基于AHP-LS的智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險評估

鐘 瑞,汪曉霖,董承旺,尹里剛,俞雄志

(1.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司,湖北 武漢 430080;2.武鋼資源集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430080)

0 引言

隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展,我國礦山繼工業(yè)化、數(shù)字化建設(shè)之后,正逐步向信息化、智能化方向發(fā)展[1]。以5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等為代表的新型技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山建設(shè)[2]。目前,我國礦山安全生產(chǎn)科技水平隨著礦山智慧化的推進(jìn)而得到了巨大提升,礦山生產(chǎn)運(yùn)作模式也由傳統(tǒng)的人工開采向遠(yuǎn)程化、自動化的智能設(shè)備開采轉(zhuǎn)變,人工成本大大降低,設(shè)備利用率和資源利用率得到較大提高[3-5]。隨著智慧礦山智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用,我國礦山安全生產(chǎn)狀況明顯好轉(zhuǎn),死亡率顯著降低[6]。

智慧礦山智能設(shè)備區(qū)別于傳統(tǒng)礦山設(shè)備之處在于其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和自動運(yùn)行[7]。隨著設(shè)備運(yùn)作模式的巨大改變,智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備有關(guān)人員、設(shè)備、環(huán)境等方面的應(yīng)用安全風(fēng)險顯著區(qū)別于傳統(tǒng)風(fēng)險管理?；诖?本文以某地下礦山智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),通過現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢,結(jié)合層次分析法(AHP)和風(fēng)險矩陣評估法(LS),構(gòu)建智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險評估模型,對遠(yuǎn)程自動化設(shè)備在礦山實(shí)際應(yīng)用中的單個風(fēng)險影響因素進(jìn)行量化評價,同時對整個體系的風(fēng)險因素作出危害性等級評估,旨在為礦山風(fēng)險管控提供參考。

1 研究方法

1.1 層次分析法

層次分析法是Saaty[8-9]在20世紀(jì)70年代初提出的一種結(jié)合定性分析和定量分析來解決多因素且難以完全定量分析的復(fù)雜系統(tǒng)問題的分析方法,其基本分析步驟[10-11]敘述如下。

1)建立層次結(jié)構(gòu)體系

層次結(jié)構(gòu)體系是按照系統(tǒng)分析思想,將影響目標(biāo)問題的指標(biāo)因素逐一列出,再依據(jù)因素之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分層,每層指標(biāo)因素又通過隸屬關(guān)系與上層指標(biāo)連接,最后形成階梯狀的結(jié)構(gòu)體系。層次體系的最上層為目標(biāo)層,即需要分析解決的目標(biāo)問題;中間層為準(zhǔn)則層,是解決目標(biāo)問題的準(zhǔn)則;最下層為因素層,是影響目標(biāo)問題的基本單元。

2)構(gòu)造判斷矩陣

將每層隸屬于同一評價準(zhǔn)則的指標(biāo)因素,依據(jù)其對應(yīng)上一層指標(biāo)的重要程度進(jìn)行兩兩比較,得到判斷矩陣:

矩陣性質(zhì)為

矩陣元素aij按“1-9”標(biāo)度法確定,判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 “1-9”標(biāo)度法

3)計(jì)算層次單排序并檢驗(yàn)一致性

對判斷矩陣A的各行元素值的乘積開n次方:

經(jīng)歸一化后得到權(quán)向量W=(W1,W2,…,Wn)(向量中各元素之和等于1),向量中的元素值即為對應(yīng)指標(biāo)因素的單排序權(quán)重。

一致性檢驗(yàn)步驟為:

(1)判斷矩陣A的行向量B乘以其權(quán)向量W,得到賦權(quán)和向量;

(2)每個賦權(quán)和向量的分量分別除以對應(yīng)的權(quán)向量的分量,即第i個賦權(quán)向量的分量除以第i個權(quán)的分量,然后累加后求得判斷矩陣A的最大特征值λmax;

(3)計(jì)算一致性指標(biāo)CI

式中:n為矩陣A的階數(shù);當(dāng)CI=0時,具備完全一致性;當(dāng)CI接近0時,具備滿意一致性;CI越大,不一致性越嚴(yán)重。

(4)計(jì)算一致性檢驗(yàn)系數(shù)CR

式中,RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),其取值和判斷矩陣階數(shù)有關(guān),階數(shù)越大,越易出現(xiàn)一致性偏離;RI取值見表2。CR為一致性檢驗(yàn)系數(shù),當(dāng)CR<0.1時,檢驗(yàn)合格;反之一致性檢驗(yàn)不通過,需重構(gòu)判斷矩陣,并再次檢驗(yàn)一致性,直至檢驗(yàn)合格。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

4)計(jì)算層次總排序并檢驗(yàn)一致性

計(jì)算某層所有指標(biāo)因素相對總目標(biāo)的組合權(quán)重,即為層次總排序,然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算式為

