層次分析法在煤礦安全體系中的應(yīng)用研究

張曉旭，范超男，馬國良

(1.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 3.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近年來，由于我國煤礦開采條件差，而且隨著開采深度的延伸，各種技術(shù)及管理問題日漸隨之增多，加之勞動(dòng)力知識(shí)技能的缺陷，這就對(duì)煤礦安全管理提出了越來越多的挑戰(zhàn)，需要煤炭企業(yè)管理者認(rèn)真研究加以解決。因此，隨著安全生產(chǎn)法制建設(shè)的不斷深入，必須加快本質(zhì)安全型礦井的發(fā)展步伐，按照全面推行現(xiàn)代安全管理制度的總體要求，全面形成以“現(xiàn)代化安全管理模式”為核心，把煤礦建設(shè)成為一個(gè)可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)、科技創(chuàng)新能力強(qiáng)、人才資源豐富的安全、和諧礦區(qū)[1]。

隨著安全管理水平的發(fā)展，針對(duì)煤礦安全評(píng)價(jià)的方法不斷得到豐富，每種評(píng)價(jià)方法的適用場景和工作量存在差異[2]。層次分析法(AHP)是在深入分析復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素和內(nèi)部關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程進(jìn)行數(shù)學(xué)化，從而可為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則和無結(jié)構(gòu)特性一類的復(fù)雜決策問題提供一種簡單有效的決策方法，特別適用于無法直接準(zhǔn)確計(jì)量決策結(jié)果的情形[3-4]。本文從系統(tǒng)工程的角度，基于對(duì)煤礦安全管理的具體認(rèn)識(shí)，采用層次分析法對(duì)煤礦安全管理體系的可靠性進(jìn)行綜合分析，在充分考慮各方面因素后，對(duì)煤礦安全管理體系中的各個(gè)因素做了系統(tǒng)的定性和定量的評(píng)價(jià)，并對(duì)相應(yīng)因素進(jìn)行重要性排序，簡單直觀地反映了煤礦安全管理狀況，從而為煤礦安全管理提供依據(jù)，最大限度的降低因管理不善而引發(fā)重大安全事故。

1 層次分析法及分析步驟

層次分析法(AHP)由美國著名運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出，通過把與決策相關(guān)元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等層次，并進(jìn)行定性及定量分析的決策方法[5]。

運(yùn)用層次分析法進(jìn)行分析，分為4個(gè)步驟[6-8]：①問題層次化，構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型；②構(gòu)造各影響因素的判斷矩陣；③計(jì)算權(quán)向量，并做一致性檢驗(yàn)；④計(jì)算組合權(quán)向量，并做組合一致性檢驗(yàn)。

1.1 構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)相關(guān)因素的不同屬性，從上到下劃分為幾個(gè)層次。同級(jí)因素從屬于上級(jí)因素或影響上級(jí)因素，同時(shí)支配下級(jí)因素或受下級(jí)因素影響。最上層是目標(biāo)層，通常只有一個(gè)因素。底層通常是方案層或?qū)ο髮?，中間可以有一層或幾層，通常為準(zhǔn)則或指標(biāo)層[9-11]。

1.2 構(gòu)造各因素的判斷矩陣

在構(gòu)建了多層次結(jié)構(gòu)模型后，各層次之間的關(guān)系就被確定，判斷矩陣是同一層次的各元素對(duì)于上層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較的結(jié)果，重要性判斷結(jié)果一般選用1～9標(biāo)度進(jìn)行量化[12-15]，見表1。

1.3 計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)

最大特征根與對(duì)應(yīng)特征向量從每一個(gè)成對(duì)比較陣計(jì)算可得，并利用指標(biāo)(一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率)做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過，進(jìn)行歸一化后的特征向量即為權(quán)向量，否則，需要重新構(gòu)造成對(duì)比較陣[16]。

A·W=λmax·w

(1)

式中，A為判斷矩陣；W為權(quán)重；λmax為判斷矩陣最大特征值；w為歸一化后權(quán)重。

表1 判斷矩陣1～9標(biāo)度意義Tab.1 Meanings of scale 1～9 in judgment matrix

評(píng)價(jià)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)為CR(一致性比例)。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為該判斷矩陣具有滿意的一致性，否則，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整[17]。

