基于IAHP-SPA 的井工煤矿安全风险辨识评估模型构建及应用

黄继广，马汉鹏，范春姣，姚绒绒

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2. 华北科技学院 安全培训部，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤炭作为我国的基本能源和重要的工业原料，在我国的国家战略及国民经济中占有重要地位。复杂的煤炭赋存条件致使我国有93%以上的煤矿采取井工开采方式。井工煤矿固有的灾害风险高、井下作业环境差、矿工安全技能不高等是目前煤矿安全生产的突出问题，一旦安全风险辨识与评估处理不当，将会给煤炭安全生产带来巨大挑战。因此，对煤矿安全风险因素系统地进行全面准确的专项辨识和定量评估是煤矿企业持续稳定安全生产的关键。

目前，国内的专家学者主要对煤矿安全风险预控管理体系进行研究。刘海滨等[1]运用ART-2算法从人的因素、设备故障与工艺、环境因素、组织管理、技术措施和安全绩效等对煤矿安全风险评价进行研究，利用山西9家煤矿来验证ART - 2神经网络方法对煤矿安全风险预控管理过程中的安全风险评价的适用性。田水承等[2]基于危险源理论，运用了集对分析方法对安全-事故集对进行了同异反分析，并建立了煤矿瓦斯危险源风险评价模型，以确定煤矿瓦斯的风险等级。然而由于煤矿井下不确定的安全风险因素很多，通过系统地专项安全风险辨识评估建立的模型是一种多种要素组成的综合能力，且在评价体系中存在着定量指标和定性指标，如果采用单一的评价方式很难进行综合评估。因此，本文采用两种方法对煤矿系统安全风险因素进行综合评价。首先运用集对分析理论改进层次分析法确定评价体系中各个评价指标的权重，采用集对分析中同异反联系测评，判断风险评估指标的风险等级；第二步引入单指标IDO联系测度确定方法，构建基于集对分析理论的井工煤矿专项安全风险辨识评估模型；第三步，结合实际案例进行模型验证。

1 集对分析理论概述

我国学者赵克勤提出了集对分析法，这是一种用于系统分析的理论方法，已在多个领域得到广泛应用[3,4]。使用这种方法可以从同、异和反的方面研究两个事物的不确定性，还可以更全面地描述两个事物之间的关系。集对分析本质上是一种不确定性分析的新方法，其基本思想是将事物的确定性和不确定性视为对立的系统，并根据同、异和反的角度对其进行分析。

对于该系统，确定性和不确定性是互相关联、互相影响和互相制约的，在一定条件下彼此转换，并且可以使用联系度μ来充分反映上述思想，以描述由歧义、随机性、中介引起的各种不确定性，以统一的方式处理不完整的信息。从而将对不确定性的理解转化为具体的数学运算。

μ=a+bp+cq

(1)

式中，a 、b 、c 分别称为集对的同一度、差别度和对立度，且a，b，c∈[0，1]是实数，满足归一化，即a+b+c = 1；差异度标识数是p，且p∈[-1，+1]；q是对立度标识数，取-1。

2 基于IAHP-SPA法构建井工煤矿专项安全风险辨识评估模型

2.1 评估指标体系的确定

对于井工煤矿专项安全风险辨识评估指标研究，本文基于前人研究的成果与理论研究法[5-8]，根据科学性、客观性原则，共选取了人员安全风险(K1)、管理安全风险(K2)、设施设备安全风险(K3)、作业环境安全风险(K4)、安全文化因素(K5)、安全信息因素(K6)、技术装备保障安全风险(K7)和井工煤矿固有安全风险(K8)8 个一级指标及 32 个二级指标，以此构成井工煤矿专项安全风险辨识评估指标体系。

2.2 基于IAHP-SPA的主观赋权方法

区间层次分析法考虑了专家评判的模糊性和不确定性，并用区间数代替精确数的判断矩阵，此方法运用区间特征根法计算区间权重。在此基础上，基于区间层次分析法和集对分析理论，以确定性和不确定性为研究对象，通过同异反基本理论解决区间权重的不确定性问题。

(2)

式中，aij为专家根据层次分析法中1～9度区间的赋值。

用区间数判断矩阵表示为：

(3)

(4)

一致性数字判断矩阵M的权重向量w=(w1,w2,…,wm)。其中，

(5)

(6)

计算极差矩阵的权重，即

(7)

评估指标j的权重可由式(6)(7)得：

(8)

② 根据SPA，通过公式(9)计算得出的权重区间的确定性和不确定性作为研究对象，处理井工煤矿生产系统风险评估指标的权重不确定性问题，从同、异和反的角度描述评估指标的权重区间，并进行归一化以获得精确的权重区间[9]。

(9)

式中，aj为同一性，可以确定指标j权重达到的程度；bj为差异性，不确定指标j权重达到的程度；cj为对立性，确定指标j权重无法达到的程度。

分别通过评估指标联系数的确定性和不确定性部分确定评估指标权重的大小。

确定性部分：因为aj、cj∈[0,1]，并且aj+cj≤1，且1+aj- cj∈[0,1]。而评估指标确定性区间的相对权重可以通过1+aj- cj的大小来反映，归一化处理后为：

