基于PSO-BP-DEMETEL 模型的煤矿瓦斯爆炸风险因素分析

徐美玲，薛 晔，李 凡，张永欢

（太原理工大学 经济管理学院，山西 晋中 030600）

煤炭是我国第一大能源，煤炭能源的消费在能源结构中占有很大的比重，我国煤矿分布区域广泛，地质条件较为复杂，煤炭生产过程中一直存在如瓦斯爆炸、火灾、水灾、煤尘爆炸及冒顶等灾害风险，而在这些灾害风险中尤以瓦斯爆炸灾害造成的后果最为严重。瓦斯爆炸不仅制约着煤矿生产发展，而且还易造成人民生命财产的巨大损失和严重的环境问题，最终严重影响整个国民经济和社会的可持续发展。因此，在瓦斯爆炸灾害发生之前识别和分析关键风险因素进而采取有效措施，对瓦斯爆炸风险防控和煤矿安全生产管理具有重要的现实意义。目前，众多学者对瓦斯爆炸灾害风险治理进行了大量研究，主要有以下3 个方面：关于瓦斯爆炸风险评价方法的研究[1-4]、关于瓦斯爆炸风险模式识别和预测的研究[5-7]、以及关于瓦斯爆炸事故致因机理的研究[8-10]。关于瓦斯爆炸的研究多是关于风险评价方面，而对于瓦斯爆炸风险的致因分析并未考虑因素之间的关联性，缺乏对于风险因素间内在联系和逻辑关系的进一步分析。基于此，从人为因素、环境条件、生产设施和管理组织4 个维度构建瓦斯爆炸风险因素指标体系，并通过建立PSO-BP-DEMATEL 模型，对风险因素进行了识别和分析，量化煤矿瓦斯爆炸风险因素之间的影响关系，最终确定了煤矿瓦斯爆炸风险因素中的强驱动型风险因素和驱动型风险因素，并进一步分析得到影响瓦斯爆炸风险的关键因素，进而对煤矿瓦斯爆炸风险防控和安全生产管理提出了相应的对策建议。

1 PSO-BP-DEMATEL 模型

1.1 模型基础

BP 神经网络（Back Propagation）是一种按误差逆向传播算法训练的多层前馈网络，主要思想是将学习过程分为信号的正向传播与误差的反向传播2 个阶段。BP 网络的结构如图1。图中：x1、…、xi、…、xn为BP 神经网络输入层的输入值；wik为输入层第i 个节点到隐含层第k 个节点的权值；a1、…、ak、…、al为隐含层各个节点的阈值；wjk为隐含层第k 个节点到输出层第j 个节点的权值；b1、…、bj、…、bm为输出层各个节点的阈值；y1、…、yj、…、ym为BP神经网络输出层的预测输出值。

图1 BP 神经网络结构Fig.1 BP neural network structure

激励函数选取S 形函数为：

决策实验室分析法（DEMATEL）是运用图论与矩阵论原理对复杂系统因素间的交互影响进行研究的方法。将DEMATEL 引入瓦斯爆炸风险因素的研究中，可全面分析风险因素间的相互关系，辨识关键风险因素，为瓦斯爆炸风险管理提供针对性的策略。

1.2 PSO-BP-DEMATEL 模型

DEMATEL 方法通常是通过问卷调查及专家打分法建立直接关联矩阵，这种主观性较强的方法依赖于调研对象的知识和经验，降低了研究结论的客观性。将神经网络与DEMATEL 方法结合，通过权值的计算得出直接关联矩阵，可增加计算结果和分析的客观性。PSO-BP 神经网络算法通过将粒子群算法的全局搜索能力和BP 神经网络的局部快速搜索能力有效结合起来，进而解决BP 神经网络容易陷入局部最优的问题，提高网络的训练速度。

将PSO 优化之后的权值和阈值作为BP 网络的初始权值和阈值对神经网络进行训练，最终求得输入因素间的直接关联矩阵。然后按照传统DEMATEL 方法，计算每个风险因素的影响度、被影响度、原因度及中心度。为能进一步呈现出不同关键风险因素的重要性排序，将PSO-BP-DEMATEL 模型和熵权法结合进行关键风险因素识别。步骤如下：

