基于AHP-SPA的煤矿安全管理模型构建及应用

2019-12-13张婷婷宿国瑞侍大军

煤炭工程 2019年11期

张婷婷，宿国瑞，侍大军

(1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁葫芦岛 125105；4.兖矿集团济宁二号煤矿，山东济宁 272071)

随着我国物联网技术、大数据技术、云计算技术、可视化技术、决策支持技术等先进技术在煤矿生产中的运用[1-5]，煤矿进入工业化、信息化时代，传统安全管理模式已无法适应，煤矿企业应抓住“两化融合”机遇，借鉴国内外先进安全管理理念，改变管理模式，科学进行风险辨识评估，动态分级管控预警，全方位隐患排查，闭环治理，实现信息化的煤矿本质安全，提高安全生产管理水平，最终达到“零事故”目的[6-9]。

目前，科学有效的安全管理体系是目前指导煤矿企业安全生产的重要理论依据和技术手段。Zhai J等[10]阐述了突变理论的基本原理，设计了煤矿安全管理指标体系，建立了基于突变理论的煤矿安全管理评价模型；Yang等[11]研究了“煤矿人-机-环境”系统，运用灰色系统理论和煤矿生产实践观测相结合的方法，对煤矿事故及其影响因素进行了灰色关联分析，定量分析煤矿安全事故；Zhang等[12]从安全生产体系、设备与技术管理等七个方面建立了煤矿安全管理系统，并采用人工神经网络技术对煤矿安全管理进行综合性评估，提高了安全决策和优化的准确性。虽然众多专家学者做了探索，但是这些科研成果却很难应用在我国煤矿安全生产实际中。因此，基于我国煤炭安全生产形势，结合煤矿生产系统特色，构建一套科学、完善的煤矿安全管理体系，并建立符合煤矿现场生产的安全管理模型，对预防及减少煤矿事故具有重大意义。

1 煤矿风险辨识与标准化评分

1.1 风险辨识及定量分级

煤矿井下安全风险的辨识是煤矿风险分级管控最基础的工作，因此对于煤矿安全风险的辨识工作必须做到科学、全面。安全风险定量评估可以很好的了解安全隐患的风险等级，根据风险等级制定相应的管控措施，从而抑制风险转化成隐患，降低事故发生的概率，提高安全管理水平。

根据风险管理国际标准ISO 31000中各风险评估方法的适用性和能否提供定量结果以及各煤矿实际应用，采用风险矩阵(Risk Matrix)对风险进行定量分级。风险矩阵[13]是一种将定性或半定量的后果分级与产生一定水平的风险或风险等级的可能性相结合的方式。风险矩阵法通过度量风险大小后利用矩阵的方式对风险计算分级。计算公式为：

R=L×S

(1)

式中，R为安全风险等级结果；L为风险发生的概率、频次；S为发生风险的严重程度。

利用理论研究和现场调研相结合的方法对发生风险后的严重程度和发生风险的概率、频次进行了综合分析，根据人的伤害程度或者伤害估算损失S进行量化分为5级，具体见表1。

表1 发生风险后的损失估算

通过对我国煤矿事故的统计分析，将煤矿发生风险发生的概率和发生的频次进行量化分为5个等级，具体见表2。

根据风险矩阵方法原理，结合表1和表2的量化结果绘制风险矩阵图，如图1所示。根据国家安全生产监督管理总局发文规定将风险分成“红橙黄蓝”4个级别，第Ⅰ级表示低风险，风险结果在1～3之间，用蓝色表示；第Ⅱ级表示一般风险，风险结果在4～9之间，用黄色表示；第Ⅲ级表示较大风险，风险结果在10～16之间，用橙色表示；第Ⅳ级表示重大风险，风险结果在20～25之间，用红色表示。风险等级划分见表3。

表2 风险发生的概率与频次估算

图1 风险矩阵图

表3 风险等级划分

1.2 安全生产标准化评分

根据最新的煤矿安全生产标准化评分方法规定：井工矿将生产系统划分为11个部分，即安全风险分级管控、事故隐患排查治理、通风、地质灾害防治与测量、采煤、掘进、机电、运输、职业卫生、安全培训与应急管理以及调度。

井工矿标准化总分为100分，根据安全生产标准化中井工矿各专业评分细则进行评分，各专业得分乘以相应权重，求和得到标准化总分如式(2)。各专业相应的权重见表4。

表4 井工矿各专业权重

(2)

式中，M为井工矿安全生产标准化总分；ai为各专业对应的权重值；Mi为各专业的标准化得分。

如果在考核评分中，出现专业缺失情况，将该专业加权分值，平均折算到其他专业中进行计算：

(3)

