煤矿事故风险因子耦合作用分析及度量研究

2015-01-01刘全龙李新春

统计与信息论坛 2015年3期

刘全龙，李新春，王雷

（1.中国矿业大学管理学院，江苏徐州221116；2.Sustainable Minerals Institute，The University of Queensland，Brisbane，QLD 4072，Australia）

一、引言

煤矿生产系统是一个由人、机、环、管所组成的复杂系统，在这四类因素中人的不安全行为可能对机器、环境的不安全状态产生影响，而机器、环境的不安全状态同时也可能影响到人的不安全行为；各个因素都有可能影响其它一个或者几个因素，也有可能受到其它因素的影响。因此，煤矿事故具有多因素耦合致因性，这就要求在分析煤矿企业风险水平的时候，不仅要系统分析煤矿事故单因素的致因作用，还要对单因素间的风险耦合作用机理进行研究，以便有效管理和控制煤矿事故的产生。对于风险因子耦合的研究，刘清等统计并分析了影响复杂水域船舶通航安全的主要风险因素，进而计算影响复杂水域船舶通航安全的多因素风险耦合发生的概率及风险值［1］；姜宁对中国道路交通危险源的风险耦合过程进行研究，并构建了基于风险耦合的交通应急管理系统［2］；付成威等将力学的一维模型和二维模型实时动态耦合并对模型进行了验证［3］；刘堂卿等对空中交通管制的安全风险耦合作用机理进行研究，提出了安全耦合风险管理策略［4］；林嘉豪等对航空事故本质致因和耦合风险理论进行了分析，构建了基于耦合理论的飞机本质安全管理图示模型［5］。在煤矿安全风险耦合方面，李润求等对煤矿瓦斯爆炸事故的特征与耦合规律进行了研究，给出了不同因素之间耦合所占的比例［6］；刘全龙等对煤矿瓦斯爆炸事故多危险源之间的耦合作用强度进行了风险度量［7］；彭信山研究了综掘工作面复杂条件下人－环之间的耦合关系［8］；乔万冠等在多因素耦合作用的视角下构建煤矿事故致因模型，借助相互作用矩阵法对煤矿企业进行风险评价［9］；刘金平等就煤炭资源开发利用价值的耦合关系进行研究，指出煤炭资源的开发利用呈现出明显的正、负价值的耦合性［10］。综上所述，既有关于风险耦合的研究大都集中于水域船舶、企业财务、道路交通以及空中交通等方面，而对于煤矿安全风险因子之间耦合作用的研究较少。因此，对引起煤矿事故的风险因子耦合作用进行分析与度量，提出有效管理和控制耦合风险产生的对策，是本文所要研究的问题。

二、研究理论框架

煤矿事故的发生不仅取决于人的因素、机器的因素和环境的因素，而且还取决于制约这三种因素的更重要的管理因素，本文认为事故的直接原因是人的不安全行为、机（物）的不安全状态和环境的不安全状态，但是造成这些不安全状态出现的本质原因是管理上的缺陷［11］。在借鉴国内外事故致因理论研究的基础上，构建风险耦合视角下的事故致因模型，如图1所示。

图1 煤矿事故风险因子耦合视角下事故致因模型图

事故发生的本质原因是管理的缺陷，如组织机构设置不合理、安全文化建设不足、员工教育培训效果低等；间接原因则是由管理的缺陷引起的人员的缺陷、机（物）的缺陷和环境的缺陷，这三者的缺陷最终分别导致人的不安全行为、机（物）的不安全状态和环境的不安全状态的发生，同时这些因素间又相互作用、相互影响，风险因子间存在着耦合现象。本文定义煤矿风险耦合指的是引起煤矿事故的影响因素所造成的风险在风险链上蔓延，当遇到其它影响因素的风险时可能会出现交互的现象而改变风险值的大小，最终偏离人们对风险的预估值而造成更大损失。煤矿风险耦合作用后有可能会造成事故风险加大或减少，也有可能风险大小不变，因此本文根据风险耦合后造成的风险作用方向，把煤矿事故风险耦合的效果划分为正向耦合、零度耦合和负向耦合。煤矿企业最担心的是人、机、环、管子系统之间形成正耦合效应，当正耦合产生时，会加大风险传导的速度和事故范围的扩大，甚至能够产生新的风险。