CR=CI/RI

(2)

式中，CR為一致性比例；CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

計(jì)算得到的隨機(jī)性一致指標(biāo)RI值見表2。

表2 隨機(jī)性一致指標(biāo)RI值Tab.2 Numerical values of average random consistent index RI

得到的判斷矩陣權(quán)重及最大特征向量可對(duì)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重進(jìn)行層次總排序和層次單排序[18]。

1.4 計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)

通過計(jì)算最下層因素對(duì)于目標(biāo)的組合權(quán)向量，并且根據(jù)公式可進(jìn)行組合一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過，即可根據(jù)組合權(quán)向量所表示的結(jié)果做出相關(guān)決策。否則，需要重新考慮模型，或者需要重建具有較大一致性比率的成對(duì)比較矩陣[19]。

2 基本步驟

2.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

建立層次分析法模型的首要問題是根據(jù)科學(xué)研究中實(shí)證與規(guī)范相統(tǒng)一的原則和要求來建立層次分析法指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循科學(xué)性和實(shí)用性兩大指導(dǎo)原則。在我國煤礦井下開采中，由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，往往伴隨著天然氣、水、火、塵等自然災(zāi)害的威脅。同時(shí)，煤礦工人安全知識(shí)的缺乏、生產(chǎn)技術(shù)的相對(duì)落后、安全監(jiān)督的疏忽和安全管理的不規(guī)范導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)管理能力較差?；趯?duì)煤礦安全管理的理解，從系統(tǒng)工程的角度對(duì)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，可以看出，決定和影響煤礦安全生產(chǎn)能力的因素主要包括安全技術(shù)措施、安全培訓(xùn)教育、安全檢查、安全機(jī)構(gòu)和安全救護(hù)救援。

2.2 構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法的基本步驟，系統(tǒng)地分析了我國煤礦企業(yè)安全管理體系的有關(guān)資料和信息之后，確定了5個(gè)方案層，19個(gè)準(zhǔn)則層。建立煤礦企業(yè)安全管理遞接層次模型，如圖1所示。

圖1 煤礦安全管理體系評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Indication system-IS of coal safety management

2.3 構(gòu)造判斷矩陣并一致性檢驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)專家以及現(xiàn)場工作人員的意見，確定出各因素間的相對(duì)重要性，并構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，然后運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算出權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

A—B之間構(gòu)成的判斷矩陣如下：

該矩陣的特征值：W=(w1，w2，w3，w4，w5)=(0.484 7，0.262 3，0.144 8，0.070 1，0.038 1)，λmax=5.268 2。CI=(λmax-n)/(n-1)= 0.060 750。查表可得，RI=1.12，則有CR=0.054 21<0.1。因此，認(rèn)為判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

B—bi之間構(gòu)成的判定矩陣的形式如下所示：

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.556 4，0.228 5，0.136 6，0.078 5)，λmax=4.031 01，CI=0.010 35。查表得，RI=0.89，則CR=0.011 631<0.1。因此，認(rèn)為判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.586 0，0.218 0，0.123 5，0.072 5)，λmax=4.019 25，CI= 0.006 413。查表得，RI=0.89，則CR=0.007 206<0.1。因此，認(rèn)為判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.638 8，0.182 4，0.119 3，0.059 6)，λmax=4.103 70，CI=0.034 56。查表得，RI=0.89，這時(shí)CR=0.038 821<0.1。因此，認(rèn)為判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.609 8，0.209 3，0.113 5，0.067 5)，λmax=4.016 43，CI= 0.005 50。查表得，RI=0.89，這時(shí)CR=0.006 20<0.1，因此，該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3)=(0.696 0，0.224 5，0.079 5)，λmax=3.078 33，CI= 0.039 65。查表可得，RI=0.58，這時(shí)有CR=0.068 37<0.1。因此，認(rèn)為判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

2.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

層次總排序是在指同一層次的所有元素對(duì)于目標(biāo)層(A)的相對(duì)重要性(A—Bi的排序也為一個(gè)總排序)[20]?？偱判驒?quán)重是從頂層到底層權(quán)重進(jìn)行的合成。所有影響煤礦安全生產(chǎn)管理的因素進(jìn)行的總排序見表3。

