基于FAHP-MODM煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性綜合評價

楊 洋，顏愛華，王國棟，侯蕊芳，程斌斌

(應(yīng)急管理部研究中心，北京 100013)

煤炭資源在地下賦存以及開采過程中會造成煤自燃，從而造成煤礦火災(zāi)事故[1]。為了預(yù)防煤礦火災(zāi)事故的發(fā)生，煤礦會布置防滅火系統(tǒng)[2]防止煤火的發(fā)生并預(yù)警和防止煤火擴散[3]，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的作用，因此需要進行可靠性分析。目前，煤礦防滅火系統(tǒng)的分析研究主要包括防滅火措施和評價兩個方面。在防滅火措施方面，采用的有惰性氣體防滅火[4]、阻化劑防滅火[5]、注漿防滅火[6]、均壓防滅火措施[7]等。依據(jù)成莊煤礦賦存情況、煤燃燒特性及煤礦地質(zhì)情況，分析了成莊煤礦防滅火系統(tǒng)中存在的問題[8]。神東針對礦區(qū)淺埋易自燃煤層特點，建立了特大井田淺埋深易自燃煤層自燃災(zāi)害防治的技術(shù)體系，消除煤炭自燃威脅[9]。烏蘭煤礦根據(jù)采空區(qū)達到惰化濃度、噸煤注氮量、采空區(qū)氧化帶氧濃度等方法對注氮量進行了核算，對現(xiàn)有注氮管路進行了改造[10]?？梢钥闯鲆陨厦旱V都是根據(jù)煤礦實際情況對煤礦防滅火系統(tǒng)選用合理的設(shè)計和改進。在煤礦防滅火系統(tǒng)評價方面，主要采用層次分析法和德爾菲法(定性分析)、灰色理論法(半定性定量分析)以及模糊綜合評價(定量分析)開展相關(guān)研究。陳思遠[11]以模糊理論為基礎(chǔ)，利用模糊綜合評價方法對億隆煤業(yè)的人員素質(zhì)、安全管理、通風(fēng)安全等6個指標(biāo)進行了評價。翟繼云[12]通過運用模糊綜合評價對抗火災(zāi)能力進行綜合評價，最后優(yōu)化均壓措施提高抗火災(zāi)能力。陳小林[13]和韓文彬[14]基于層次分析法，對工作自然發(fā)火影響因素進行了理論分析，得到火災(zāi)風(fēng)險階段性多指標(biāo)綜合評價方法。翟小偉結(jié)合系統(tǒng)工程原理構(gòu)建煤自燃危險性影響因素的結(jié)構(gòu)方程模型，并基于該模型對煤自燃危險性進行綜合評價[15]。然而，由于煤礦火災(zāi)系統(tǒng)的復(fù)雜性和動態(tài)性，采用單一評價方法難以滿足評價需求，需采用綜合評價方法進行評價。

通過以上文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦防滅火系統(tǒng)不只是防火措施，而是“人-機-環(huán)-管”的綜合性系統(tǒng)，因此要對煤礦防滅火系統(tǒng)建立一個合理的評價體系，對其進行綜合性的可靠性分析。因此，本文通過FAHP-MODM可靠性評價方法，通過對構(gòu)建的煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，從主觀和客觀兩個方面進行綜合性的可靠性評價，為煤礦安全生產(chǎn)提供理論支持。

1 FAHP-MODM可靠性評價

1.1 可靠性評價

FAHP-MODM是一種將模糊層次分析法和多目標(biāo)決策方法進行綜合的系統(tǒng)可靠性評價方法。模糊層次分析法[16](Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)，是一種將定性與定量評價相結(jié)合的主觀評價模型，主要依賴于專家的主觀認(rèn)識在體系評價、系統(tǒng)優(yōu)化、能力評估方面廣泛應(yīng)用；而多目標(biāo)決策分析[17](Multi-Objective Decision-Making，MODM)，是通過系統(tǒng)中每一個指標(biāo)體系具體的信息量的大小以及各指標(biāo)在實際過程中體現(xiàn)出來的信息量值，對綜合評價系統(tǒng)可靠性進行定量評價。因此，通過將FAHP和MODM方法進行綜合使用，可以對所評價的系統(tǒng)從主觀方面和客觀方面進行綜合評價，互補他們之前的短板，使評價結(jié)果合理可行，可靠性評價的流程如圖1所示。