式中，T为安全生产标准化实际得分；P为缺失专业加权值；Q为加权分值。

2 AHP-SPA安全管理模型构建

安全管理模型构建的基础是煤矿安全风险评估定量分级与安全生产标准化指标，因此在结合两者的基础之上，结合层次分析法与集对势分析，构建AHP-SPA的安全管理模型，实现对煤矿安全管理效果的动态评估。

1)层次分析法 (Analytic Hierarchy Process，AHP)是将与决策具有一定联系的元素分解成目标层、主因子层、次因子层等[14]，层次分析法是一种定性与定量相结合的决策方法，其RI取值见表5。利用AHP法计算评价指标权重的主要步骤如图2所示。

2)根据煤矿安全管理实际情况建立安全评估指标，将煤矿安全状态分为“安全”、“一般安全”、“不安全”，运用层次分析(AHP)与集对分析(SPA)耦合进行煤矿“三位一体”安全管理效果的动态评估。

表5 RI值取值

图2 基于层次分析的指标权重计算过程图

集对分析法 (Set Pair Analysis，SPA)的基本思想是将事物的确定性与不确定性看作一个对立系统，从同、异、反3个角度进行分析[12]。算法运用联系度对不确定性进行描述，将不确定性的辩证认识转换为直观的数学模型，用来分析解决不确定问题。

集对H(A，B)的联系度表达式为：

(4)

式中，i为差异度系数，i∈[-1，1]；j为对立性系数，一般情况下设定j=1。

对于联系度的计算存在考虑权重和不考虑权重两种情况，根据文献[15]结论不考虑指标权重比考虑指标权重的安全程度要低，论文采用考虑权重计算联系度。计算公式为：

(5)

在联系度μ=a+bi+cj中，若c≠0，则同一度a与对立度c的比值就是集对势，一般用e表示。集对势中若a>c，则集合A、B为同势；若a=c，则集合A、B为均势；若a

一般SPA模型评估结果分为以下三种情况：①集对势表现为反势，无需考虑悲观势，评价结果判定为“不安全”状态；集对势表现为同势，且a/b+c≤1，评价结果判定为“一般安全”状态；集对势表现为同势，且a/b+c>1，评价结果判定为“安全”状态。

建立煤矿安全评价指标，利用AHP法计算出评价指标权重，运用权重结果到式(5)中进行联系度的计算，然后进行集对势的分析，完成安全管理效果动态评估。

表6 集对势分析

3 基于AHP-SPA的煤矿安全管理模型应用

3.1 基于AHP-SPA的煤矿安全模型

济宁二号煤矿在2016年底进行年度安全风险辨识评估，查出风险源2263个。其中安全管理类风险212个、从业人员类风险1679个、作业场所类风险163个、设备设施类风险209个。运用风险矩阵法对煤矿风险进行有效准确的分级，其中重大风险89个，较大风险261个、一般风险1210个、低风险703个。

根据安委办〔2012〕1号结合济宁二号煤矿对隐患做了具体分类，共包括4大类45小类487种类，并对隐患做了详细的分类分级，分别见表7和表8，按照隐患信息不同纬度统计当月隐患情况。

表7 隐患分类

表8 隐患具体分类分级

自模型运用以来，每个月至少进行1次安全生产标准化检查，按照月份和专业维度进行统计分析。目前，经过模型的试用，将济宁二号煤矿安全生产标准化评为2级，得分趋于稳定，在2月份安全生产标准化得分最高，为85.48分。

3.2 应用效果分析

现采用AHP-SPA方法对安全管理效果做具体分析，煤矿“三位一体”评价指标体系中风险分级管控、隐患排查治理、安全生产标准化三者的主要度见表9。由表9可以看出，CR的值符合一致性要求。

表9 一级指标主要度表

对于风险分级管控，通过2016年11—12月各专业管控不到位的风险数量确定相应二级指标相对重要度，同理隐患排查治理通过各专业查出的隐患数量确定相对重要度；安全生产标准化根据各专业扣分比值确定。2016年11—12月各专业风险管控不到位情况：通风4例，地质灾害防治与测量5例，采煤2例，掘进2例，机电1例，运输1例，职业卫生0例，安全培训和应急管理0例，调度0例。2016年11—12月各专业隐患情况：通风177起，地质灾害防治与测量134起，采煤432起，掘进312起，机电125起，运输80起。2016年11—12月各专业安全生产标准化得分：通风84分，地质灾害防治与测量79分，采煤88分，掘进87分，机电90分，运输92分，职业卫生83分，安全培训和应急管理79分，调度86分。具体指标权重值见表10。