步骤1：原始数据标准化。

正向指标标准化处理方法为：

式中：Yj为第j 个期望输出值。

步骤5：寻找个体极值和群体极值。

步骤6：粒子按式（4）和式（5）更新位置和速度。

步骤7：全局最优适应度值是否小于设定误差或者迭代次数大于最大迭代次数，若不满足条件，返回步骤4；若满足条件，则输出PSO 优化好的权值和阈值，并将其作为BP 网络的初始权值和阈值对神经网络进行训练，直到网络达到性能指标，保存权值。

式中：U 为直接关联矩阵归一化后的矩阵；bij为直接关联矩阵B 中第i 行第j 列的元素；max 函数为取直接关联矩阵各行元素求和的最大值；T 为综合影响矩阵；E 为单位矩阵；（E-U）-1为E-U 的逆矩阵。

步骤11：计算各因素的影响度R 与被影响度D、原因度R-D 与中心度R+D，建立因果关系图。

式中：Ri为第i 个因素的影响度；ti·为综合影响矩阵中第i 行元素之和；tij为综合影响矩阵中第i 行第j 列的元素；Di为第i 个因素的被影响度；t·j为综合影响矩阵中第j 列元素之和。

步骤12：运用熵权法计算各因素的综合重要度，并对综合重要度排序，确定关键风险因素。由于熵权法较为常见，故不再列出具体步骤。

式中：ρi为第i 个因素的综合重要度；wi1*为第i个因素的中心度权重；Ri+Di为第i 个因素的中心度；wi2*为第个因素的原因度权重；Ri-Di为第i 个因素的原因度。

2 瓦斯爆炸风险因素指标体系

2.1 瓦斯爆炸风险因素识别

事故致因理论认为，安全事故风险是人、机、环境、管理等因素的多元函数，应充分考虑瓦斯爆炸风险因素间的内在联系和相互作用关系，对导致瓦斯爆炸的人、机、环境各种因素的状态以及有关的管理约束条件进行深入分析，从而确定关键风险因素，找出制约煤矿安全生产的薄弱环节。因此，通过参考国家、省、市等部门煤矿安全评价标准与相关文献[11-13]，对影响煤矿瓦斯爆炸灾害发生的风险因素主要从人、环境、设施、管理4 个方面进行识别。

1）人的因素在煤矿安全生产过程中占有独特的地位，人的不安全行为会引起煤矿瓦斯爆炸灾害风险的发生，所以安全生产过程中人为因素对煤矿瓦斯爆炸状态起着重要的影响。反映人为因素的指标主要包括：技术水平人员配备、员工平均受教育年限、员工安全意识、员工持证率和违章作业情况等。

2）环境因素包含的内容比较广泛，可以从人工作业环境和自然地质环境2 个方面进行分析。自然环境条件一般是固有的，是人为很难进行控制和改变的条件，而作业环境一般可以通过提高安全技术水平，改善设备设施等方法解决。

3）生产设施因素在整个煤矿安全生产系统中种类繁多，往往是导致瓦斯积聚和引爆火源产生的较为直接的因素。所以，对于煤矿安全生产管理而言，在考虑生产设施因素时，对选用的设备要兼顾生产效率和安全可靠性2 个方面。从煤矿安全生产系统的构成来看，生产设施因素主要包括机械化程度和各种设备完好情况。

4）管理组织是指对煤矿安全生产中一切人、环境、设备的状态进行计划、组织、管理与控制，以改善和消除生产设施的不安全因素和员工的不安全行为，减少和避免瓦斯爆炸灾害风险，实现煤矿安全生产。瓦斯爆炸灾害风险的管理组织因素主要包括：安全管理组织机构、安全制度与责任落实、安全教育培训与执行、安全科技投入和安全管理文化氛围等。

2.2 瓦斯爆炸风险因素指标体系

采用频率统计法确定瓦斯爆炸风险因素指标体系，基于识别的瓦斯爆炸风险因素，依据科学性、系统性、有效性、可量化性和综合性等原则，结合煤矿瓦斯爆炸风险发生的特点，对引发瓦斯爆炸的风险因素进行分析和筛选，选取统计使用频率较高的指标。最终从人为因素、环境条件、生产设施和管理组织4 个维度选取21 项指标建立煤矿瓦斯爆炸风险因素指标体系，瓦斯爆炸风险因素指标体系见表1。

表1 瓦斯爆炸风险因素指标体系Table 1 Index system of gas explosion risk factors

3 瓦斯爆炸风险因素

3.1 数据来源及处理

根据建立的瓦斯爆炸风险因素指标体系，查阅整理相关文献和资料，通过国家煤矿安全生产网、国家安全生产监督管理总局和各省煤矿安全监察网，对各项指标的相关资料数据进行了收集整理，最终得到研究的样本数据。