煤矿事故单个影响因素往往很难造成事故的发生，这是由于煤炭企业整体系统具有自我调节和修复的功能，当单因素风险产生或发生耦合时，煤矿企业的防御系统就会对风险进行阻断，来保护煤矿生产系统不受到危险，使其达不到阈值，从而处于零耦合或负耦合的状态。当煤矿系统中的人、机、环、管子系统不同程度地出现缺陷或失误，突破各自的防御系统后，继续在煤矿风险事故链上蔓延，一旦遇到其它几个因素形成的突发事件后会迅速地耦合，经过耦合的震荡，促使其打破平衡态的临界点，如果达到了风险所能容纳的阈值就会导致煤矿系统的正耦合效应的产生，从而会造成事故的风险加大，甚至产生新的风险。煤矿事故风险正向耦合的形成机理如图2所示。

图2 煤矿事故风险正耦合形成机理图

三、煤矿事故风险因子耦合分析

煤矿事故的发生很少是由于单一影响因素导致的，而是多个影响因素在风险链条上相互影响、相互作用、层层递进，最终导致事故的发生。所以，要想避免煤矿事故耦合风险的发生，就要首先弄清楚影响因素的耦合因果关系，根据煤矿事故风险因子耦合的参与因素，可将煤矿风险因子耦合划分为同质耦合和异质耦合。

（一）煤矿事故风险因子同质耦合分析

煤矿事故风险因子同质耦合是指同类风险因子以闭环的形式互相作用、互相影响而引起风险的增加，主要包括人、机、环和管的同质风险因子耦合。人的风险因子主要包括专业技能素质、文化程度、安全生产意识、生理因素以及心理因素等方面。这五个风险因子都会对人的行为产生直接作用从而导致人的不安全行为的出现，但有些风险因子还会影响到人的其它风险因子，从而造成人的不安全行为风险加大，如安全文化程度较低会影响到员工的专业技能水平等。机器的风险因子主要体现在机器设备的安全状况、设备的自动化水平、安全防护装置等。这几个风险因子都会对机器的不安全状态产生直接影响，但有些风险因子还会影响到机器的其它风险因子，从而造成机器不安全状态风险的加大。环境风险因子主要集中在自然环境、工作环境两个方面，自然环境因素一般会直接影响环境的不安全状态。如地质构造决定瓦斯含量及煤尘状况等，而工作环境因素一般不会直接影响环境的不安全状态，而是通过影响人的不安全行为或机器的不安全状态而间接导致环境的不安全状态；煤矿生产系统受管理因素影响较大，管理不仅是对人的管理，还是对机器设备和环境的管理，管理的风险因子主要包括组织机构设置、管理制度、安全文化建设、员工教育培训、现场安全管理等。管理的风险因子都会直接作用于管理上而导致管理的缺陷，有些风险因子还会影响到管理的其它风险因子，从而造成管理缺陷风险的加大，如管理组织机构设置不当会影响到安全教育培训不到位，进而导致企业安全文化建设不足等。

（二）煤矿事故风险因子异质耦合分析

煤矿事故风险因子异质耦合是指不同种类风险因子以闭环的形式互相作用、互相影响而引起风险的增加，主要包括人－机风险因子耦合、人－环风险因子耦合、人－管风险因子耦合、机－环风险因子耦合、机－管风险因子耦合和环－管风险因子耦合。如人－机风险因子耦合是人的风险因子与机器设备的风险因子以闭环的形式互相作用、互相影响而引起人的不安全行为或机器设备不安全状态风险的增加，如人的不安全行为中主要是员工的专业技能素质较低，导致机器操作不当，进而加大设备的老化以及磨损的速率，最终导致设备的不安全状态出现；同样如果机器设备的不合理导致员工在操作机器的过程中出现一些不良情绪，从而会对人的心理因素产生一定的消极作用，最终导致人的不安全行为的产生，因此在人－机系统中，要充分考虑到人－机的匹配性和协调性，避免人－机不协调局面的发生。同理，人－环风险因子的耦合是人的风险因子与环境的风险因子以闭环的形式互相作用、互相影响而引起人的不安全行为或环境不安全状态风险的增加，环境风险因子对人风险因子的耦合途径是自然环境风险因子影响到工作环境风险因子，进而影响到人的风险因子；人的风险因子对环境风险因子耦合途径是人的不安全行为引起工作环境风险因子的变化，进而造成环境的不安全状态，因此在人－环系统中，营造一个舒适的作业环境有利于提高人的安全性。

