基于博弈组合赋权与秩和比法的煤矿通风安全生产标准化管理体系建设研究

汪志萼,王学强,张峰飞,徐景德,马 峻

(1.首都经济贸易大学 管理工程学院,北京 丰台 100086;2. 陕西煤业股份有限公司,陕西 西安 710077;3. 陕西彬长矿业集团有限公司,陕西 咸阳 713600;4. 华北科技学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤矿通风是煤矿生产系统的重要组成部分,为井下安全生产提供保障,合理达标的煤矿通风系统可以提高煤矿防灾抗害能力。为全面推进煤矿企业现有安全管理中存在的缺陷和不足,进一步增强煤矿企业安全生产及保障能力,国家煤矿安全监察局于2020年7月在煤矿安全质量标准化的基础上修订并发布《煤矿安全生产标准化管理体系考核定级办法(试行)》与《煤矿安全生产标准化基本要求及评分办法》,指导煤矿企业安全生产工作持续改进达到本质安全水平[1]。此次修订将安全风险分级管控和事故隐患排查等“双重预防性工作机制”结合煤矿安全管理建设工作体系中,真正实现了煤矿安全风险的超前预控。通风要素在煤矿安全生产标准化管理体系中占有重要地位,而煤矿企业在创建一级标准化过程中出现执行偏差和存在重大问题的多在通风要素中。因此,如何科学高效评估通风要素安全标准化建设水平是使煤矿企业持续改进的可行手段之一。目前,国内外学者多采用风险评价和安全理论对煤矿通风安全管理进行研究。张聪聪等[2]结合主成分分析法和灰色关联分析法构建了13个指标的煤矿通风系统可靠性评价数学模型,并实例验证了该模型的实用性。乔伟胜[3]应用层次分析法对整个矿井的通风系统和通风状况进行了多指标可靠性分析与评价。谢贤平等[4]从煤矿通风系统效果评定角度出发,选取9个具有经济技术评价效果的指标构建评价指标体系,并进行应用验证。肖成侠[5]等采用HAZOP法对通风系统中可能存在导致风险的因素进行系统化识别与分析。国内外学者采用多种评价方法,如Fisher判别法[6]、灰色关联分析与神经网络模型[8]、熵权法[9]和模糊综合评价法[10]等对通风系统进行综合评价。在评价体系基础上,程健维等[10]基于动力学理论构建了煤矿通风系统的预警体系。虽然众多学者基于不同理论构建多种通风系统的评价模型,但以上研究大多采用神经网络、FCE和AHP等评估煤矿通风水平,无法避免其模型中的权重赋权的主观性和模糊性。每一种赋权方法都有其使用范围和优缺点,采取多种方法结合可在一定程度上克服单一方法的片面性。

从“通风系统-局部通风-通风设施”3个方面分析影响煤矿通风安全生产标准化创建水平的指标,综合运用层次分析法、CRITIC法、博弈论组合赋权法与秩和比综合评价法构建煤矿通风安全生产标准化管理评价体系,以期为煤矿在达标创建国家安全一级标准化管理体系,日常工作中提前发现安全风险与事故隐患,为降低经济损失与减小事故发生率提供依据。

1 煤矿通风安全生产标准化管理评价体系的构建

1.1 指标的确定

根据《中华人民共和国安全生产法》、国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿安全生产标准化管理体系考核定级办法(试行)》和《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法(试行)》等国家法律与标准,参照美国联邦安全管理委员会的危机管理四阶段MPRR理论[9],依循科学性、可行性和层次性原则,将煤矿通风安全生产标准化建设水平评估划分为3个一级指标和8个二级指标,评价体系如图1所示,各级指标含义及考核方法参见文献[1]。

图1 煤矿通风安全生产标准化建设水平评价体系

1.2 基于AHP的指标主观权重计算

AHP是利用专家知识与经验对多不同层次的指标进行模糊量化的一种半定性-半定量方法,经常被应用构建安全评价体系,但由于存在较强的主观性与精度不足等问题,需要与其他评价方法结合使用。

层次分析法可以体现行业专家的经验判断,指标的相对重要程度一般不会违反人们的常识。本文以层次分析法首先建立两级指标层与目标层,再邀请10位专家采用九级标度法对二级指标进行两两比较,构造判断矩阵,其中某位专家对二级指标的打分表见表1。

表1 煤矿通风安全生产标准化建设水平评价体系指标某位专家打分表

利用SPSS软件计算表1中专家判断矩阵的一致性比率CR=0.074,可知通过一致性检验,由此可得出该位为专家确定的一级指标的权重,再对各专家的判断矩阵逐一进行计算权重并进行一致性检验,得到权重后取平均值,即得到最终的各级权重,形成建设水平评价指标的权重表,如图2 所示。