在上述建立的瓦斯爆炸风险因素指标体系中，由于指标代表的意义及取值范围不同，指标体系中各指标数据单位不统一，为消除不同指标因量纲或量纲单位所带来的不可公度性，根据式（6）和式（7）对数据进行标准化处理。

3.2 计算结果

以人为因素、环境条件、生产设施、管理组织这4 个维度的21 个因素作为输入层，以风险等级大小作为输出层，应用matlab 软件建立含有隐含层的PSO-BP 神经网络数学模型，隐含层取值为10，允许拟合误差最小值为0.001，最大迭代次数200，规定粒子最大速度为5，粒子运动最大位置为2，惯性权重为0.9，加速因子为2。

根据PSO-BP-DEMATEL 模型的建模步骤，经过多次训练后选取预测效果最好的网络并将其保存，预测效果如图2。

图2 预测效果Fig.2 Forecast effect

然后可以得到权值矩阵，根据直接关联矩阵，计算出各风险因素的影响度、被影响度、中心度、原因度和综合重要度的数值，瓦斯爆炸风险因素的综合影响度见表2。

表2 瓦斯爆炸风险因素的综合影响度Table 2 Comprehensive influence degree of gas explosion risk factors

3.3 结果分析

根据DEMATEL 的分类规则要求和风险因素的作用机理，将全部因素分成原因型和结果型2 大类，又可以将原因型因素称为驱动因素，将结果型因素称为特征因素，特征因素的状态随着原因型因素状态的改善及结构的调整而发展变化。在DEMATEL方法中，关键因素是指能够在系统中起重要支配作用的原因型因素[14]。因此重点分析原因型因素即驱动因素，并根据综合重要度排序识别关键风险因素。通过分析可以发现存在中心度远大于其他指标的风险因素，因此以所有风险因素中心度的均值和标准差之和（2.80）作为划分界限，进而将驱动因素分为强驱动型风险因素和驱动型风险因素。煤矿瓦斯爆炸风险因素原因-结果度如图3。

图3 瓦斯爆炸风险因素原因-结果度Fig.3 Causes-result degree of gas explosion risk factors

1）强驱动型风险因素分析。影响煤矿瓦斯爆炸的风险因素中，安全教育培训与执行的影响度最大，说明安全教育培训与执行因素对其他风险因素影响作用最为显著，该因素的中心度也最大，表明这个风险因素在煤矿瓦斯爆炸风险管理系统中处于重要地位，应重点关注。安全管理组织结构和安全管理文化氛围的中心度也较大，同样属于煤矿瓦斯爆炸风险因素中的需重度关注的因素。这些风险因素的中心度值大于所有因素中心度的均值加标准差，表现出显著的重要性，并且这3 个因素均属于管理组织维度的风险因素，反映出煤矿企业的管理组织工作在瓦斯爆炸灾害风险中起着关键作用。同时安全教育培训和执行、安全管理组织机构和安全管理文化氛围具有较高的影响度，表明这3 个风险因素对其它风险因素的影响较大，并与其他风险因素的关系联系紧密，对其他风险因素均产生较强的影响作用，相对而言，其他风险影响因素对该因素的作用相对较小。这些强驱动风险因素对瓦斯爆炸灾害风险管理的影响是持续的、稳定的，起到根本性、持续性的推动作用，煤矿安全生产过程中应加以重视。

2）驱动型风险因素分析。驱动型风险因素主要有安全科技与投入、员工安全意识、风量供需比、技术人员配备、安全防护设施完好率。这些风险因素均属于原因型风险因素，中心度又明显弱于强驱动型风险因素，在瓦斯爆炸灾害风险中具有重要作用，但并不是对其中的每个因素都产生影响。同时可以看出，驱动型风险因素主要为管理组织和人为因素2个维度的因素，说明煤矿的管理组织工作和员工素质管理对瓦斯爆炸灾害风险起着重要的推动作用。如在进行煤矿开采时，技术人员配备越符合煤矿安全生产要求并且工作人员的安全意识越强，操作各种生产设施时，出错率也就越小，这样瓦斯爆炸灾害风险发生的机率也就越小。所以，驱动型风险因素虽然不能对瓦斯爆炸灾害风险发展起到根本决定作用，但其仍是解决当前瓦斯爆炸灾害风险问题的重要途径，推动着其他风险因素的发展变化。

