劉會(huì)景
(烏魯木齊職業(yè)大學(xué),新疆 烏魯木齊 830023)
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素及評(píng)價(jià)方法開(kāi)展了大量研究[1-3]。楊三軍等[4]基于探索性因子分析構(gòu)建了煤礦救援隊(duì)?wèi)?yīng)急救援能力評(píng)價(jià)體系,譚波等[5]利用云模型研究了煤礦應(yīng)急救援隊(duì)伍能力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),張宇等[6]結(jié)合模糊優(yōu)先規(guī)劃和區(qū)間可拓理論研究了礦井火災(zāi)應(yīng)急救援能力,楊力等[7]基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法評(píng)估了煤礦應(yīng)急救援能力,ZHANG等[8]將危險(xiǎn)源的不確定路徑轉(zhuǎn)化未具有約束多目標(biāo)粒子群,進(jìn)而建立了應(yīng)急救援過(guò)程中的最佳規(guī)劃路徑;LIU等[9]基于條件概率與隸屬度模糊輔助變量構(gòu)建了應(yīng)急救援可持續(xù)救援能力的多目標(biāo)隨機(jī)規(guī)劃模型;蘭國(guó)輝等[10]運(yùn)用粗糙集與表現(xiàn)性分析的手段建立了事前檢測(cè)、事中處置、事后恢復(fù)的煤礦突發(fā)事件應(yīng)急救援能力評(píng)估模型。上述方法在實(shí)際的煤礦事故應(yīng)急救援過(guò)程中均取得了一定的成效,然而,由于瓦斯爆炸突發(fā)事故的應(yīng)急救援能力的影響因素眾多,一方面,評(píng)估因素與權(quán)重獲取具有較大的模糊性與主觀性,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)難以量化應(yīng)急救援能力,導(dǎo)致評(píng)估模型失真與可解釋性較差,因此亟需進(jìn)一步探析基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的定量化評(píng)估與科學(xué)決策方式。王光遠(yuǎn)教授[11]提出的未確知數(shù)學(xué)理論能夠較好地處理信息的不確定性并量化處理,廣泛應(yīng)用于交通、建筑等領(lǐng)域[12,13]。劉開(kāi)第等[14]將未確知測(cè)度與模糊綜合評(píng)判、灰色聚類分析、物元分析、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比論證,研究結(jié)果表明在評(píng)估因素存在較大的不確定性時(shí),未確知測(cè)度具有更加合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)價(jià)結(jié)果。
鑒于此,為了進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦企業(yè)對(duì)瓦斯爆炸事故的應(yīng)急救援控制、救援與處置能力,筆者引入未確知測(cè)度和博弈論理論,構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力綜合評(píng)估模型,最后將該模型應(yīng)用于某高瓦斯煤礦的應(yīng)急救援能力的綜合評(píng)估,以校驗(yàn)其合理性與有效性,為煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估提供一定的技術(shù)支持。
煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素分析是應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建的基礎(chǔ)。煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援流程如圖1所示。由圖1可知,應(yīng)該從4個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故的應(yīng)急救援能力提升工作:
圖1 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援流程
1)瓦斯爆炸事故預(yù)防是應(yīng)急救援管理工作的核心[15]。一方面應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)“一通三防”,加強(qiáng)煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)監(jiān)控;另一方面應(yīng)不斷提高安全人員風(fēng)險(xiǎn)意識(shí),明確瓦斯事故的應(yīng)急救援任務(wù)與應(yīng)急流程。
2)應(yīng)急準(zhǔn)備的充分與否將關(guān)系到應(yīng)急響應(yīng)的迅捷程度。應(yīng)急預(yù)案的制定、應(yīng)急救援的演練、應(yīng)急隊(duì)伍的專業(yè)技能訓(xùn)練以及應(yīng)急救援技術(shù)裝備的完善等將直接影響到應(yīng)急接警的行動(dòng)時(shí)間。
3)應(yīng)急響應(yīng)是指在瓦斯爆炸事故發(fā)生后的緊急救援行動(dòng)。良好、迅捷的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制(如應(yīng)急啟動(dòng)的迅捷程度、應(yīng)急隊(duì)伍的組織程度以及事故現(xiàn)場(chǎng)的決策調(diào)度等)能夠最大化地防止事態(tài)惡化。
4)恢復(fù)重建是瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援過(guò)程中必不可少的一環(huán),主要包括事故原因分析、救援經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、應(yīng)急救援預(yù)案修訂。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了我國(guó)貴州、安徽、河南、山西等省份若干個(gè)高瓦斯煤礦的建設(shè)運(yùn)營(yíng)及實(shí)際應(yīng)急救援能力,并對(duì)應(yīng)急管理部的文件及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)分析。