圖1 FAHP-MODM可靠性評價方法的流程

1.2 FAHP的評價過程

模糊層次分析法(FAHP)，一般先用層次分析法確定因素集，然后通過模擬綜合評價確定評判的效果。在進行評價前需要對所要評價的系統(tǒng)進行全面分析，確定評價指標(biāo)因素之間的層次關(guān)系，形成系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。隨后，需要專家根據(jù)自己的經(jīng)驗對系統(tǒng)指標(biāo)體系同一層級的指標(biāo)字表進行兩兩比較，確定他們之間的相互層級關(guān)系，構(gòu)建判斷矩陣。兩兩比較的原則是通過三角模糊數(shù)學(xué)進行標(biāo)定[18]。

為了保證后續(xù)計算和排序的準(zhǔn)確性，構(gòu)建的判斷矩陣需要進行一致性檢驗，具體方法可參考文獻[19]。一致性檢驗合格之后，按照判斷矩陣計算出各層次中各個因素的重要性排序，一般計算方法分為特征根法和方根法。將計算出來的結(jié)果按照式(1)進行歸一化處理得到各因素的權(quán)重向量w=(w1，w2，…，wn)。

通過以上計算可以得到系統(tǒng)中相同層級各因素的權(quán)重值，為了得到層次總排序，特別是最低層次各因素在系統(tǒng)中的總排序權(quán)重，即主觀權(quán)重，需要通過式(2)進行轉(zhuǎn)化。

w主觀i=wi×w上層i

(2)

式中，w主觀i為第i個因素的主觀權(quán)重值；w上層i為第i個因素的上層指標(biāo)權(quán)重值。

1.3 MODM的評價過程

多目標(biāo)決策分析(MODM)是通過信息決策中各因素的信息量的大小來判斷其在整個決策中的權(quán)重值。在決策中，如果一個因素的信息量越多，則這個因素相對于“優(yōu)”的程度越大，在信息中越起作用，相對優(yōu)屬度越高。而對于系統(tǒng)中，各因素的相對優(yōu)屬度相對于“優(yōu)”的程度越大，則這個因素相對于整個系統(tǒng)對可靠性的程度越高。一般情況下，相對優(yōu)屬度一般分為四個目標(biāo)類型，分別是效益型、成本型、固定型和區(qū)間型[20]。而各因素在系統(tǒng)中根據(jù)實際情況，對每個指標(biāo)賦值來形成目標(biāo)矩陣F，通過每個類型不同的轉(zhuǎn)化方法將目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)化為相對優(yōu)屬度矩陣μ，具體每個類型的概念及轉(zhuǎn)化方法可參考文獻[20]。

設(shè)有n個項目，涉及m個子因素，對于第i個項目的第j個子因素用fij表示，設(shè)初始數(shù)據(jù)目標(biāo)矩陣為F={fij}m×n，則經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化公式處理后得到相對優(yōu)屬度矩陣U={μij}m×n。

模糊層次分析法所得出的各個指標(biāo)數(shù)值都是通過專家偏好進行主觀確定的，因此具有一定的主觀特性。而多目標(biāo)決策分析方法的各個指標(biāo)都是客觀實際反映出來的，不存在主觀性，故該方法得出來的指標(biāo)權(quán)重為客觀權(quán)重。計算多目標(biāo)決策的客觀權(quán)重一般采用的是離差最大化方法得出，由相對優(yōu)屬度矩陣U得出其中指標(biāo)i的客觀權(quán)重vi為：

式中，j和k為不同觀測點；|μij-μik|為第i個指標(biāo)，觀測點j與觀測點k優(yōu)屬度偏差。

1.4 綜合可靠性評價指標(biāo)的確定

FAHP-MODM是結(jié)合模糊層次分析法的主觀權(quán)重和多目標(biāo)決策方法的客觀權(quán)重。對一個系統(tǒng)進行綜合評價時，需要將這些主觀權(quán)重和客觀權(quán)重有機地結(jié)合起來，從而得出各個指標(biāo)的綜合權(quán)重ai：

然后通過多目標(biāo)決策法的線性加權(quán)和方法計算各個決策的綜合指標(biāo)yj：

最后再通過各個決策的綜合指標(biāo)yj的大小值進行排序得出每個觀測點的等級。

2 煤礦防滅火系統(tǒng)評價體系構(gòu)建

2.1 煤礦防滅火系統(tǒng)

