基于组合赋权的煤矿安全生产风险评价分析

王学琛，李墨潇，郭昕耀

(武汉理工大学 管理学院，湖北 武汉 430070)



基于组合赋权的煤矿安全生产风险评价分析

王学琛，李墨潇，郭昕耀

(武汉理工大学 管理学院，湖北 武汉 430070)

根据煤矿安全生产的特点，在分析煤矿生产的复杂性、动态变化性、随机性、灾害事故的关联性等风险特点的基础上，通过对内蒙古尹泰集团各煤矿的一线专家进行访谈和调研，在广泛征求专家意见的基础上，基于“人、机、环、管”的理论框架，提出了12大类煤矿安全风险评价指标体系，并进一步细化为78个二级指标。将主观赋权中的层次分析法和客观赋权中的熵值法结合起来对煤矿安全风险评价指标进行综合赋权，通过建立系数优化模型使两种赋权方法组合的结果最优化，并在此基础上建立基于逼近理想解排序分析理论(TOPSIS)的煤矿安全评价模型。最后，以内蒙古伊泰集团酸刺沟煤矿为例，验证了模型的可靠性与有效性。

煤矿；安全生产；组合赋权；风险评价

煤矿安全生产事故频繁发生，这是由于煤炭在生产过程中受到诸多因素的影响，主要有“人、机、环、管”4个方面的安全隐患，使得煤矿作业人员的生命安全时刻遭受威胁，进而严重限制煤矿行业的正常发展。这些年来，为了加强煤矿安全生产的监管力度，我国政府制定并颁布了一系列法律法规；加强安全管理、增加煤矿安全投入等措施也体现出煤炭企业对安全生产逐渐重视起来；为了提高安全性，煤炭企业人员也开始注重对安全技能的掌握，逐渐提高了安全意识，这些都有助于扭转我国煤矿安全生产的不利形势。安全评价和预警作为安全系统工程的重要内容之一，是进行安全生产管理及监督检查的重要手段，同时还能有效地支撑煤矿安全生产长效机制。而煤矿安全评价的具体过程是以煤矿开采的负效应为落脚点，对可能产生的损失和破坏进行分析评价，同时利用预警系统对煤矿可能出现的风险进行预报，以便能及时采取针对性的措施，避免事故的发生。

在对以往文献进行梳理归纳的基础上，通过实地调研、专家访谈等手段构建了煤矿安全生产风险评价指标体系，并建立了基于组合赋权的逼近理想解排序法(TOPSIS)模型，既考虑了专家的主观因素，又综合了客观法的数据性，加强了煤矿安全评价的准确性。

1 煤矿安全评价指标体系的建立

1.1 指标体系设计原则及设定条件

煤矿由于其综合程度高导致其井下生产环境十分复杂，人员、设备、环境和管理等方面都对煤矿产生极为重要的影响，因此在构建煤矿安全生产风险评价指标体系应涵盖上述因素，该指标体系的构建对煤矿安全管理的评价和管控影响巨大。在构建指标体系的过程中主要遵循科学性、系统性、全面性、易评价、定性结合定量和独立性原则[1-2]。我国煤矿生产因复杂、多变的条件，导致其安全问题具有随机性和关联性等特点，考虑到上述指标体系设计原则，在选取设定煤矿安全生产风险评价指标时要遵循就简不就繁、从整体层面掌控煤矿的安全生产、突出评价指标共性、突出安全评价的系统性这4个条件。

1.2 煤矿安全风险评价指标体系结构

指标体系应具有以下功能：能够对煤矿安全生产的主要特点和基本情况进行有效反映，能够对其安全状况进行系统全面地反映。构成要素作为指标体系的关键所在，对风险评价来说十分重要。因此，评价指标不能过多也不能过少，指标过多使得风险评价指标体系的结构复杂程度增加，对评价人员来说工作开展更加困难，评价的操作性也会大打折扣；指标过少虽然会使评价操作简便，但是其客观性和科学性会大大降低，使得评价结果不够全面。根据上述设计原则及条件，笔者对煤矿安全影响因素应用人-机-环-管系统分析方法进行全面的调查和研究，通过对煤矿专家的调查访问，并参考2016年《煤矿安全规程》，确定了煤矿安全生产风险评价的12大类主要影响因素[3]，并对其进一步细化，得到78个二级指标，评价指标体系结构如图1所示。