依據(jù)科學(xué)性與實(shí)事求是原則、系統(tǒng)性與全面性原則、定量與定性分析相結(jié)合的評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)原則,采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、文獻(xiàn)對(duì)比以及專家德?tīng)柗茮Q策法,確定煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)包括煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理X1、煤礦防瓦斯積聚能力X2、應(yīng)急救援技術(shù)保障X3、應(yīng)急救援組織保障X4、應(yīng)急救援裝備保障X5、煤礦救援恢復(fù)能力X6等6個(gè)方面。其中,煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理X1包括采煤工作面風(fēng)速X11、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)合理度X12、通風(fēng)動(dòng)力穩(wěn)定性X13、通風(fēng)設(shè)施可靠度X14、通風(fēng)管理科學(xué)性X15;煤礦防瓦斯積聚能力X2包括員工帶火作業(yè)培訓(xùn)程度X21、電氣設(shè)備失效防火性能X22、局部通風(fēng)機(jī)失效頻率X23、通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定頻率X24、煤層瓦斯含量X25、煤層相對(duì)瓦斯涌出量X26;應(yīng)急救援技術(shù)保障X3包括瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)功效X31、瓦斯預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)功效X32、應(yīng)急救援通訊聯(lián)絡(luò)性能X33、應(yīng)急救援信息共享水平X34;應(yīng)急救援組織保障X4包括應(yīng)急救援規(guī)章制度完善性X41、應(yīng)急救援組織結(jié)構(gòu)健全性X42、應(yīng)急救援決策調(diào)度能力X43、瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案周密性X44、瓦斯爆炸應(yīng)急演練頻次X45、瓦斯爆炸應(yīng)急啟動(dòng)機(jī)制X46;應(yīng)急救援裝備保障X5包括應(yīng)急救援設(shè)備配備水平X51、應(yīng)急救援醫(yī)療救護(hù)能力X52、應(yīng)急救援物資補(bǔ)給能力X53、應(yīng)急救援交通便捷能力X54;煤礦救援恢復(fù)能力X6包括瓦斯爆炸事故調(diào)查處理X61、瓦斯爆炸事故善后處理X62、瓦斯爆炸事故生產(chǎn)恢復(fù)X63、瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案修訂X64,共29項(xiàng)。
煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)選取與量化分級(jí)是否科學(xué)、合理將全面影響應(yīng)急救援能力評(píng)估的準(zhǔn)確性、可靠性,因此為減少煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估過(guò)程中的模糊性與不確定性問(wèn)題,對(duì)應(yīng)急救援能力評(píng)估進(jìn)行定性與定量分級(jí),見(jiàn)表1。
表1 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)準(zhǔn)則
將應(yīng)急救援能力評(píng)估等級(jí)劃分為V1—V5五個(gè)級(jí)別,分別表示應(yīng)急救援能力的優(yōu)、良、中、差、劣,每個(gè)級(jí)別均有一個(gè)規(guī)定的量化數(shù)值區(qū)間。對(duì)于定性指標(biāo)如X22電氣設(shè)備失效防火性能、X31瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)功效、X32瓦斯預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)功效、X33應(yīng)急救援通訊聯(lián)絡(luò)性能、X43應(yīng)急救援決策調(diào)度能力、X52應(yīng)急救援醫(yī)療救護(hù)能力、X53應(yīng)急救援物資補(bǔ)給能力、X62瓦斯爆炸事故善后處理、X63瓦斯爆炸事故生產(chǎn)恢復(fù)、X64瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案修訂等采用半定量化的方式取值,即用定性語(yǔ)言將其劃分為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(見(jiàn)表1),括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為定性量化指標(biāo),在確定此系列指標(biāo)等級(jí)時(shí),根據(jù)煤礦的安管人員、監(jiān)管人員以及專家的意見(jiàn)與建議進(jìn)行評(píng)估;對(duì)于其余指標(biāo)則采用實(shí)際值對(duì)其進(jìn)行賦值分級(jí)[16]。
未確知測(cè)度理論可以將煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素中的定性評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)測(cè)度函數(shù)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)值[17],并結(jié)合博弈論組合賦權(quán)技術(shù),構(gòu)造基于未確知測(cè)度與博弈論的煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力綜合評(píng)價(jià)模型,其評(píng)價(jià)策略如圖2所示。
圖2 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)模型
若n為煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)空間I={I1,I2,…,In}的個(gè)數(shù);m為每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象所含有的應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)X={X1,X2,…,Xm}的個(gè)數(shù),則可構(gòu)成xi={xi1,xi2,…,xim}的m維向量,其中aij表示應(yīng)急救援能力指標(biāo)測(cè)度值。定義每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為V={V1,V2,…,Vk},若V1>V2,則稱V={V1,V2,…,Vk}為評(píng)價(jià)等級(jí)上的一個(gè)有序分割集,在本文中k取值為5。定義xij為第i個(gè)待評(píng)價(jià)高瓦斯礦井Im關(guān)于第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值,u=uijk(xij∈Vk)為xij屬于第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Nk的程度,若u同時(shí)滿足“非負(fù)有界性”[式(1)]、“歸一性”[式(2)]、“可加性”[式(3)],則u成為“未確知測(cè)度”[17]。
