jié)合煤礦安全相關(guān)評價的實際執(zhí)行情況，將煤礦不安全行為水平劃分為優(yōu)秀級（I 級）、良好級（Ⅱ級）、一般級（Ⅲ級）、較差級（Ⅳ級）、差級（Ⅴ級），對應(yīng)劃分每個指標(biāo)的等級，每個等級的分?jǐn)?shù)區(qū)間分別為［100，90］、（90，80］、（80，70］、（70，60］、（60，0］。將評價指標(biāo)的等級用云的特征值來表示，其每個等級之間的無法嚴(yán)格區(qū)分，等級之間具有模糊性，采用式（2）～式（4）進行轉(zhuǎn)化。

式中：Lmax、Lmin為指標(biāo)等級上限和下限；f 為常數(shù)，需根據(jù)指標(biāo)的不確定性和實際情況進行調(diào)節(jié)。

2.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重的確定會直接影響到最終評價結(jié)果的精準(zhǔn)度，權(quán)重確定方法主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。前者可以反映出評價專家的知識經(jīng)驗，但可能具有主觀隨意性；后者主要是根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系或指標(biāo)值變異程度來確定權(quán)重，避免了人為偏差，但是不能體現(xiàn)評價專家的決策意圖。綜合2 種方法的優(yōu)點，采用主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)法來確定不安全行為評價指標(biāo)的權(quán)重。主觀賦權(quán)采用層次分析法，客觀賦權(quán)采用熵權(quán)法，具體計算公式可參照文獻[11]。采用式（5）進行組合權(quán)重計算。

式中：ωi為第i 項指標(biāo)的組合權(quán)重；λi為主觀賦權(quán)得到的第i 項指標(biāo)權(quán)重；μi為客觀賦權(quán)得到的第i項指標(biāo)權(quán)重；α 為主觀偏好系數(shù)，通常取0.5。

2.2.3 生成指標(biāo)的“評價云”

組成專家組，按照指標(biāo)的等級劃分，給出每個指標(biāo)的評分。根據(jù)所有專家的評分值，將對某項指標(biāo)的評價轉(zhuǎn)化為以云特征值來表示，消除主觀打分的模糊性，采用近似法進行計算[12]。

式中：xi為第i 個專家對某項指標(biāo)的打分值；n為專家數(shù)；（Ex，En，He）為該項指標(biāo)評價結(jié)果的云特征值。

2.2.4 結(jié)果“綜合云”的計算

通過對每個指標(biāo)的打分和轉(zhuǎn)化，可得到每個指標(biāo)的“評價云”，但還需要從低一層次指標(biāo)向高一層次進行擬合，得到最終評價結(jié)果的“綜合云”。采用文獻[13]提出的虛擬云中浮動云的綜合運算方法，對下一層指標(biāo)評價結(jié)果向上擬合。

3 實例應(yīng)用

選擇煤礦C 作為評價應(yīng)用試點，對該煤礦進行調(diào)研。由行業(yè)專家和煤礦各級人員共8 人組成評價專家組。分別采用層次分析法和熵權(quán)法，根據(jù)問卷結(jié)果，計算指標(biāo)的權(quán)重值，根據(jù)式（5）得到每項指標(biāo)的組合權(quán)重，再由每位專家對指標(biāo)進行打分，得到所有指標(biāo)的評分值。以“安全知識技能（C11）”這一指標(biāo)為例，8 名專家打分依次為82、84、81、79、84、83、82、77。各級指標(biāo)權(quán)重值及評價結(jié)果云特征值見表1。

根據(jù)式（6）～式（9）計算出該指標(biāo)評價結(jié)果的云特征值，利用云的正向發(fā)生器，得到的該項指標(biāo)評價結(jié)果的云圖如圖2。由圖2 可以看出，專家組對于“安全知識技能”這一指標(biāo)的評價介于“良好”級和“一般”級之間，且更傾向于“良好”級，對該指標(biāo)的評價較為集中。

以此類推，得到所有指標(biāo)評價結(jié)果的云特征值，進行計算，可得到所有二級指標(biāo)評價結(jié)果的云特征值，根據(jù)表1 中二級指標(biāo)的權(quán)重值和評分云特征值，可得到煤礦井下作業(yè)人員行為安全水平評價結(jié)果的“綜合云”特征值為（84.642，3.121，1.103），將“綜合云”與評價等級“標(biāo)準(zhǔn)云”在云圖上顯示結(jié)果如圖3，可以直觀的看到，該煤礦井下作業(yè)人員行為安全水平等級為良好級。通過查閱當(dāng)前階段該煤礦的事故記錄等，與實際情況相符。

表1 各級指標(biāo)權(quán)重值及評價結(jié)果云特征值Table 1 Index weight values at all levels and cloud characteristic values of evaluation results

圖2 “安全知識技能（C11）”評價結(jié)果云Fig.2 Evaluation value cloud of“safety knowledge and skills（C11）”

4 結(jié) 語

依據(jù)SHELL 模型，建立了煤礦井下作業(yè)人員行為安全水平評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系由人的因素、S-L 界面因素、H-L 界面因素、E-L 界面因素、L-L界面因素5 個二級指標(biāo)以及對應(yīng)的19 個三級指標(biāo)組成，使得評價指標(biāo)體系更加完善；引入云物元理論，在評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤礦井下作業(yè)人員行為安全水平評價模型，同時解決了評價過程中的模糊性和隨機性問題，提高了評價精確度；將本模型應(yīng)用于C 煤礦的實際評價，得到C 煤礦的井下作業(yè)人員行為的安全水平為良好級，與實際情況相符，說明該模型具有一定的可行性和科學(xué)性。

圖3 行為安全水平評價結(jié)果云Fig.3 Result cloud of behavior safety level evaluation