(10)

不确定性部分：考虑随着bj越大，评估指标权重的不确定性区间就越大，则对权重确定的贡献就越小。因此，评估指标不确定性区间的相对权重可以通过1-bj的大小来反映，再进行归一化处理为：

(11)

基于指标权重的确定性与不确定性，得出井工煤矿生产系统风险评估指标的综合主观权重的计算公式：

(12)

通过对式(12)的运算，得出井工煤矿生产系统风险评估指标权重为w=(w1,w2,…,wm)。

2.3 系统风险评估指标等级标准

根据风险管理国际标准ISO 31000中每个风险评估方法的适用和能否提供定量结果及各个井工煤矿实际应用，运用风险矩阵的方法对系统安全风险进行定量分级[10]。计算公式为:

R=L×S

(13)

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安全风险后的严重程度和发生的概率或者频率进行综合分析，根据人的伤害程度或伤害估算损失进行量化分级，具体见表1所示。

而通过对我国井工煤矿安全生产事故的分析，将其发生的安全风险的概率和发生的频次进行量化分级，具体见表2。

根据风险矩阵方法原理，结合表1、2的量化结果，建立安全风险分级标准，见表3。

表3 系统安全风险分级标准

基于集对分析评价的目的，我们按照模糊区间的概念来对风险程度进行分级，另外，参照应急管理部发文规定的将安全风险分为四个等级，具体见表4。

表4 系统安全风险分级划分区间标准

2.4 计算指标体系的联系度

在评估风险时，通常通过判断风险所属级别来评估风险的大小，但是风险评估标准却未统一，这将有可能导致样本所属风险级别出现差异，从而影响风险评估的准确性。为了更准确地对风险进行评估，论文引入同异反 (IDO)联系测评，以此判断风险评估指标的风险等级[11]。

井工煤矿系统安全风险评价的关键是利用SPA进行联系度的计算，具体用IDO联系测度来计算联系度，基本原理包括:首先通过专家调查获得样本数据，其次将样本指标集和评价标准集形成集对。当评价值是某个确定级别时，则它有同一性，可以取为1；当间隔两级及以上时，则有对立性，可以取为-1；当它在相邻级别之间，则有差异性，且在-1和1之间取值。公式(15)～(18)是构造的四个联系度函数，其公式中xj是指标专家赋值，uj是指标对应的各个评价等级的联系度，Sj(0)是等级a的下限值，Sj(1)、Sj(2)、Sj31)、Sj(4)分别对应着为井工煤矿生产系统风险评价指标中a、b、c、d等级的上限值(这里a、b、c、d分别表示为各安全风险大小程度为低、一般、较大、重大)。

① a级风险等级联系度函数

(14)

② b级风险等级联系度函数

(15)

③ c级风险等级联系度函数

(16)

④ d级风险等级联系度函数

(17)

2.5 确定各项指标评价等级

对于井工煤矿生产系统风险评价指标可能出现的单层次指标的情况，对单层次的评价进行探讨。单层次评价总联系度是将计算得到的IDO联系度与评价指标权重相结合，最后得到的风险总联系度见表5。

表5 单层次集对分析风险评价表

则属于O级总的联系度用公式表示为：

(18)

式中wi为指标的权重。依据最大联系度判断准则，得到井工煤矿生产系统风险评价级别联系度是：

u(k)=max{u(o),o=1,2,3,4}

(19)

由此将系统风险等级评估为k级。

3 应用实例

井工煤矿Z矿井设计生产能力为45万t/a，设计服务年限为52.8年。2009年将矿井核定生产能力调整为110万t/a。截至2018年12月，矿井累计探明储量7748.1万t，保有资源储量6537.8万t，其中可采储量为2959.6万t,剩余服务年限约19.2a。其中主采煤层12下、16煤层，煤层平均厚度5.15 m，矿井开拓方式为立井多水平开拓。该矿地质构造复杂程度属中等，矿井为高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，水文地质类型为中等类型。

3.1 基于IAHP-SPA确定指标权重

邀请5位专家分别对各级指标进行两两比较，通过层次分析法的 1～9 标度法，得到两两评价值，建立区间式的判断矩阵，以一级指标人员安全风险 K1为例，对“人员生理状况(R1)”、“人员技术素质(R2)”、“群体行为(R3)”、“人员违法指数(R4)”的评价指标进行两两比较。构建区间判断矩阵如下:

根据各位专家学者在井工煤矿安全风险管理领域的工作经验及理论知识水平确定权威高低，并赋予不同的权重系数:

wexp=(0.2,0.3,0.25,0.15,0.1)