图1 煤矿安全生产风险评价指标体系

2 基于组合赋权TOPSIS法的煤矿安全生产评价模型

2.1 组合权重的确定

主观赋权法和客观赋权法均存在一定的优点和不足，决定了单独使用任何一种都不能使得决策者的主观信息和原始数据统计而来的客观事实得以同时反映。若将两者组合使用，并将其组合系数进行优化修正，将使两种方法的优劣互补，使最终确定的权重同时兼顾主观信息和客观事实，将会使最终的评价结果更科学合理。笔者选取的组合赋权法是将主观赋权法中的层次分析法和客观赋权法中的熵值法组合而成。

参照主客观赋权方法评价结果偏差最小原则，构建以下系数优化模型：

(1)

采用拉格朗日函数进行最小极值计算[4]，最终获得α、β的计算公式为：

(2)

式中：α为主观赋权法权系数；rki为原始数据规范化处理后的第i个指标在第k个方案中所占比重；pi为主观评价获得权重结果；β和qi分别为客观赋权权重系数和客观评价获得权重结果。该模型实现了主客观评价结果的偏离程度最小化，这将避免进行平均分配或主观性分配做法而忽略了指标数据实际存在的意义。

2.2 逼近理想解排序分析法(TOPSIS法)

TOPSIS法对样本的资料无特殊要求，且能消除不同指标量纲的影响，在处理原始数据之后仍能充分利用其信息，客观真实地反映出各方案之间的差距，评价结果可靠性较高。由于其能够有效处理较复杂的问题而得到广泛应用。TOPSIS法的核心为确定各项指标的正理想值和负理想值，然后求出各方案与正理想值、负理想值之间的加权欧氏距离，最终得到各方案与最优解的接近程度，以此评价方案优劣[5]。具体操作方法如下：

(1)初始评判矩阵的建立。设有m个样本组成样本集A={A1，A2，…，Am}，每个样本的评价指标构成样本指标集x={x1,x2,…,xn}，指标xij(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)表示第i个样本的第j个评价指标，则建立的初始评判矩阵A′=(xij)m×n。

(2)决策矩阵的标准化。对于步骤(1)中建立的样本集，以n个指标特征值为依据，识别标准为已知的c个级别指标标准值，得出指标特征值和矩阵分别为：

(3)

为避免出现特征值量纲不同而造成结果出错，对初始评判矩阵A′作无量纲化处理，从而形成标准化决策矩阵:

(4)

(3)加权标准化决策矩阵的建立。将标准化决策矩阵B的每一列与其对应指标层中各指标的总排序权重作乘，可得加权标准化决策矩阵C。

(5)

(4)样本贴近度计算。贴近度反映了样本各项指标靠近最优解的程度，在贴近度的计算中首先应计算出正理想解与负理想解，随后计算样本指标与理想解之间的距离，其计算公式分别为:

(6)

(7)

式中:C+、C-分别为正、负理想解；J1、J2分别为效益型和消耗型指标集；d+i、d-i分别为样本指标与正负理想解间的距离；c+j、c-j分别为理想解C+、C-所对应的元素值。

贴近度的计算公式为:

(8)

由式(8)可知，当样本为正理想解时，Ei=1;当样本为负理想解时，Ei=0。通常情况下Ei∈(0,1)，通过贴近度排序可以实现对指标的评价。

2.3 基于组合赋权和TOPSIS的煤矿安全风险评价模型

根据逼近理想解排序理论和组合赋权法，建立了针对煤矿系统安全生产的风险综合评价模型，对查找、分析和预测矿井存在的危险及评价整体安全都具有实际意义。基于组合赋权法和逼近理想解排序理论的煤矿安全风险评价模型为：