0
(1)
u(xij∈V)=1
(2)
為解決煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估過(guò)程中的不確定性問(wèn)題,利用應(yīng)用較為廣泛的直線法構(gòu)造單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)[18],如圖3所示,其通用函數(shù)表達(dá)式為:
式中,x為各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值;ui(x)、ui+1(x)分別表示指標(biāo)實(shí)測(cè)值x關(guān)于V3、V4的測(cè)度;ai、ai+1分別表示V3、V4上指標(biāo)實(shí)測(cè)值x的中間值。
圖3 未確知測(cè)度函數(shù)模型
于是由各指標(biāo)測(cè)度值uijk構(gòu)成的單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣為(uijk)m×p為:
則xij的單指標(biāo)未確知測(cè)度為矩陣(uijk)m×p的第j行[ui1kui2k…uijk]。
2.3.1 層次分析法確定主觀權(quán)重
層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)的計(jì)算步驟如下:首先,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,由專家對(duì)同一層次n個(gè)煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素的重要性進(jìn)行兩兩比較分析,構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣U;其次,利用求和法[19]及式(6)計(jì)算U的最大特征根λmax與對(duì)應(yīng)的權(quán)重特征向量ω。
為使得計(jì)算結(jié)果合理,需利用式(7)對(duì)U進(jìn)行一致性檢驗(yàn),當(dāng)RC≤0.1時(shí),認(rèn)為權(quán)重評(píng)價(jià)較為合理,否則需進(jìn)行修正,IR由文獻(xiàn)[19]確定。
式中,RC為一致性比例;IR為一致性指標(biāo)。
2.3.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重
熵權(quán)法(Entropy weight method,EWM)的計(jì)算步驟如下[20]:
式中,rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)者對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。
其次,由式(9)得第i個(gè)指標(biāo)中第j個(gè)評(píng)價(jià)者的比例fij:
然后,由式(10)得第i個(gè)指標(biāo)的熵值Hi:
其中,當(dāng)fij=0,令fijlnfij=0。
最后,由式(11)可計(jì)算得到第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)vi。
2.3.3 博弈論組合權(quán)重計(jì)算
為彌補(bǔ)主客觀權(quán)重之間既沖突又協(xié)調(diào)的矛盾,基于博弈論思想對(duì)煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行組合優(yōu)化,進(jìn)而得到更為合理有效的組合權(quán)重[16]。
1)各級(jí)權(quán)重向量計(jì)算。若AHP所確定的主觀權(quán)重為Wh1,EWM所確定的客觀權(quán)重為Wh3,即:
Wh=[wh1,wh3]T
(12)
同時(shí)引入線性組合系數(shù)αh記為:
αh=(α1,α2)
(13)
則以二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為例,權(quán)重向量線性組合為:
2)組合權(quán)重優(yōu)化。為使Wh與Wij的距離差值達(dá)最小值,利用式(15)對(duì)系數(shù)αh進(jìn)行優(yōu)化,即有:
則由矩陣的微分性質(zhì),可推導(dǎo)出式(16)的最優(yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件為:
3)歸一化處理。對(duì)系數(shù)αh利用式(17)進(jìn)行歸一化處理,則有:
則多指標(biāo)未確知測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣(uik)n×p為:
則多指標(biāo)未確知測(cè)度為矩陣(uik)n×p的第i行[ui1ui2…ujp]。
引入置信度λ∈[0.5,1),若N1>N2>…>Np,令:
則認(rèn)為該煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)等級(jí)屬于第k0個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Nk0。
選取山西某高瓦斯煤礦為研究背景,目前該煤層平均厚度約為5.60m,主采煤層工作平均風(fēng)速約為2.1m/s,煤層原始瓦斯含量約為11.24m3/t,煤層相對(duì)瓦斯涌出量約為9m3/t。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知,結(jié)合2020年該礦的實(shí)際情況以及應(yīng)急救援工作需求,煤礦通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定頻率為2次,安管人員的教育培訓(xùn)學(xué)時(shí)不低于120h,煤礦應(yīng)急演練頻次為12次,應(yīng)急信息共享時(shí)間與應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)間均在8min內(nèi),其余信息則由專家評(píng)估,見(jiàn)表2,并利用未確知測(cè)度與博弈論對(duì)其進(jìn)行礦井瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估。