3）综合分析。分别将人为因素、生产设施、环境条件和管理组织4 个维度中所包含风险因素的影响度、中心度求和后平均，各维度层因素的影响度、中心度和原因度见表3。由表3 可知，管理组织维度的风险因素指标对瓦斯爆炸灾害风险的影响程度最大，其次是人为因素维度。管理组织维度和人为因素维度的原因度均大于0，说明管理组织和员工管理工作影响着其他风险因素，在煤矿瓦斯爆炸风险中起着至关重要的作用。从四者的中心度来看，管理组织维度的中心度最大，其次是环境条件、生产设施、和人为因素。管理组织工作在煤矿瓦斯爆炸灾害风险管理工作中起着核心作用，不仅影响着瓦斯爆炸灾害风险管理，而且对其他风险因素的管理也起着重要的影响作用，而管理组织工作正是煤矿瓦斯爆炸灾害风险管理的关键枢纽，如果不能较好的控制或改善这些因素，造成灾害风险的可能性会大大增加。

表3 各维度层因素的影响度、中心度和原因度Table 3 Influence degree, cause degree and centrality degree of each dimension factor

4）综合重要度分析。对风险因素的综合重要度分析可以更加清楚的呈现出不同关键风险因素的重要性程度。关键风险因素不仅要求其综合重要度值高，而且也要求为原因型因素，故关键风险因素只能从原因型风险因素中选取，且根据综合重要度排序，其优先次序为：安全教育培训与执行、安全管理组织机构、安全管理文化氛围、员工安全意识、安全科技与投入、风量供需比、技术人员配备、安全防护设施完好率。同时根据“二八定律”，20%的因素起着关键的影响作用。因此，挑选综合重要度在前20%的风险因素作为识别的关键风险因素，其影响程度依次为：安全教育培训与执行、安全管理组织机构、安全管理文化氛围、员工安全意识、安全科技与投入。

4 结 语

1）通过识别煤矿瓦斯爆炸风险因素，将其分为人为因素、环境条件、生产设施和管理组织4 个维度，并构建PSO-BP-DEMATEL 模型，对瓦斯爆炸风险因素进行分析，进一步结合熵权法计算综合重要度，确定瓦斯爆炸灾害风险中的关键风险因素。最终分析得到5 个关键风险因素：安全教育培训与执行、安全管理组织机构、安全管理文化氛围、员工安全意识、安全科技与投入。这些风险因素会对其他风险因素产生重要影响，并进一步影响煤矿瓦斯爆炸风险的管理，是瓦斯爆炸风险防范的关键所在。

2）依据识别和分析的瓦斯爆炸关键风险因素，针对煤矿瓦斯爆炸风险管理的发展现状，提出以下对策建议，以期为我国煤矿瓦斯爆炸风险防控管理工作提供参考。为加强煤矿瓦斯爆炸灾害风险的管理和防控，应把对于员工的安全教育培训工作放在首位，定期组织员工学习必要的安全生产防护理论和技能，也要注意在培训结束后对员工进行考核，在合格通过考核后，才能保障员工能够在实际工作过程中对安全作业的理论和技能进行良好应用，进而预防和减少瓦斯爆炸灾害的发生。

3）影响瓦斯爆炸发生的关键风险因素主要为管理组织因素，因此为更好的预防瓦斯爆炸发生，需建立瓦斯爆炸风险管理组织机构，在企业内部形成良好的安全管理文化与氛围，进而提高员工安全意识。建立瓦斯爆炸风险管理组织机构主要是为监督瓦斯管理工作，对相关工作人员的工作行为以及工作内容等进行有效监督，这样不仅可以提高瓦斯防治相关工作人员的工作效率和工作质量，还可以为企业工作人员的人身安全提供保障。

4）防止瓦斯爆炸风险的发生还应加大安全科技投入，加强基础设施的管理。促进煤矿建设沿着信息化、自动化、智能化、智慧化方向的升级发展，加大煤矿安全科技投入力度，从而进一步完善安全生产设施、监测监控设施及防护设施的管理。更好的推进信息技术的利用，如安装利用物联网技术的瓦斯爆炸动态安全预警系统，进行瓦斯监测、设备监测、故障诊断和管理预警，提高企业管理组织水平，减少瓦斯爆炸事故发生率，将煤矿生产的各个环节和设备信息都统一到一起进行处理，增强瓦斯爆炸灾害的防控能力。