层次分析法在煤矿安全体系中的应用研究

2023-01-11张晓旭范超男马国良

能源与环保 2022年12期

张晓旭，范超男，马国良

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林 719315； 2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000； 3.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024)

近年来，由于我国煤矿开采条件差，而且随着开采深度的延伸，各种技术及管理问题日渐随之增多，加之劳动力知识技能的缺陷，这就对煤矿安全管理提出了越来越多的挑战，需要煤炭企业管理者认真研究加以解决。因此，随着安全生产法制建设的不断深入，必须加快本质安全型矿井的发展步伐，按照全面推行现代安全管理制度的总体要求，全面形成以“现代化安全管理模式”为核心，把煤矿建设成为一个可持续发展能力强、科技创新能力强、人才资源丰富的安全、和谐矿区[1]。

随着安全管理水平的发展，针对煤矿安全评价的方法不断得到丰富，每种评价方法的适用场景和工作量存在差异[2]。层次分析法(AHP)是在深入分析复杂决策问题的本质、影响因素和内部关系的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程进行数学化，从而可为多目标、多准则和无结构特性一类的复杂决策问题提供一种简单有效的决策方法，特别适用于无法直接准确计量决策结果的情形[3-4]。本文从系统工程的角度，基于对煤矿安全管理的具体认识，采用层次分析法对煤矿安全管理体系的可靠性进行综合分析，在充分考虑各方面因素后，对煤矿安全管理体系中的各个因素做了系统的定性和定量的评价，并对相应因素进行重要性排序，简单直观地反映了煤矿安全管理状况，从而为煤矿安全管理提供依据，最大限度的降低因管理不善而引发重大安全事故。

1 层次分析法及分析步骤

层次分析法(AHP)由美国著名运筹学家A.L.Saaty于20世纪70年代提出，通过把与决策相关元素分解成目标、准则和方案等层次，并进行定性及定量分析的决策方法[5]。

运用层次分析法进行分析，分为4个步骤[6-8]：①问题层次化，构建多层次结构模型；②构造各影响因素的判断矩阵；③计算权向量，并做一致性检验；④计算组合权向量，并做组合一致性检验。

1.1 构建多层次结构模型

根据相关因素的不同属性，从上到下划分为几个层次。同级因素从属于上级因素或影响上级因素，同时支配下级因素或受下级因素影响。最上层是目标层，通常只有一个因素。底层通常是方案层或对象层，中间可以有一层或几层，通常为准则或指标层[9-11]。

1.2 构造各因素的判断矩阵

在构建了多层次结构模型后，各层次之间的关系就被确定，判断矩阵是同一层次的各元素对于上层次中某一准则的重要性进行两两比较的结果，重要性判断结果一般选用1～9标度进行量化[12-15]，见表1。

1.3 计算权向量并做一致性检验

最大特征根与对应特征向量从每一个成对比较阵计算可得，并利用指标(一致性指标、随机一致性指标和一致性比率)做一致性检验。若检验通过，进行归一化后的特征向量即为权向量，否则，需要重新构造成对比较阵[16]。

A·W=λmax·w

(1)

式中，A为判断矩阵；W为权重；λmax为判断矩阵最大特征值；w为归一化后权重。

表1 判断矩阵1～9标度意义Tab.1 Meanings of scale 1～9 in judgment matrix

评价判断矩阵的一致性检验指标为CR(一致性比例)。当CR<0.1时，认为该判断矩阵具有满意的一致性，否则，需要对判断矩阵进行调整[17]。

CR=CI/RI

(2)

式中，CR为一致性比例；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标。

计算得到的随机性一致指标RI值见表2。

表2 随机性一致指标RI值Tab.2 Numerical values of average random consistent index RI

得到的判断矩阵权重及最大特征向量可对评价因素的权重进行层次总排序和层次单排序[18]。

1.4 计算组合权向量并做组合一致性检验

通过计算最下层因素对于目标的组合权向量，并且根据公式可进行组合一致性检验。若检验通过，即可根据组合权向量所表示的结果做出相关决策。否则，需要重新考虑模型，或者需要重建具有较大一致性比率的成对比较矩阵[19]。

2 基本步骤

2.1 确定评价指标

建立层次分析法模型的首要问题是根据科学研究中实证与规范相统一的原则和要求来建立层次分析法指标体系。指标体系的建立应遵循科学性和实用性两大指导原则。在我国煤矿井下开采中，由于煤层地质条件复杂多变，往往伴随着天然气、水、火、尘等自然灾害的威胁。同时，煤矿工人安全知识的缺乏、生产技术的相对落后、安全监督的疏忽和安全管理的不规范导致煤矿安全生产管理能力较差。基于对煤矿安全管理的理解，从系统工程的角度对煤矿生产系统进行综合分析，可以看出，决定和影响煤矿安全生产能力的因素主要包括安全技术措施、安全培训教育、安全检查、安全机构和安全救护救援。