图2 通风三要素二级指标各项权重图

由图2可知,通风系统的主观权重高于局部通风和通风设施,而局部通风的客观权重要高于通风系统和通风设施的客观权重,也可以看出CRITIC法计算的通风系统和通风设施的客观权重差异不大,而局部通风中风筒敷设的客观权重差异显著。因此,可以发现在评价体系中,通风系统和局部通风中的系统管理、风量配置和装备措施等主观指标权重较大,表征其对煤矿通风建设达标具有决定性的影响作用,通风设施中各二级指标权重较小,与专家组依据日常在属地煤矿安全生产标准化管理体系的达标抽查中发现的重大问题主要集中在系统管理和装备措施中,而风门、风桥等通风设施中存在不少问题,但以容易且反复出现的隐患为主,不涉及重大事故隐患等相一致。

1.3 基于CRITIC的指标客观权重计算

CRITIC是一种经典的客观赋权方法,其原理是根据指标间的信息量、对比度及其冲突性来确定各个指标的权重大小,该方式适用于有波动性的数据,易表征数据携带的信息量。但其缺点是忽视了决策者的主观知识与经验等主观偏好信息,有时会出现权重系数不合理的现象。针对8个二级指标的客观权重计算可依据专家定性赋值结果,首先对表1中数据按照公式(1)进行正向化处理,可使原始数据经过处理后,数值变化范围都满足0≤aij≤1。

(1)

式中,aij为标准化后的数据值,xij为第i个评价对象的第j个指标值,xjmin为指标j的最小值,xjmax为指标j的最大值。

对进行了标准化处理后的数据进行波动性分析,采用标准差表征其波动性,定义xi为指标j的指标向量,其标准差记为σj,标准差越大表示该指标的数值差异越大,说明其携载的信息量越大,指标的评价强度越高,依此分配更大的权重,按照公式(2)计算标准差。

(2)

指标之间的相关性可以反映出指标之间的冲突性,从而来优化依据波动性来分配权重的不足,一般相关性越大,冲突指标越小,依此分配越小的权重,按照公式(3)计算相关系数ρij。

ρij=cov(xi,xj)/(σi,σj)

(3)

式中,ρij表示第i个指标和第j个指标之间的相关系数,cov(xi,xj)表示第i个指标和第j个指标之间的协方差。

最后,结合标准差和相关系数计算指标所含信息量Gj与最终权重ωj,指标所含信息量越大,其评价作用越强,依此分配的权重也应越大。按照式(5)计算出各级指标的客观权重,结果见表2。

表2 煤矿通风三要素安全生产标准化建设水平评价体系指标权重

(4)

式中,Gj为第j项指标的信息量值。

(5)

式中,ωj为第j项指标的权重值。

由图2可知,局部通风和通风设施两项所包含的波动性和冲突性反映出来的信息量较大,说明根据专家定性赋值的结果计算出的客观权重与层次分析法计算出的主观权重具有差异性。各有侧重的权重在应用到评价中时会产生不同的结果,因而存在准确性与科学性不足的问题。

1.4 基于CW的组合权重计算

为了使多指标决策的排序结果更科学,一种合理的做法就是将不同的赋权法所得的权重系数按照一定的方法进行组合。本文通过引入博弈论组合赋权,使排序结果既能体现主观信息,又能体现客观信息。通过协调主观权重和客观权重之间的差异性,该方法可避免单一权重在决策过程中的不确定性和片面性,减少与最优策略偏离程度。

组合赋权法要求构建指标主观权重与客观权重之间的离差函数,如式(6)所示。

(6)

按照矩阵的微分性质,取式(6)的最优化一阶导数,计算求解出θ1、θ2的值,并按照公式(7)对其进行归一化处理。即θ1=0.565,θ2=0.435。最后,组合权重ωi按照公式(8)计算,权重计算结果见表2。

(7)

(8)

式中,ωi为第i项的组合权重值。

因此,组合赋权后得到三个一级指标的权重接近,但二级指标的权重各有侧重,这与煤矿通风实际工作是相符合的,通风系统的建设多为顶层设计,需矿领导审批安全技术措施,局部通风项的风机风筒正常运行依赖于通防技术管理人员的设计与维护,而通风设施的建设多考核现场运行,需一线职工的全员参与建设标准化煤矿。因此,在建设煤矿安全生产标准化时,三项一级指标要齐头并进,全部达到一级标准化要求。

1.5 基于RSR的建设水平评价

秩和比(RSR)一般用于评价多个指标的综合水平情况,原理是利用RSR值信息进行各项统计回归分析,RSR值介于0～1之间且连续,该值越大说明评价越好。

计算步骤如下:把评价对象中各级指标数据构造矩阵,结合各指标的组合权重计算矩阵的秩得到一个新的无量纲统计量RSR并排名得到RSR的频率分布表,列出各组频数,计算各组的累计频数和累计频率,将转换为概率单位Probit。再以Probit值为自变量,以RSR为因变量,计算直线回归方程,方程通过检验即可采用Probit值。再依据RSR分级的对照表对评价对象进行划分等级,对照表见表3。

