基于熵權(quán)-集對分析法的礦井綜合安全評價

中圖分類號：TD67 文獻標志碼：A

Abstract：Theexisting mine safety evaluation methods adoptrelatively simple evaluation indicators and cannotquantitativelyanalyze theuncertainty degree ofvarious indicators，resulting in significant limitations in practical engineering applications.To addressthese problems，a comprehensive mine safety evaluation method based on entropy weight and set pair analysis method is proposed.First，a comprehensive mine safety evaluation index systemconsistingof19 indicators wasconstructed based onfour factors：human，machine，environment， and management.Then，the entropy weight method was used to automatically determine the weights according to thedegre ofdispersionofthesafety evaluationdata，whichcouldefectivelyavoid subjective interference while ensuringboth simplicityofcalculationandobjectivityandaccuracy.Finall，expert scoring wasusedto obtain the scores of each safety evaluation indicator，and set pair analysis method was applied to calculate the degree of connection between the indicator scoresand diferent risk levels.The weighted average method was further adopted to obtain the average connection degrebetween each evaluation object and diferent risk levels. Based on the maximum membership degree theory， the final mine safety risk level was determined. The application results showed that the calculated risk level of Xiaobaodang Mine using this method was low，which was consistent with the actual situation. The main unsafe factors of the mine were high worker fatigue rate during actual perations，low compliance rate of technical standards，slow equipment updates，and incomplete emergency management measures and untimely safety inspections. The method can provide a reference for improving mine safety in the future.

Key words： mine safety evaluation; entropy weight method; set pair analysis method; safety evaluation indicator; safety risk level

0引言

煤礦實際生產(chǎn)過程中往往伴隨著瓦斯爆炸、冒頂片幫、煤層自燃與透水涌水等安全隱患，盡管造成安全事故的主要原因各不相同，但不同安全事故之間的因素卻是相互影響與制約的[1]。20世紀以來，國內(nèi)多個礦井發(fā)生了頂板冒落[2]、瓦斯爆炸[3]、礦井坍塌[4]、透水[5]、火災[等安全事故，這些事故具有發(fā)生突然、破壞迅速、人員傷亡慘重等特點，加上礦井實際地質(zhì)條件復雜，使得事故救援難度極大。為有效應對安全挑戰(zhàn)，減少煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生，應及時采取防治措施，加強煤礦安全基礎(chǔ)工作，而安全評價就是其中最重要的工作之一[7]

關(guān)于煤礦安全評價的研究，我國雖然起步較晚，但也取得了一系列顯著成果[8-12]。層次分析法與模糊綜合評價法是最基礎(chǔ)的2種安全評價手段：姜青峰等[13]基于層次分析法與集對分析理論構(gòu)建了聯(lián)系數(shù)模型，對宿州某煤礦企業(yè)的火災風險進行評價；張順堂等[14]采用熵權(quán)法[15-16]和可變模糊評價方法構(gòu)建了基于二者的耦合模型，對山東多個煤礦的火災安全風險進行綜合評估；劉征等[17]從人-機-環(huán)角度出發(fā)，建立了基于改進層次分析法的通風系統(tǒng)安全模糊綜合評價模型。除了上述改進的基礎(chǔ)方法以外，學者們還提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦開采綜合安全風險評估方法[18]、基于改進博弈論和二維云模型的煤礦安全評價方法[19]、基于離差最大化組合賦權(quán)的煤礦安全評價法[20]及基于融合權(quán)與集對云的煤礦安全評價模型[21]等。

上述研究在一定程度上改善了我國煤礦安全生產(chǎn)風險較高的狀況。然而，礦井安全評價是一個涉及眾多因素、復雜且模糊的系統(tǒng)。針對單一災害因素的安全評價難以全面掌控礦井的實際安全風險。此外，一系列模糊評價方法在對各類指標進行定量分析時，無法確定其不確定性的程度?，F(xiàn)有安全評價方法在實際工程應用中存在明顯的局限性。熵權(quán)法作為一種基于信息熵原理的客觀賦權(quán)方法，能夠根據(jù)指標數(shù)據(jù)的離散程度自動確認權(quán)重，可有效避免主觀干預。與其他較依賴于專家判斷、主觀性較強的評價方法相比，熵權(quán)法在保持計算簡便的同時兼具客觀性與準確性。此外，集對分析理論可從綜合角度分析安全評價指標體系的確定和不確定性關(guān)系，解決了體系中灰色、模糊部分難以準確分析的問題。因此，本文以（以下簡稱小保當?shù)V井）為研究對象，提出基于熵權(quán)-集對分析法的礦井綜合安全評價方法。構(gòu)建全面且準確的礦并綜合安全評價指標體系；基于熵權(quán)法評定安全評價指標攜帶的信息量，從而確定客觀權(quán)重值；利用集對分析方法計算各評價指標聯(lián)系度及平均聯(lián)系度，最終確定礦井風險等級。

