安全投入效用的智能分析方法*

2023-12-16崔铁军李莎莎

工业安全与环保 2023年12期

崔铁军李莎莎

（沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159）

0 引言

安全投入有别于一般的经济投入，其特点在于间接性、隐蔽性、潜在性、滞后性。多数企业认为安全投入并不创造直接经济效益，且影响生产进度，甚至导致停产，从而忽略保障生产系统安全带来的潜在经济和社会效益。事故原因是多样的，一些难以被人为控制，但也不完全随机、不可预测和不可控制。合理的安全投入可最大限度减少系统事故隐患，即使出现人的不安全因素和不安全行为也可减少事故发生，从而间接提高企业经济效益。将生产企业作为一个系统，系统中不同子系统之间的相互关系和作用不同，随着条件的变化而变化。那么如何得到合理的安全投入，减少事故发生就是要研究的关键问题。

目前国内外对安全投入的主要研究集中在不同领域和算法分析方面。文献［1-6］从数据挖掘、博弈模拟、经济效益、决策模拟、决策演化和产出效率等方面研究了安全投入产出问题。POWER D 等［7］从国家文化角度分析了投资环境和安全情况，研究了安全投入的重要性。FILER R K 等［8］研究了对工作场所安全投入带来的债务和利润问题。PITMAN J P等［9］研究了保证血液供应的安全投入，并分析了在撒哈拉以南非洲国家的可用性。笔者也进行了一些类似研究［10-13］。

安全投入与事故发生之间存在着显式和隐式的关系。安全投入一方面可增加现有生产系统的安全性；另一方面系统安全性的提高也促进了生产系统扩大，并极有可能出现新的不安全因素。所以安全投入不仅要考虑资金利用率，也要从生产系统本身考虑分析。

对安全投入是否正确的评价可借助安全投入后的安全生产现状和经济效益变化来衡量。对企业安全投入分布和去向进行调研，然后对安全生产现状进行分析，借助安全投入后的经济效益变化确定安全投入的合理性。总体上有定性和定量分析，其中定量分析较为简单，相关算法应用广泛，但定量分析本身的定量数据难以确定，而且安全数据本身存在隐式性，安全投入—事故—经济损失之间的关系难以用定量数据衡量。

实际而言，对安全投入和安全生产现状调查多数是一种定性的文本表述。安全投入与安全生产现状之间的因果关系蕴含在这些文本之中，所以需要分析文本之间的因果关系和隐含知识，来明确安全投入是否合理，是否有积极作用。基元知识系统是一种分析文本语义的方法，可用于简单文本的语义分析，并取得良好效果。为分析安全投入与安全生产现状调查后得到的文本语义，并从中找出安全投入与投入效果的关系，这里在基元知识系统基础上进行改进，以适应这类复杂语义文本分析。使用该方法分析了某个煤矿集团安全投入案例，分析了造成安全投入后事故增加的原因，并给出改进措施，保证有效安全投入。

1 问题的提出

某煤矿集团因为发生过重大安全生产事故，所以决定加大安全投入，3 a 期间各矿井百万吨死亡率均符合集团要求，但集团利润并未增加，反而略有降低。

调研信息如下：该矿业集团下属多家矿场，由于集团经营的历史遗留问题，矿井生产经营模式分为2种：一类矿井的生产和销售是集团直接负责的；二类矿井自身负责生产，集团负责销售。由于煤的经销权在集团，煤的外销价格由集团统一规定。二类矿为了降低开采成本，优先采掘开采成本低的煤层，而舍弃开采条件要求较高的煤层。一类矿设备齐全、技术先进，一直以来安全投入稳定，发生各类安全事故较少，安全条件较好。二类矿因为没有经营权，所以为了追求利益，除生产直接相关设备外很少有额外投入。集团前期发生过严重的生产安全事故，故决定加大安全投入。鉴于一类矿和二类矿现状，集团决定把大部分安全投入用以改善二类矿的安全条件。安全投入规定专款专用，不得挪用，并规定集团下属所有矿井百万吨死亡率小于0.1。二类矿使用安全投入购置了瓦斯、矿震等监测监控系统，并由此达到了增加生产能力的标准。二类矿新增的工作面并未安装安全监测监控设备，且因为气电联动设计，导致经常停工，所以关闭了相应的监测监控设备。由于二类矿扩大生产，工作面推进与一类矿工作面距离过近，煤岩体发生受压型冲击地压，导致涉及的一类矿和二类矿工作面停采，造成的经济损失巨大，但无人身亡。

从上述调研情况来看，集团增加了安全投入，反而造成经济损失增加，这与通常意义上增加安全投入保证安全生产的结果存在差异。那么安全投入在生产期间的作用如何，何种原因导致上述现象发生，又如何调整安全投入，这些是研究重点。

2 基元知识系统的改进

2.1 基元知识系统基本定义

1）文本规则化。将文本划分为计算机可识别的格式，该格式识别方法是人工规定的，且提供给计算机的文本信息需符合该格式。调整文本格式以便计算机识别的过程称为文本规则化。文本规则化将文本中的语句分解成最简单的句子以便计算机存储分析。例如：小明是学生，不爱学习，但学生的第一目标就是学习，期末考试必须及格。规则化后为：小明是学生。小明不爱学习。学生的目标是学习。小明期末考试必须及格。