式中:b1,b2,…,bn為該層指標(biāo)因素對目標(biāo)的排序;CIi、RIi(i=1,2,3,…,n)分別為下層指標(biāo)因素相對該層元素層次單排序的一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)。

1.2 風(fēng)險矩陣法

風(fēng)險矩陣法是一種將定性或半定量的后果分級與產(chǎn)生一定水平風(fēng)險的可能性等級相結(jié)合的風(fēng)險評估分析方法。風(fēng)險矩陣法源于“風(fēng)險度(R)=事故的概率(L)×事故的嚴(yán)重度(S)”的模型,其核心是構(gòu)建風(fēng)險矩陣。

風(fēng)險矩陣的主要內(nèi)容[12-13]包括:代表危害事件后果嚴(yán)重度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn),代表危害事件發(fā)生可能性概率的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及表示風(fēng)險危險性等級的矩陣元素。其中,風(fēng)險矩陣的階數(shù)越高,后果嚴(yán)重度等級和可能性概率的劃分越細(xì)致,對評估人員的分析思維要求越高。

風(fēng)險矩陣法分析步驟為:①系統(tǒng)分析目標(biāo)問題的影響事件,辨識風(fēng)險因素;②進(jìn)行風(fēng)險分析,評估各風(fēng)險因素事件的后果嚴(yán)重度等級和可能性概率;③根據(jù)決策者的評估需求,構(gòu)建風(fēng)險矩陣,評價各風(fēng)險事件的危險性等級。

AHP-LS綜合評估法就是將風(fēng)險矩陣中風(fēng)險后果的嚴(yán)重性等級用層次分析法的量化權(quán)重來評判,以減小主觀評判的誤差;之后運(yùn)用德爾菲法對各指標(biāo)因素發(fā)生的概率進(jìn)行評估;最終依據(jù)風(fēng)險評判矩陣確定各風(fēng)險指標(biāo)因素的危險性等級。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 應(yīng)用背景

某地下礦山為提升礦山安全生產(chǎn)技術(shù)水平,保障礦山可持續(xù)發(fā)展,需對現(xiàn)有礦井設(shè)備設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程自動化改造,該改造工程涉及通風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、提升機(jī)等礦山機(jī)電設(shè)備。通過實(shí)時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài),傳輸設(shè)備參數(shù),經(jīng)系統(tǒng)分析決策后,遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)施的自動化運(yùn)行。遠(yuǎn)程自動化設(shè)備改造后,礦山部分作業(yè)過程被自動化機(jī)械設(shè)備取代,不僅提高了礦山生產(chǎn)效率,還降低了作業(yè)成本和人員井下作業(yè)風(fēng)險,從技術(shù)方面保障了礦山生產(chǎn)安全。但新的安全風(fēng)險問題[14-19]隨之凸顯,主要包括3個方面:

a.人因安全問題。由人的不安全行為和管理上的部分缺陷導(dǎo)致,主要有非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、操作失誤、點(diǎn)檢巡查問題等。

b.設(shè)備安全問題。設(shè)備自身狀態(tài)問題和防護(hù)水平問題,包括設(shè)備故障、設(shè)備缺陷、電源問題、網(wǎng)絡(luò)問題、安全防護(hù)問題等。

c.環(huán)境安全問題?？赡軐υO(shè)備造成危害的風(fēng)險因素,包括電磁、圍巖、溫濕度、振動沖擊等。

2.2 層次模型構(gòu)建

通過對該礦的現(xiàn)場調(diào)查和風(fēng)險資料分析,結(jié)合同類地下礦山機(jī)電設(shè)備的相關(guān)安全資料,基于層次分析思想,將遠(yuǎn)程自動化設(shè)備在應(yīng)用中的安全風(fēng)險影響因素劃分為3個層次:①目標(biāo)層,即遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險評估;②準(zhǔn)則層,分為人因風(fēng)險(B1)、設(shè)備風(fēng)險(B2)、環(huán)境風(fēng)險(B3);③因素層,由實(shí)際影響因素類型按照隸屬關(guān)系劃分為13個二級指標(biāo)。最終構(gòu)建智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系(見圖1)。

圖1 智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2.3 風(fēng)險權(quán)重計(jì)算

針對智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系,根據(jù)層次分析法分析步驟構(gòu)建判斷矩陣,計(jì)算權(quán)向量并檢驗(yàn)一致性,結(jié)果見表3-表6。

表3 一級指標(biāo)層對目標(biāo)層(A-B)判斷矩陣及結(jié)果

表4 B1-C判斷矩陣及結(jié)果

表5 B2-C判斷矩陣及結(jié)果

表6 B3-C判斷矩陣及結(jié)果

由表3-表6可知,各判斷矩陣均通過一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)層次總排序一致性為

CR=

由上可知,層次總排序滿足一致性要求。智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險因素相對總目標(biāo)權(quán)重結(jié)果及排序見表7。