表3 煤礦安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.3 Indication system-IS of coal safety management and weights

CI=0.013 6，RI=0.877 7；CR=CI/RI=0.015 5<0.1，煤礦安全管理體系總排序結(jié)果具有滿意的一致性。

2.5 結(jié)果分析

從以上分析可以看出，在煤礦安全管理體系中，安全技術(shù)措施(權(quán)重0.484 7)是影響煤礦安全管理的首要因素，其次是安全培訓(xùn)教育(0.262 3)、安全檢查(0.144 8)和安全機(jī)構(gòu)(0.070 1)，而安全救護(hù)救援(0.038 1)排在最后。為進(jìn)一步提高我國煤礦安全管理水平，首先要加大安全生產(chǎn)的投入，不斷提高安全技術(shù)設(shè)施和裝備水平。其次，要提高煤礦企業(yè)管理人員的安全管理素質(zhì)和能力，使煤礦企業(yè)管理人員樹立系統(tǒng)、持久、務(wù)實(shí)、科學(xué)的安全觀。同時(shí)，還要重視員工的培訓(xùn)教育，加強(qiáng)對(duì)員工的安全教育和專業(yè)技能培訓(xùn)，配備高專業(yè)素質(zhì)的安全技術(shù)人員，以加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理和監(jiān)察力度。

另外，從層次總排序(表3)的致因排序中可以看出，礦山安全管理體系的19個(gè)影響因素的相對(duì)重要性排序依次為工作面安全規(guī)范(0.269 7)，上崗安全培訓(xùn)(0.153 7)，一通三防技術(shù)措施(0.110 7)，一通三防檢查(0.092 5)，機(jī)運(yùn)安全措施(0.066 2)，班前安全教育(0.057 2)，礦長責(zé)任制(0.042 7)，個(gè)人安全防護(hù)技術(shù)措施(0.038 0)，安全事故會(huì)(0.032 4)，礦隊(duì)救護(hù)(0.026 5)，工作面質(zhì)量檢查(0.026 0)，開展安全知識(shí)競賽(0.019 0)，井下三違檢查(0.017 3)，通風(fēng)安全科(0.014 7)，機(jī)運(yùn)設(shè)備安全檢查(0.008 6)，醫(yī)療救護(hù)(0.008 2)，工區(qū)安監(jiān)員(0.008 0)，班安全監(jiān)護(hù)網(wǎng)(0.004 7)，個(gè)人救護(hù)(0.003 0)。從中可以看出，工作面安全規(guī)范在所有因素中比重最大，其次是崗前培訓(xùn)，因此，管理人員必須結(jié)合本礦實(shí)際情況，制定合理的規(guī)章制度，并不斷完善和細(xì)化相應(yīng)的操作規(guī)程，預(yù)防各種危險(xiǎn)因素的發(fā)生，保證工作人員的人身安全和煤礦安全生產(chǎn)的進(jìn)行。形成具有中國煤礦特色、高效運(yùn)行的安全管理體系，對(duì)于提高煤礦安全管理水平、實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理、減少煤礦事故發(fā)生具有重要意義。

3 結(jié)論

(1)基于層次分析法建立了煤礦安全管理體系評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和19個(gè)二級(jí)指標(biāo))，并對(duì)現(xiàn)有煤礦安全管理體系進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。確定了安全技術(shù)措施是煤礦安全管理的首要因素，并且得出影響煤礦安全管理各因素的致因排序，工作面安全規(guī)范和上崗安全培訓(xùn)重要性較高。

(2)針對(duì)煤礦安全管理體系評(píng)價(jià)結(jié)果，煤礦企業(yè)需不斷提高安全技術(shù)設(shè)施和裝備水平，加強(qiáng)對(duì)工人的安全教育和專業(yè)技能培訓(xùn)，加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)管理和監(jiān)察力度。

(3)在實(shí)際的煤礦安全管理的分析和評(píng)價(jià)中要多種方法并用，以便對(duì)煤礦安全管理做出更合理、更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)，將科技轉(zhuǎn)化為煤礦安全的推動(dòng)力，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。