煤礦防滅火系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，單一從設(shè)備設(shè)施進行分析具有片面性，不能全面地體現(xiàn)煤礦防滅火系統(tǒng)的整體性能。同時，2022年我國頒布了一部綜合性的煤礦火災(zāi)防治規(guī)范性文件，即2022版本《煤礦防滅火細(xì)則》，從煤礦火災(zāi)發(fā)生的內(nèi)外因素、火災(zāi)監(jiān)測監(jiān)控、防火技術(shù)、應(yīng)急處置、井下火區(qū)管理和露天煤礦防滅火七個方面對煤礦火災(zāi)防治提出了規(guī)范性要求。而按照安全系統(tǒng)工程理論，可以將以上規(guī)范性要求從“人-機-環(huán)-管”四個方面、按照系統(tǒng)分析、與研究對象緊密結(jié)合、可操作性進行系統(tǒng)性、規(guī)范化的基本原則劃分，參考有關(guān)煤礦防滅火系統(tǒng)的研究論文[21-23]，并基于此進行FAHP-MODM的可靠性分析。

1)人主要是指煤礦的作業(yè)人員和管理人員對防滅火系統(tǒng)的了解和使用中表現(xiàn)出來的整體安全素質(zhì)，主要包括了安全操作考核成績、應(yīng)急處置考核成績、設(shè)備故障處理合格率三個方面。

2)機主要是指防滅火系統(tǒng)中涉及的設(shè)備設(shè)施方面，每個煤礦根據(jù)各自的情況采用不同的防滅火系統(tǒng)，因此本文的防滅火設(shè)備設(shè)施指的是煤礦防滅火設(shè)備設(shè)施總和，概括起來主要包括防火系統(tǒng)設(shè)施、滅火系統(tǒng)設(shè)施、煤自燃監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)施。

3)環(huán)主要是指煤礦下的作業(yè)環(huán)境及煤本身自燃特性，主要包括了采空區(qū)煤的破碎程度、采空區(qū)的漏風(fēng)率、工作面溫度、工作面氧氣濃度、回風(fēng)巷一氧化碳濃度、回風(fēng)巷二氧化碳濃度。

4)管主要是指根據(jù)法律法規(guī)要求制定的煤礦防滅火方面的規(guī)章制度，主要包括應(yīng)急救援預(yù)案、煤礦防滅火專項設(shè)計、安全生產(chǎn)費用支出制度、設(shè)備設(shè)施檢查。

2.2 煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過上節(jié)對煤礦防滅火系統(tǒng)的整體劃分，可以進一步構(gòu)建煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，將一級指標(biāo)層定義為煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性，即目標(biāo)層；二級指標(biāo)層劃分為員工安全素質(zhì)、防火系統(tǒng)設(shè)施、煤火系統(tǒng)設(shè)施等8個指標(biāo)；三級指標(biāo)層在二級指標(biāo)層的基礎(chǔ)上進一步細(xì)分為28個指標(biāo)，具體見表1。

通過上文確定的煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，基于《中華人民共和國礦山安全法》《國務(wù)院關(guān)于預(yù)防煤礦生產(chǎn)安全事故的特別規(guī)定》《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防滅火細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，可以確定每個三級指標(biāo)的目標(biāo)類型和等級界限，為構(gòu)建目標(biāo)決策矩陣和進行可靠性等級的劃分提供客觀數(shù)值依據(jù)，其中Ⅰ級為非?？煽?、Ⅱ級為很可靠、Ⅲ級為可靠、Ⅳ級為不可靠、Ⅴ級為很不可靠。同時，按照上述FAHP評價方法，通過文獻調(diào)研對每個煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系進行分析計算，得到每個三級指標(biāo)的主觀權(quán)重，為最終計算綜合權(quán)重提供依據(jù)。

通過煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性評價表，按照第一節(jié)中的方法就可以對需要進行可靠性評價的煤礦防滅火系統(tǒng)進行分析計算，得到每個評價點的可靠性等級，發(fā)現(xiàn)本煤礦的防滅火系統(tǒng)中存在的問題，并采取相應(yīng)的措施。

表1 煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性評價

3 實例應(yīng)用

3.1 煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性計算

按照上文的方法，選取了5個煤礦在防滅火各方面的實測數(shù)據(jù)，對每個煤礦防滅火系統(tǒng)進行可靠性計算及分析。各煤礦防滅火系統(tǒng)的指標(biāo)實測數(shù)據(jù)值見表2。各指標(biāo)的主觀權(quán)重值在表1中已經(jīng)標(biāo)出，則需要計算各指標(biāo)的客觀權(quán)重值，隨后計算出各個煤礦的可靠性指標(biāo)，提出針對性的意見。