1基于熵權(quán)-集對分析法的礦井綜合安全評價方法

1.1礦井綜合安全評價指標體系

基于國家安全生產(chǎn)相關(guān)法律法規(guī)及專家與技術(shù)人員的意見，綜合評估小保當?shù)V并實際安全生產(chǎn)概況，將影響礦井安全生產(chǎn)的因素分為人、機、環(huán)、管4個方面[22]。礦井綜合安全評價指標體系如圖1所示。

1.2熵權(quán)法原理

目前礦并安全評價的依據(jù)主要來源于數(shù)據(jù)監(jiān)測及專家打分，后者的主觀性往往是造成評價偏差的主要原因，因此提高評價方法的客觀性尤為重要。與傳統(tǒng)的主觀評價方法不同，熵權(quán)法具有準確、客觀評價的優(yōu)點，其通過評定指標所攜帶的信息量來確定權(quán)重值，因此可減小層次分析法與隨其演變而來的主觀性安全評價方法所引起的誤差，從而得出更客觀的權(quán)重值[23]。熵權(quán)法的理論推導過程如下。

假設(shè)礦井綜合安全評價指標體系里共有 n 個評價對象，每個評價對象有 m 個礦井安全評價指標γ₁，γ₂，…，γ_m ，基于信息熵理論，第 j（Ωj=1，2，…，m） 個礦井安全評價指標的熵值為

礦井綜合安全評價指標體系人員因素 設(shè)備因素 環(huán)境因素 管理因素技術(shù)水平不達標率 違章作業(yè)率 疲勞作 電氣設(shè)備失爆 通風系統(tǒng)完善 設(shè)備更新率 地質(zhì)構(gòu)造復雜程度 層厚度變異性系 煤層自燃傾向性 存在明火可能性 瓦斯?jié)舛?粉塵分散 構(gòu)造帶透水 人為作業(yè)導致透水 頂?shù)装宸€(wěn)定度 安全管理制度完善程 安全組織機構(gòu)完善程度 應急管理措施完善程 安全監(jiān)查及時程度中 普程度 度 水率度 度

式中： ： p_ij 為第 i 個評價對象的第 j 個礦井安全評價指標在不同安全狀態(tài)下的概率。

設(shè)該礦井綜合安全評價指標體系的評價矩陣為M_ij=（φ_ij）_n×m ，其中 φ_ij 為第 i 個評價對象中第 j 個礦井安全評價指標分值。對所有的礦井安全評價指標實施標準化計算，推導出標準化之后的評價矩陣N_ij=（φ_ij^′）_n×m ，其中 φ_ij^′ 為 φ_ij 經(jīng)過標準化計算后的數(shù)值。此時 p_ij 的計算公式為

設(shè)第 j 個礦井安全評價指標的差異度系數(shù)為ε_j（ε_j=1-S_j） ，則第 j 個礦井安全評價指標的權(quán)重為

1.3集對分析原理

采用集對分析方法來表征礦井安全評價指標的風險程度[24]。理論上將2個具有特殊關(guān)系的集合稱為集對，集對分析方法將集對組合中的聯(lián)系分為2類：一類聯(lián)系是指存在某種確定性關(guān)系；另一類聯(lián)系是指存在某種不確定性關(guān)系。其中確定性關(guān)系采用同一度與對立度來衡量，不確定性關(guān)系采用差異度來衡量。引入同異反聯(lián)系度[25]（簡稱聯(lián)系度）的概念，用來表征2個集合在某種特定狀態(tài)下的聯(lián)系程度，其數(shù)學意義為同一度、對立度及差異度的代數(shù)和，實現(xiàn)對評價體系確定性與不確定性的綜合表征。

集對分析的特點是可以利用確定性與不確定性這2種關(guān)系來處理分析不同條件下的實際問題。假設(shè)有 A 和 B2 個集合，二者組成一個集對 O=（A，B） 其中共有 K 個特征，包括 P 個相同特征、 Q 個對立特征與 R 個差異特征，則2個集合之間有3種度量關(guān)系，為同一度、對立度與差異度，用 P/K，Q/K，R/K 表示。集對 O=（A，B） 的聯(lián)系度為

式中： ε 為差異度系數(shù)，取值為 [-1，1];a， ： b ， ∣c∣ 為系 數(shù)， a+b+c=1 ○

1.4熵權(quán)-集對分析法

將礦井安全評價指標分值構(gòu)成的集合與不同安全風險等級構(gòu)成的集合視為一個集對，其中礦井安全評價指標分值反映礦井綜合安全風險等級狀態(tài)。對以往的風險等級劃分標準進行綜合評判，將礦井安全風險分為5個等級，劃分依據(jù)與不同風險等級下的處理方式見表1。