(9)

式中：Fi为综合贴近度，即煤矿安全程度；ωj为运用组合赋权法确定的各指标的权；Ej为采用逼近理想解排序法计算的贴近度。显然，Fi越大，说明该煤矿与理想标准的要求越接近，安全程度越高，条件越好。依据所得的综合关联值评估该煤矿与标准安全水平的差距，为煤矿提高自身安全程度指明方向[6]。

3 煤矿安全生产评价模型实例分析

3.1 案例概况及数据收集

酸刺沟煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇南16km处，行政区划隶属准格尔旗哈岱高勒乡。井田附近的交通十分方便，极大地方便了煤炭外运和其他物资运输。该井田内断层、褶曲不发育，波状起伏宽缓，并且没有岩浆活动侵入。钻孔瓦斯测试结果表明，甲烷含量为0.00～0.01mL/g。井田内煤层煤尘爆炸指数为34.92%～46.05%，属于易爆炸煤层。综上所述该井田有煤尘爆炸危险。井田内各可采煤层煤的变质程度低，挥发分高，丝炭含量高，吸氧性强，且含有黄铁矿结核或薄膜，煤层易发生自燃。还原样燃点(T1)为328℃～353℃，原煤样燃点为308℃～324℃，氧化样燃点为298℃～311℃，ΔT1-3在29℃～45℃，煤的自燃趋势等级为易自燃，自燃发火期一般为4个月。由于冲沟发育，矿区很容易导致地下水排泄，使煤田东部地下水埋深达百米以下，属排泄区；西北大路沟、十里长川沟是地下水补给径流区，且常年或大或小有表流。

煤矿安全风险评价的是数据源和数据质量，数据源为蒙伊泰集团各煤矿的调查数据，有助于保证风险类型分析与安全风险程度的准确性和客观性。经加工整理后得到综合评价各指标的原始数据。根据影响因素数值，并结合矿井安全生产的特点，其安全状态包括5个等级：Ⅰ级(安全)、Ⅱ级(较安全)、Ⅲ级(中等安全)、Ⅳ级(较不安全)及Ⅴ级(不安全)，并根据行业内相关规程确定矿井安全级别临界值。

3.2 煤矿安全风险评价指标权重确定

针对上述12大安全风险评价指标体系设计了50份问卷，分发给该矿各部门负责人依据重要程度进行两两指标打分。使用层次分析法计算指标的权重，并根据40份有效问卷进行平均得到最终的权重。通过收集伊泰集团几个主要煤矿的原始数据，采用熵值法计算煤矿安全风险评价指标的权重[7-8]。利用Matlab软件对数据进行计算，采用系数优化模型得主客观组合赋权法的组合系数分别为0.6和0.4，计算得到各项指标的综合权重，如表1所示。

表1 各指标权重结果汇总表

3.3 TOPSIS法指标评判

在确定各指标的综合权重之后，以安全生产管理指标为例，运用TOPSIS法对酸刺沟煤矿的各指标及综合安全状态进行评判。根据收集的数据建立煤矿安全管理指标的初始判断矩阵P(1～6行分别表示安全生产管理机构完备率、安全生产责任制完善率、安全规章制度完善率、吨煤安全投入、年度灾害预防和应急处理计划完备率、职工月平均安全培训；1～4列为安全等级量化值，第5列为原始值)及对初始评判矩阵P做无量纲处理，从而形成标准化决策矩阵C。

根据式(6)得出煤矿安全管理的正、负理想解分别为：C+=[0.049 6,0.033 1,0.016 5,0.000 0,0.026 5]T，C-=[0.016 4,0.010 9,0.005 5,0.000 0,0.009 0]T。

根据式(8)计算各等级原始值与正理想解的贴近度分别为：E+11=1.000 0；E+12=0.614 9；E+13=0.333 3；E+14=0.000 0；E+15=0.543 9。