2.2 构建多层次结构模型

根据层次分析法的基本步骤，系统地分析了我国煤矿企业安全管理体系的有关资料和信息之后，确定了5个方案层，19个准则层。建立煤矿企业安全管理递接层次模型，如图1所示。

图1 煤矿安全管理体系评价指标体系Fig.1 Indication system-IS of coal safety management

2.3 构造判断矩阵并一致性检验

根据相关专家以及现场工作人员的意见，确定出各因素间的相对重要性，并构造出各层次中的所有判断矩阵，然后运用Matlab软件计算出权向量并进行一致性检验。

A—B之间构成的判断矩阵如下：

该矩阵的特征值：W=(w1，w2，w3，w4，w5)=(0.484 7，0.262 3，0.144 8，0.070 1，0.038 1)，λmax=5.268 2。CI=(λmax-n)/(n-1)= 0.060 750。查表可得，RI=1.12，则有CR=0.054 21<0.1。因此，认为判断矩阵通过了一致性检验。

B—bi之间构成的判定矩阵的形式如下所示：

该矩阵特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.556 4，0.228 5，0.136 6，0.078 5)，λmax=4.031 01，CI=0.010 35。查表得，RI=0.89，则CR=0.011 631<0.1。因此，认为判断矩阵通过了一致性检验。

该矩阵特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.586 0，0.218 0，0.123 5，0.072 5)，λmax=4.019 25，CI= 0.006 413。查表得，RI=0.89，则CR=0.007 206<0.1。因此，认为判断矩阵通过了一致性检验。

该矩阵特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.638 8，0.182 4，0.119 3，0.059 6)，λmax=4.103 70，CI=0.034 56。查表得，RI=0.89，这时CR=0.038 821<0.1。因此，认为判断矩阵通过了一致性检验。

该矩阵特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.609 8，0.209 3，0.113 5，0.067 5)，λmax=4.016 43，CI= 0.005 50。查表得，RI=0.89，这时CR=0.006 20<0.1，因此，该判断矩阵通过一致性检验。

该矩阵特征值：W=(w1，w2，w3)=(0.696 0，0.224 5，0.079 5)，λmax=3.078 33，CI= 0.039 65。查表可得，RI=0.58，这时有CR=0.068 37<0.1。因此，认为判断矩阵通过了一致性检验。

2.4 层次总排序及一致性检验

层次总排序是在指同一层次的所有元素对于目标层(A)的相对重要性(A—Bi的排序也为一个总排序)[20]。总排序权重是从顶层到底层权重进行的合成。所有影响煤矿安全生产管理的因素进行的总排序见表3。

表3 煤矿安全管理评价指标体系及权重Tab.3 Indication system-IS of coal safety management and weights

CI=0.013 6，RI=0.877 7；CR=CI/RI=0.015 5<0.1，煤矿安全管理体系总排序结果具有满意的一致性。

2.5 结果分析

从以上分析可以看出，在煤矿安全管理体系中，安全技术措施(权重0.484 7)是影响煤矿安全管理的首要因素，其次是安全培训教育(0.262 3)、安全检查(0.144 8)和安全机构(0.070 1)，而安全救护救援(0.038 1)排在最后。为进一步提高我国煤矿安全管理水平，首先要加大安全生产的投入，不断提高安全技术设施和装备水平。其次，要提高煤矿企业管理人员的安全管理素质和能力，使煤矿企业管理人员树立系统、持久、务实、科学的安全观。同时，还要重视员工的培训教育，加强对员工的安全教育和专业技能培训，配备高专业素质的安全技术人员，以加强安全生产管理和监察力度。

另外，从层次总排序(表3)的致因排序中可以看出，矿山安全管理体系的19个影响因素的相对重要性排序依次为工作面安全规范(0.269 7)，上岗安全培训(0.153 7)，一通三防技术措施(0.110 7)，一通三防检查(0.092 5)，机运安全措施(0.066 2)，班前安全教育(0.057 2)，矿长责任制(0.042 7)，个人安全防护技术措施(0.038 0)，安全事故会(0.032 4)，矿队救护(0.026 5)，工作面质量检查(0.026 0)，开展安全知识竞赛(0.019 0)，井下三违检查(0.017 3)，通风安全科(0.014 7)，机运设备安全检查(0.008 6)，医疗救护(0.008 2)，工区安监员(0.008 0)，班安全监护网(0.004 7)，个人救护(0.003 0)。从中可以看出，工作面安全规范在所有因素中比重最大，其次是岗前培训，因此，管理人员必须结合本矿实际情况，制定合理的规章制度，并不断完善和细化相应的操作规程，预防各种危险因素的发生，保证工作人员的人身安全和煤矿安全生产的进行。形成具有中国煤矿特色、高效运行的安全管理体系，对于提高煤矿安全管理水平、实现科学化管理、减少煤矿事故发生具有重要意义。