根据相关公式可计算出不确定性区间数判断矩阵为：

计算得出一致性数字判断矩阵为：

最终，可以根据公式(9)可得到“人员生理状况(R1)”、“人员技术素质(R2)”、“群体行为(R3)”、“人员违法指数(R4)”四个评价指标的区间权重向量：

然后运用集对分析原理，根据公式(10)～(13)，将上述权重区间转化为精确值。

根据公式计算评价指标在确定性部分和不确定部分的权重向量分别为：

WCE=(0.6035,0.2255,0.1154,0.0557)

WUNCE=(0.2434,0.2427,0.2537,0.2602)

因此，指标在确定性部分和不确定部分上的权重综合起来就可得到评价指标精确值形式的权重向量为：W=(0.5986,0.2230,0.1193,0.0591)

同上，运用相同的方法分别计算其他二级指标的最终权重，见表6。

表6 井工煤矿专项安全风险辨识评估体系指标权重

3.2 计算单指标联系度

根据表5.5中的风险分级评价标准，建立评语集{a，b，c，d}，其中a、b、c、d分别表示为各安全风险大小程度为低、一般、较大、重大，其评价指标分级标准为：{[1,4]，[4,9]，[9,16]，[16,25]。下面是5位专家通过熟悉该井工煤矿相关基础资料后，以专家评价为基础对该矿井下生产系统安全风险等级评价的32个二级指标进行初始风险评级打分，见表7。

表7 初始风险评价结果

根据风险等级评分标准和单因素联系度计算方法对风险因素进行单因素风险联系度计算，并且按照最大联系度原则确定各风险因素指标等级。具体结果见表 8。

表8 单因素联系度计算及安全风险评价

续表

3.3 计算总联系度及确定一级指标评价等级

根据前文已构建的风险指标权重集和单因素风险指标联系度计算值，利用前文的单层次和多层次的集对分析评价方法分别对人员安全风险(K1)、管理安全风险(K2)、设施设备安全风险(K3)、作业环境安全风险(K4)、安全文化风险(K5)、安全信息风险(K6)、技术装备保障安全风险(K7)、井工煤矿固有安全风险(K8)的风险等级进行综合评价，得到各一级指标的总联系度，按照最大隶属度原则，确定风险等级，具体见表9。

表9 一级指标总联系度计算及安全风险评价

续表

3.4 综合评价结果分析

综上所述，从计算结果中可以看到，当完全属于某个级别时，其值为1；当部分属于某个级别时，其值在0到1之间，越接近某个级别，它就越接近1；-1与0之间的值表示明显的对立度，并且对立度越明显，其值就越接近-1。因此，不仅要看到每个单风险因素的风险等级，还要看到其联系度值，以便更好的判断风险等级的发展趋势。

由此可知，人员安全风险(K1)、管理安全风险(K2)、设施设备安全风险(K3)、作业环境安全风险(K4)、安全文化风险(K5)、安全信息风险(K6)、技术装备保障安全风险(K7)、井工煤矿固有安全风险(K8)一级风险因素的最大联系度分别为0.9854、1.0000、1.0000、0.8496、0.5525、0.9424、0.8972、0.5622，对应的评价等级分别为较大、一般、一般、一般、较大、较大、较大、一般。而二级风险因素中属于较大风险的有：“人员生理状况R1、人员技术素质R2、噪声R16、粉尘R17、安全意识R19、安全信息网格与处理流程R22、隐患点分析与预控R23、安全防护装置完好程度R24、技术措施完备率R25、水文地质条件R27、顶底板条件R28”；属于重大风险的有：“人员违法指数R4、煤尘爆炸性R32”；其余风险因素为一般风险。

因此，根据实际调研和评价结果分析，人员安全风险、安全文化风险、安全信息风险、技术装备保障安全风险是当前Z矿井应重点关注的风险因素，同时作业环境安全风险和井工煤矿固有安全风险也要引起重视。这与所选案例的实际情况相符合，验证了所用评估模型的可行性。

4 结论

(1) 本文在前人研究的基础上，结合本实例特点，从人员安全风险、管理安全风险、设施设备安全风险、作业环境安全风险、安全文化因素、安全信息因素、技术装备保障安全风险、井工煤矿固有安全风险8 个维度出发，选取确定系统安全风险分级划分区间标准，结合案例分析，检验了该模型的可行性和实用性，具有很好的应用前景。

(2) 本文将井工煤矿生产系统风险看作一个有明显确定和不确定性的系统,通过IAHP -SPA组合赋权法和集对分析理论中的同异反评价模型的结合,构建了基于IAHP-SPA的井工煤矿专项安全风险辨识评估数学模型。

(3) 利用集对分析理论建立同异反的评价模型,通过计算评价指标集合和等级标准集合的联系度可以准确地体现出两者的同一性、差异性以及对立性[12]。然而，在分析安全风险因素并确定权重时，需要专家进行评分和评估，评判的准确性主要取决于所选专家的经验和知识水平，这不可避免地影响评判结论的客观性。因此，在今后的研究中，应进一步规范评价指标的客观性，努力提高评价方法的科学性。