首先，要計算相對優(yōu)屬度矩陣，并得到主觀權(quán)重值。將表2中各煤礦的實測數(shù)據(jù)構(gòu)建目標(biāo)決策矩陣F，按照表1中各指標(biāo)的類型，將目標(biāo)決策矩陣F轉(zhuǎn)化為相對優(yōu)屬度矩陣U?；谙鄬?yōu)屬度矩陣按照式(3)計算出在此次可靠性分析中煤礦防滅火系統(tǒng)的客觀權(quán)重vi。

其次，計算綜合權(quán)重值。通過以上計算得到此次可靠性分析中煤礦防滅火系統(tǒng)的主觀權(quán)重wi和客觀權(quán)重vi，按照式(4)計算出綜合權(quán)重ai，結(jié)果見表3。

最后，計算各煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性綜合評價值。根據(jù)對各煤礦防滅火系統(tǒng)的主客觀權(quán)重，計算得到綜合權(quán)重值，即相對優(yōu)屬度矩陣，按照式(6)計算得到各煤礦防滅火系統(tǒng)的綜合評價值：

y=[y1，y2，…，y9，y10]=

[0.8683，0.7734，0.6090，0.4697，0.3928，

0.4985，0.5875，0.5622，0.6498，0.8310]

(6)

其中，前五個值分別表示五個可靠性等級的邊界值，分別是Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ等級。后五個值分別表示五個煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性等級。按照計算得到的結(jié)果，可以對五個煤礦在防滅火系統(tǒng)方面的可靠性等級進行排序，即Ⅰ>煤礦5>Ⅱ>煤礦4>Ⅲ>煤礦2>煤礦3>Ⅳ>煤礦1>Ⅴ。

表2 各煤礦防滅火系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

表3 煤礦防滅火系統(tǒng)主觀、客觀及綜合權(quán)重值

通過以上計算可以得到，各煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性等級：煤礦1很不可靠、煤礦2和煤礦3為不可靠、煤礦4為可靠、煤礦5為很可靠。

3.2 煤礦防滅火系統(tǒng)計算結(jié)果分析

通過以上對5個煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性評價，得出了各個煤礦的可靠性等級，其中煤礦1、煤礦2和煤礦3為不可靠，煤礦4和煤礦5為可靠。從表3中可以看出，每個煤礦在各項指標(biāo)中均存在較大的差異性，對各煤礦的評價結(jié)果分析如下：

1)煤礦2和煤礦3煤的吸氧量和松散程度較高，采空區(qū)一氧化碳濃度高，較容易發(fā)生煤自燃。同時，這兩個煤礦的設(shè)備設(shè)施在檢修率、合格率、設(shè)備穩(wěn)定性等方面效率較低，安全生產(chǎn)費用投資低，導(dǎo)致防滅火系統(tǒng)的可靠性低。

2)煤礦1主要是員工素質(zhì)不高、監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)較低，工作面的環(huán)境較差，雖然管理較為完善，但最終評價為不可靠，需要加強對煤礦防滅火系統(tǒng)進行改進。

3)煤礦4和煤礦5整體員工素質(zhì)較高、管理較為完善，雖然設(shè)備設(shè)施的可靠性不高，防滅火系統(tǒng)評價結(jié)果為可靠。

煤礦企業(yè)可以針對以上評價結(jié)果，采取相應(yīng)整改措施提高防滅火系統(tǒng)的可靠性防止事故的發(fā)生。

最后，F(xiàn)AHP-MODM可靠性評價方法從主觀和客觀兩個方面對煤礦的防滅火系統(tǒng)進行了評價。如果單一從一個方面進行評價具有一定的局限性，不能充分考慮不同指標(biāo)的重要性以及各指標(biāo)在煤礦實際運行情況，而各指標(biāo)之間也是相互關(guān)聯(lián)的，最終會導(dǎo)致評價結(jié)果不準(zhǔn)確無法采取有效的整改措施。

4 結(jié) 論

1)通過安全系統(tǒng)工程的“人-機-環(huán)-管”四個方面，構(gòu)建了煤礦防滅火系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。按照相關(guān)法律法規(guī)的要求，對每個指標(biāo)的可靠性等級進行了劃分。通過FAHP方法，計算了每個指標(biāo)的主觀權(quán)重值。

2)通過FAHP-MODM可靠性評價方法，以5個煤礦為實例，通過計算防滅火可靠性介紹該評價方法的具體過程和方法。

3)通過煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性評價結(jié)果以及實際指標(biāo)值，對每個煤礦在防滅火系統(tǒng)方面的改進措施提出了意見，為煤礦企業(yè)在實際應(yīng)用中提供了理論指導(dǎo)。