表7 智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險組合權(quán)重

根據(jù)表3-表6的層次單排序和表7的組合權(quán)重排序可知:

a.智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險中,設(shè)備自身存在的風(fēng)險對遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全影響最大,其次為人因風(fēng)險,最后為環(huán)境風(fēng)險。

b.人因風(fēng)險層面。操作失誤的權(quán)重遠(yuǎn)大于非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、點(diǎn)檢巡查頻率及項(xiàng)目缺失3個風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重。因此,在智慧礦山生產(chǎn)運(yùn)營中管理者要注重加強(qiáng)對工人的崗位知識培訓(xùn),確保其能力符合上崗標(biāo)準(zhǔn)。

c.設(shè)備風(fēng)險層面。各風(fēng)險因素權(quán)重的排序?yàn)?設(shè)備安全防護(hù)水平>設(shè)備缺陷>設(shè)備故障>網(wǎng)絡(luò)傳輸故障>電源異常,且設(shè)備安全防護(hù)水平對遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全的影響明顯高于其他幾個因素,這說明在智慧礦山安全生產(chǎn)管理中,要注重提高遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全水平,完善安全防護(hù)和預(yù)警裝置,保障設(shè)備和人員安全。

d.環(huán)境風(fēng)險層面。電磁干擾的權(quán)重最大,說明電磁場的影響對遠(yuǎn)程自動化設(shè)備的安全危害最大,管理者應(yīng)對此加強(qiáng)防范。

2.4 風(fēng)險矩陣構(gòu)建及危害性等級評判

借鑒生產(chǎn)安全事故風(fēng)險等級的劃分方法,根據(jù)作業(yè)人身傷害程度和對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響程度,將安全風(fēng)險危害事件的后果嚴(yán)重度分為4個等級(見表8)。根據(jù)安全風(fēng)險危害事件發(fā)生的頻繁程度,將安全風(fēng)險危害事件發(fā)生的可能性分為5個等級(見表9)。依據(jù)安全風(fēng)險危害的后果嚴(yán)重度和可能性等級的確定過程建立安全風(fēng)險危險性等級對照表,采用矩陣法描述安全風(fēng)險的危險性等級(見表10)。

表8 危害事件的后果嚴(yán)重度等級

表9 危害事件的可能性等級

表10 危險性等級對照

綜上所述,AHP-LS綜合評估法就是將風(fēng)險矩陣中風(fēng)險后果的嚴(yán)重性等級用層次分析法的量化權(quán)重來評判(見表8),以減小主觀評判的誤差;同時通過德爾菲法確定各風(fēng)險因素發(fā)生的可能性等級(見表9);最后根據(jù)表10得到遠(yuǎn)程自動化設(shè)備風(fēng)險因素危害性等級(見表11)。由表11可知,在遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全風(fēng)險體系中,遠(yuǎn)程自動化設(shè)備的安全防護(hù)水平是影響遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全的關(guān)鍵因素,其風(fēng)險危害最大;非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、操作失誤、設(shè)備故障、設(shè)備缺陷、振動沖擊6個影響因素風(fēng)險危害一般;點(diǎn)檢巡查頻率及項(xiàng)目缺失、電源異常、網(wǎng)絡(luò)傳輸故障、電磁干擾、圍巖松動、溫濕度6個影響因素風(fēng)險危害相對較小。

表11 風(fēng)險矩陣危害性等級評判結(jié)果

3 結(jié)論

a.結(jié)合層次分析法和風(fēng)險矩陣評估法,構(gòu)建了智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險評估模型,對遠(yuǎn)程自動化設(shè)備在礦山實(shí)際應(yīng)用中的單個風(fēng)險影響因素進(jìn)行了量化評價,同時對整個體系的風(fēng)險因素作出了危害性等級評估。研究結(jié)論具有一定的代表性,對于礦山智慧化進(jìn)程中的風(fēng)險管控工作具有一定的指導(dǎo)意義。

b.在智慧礦山遠(yuǎn)程自動化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險體系中,遠(yuǎn)程自動化設(shè)備自身安全狀態(tài)和其本身的安全防護(hù)水平對其應(yīng)用安全影響最大,符合生產(chǎn)實(shí)際。礦山在日常風(fēng)險管理工作中,應(yīng)重點(diǎn)把控設(shè)備安全狀態(tài),加強(qiáng)設(shè)備點(diǎn)檢和巡查工作,完善遠(yuǎn)程自動化設(shè)備安全防護(hù)配置;同時也不能忽視對人因風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險的管控,以確保礦山生產(chǎn)安全運(yùn)行。

c.AHP-LS綜合評估法將定性分析和定量分析有機(jī)結(jié)合,既體現(xiàn)了評估過程的系統(tǒng)性,又降低了主觀分析帶來的誤差,邏輯清晰,操作簡單,能準(zhǔn)確獲取風(fēng)險因素的量化指標(biāo),具有較大的靈活性,適用于礦山風(fēng)險評估工作,可為礦山風(fēng)險管控提供參考。