1.4.1 聯(lián)系度確定

本文選用線性變化的聯(lián)系測度方法來分析各礦井安全評價指標分值與不同風險等級之間的聯(lián)系度，聯(lián)系度取值為[-1，1]。

礦井安全評價指標分值主要采用專家打分的形式得出，根據(jù)不同專家對礦井實際工程概況的了解來打分，得分越高代表安全風險越高。礦井安全評價指標分值與5種不同安全風險等級之間的聯(lián)系度計算公式如下。

第j個評價指標分值與礦井低風險等級之間的聯(lián)系度為

第 j 個評價指標分值與礦井較低風險等級之間的聯(lián)系度為

第 j 個評價指標分值與礦井中風險等級之間的聯(lián)系度為

第 j 個評價指標分值與礦井較高風險等級之間的聯(lián)系度為

第 j 個評價指標分值與礦井高風險等級之間的聯(lián)系度為

式中： φ_j 為第 j 個礦井安全評價指標分值; s_0j{_sjj 為5種礦井安全風險等級區(qū)間的臨界值。

1.4.2安全風險等級確定

確定礦井安全評價指標分值與不同風險等級之間的聯(lián)系度后，基于熵權(quán)理論公式得到客觀的指標權(quán)重 ω_j ，利用加權(quán)平均法得出每個評價對象與第q^{（q=1，2，…，5）} 類風險等級之間的平均聯(lián)系度：

根據(jù)平均聯(lián)系度，基于最大隸屬度理論（將平均

聯(lián)系度最大的集合作為最終的隸屬集合）確定礦井風險等級。

2 實例應用與分析

2.1礦井地質(zhì)條件

小保當?shù)V井地處省神木市境內(nèi)，位于榆神礦區(qū)中的三期規(guī)劃區(qū)內(nèi)。礦區(qū)地層條件表現(xiàn)為西南向且傾角1°左右的單斜構(gòu)造，在若干年的地質(zhì)構(gòu)造運動后，在小保當?shù)V井內(nèi)形成了垂直方向的假整合面，其中部分地區(qū)表現(xiàn)出不同尺寸的起伏狀地勢。礦區(qū)主要由灰白色、淺灰色中粒長石與優(yōu)質(zhì)砂巖組成。

2.2評價指標分值與權(quán)重

利用礦并綜合安全評價指標體系對不同的評價對象進行對應的數(shù)據(jù)收集工作，其中主要以文獻資料查詢、現(xiàn)場調(diào)研及煤礦企業(yè)安全部門的日常安全檢查記錄為原始數(shù)據(jù)來源，重點數(shù)據(jù)來源于小保當?shù)V井智能安全管控平臺。根據(jù)評價指標體系的安全等級定義安全評價標準，邀請5位專家學者對各評價指標進行綜合評價并打分，其中采用熵權(quán)法得出各評價指標的權(quán)重值，見表2。

2.3評價結(jié)果分析

將各礦井安全評價指標分值代入式（5）—式（9），計算出各礦井安全評價指標分值與不同風險等級之間的聯(lián)系度，結(jié)果見表3。

將表2中的權(quán)重值與表3中的聯(lián)系度代入式（10），求出平均聯(lián)系度，從而確定礦井風險等級，結(jié)果見表4。通過計算得出小保當?shù)V井目前所處的安全等級為較低風險，評價結(jié)果與小保當?shù)V井實際安全狀況一致。

由表2與表3分析可知，小保當?shù)V井安全風險影響因素表現(xiàn)在以下方面：人員因素方面主要表現(xiàn)為部分工作人員在實際操作中疲勞作業(yè)率相對較高，技術(shù)水平達標率較低；設(shè)備因素方面具體表現(xiàn)為設(shè)備更新?lián)Q代較慢；管理因素方面包括應急管理措施不完善、安全監(jiān)查不及時。因此，小保當?shù)V井領(lǐng)導者需針對煤礦生產(chǎn)安全管理制度進行完善，同時優(yōu)化煤礦生產(chǎn)過程中的安全組織結(jié)構(gòu)，加強作業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)水平，減少員工違章作業(yè)率，及時更新現(xiàn)代化開采設(shè)備，增強煤礦企業(yè)應對安全風險的能力。

3結(jié)論

1）構(gòu)建了包含4類安全風險因素、19個安全評價指標的礦井綜合安全評價指標體系。利用熵權(quán)法確定各指標的權(quán)重，減小了主觀性安全評價方法所引起的誤差，使評價結(jié)果更客觀。利用集對分析方法對礦井安全風險進行綜合評價，計算簡便，改善了以往評價過程中的模糊不確定性問題。

2）基于熵權(quán)-集對分析法計算得到的小保當?shù)V井風險等級為較低風險，與實際情況一致，驗證了該方法的可行性。

3）后續(xù)研究可將熵權(quán)法與層次分析法結(jié)合，構(gòu)建主客觀組合賦權(quán)模型，進一步提高礦井綜合安全評價的真實性與可靠性。

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