四、煤矿事故风险因子耦合度量

关于耦合的风险度量模型有很多，本文选取了目前比较有代表性的耦合度模型。耦合度模型能够表达出系统内部要素之间的相互协同作用的大小程度，为解决一些管理学、经济学以及生态学领域内的耦合问题提供了一个方向标［12］。利用耦合度模型来度量煤矿事故风险耦合大小的基本思路是：首先，通过文献研究、问卷调查，构建煤矿事故风险因子的指标体系；其次，利用层次分析法并结合专家打分法给出各个指标的权重大小；最后，带入到功效函数和耦合度函数公式，求出不同风险因子的耦合度。

1.耦合指标体系的构建。选取合理的耦合指标，能够让我们准确地度量出各个指标之间的耦合程度，本文主要依据文献借阅法和实地考察法来构建煤矿事故风险耦合的指标体系，如表1所示。

2.耦合指标的测量及权重。在煤矿企业的指标体系中存在着一些定性的指标，要通过专家打分法、层次分析法等方法把这些定性指标转换为定量指标，计算出各个风险因子的有效权重，由此来明确系统中的序参量。

3.功效函数的构建。假设变量ui，（i＝1，2，…，m）是某个系统的序参量，uij为第i个序参量的第j个指标，其值为Xij，（j＝1，2，…，n）。Aij和Bij是整个系统达到稳定状态时第i个序参量的第j个指标的上、下限值，各子系统序参量对整个系统的功效系数Uij可用式（1）表示：

其中Uij为变量Xij对其所属系统的功效贡献大小，按上式构造的功效系数满足以下特点：Uij反映的是各指标达到目标的一致程度，Uij越趋近于0表示越不一致，越趋近1表示越一致［13］。

各个子系统内的序参量对整个系统有序度的贡献可以通过集成的方法实现，在实际应用中一般采用几何平均法和线性加权和法，这里采用线性加权和法，如式（2）所示：

其中Ui表示各子系统对整个系统有序度的贡献程度，即有序贡献度；λij表示各指标的权重，可采用层次分析法进行确定。

4.耦合度函数的构建。根据对功效函数的分析，假设一个系统中子系统的个数为p，借助物理学中容量耦合概念及容量耦合系数模型，推广得到多个子系统的耦合度模型可以表述如下：

其中C为耦合度，耦合度的大小由各个子系统Ui的大小决定。当C∈［0，0.3］时，为低水平的耦合；当C∈ ［0.3，0.7］时，为中等水平的耦合；当C∈ ［0.3，1］时，为高等水平的耦合［14］。

5.煤矿事故风险因子耦合度度量应用。本文以王楼煤矿为例，借助文献查阅法和实地考察法构建其风险耦合指标体系，然后利用层次分析法并结合专家打分法确定出煤矿事故风险因子指标的权重，如表1所示。

表1 煤矿事故风险耦合指标权重表

以煤矿事故人的风险因子中“安全生产意识”与“专业技能素质”两个同质风险因子为例，对该矿在2011年第3季度至2013年第4季度关于这两个因子的风险水平取值进行量化处理得到模拟数据，如表2所示。根据煤矿事故风险因子耦合度模型，分别计算员工的“专业技能素质”和“安全生产意识”两个指标的功效系数，如式（4）所示：

其中Xi1为员工的“专业技能素质”和“安全生产意识”的实际测量值，Ai1和Bi1是风险因子指标取值区间的上、下限。“专业技能素质”和“安全生产意识”的耦合度模型如下：

由此可以得到员工的“专业技能素质”和“安全生产意识”两个风险因子的耦合度（如表2所示），并将上述耦合度的数值用曲线图表示，如图3所示。

从图3中可以得到以下结论：在2011年第3季度到2013年第4季度，煤矿事故中人的风险因素中员工“专业技能素质”和“安全生产意识”风险因子的风险水平耦合度处在［0.4，0.6］之间，属于中等水平的耦合状态，二者间的相互耦合作用比较明显；在趋势图上，员工“专业技能素质”和“安全生产意识”风险因子的风险水平耦合度除个别季度有所下降外，整体上处于上升的趋势，这主要是由于随着员工专业技能素质风险水平的下降，员工对于煤矿生产中危险源的意识逐渐下降，在面临一些可能导致风险的危险源时辨识不出来。随着时间的蔓延，如果没有外部因素的制约，那么二者的耦合程度必然是处于平稳的上升状态直至达到风险所能容纳的阈值，导致煤矿事故发生。