基于TOPSIS法计算得到其他准则层指标贴近度矩阵E，其中行表示准则层，前 4 列表示安全等级划分标准，第 5 列表示实例原始值计算值。

由式(9)可知，F=ω×E=[0.885 0,0.618 3,0.361 3,0.114 8,0.647 4]。

由计算结果得到矿井各不同安全级别的量化等级标准，如表2所示。其中酸刺沟煤矿的原始值计算结果为0.647 4，可知矿井安全等级属Ⅱ级(较安全) ，与现场情况相符，说明该模型对矿井安全评价是准确的。

表2 TOPSIS法安全等级标准

根据计算结果对酸刺沟煤矿各指标逐级逆序分析( 依据计算结果由目标层向底层指标逐层分析) ：由一级指标贴近度矩阵E可知，防治水、运输与提升系统是酸刺沟煤矿安全环节中较为薄弱的方面；再计算其具体指标贴近度矩阵，并据此可判断出在防治水工作中，应重点加强水文条件复杂时的应对措施，预先制定相应方案，避免突发状况时发生危险。运输与提升系统中应加强矿井应急提升预案工作，定期进行井下车辆及防护装置的测试和实验，保证煤矿在出现突发状况时有足够的应对措施[9-10]。

4 结论

以当前的安全风险评价理论为基础，结合煤矿安全风险生成原因的特殊性，给出了必须遵循的相关原则，通过研究典型案例及相关文献，对内蒙古尹泰煤矿集团各煤矿的一线专家进行访谈，并对部分煤矿进行实地调研，以“人、机、环、管”为理论框架，在广泛征求专家意见的基础上，构建了包含12大类、78个二级指标的煤矿安全风险评价指标体系。针对煤矿安全问题的复杂情况，将主观赋权中的层次分析法和客观赋权中的熵值法相结合对煤矿安全风险评价指标进行综合赋权，通过建立系数优化模型使两种赋权方法组合的结果最优化。在综合指标权重确立的基础上建立基于逼近理想解排序分析理论(TOPSIS)的煤矿安全评价模型。以内蒙古伊泰集团酸刺沟煤矿为例，采用该模型得出的安全风险等级量化值为0.647 4，风险等级评价结果为第Ⅱ级，属较安全，与事实情况相符，验证了笔者评价方法的有效性。

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LI Moxiao:Postdoctoral；China Research Center for Emergency Management, WUT, Wuhan 430070, China.

Risk Assessment of Coal Mine Safety Production Based on Combination Weighting

WANGXuechen,LIMoxiao,GUOXinyao

According to the characteristic of safety production in coal mine, on the basis analyses of the complexity of the coal mine production, dynamic changes, randomness, disaster risk characteristics such as relevance. On the basis of the typical case analysis, literature research, through to each coal mine of front-line experts interviews and investigation in the Inner Mongolia YiTai coal group, and on the basis of solicit opinions from experts and the theoretical framework of “man, machine, environment, management”, built up 12 categories of safety risk evaluation index system , and has carried on the elaboration to build up 81 categories secondary index. Choose the analytic hierarchy process in the subjective empower and objective empower combine the entropy value method to the coal mine safety risk evaluation index comprehensive empowerment, by establishing the coefficient optimization model to maximize the result of the combination of two methods of empowerment. On the basis of the comprehensive index weight to establish safety evaluation model of TOPSIS. In Inner Mongolia YiTai group acid ditch coal mine as an example and collected data, use TOPSIS method for the level of security risk quantification value of 0.6474, the evaluation criteria are the Ⅱ risk level, belong to the safer level. The results is consistent with the reality, to verify the safety evaluation method proposed in this paper.

coal mine; safety production; combination weighting; risk measurement

2095-3852(2016)05-0538-05

A

2016-05-24.

李墨潇(1987-)，男，安徽安庆人，武汉理工大学管理学院博士后.

X936;X913.4 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.005