表2 某高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)值
3.2.1 單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)構(gòu)造
結(jié)合式(4)構(gòu)造單指標(biāo)未知測(cè)度函數(shù),結(jié)合煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)體系及其標(biāo)準(zhǔn),采用直線型測(cè)度函數(shù),構(gòu)造煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)單指標(biāo)測(cè)度函數(shù),如圖4所示。
3.2.2 應(yīng)急救援能力測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算
依據(jù)表2的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及評(píng)估結(jié)果,結(jié)合所構(gòu)造的瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力單指標(biāo)測(cè)定函數(shù),可計(jì)算得該煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣(u1jk)29×5,如式(22)所示。
圖4 定性指標(biāo)未確知測(cè)度函數(shù)
3.2.3 應(yīng)急救援能力指標(biāo)組合賦權(quán)計(jì)算
為使得指標(biāo)能力評(píng)估權(quán)重更加滿足要求,專家的權(quán)威性量化標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3,結(jié)合單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣(u1jk)29×5,利用前文所述主觀權(quán)重法(AHP法)和客觀權(quán)重法(EWM法)分別計(jì)算瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力各指標(biāo)權(quán)重值,見(jiàn)表4。
表3 專家權(quán)威性量化標(biāo)準(zhǔn)
主客觀權(quán)重存在一定的差異,因此需要利用博弈論組合賦權(quán)法對(duì)應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行集成運(yùn)算。根據(jù)式(23)可計(jì)算得最優(yōu)化一階線性方程組為:
U5={0.436,0.182,0.363,0.057,0.054}
3.2.4 多指標(biāo)測(cè)度計(jì)算與置信度識(shí)別
由多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量U5及置信度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,取置信度λ=0.5,于是從小到大有k0=0.054+0.057+0.363+0.182=0.656>0.5,從大到小有k0=0.436+0.182=0.618>0.5。由此可知,二次判別結(jié)果一致,即可認(rèn)為該高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評(píng)估等級(jí)為良。根據(jù)調(diào)研資料顯示,將該評(píng)價(jià)結(jié)果與該高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,煤礦應(yīng)急救援能力的建立與健全是一項(xiàng)長(zhǎng)期安全管理工程,煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理、煤礦防瓦斯積聚能力、應(yīng)急救援技術(shù)保障、應(yīng)急救援組織保障、應(yīng)急救援裝備保障、煤礦救援恢復(fù)能力是保障煤礦安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn);對(duì)于該煤礦來(lái)說(shuō),應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)管控和事故隱患排查治理,持續(xù)有效地開(kāi)展瓦斯爆炸事故預(yù)防的安全檢查、應(yīng)急演練、應(yīng)急救援工作。
表4 某高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)權(quán)重值
1)高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力影響因素眾多,以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與文獻(xiàn)查閱為手段,綜合考慮6方面共29項(xiàng)判別指標(biāo),研究了各指標(biāo)的定性與定量分級(jí)準(zhǔn)則,為煤礦應(yīng)急救援能力綜合評(píng)價(jià)提供了一定基礎(chǔ)。
2)針對(duì)高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)過(guò)程的主觀性問(wèn)題,基于未確知測(cè)度理論建立了瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評(píng)估模型。該模型選用直線法構(gòu)造單指標(biāo)測(cè)度函數(shù),結(jié)合博弈論確定指標(biāo)權(quán)重并計(jì)算多指標(biāo)測(cè)度,利用置信度準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)急救援能力進(jìn)行排序。
3以山西某高瓦斯煤礦為例,實(shí)地考察該高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)值評(píng)價(jià)值,模型評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際論證結(jié)果較為吻合,可為煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力提升和安全管控提供一定的理論支持。為使得該模型具有較高的實(shí)用性與可操作性,后續(xù)研究可結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)、集成人工智能算法,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援能力評(píng)估的智能化水平。