表2 员工“专业技能素质”和“安全生产意识”风险水平测量值及其耦合度表

图3 风险耦合度曲线图

五、基于解耦思想的风险耦合预控对策和建议

煤矿事故耦合风险的存在，会加速风险产生的速度，同时也可能会加大风险，因此必须采取一定的措施来避免各个风险因子之间产生的正耦合效应，或者减弱风险因子间的耦合作用强度。解耦思想被广泛应用于通信技术、计算机技术、数学模型等领域中［15］，但由于煤矿事故风险耦合具有不可逆性，因此煤矿事故风险的解耦思想就是预防和控制风险因子之间发生交互作用，通过改变耦合作用的方向来降低煤矿事故风险发生的可能性或造成的损失，本文提出煤矿事故风险解耦原理如图4所示。

图4 煤矿事故风险解耦原理图

在风险因子开始耦合前，风险因子A在风险链上流动，遇到解耦器，在解耦器的控制范围内可以化解A风险的发生，即使超出解耦器的范围，也可以减缓A风险的强度，同理也可以作用到B风险上；当超出解耦器作用范围，风险因子之间发生耦合作用，此时可以采取有效的措施来错开A风险和B风险之间耦合的强度，即当A风险在波峰时，要使B风险处在波谷的状态，以便有效地减弱A风险和B风险耦合带来的负面影响；当处于耦合后的阶段时，如果A风险的波峰与B风险的波峰相遇，二者的风险都处于一个高点的位置，二者耦合后造成的风险是巨大的，因此应在二者之间添加一个解耦器，改变两个因子风险蔓延的速度，防止A／B风险在波峰相遇而发生耦合，而诱使它们在波谷的时候相遇，使风险由“正耦合”向“负耦合”或“零耦合”状态转化。因此，依据上述三阶段解耦思想提出如下对策和建议：

1.风险耦合前，控制人、机、环和管四个子系统的危险源。在煤矿风险因子耦合前，就要提前对可能造成煤矿事故的所有危险源进行风险预控，从根本上最大程度地杜绝煤矿风险因子之间耦合的可能性，即在对煤矿所有可能出现的危险源进行全面、准确的辨识，在危险源评估的基础上，制定合理的管理标准和管理措施以控制危险源，切断和消除风险出现的渠道和条件，预先控制风险，使其不可能出现。同时，风险预控的过程应遵循PDCA运行模式，应根据生产工艺设备、环境等的变化，不断更新和评估危险源，确定相应的控制优先级，并不断完善管理标准和管理措施。

2.风险耦合中，错开子系统风险的波峰。要想错开人和管理子系统的波峰，首先应弄明白系统的波峰什么时候到来，这样才能从时间上错开系统风险的波峰；其次要充分利用煤矿安全风险信息系统来甄别有效的风险信息，保证信息的传递流畅；再次要增强功能部门与岗位的独立运作能力，使其能够在很短的时间内降低系统风险的波峰，错开耦合风险在波峰处发生，同样也可以通过流程的优化，降低各种风险发生的概率；最后要降低子系统之间的耦合系数，加强子系统之间的协商沟通，例如当人的因素风险较大时，应加大对人的不安全行为的管理，同时预防人与其它因素在波峰处相遇。

3.风险耦合后，避免耦合风险在系统的脆弱处发生。煤矿系统是一个典型的脆性系统，系统的脆性属性始终伴随着煤矿生命周期的整个过程，煤矿系统的复杂性增加了煤矿系统的脆性风险。风险的发生往往都是在煤矿系统中比较薄弱的环节，在脆弱的地方风险更容易集结，同时风险发生耦合的概率也大。因此，在此阶段应限制耦合风险的流动，把在脆弱处发生耦合的风险引导到抗风险能力比较强的区域，同时提高煤矿风险脆性的承受限度，如经常检修机器，减轻煤矿安检员的工作负荷等。

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