表3 RSR分级的百分数与概率单位(Probit)对照表

2 实例应用

2.1 检查问题数据考察

应用构建的评价体系对陕西彬长矿区某矿开展煤矿通风安全生产标准化建设水平综合评价工作。邀请专家开展实地检查通风三要素创建成果,评价该矿通风安全生产标准化建设水平实际情况,现场检查问题如图3所示。

图3 某矿安全生产标准化问题清单图

虽然专家现场检查发现众多问题,该矿对安全生产标准化管理体系创建要求较高,过程控制较严,全矿上下高度重视,将标准化管理体系创建作为安全生产的抓手和日常工作,常抓不懈,取得了长足的进步。如在通风系统方面,煤矿通风系统较为正规合理,都设有专用采区回风巷,按照分区通风设计系统,基本上消灭了串联通风;煤矿每年进行一次反风演习,按照规定进行通风阻力测定和主扇风机性能鉴定。在局部通风方面,所有的局部通风都做了设计,进行了需风量计算,局部通风机选型都较大,风量充足并能在长距离通风条件下风机工况稳定。局部风机安装制定了措施,现场上架或者吊挂,安装正规,符合质量标准要求;局部通风机都实行了“三专”供电,安装了风电闭锁并能实现自动切换。风筒吊挂平直整齐,基本做到了逢环必挂,无拐死弯、急弯、阻风现象,接头严密不漏风;全部的局部通风机都安装了风电闭锁和瓦斯电闭锁装置。在通风设施方面,井下绝大多数通风设施都牢固可靠,正规合理,质量符合要求;通风设施构筑前进行了设计,编制了施工安全和质量控制措施,制定了质量验收制度;对通风设施定期检查,发现问题及时维修;通风设施见实帮实底,部分设施进行了掏槽。因此,科学评价该矿目前通风安全生产标准化建设水平实际情况对其持续改进和一级达标具有重要意义。

2.2 检查问题数据分析

依据秩和比综合评价法,将检查问题构造矩阵并采取整次法进行编秩(4,2,4,2.5,3,1,3.5,1.5),计算得RSR分布值为0.5344,换算成Probit值为4.326。以Probit值为自变量,以RSR为因变量,计算直线回归方程。线性回归模型要求总体回归系数不为0,即变量之间存在回归关系。根据F检验结果对模型进行检验;R2代表曲线回归的拟合程度,越接近1效果越好;VIF值代表多重共线性严重程度,用于检验模型是否呈现共线性,即解释变量间存在高度相关的关系(VIF应小于10或者5,严格为5);若VIF出现inf,则说明VIF值无穷大,建议检查共线性或更换回归模型。

根据表5中F检验的结果分析可以得到,显著性P值为0.0001,水平呈现显著性,拒绝了回归系数为0的原假设,同时模型的拟合优度R2为0.966,模型表现较为优秀,因此模型基本满足要求。对于变量共线性表现,VIF全部小于10,因此模型没有多重共线性问题,模型构建良好。

因此,得到模型的公式为:

RSR=0.013+0.114×Probit

(9)

最后参照表3,即可得出该矿当前的通风安全生产标准化建设水平为国家二级安全生产标准化煤矿,表格中的“Level 1”为国家一级安全生产标准化煤矿,“Level 2”为国家二级安全生产标准化煤矿,“Level 3”为国家三级安全生产标准化煤矿。评价结果与专家评级的结果相吻合,该矿未达到国家一级安全生产标准化煤矿的要求,这与表4中检查出的问题息息相关,建议煤矿应及时整改检查出的各项问题,同时应重点管控通风系统和局部通风中出现的重大隐患,评价结果可为创建达标煤矿与减少事故隐患发生率提供依据。

表4 线性回归参数表

3 结论

(1) 构建煤矿通风安全生产标准化建设水平评价指标体系以通风系统、局部通风和通风设施为一级指标,以系统管理、风量配置、装备措施等8个指标为二级指标,构建煤矿通风安全生产标准化建设水平评价体系对某矿通风建设情况进行评价,结果表明该煤矿通风建设水平处于国家二级安全生产标准化煤矿,验证了该体系的有效性。

(2) 各二级指标权重表明风筒敷设、装备措施、风量配置和系统管理等指标应作为达标创建安全生产标准工作的要点,煤矿企业应加强通风管理工作,努力搭建好管理体系框架并赋予其职能,确立其运行模式,规范其运作方式,建立健全制度和岗位职责,使之能按照预期的方向运作,真正实现通风要素达标。

(3) 依据现有国家规定和行业标准审视煤矿通风系统,存在问题较多,建议该矿全盘整合系统,可以通过简化通风系统,尤其是对现有的通风及其他安全生产系统进行整合,规避重大安全事故风险和隐患,以顺利通过国家一级安全生产标准化管理体系建设的验收和保证日常生产安全工作的持续改进。

(4) 通过分析专家检查问题和评价通风建设水平,可以得出煤矿企业应敬畏规程,尊重标准。尤其是在通风系统建设上,应强化底线、红线意识,特别是避免生产采区不能实现独立通风与采区未达到边界的“重生产轻安全”行为。