2）基元知识：借助可拓理论中基元思想，将关于1 个对象Object的知识构成集合，集合中的知识为1个三元组，即对象Object、属性和值。基元知识中的一条可表示为Object→属性|值。上述短文表示为：小明→学生、小明→学习|不爱、学生→目标|学习、小明→期末考试|及格。“→”表示关联，从Object 指向属性；“|”表示属性与值的分割。根据属性的不同作用将属性分为3 类，分别是指标属性、倾向属性和对象属性。指标属性指外界施加于Object 的作用；倾向属性是Object 自身的想法和诉求；对象属性是对Object 的进一步描述和解释。

3）基元图用以表示基元知识，1 个基元知识有且只有1 个基元图。基元图由“○”和“→”表示。“○”代表对象Object 或属性。“→”表示Object 和属性的关系。“→”起始于Object，箭头指向属性。n 个属性的基元图如图1 所示。

图1 n 个属性的基元图基本形式

4）所有从短文中提取的基元知识组成的集合称为基元知识系统。其中划分最细的、不能继续分解的基元知识称为素基元知识。反映短文知识的所有素基元知识构成的基元知识系统为素基元知识系统。针对某一问题而言，在基元知识系统中有且只有一部分基元知识用于问题的推理解答，这些基元知识组成的基元知识系统称为核基元知识系统；介于之间的为一般基元知识系统，关系如图2 所示。

图2 素系统、核系统和一般系统的关系

5）基元知识链是对象Object与其对象属性之间建立的一种联系。即Object1→对象属性1；Object2→属性2，如果对象属性1 与Object2的内涵相同，那么可表示为Object1→Object2→属性2。基元知识链是对1 个Object的解释，是用其他Object作为这个Object 的进一步说明。循环上述过程，遍历每一个相关的Object 并相连，就形成了一个基元知识链。

2.2 改进方法

上述基元知识系统可解决简单的文本语义分析，但存在一个较为严重的问题。如果将文本表示为基元知识形式，特别是素基元知识形式，对于简单句尚且可用，但对复杂句将失去较多语义。如调研报告中：一类矿井的生产和销售是集团直接负责的；二类矿井自身负责生产，集团负责（二类矿）销售。绘制成素基元知识如图3 所示。

图3 简单的知识链

根据知识链的生成方式，语义将变为：矿业集团负责一类矿，一类矿有生产和销售事项；矿业集团负责二类矿，二类矿有生产且负责销售。与原句相比，变成了一类矿和二类矿的生产和销售都由集团负责，语义的限定减少了，特别是文本中多个语句中的Object都存在相同属性时更难以辨别归属和修饰对象，为此提出下列改进方法，即保留文本句本身的含义。

改进方法的基本思想是保留句本身的语义关系，句内语义不再划分，即不划分为基元知识，而是基元知识按照句子语义连接成串，定义为基元知识串。好处是不需要复杂的文本规则化，一般论述即可表示为基元知识串。例如：一类矿井的生产和销售是集团直接负责的；二类矿井自身负责生产，集团负责（二类矿）销售。可形成的基元知识系统中包括2 个基元知识串和1 个素基元知识，如图4 所示。

图4 基元知识串

基元知识串可表达一个自然句的含义，是根据语序和语义顺序将多个素基元知识连接在一起的轻量级知识链。基元知识串最大表示范围是一个语句，而基元知识链则最小表示范围是一个语句，一般是连接多个语句形成的。基元知识串的优点在于避免了文本规则化，可根据自然语句进行基元知识串生成，更明确地限定了Object 的属性和解释。1 个基元知识串中只有1 个中心Object，中心Object 的○中没有“|”，如上例中的矿业集团和二类矿。另外，Object后的“→”可理解为下一个Object中“|”之前的语义，比如矿业集团负责二类矿，那么负责可理解为关系，即“→”。

素基元知识、基元知识、基元知识串、基元知识链和3 种不同的基元知识系统都是在不同测度下对知识的考察。基元知识是词与词之间的关系；基元知识串是句层面的表示；基元知识链是在基元知识系统中寻找到的逻辑关系；基元知识系统则表示了整个文本的语义。对于一个目的明确的短文，其中心对象数量很少。比如2.1 节给出的例子，主要论述对象是矿业集团、一类矿和二类矿。所以其中论述的语句也大部分描述了这些对象。这是一种根据对象对语义的分类，也是重要知识，因此定义基元知识树的概念。基元知识树由不少于3 个基元知识串组成，所描述的中心Object 相同，通过该Object 将这些知识串相连进而形成的一种树状扩散图形。

在计算机实现方面，原方法存储简单但存储效率低，即1 个基元知识占据关系数据库的1 行。改进后方法为存储于数据库中每一行代表1 个基元知识串，从左到右按语序存储。比如图4 中的1 个基元知识串存储格式为第1 列是“矿业集团”，第2 列是“负责|二类矿”，第3 列是“有|销售”。“|”之前表示与前一个Object的关系，之后表示本基元知识的Object。该存储较原方法的存储效率提高。

基元知识链的生成规则为研究的Object（原）开始，沿着该语句文本的基元知识串寻找，每达到Object，则查找相同中心Object 的其他基元知识串中是否有相同的Object（在1 棵基元知识树内）。如果有1 个相同则连接再延伸至下一个Object。如果有多个则在此Object 分叉，分别连接再延伸各自的下一个Object，直至比邻中心Object，最终形成基元知识树的图形解释（人工分析）。

对数据库中的事件，生成基元知识链的操作仍是条件查询和文本链接。对数据库中的一行，从Object（原）开始向左依次读取Object，并查找在第1 列相同的行中是否存在相同的Object，如果存在则沿着所找到的行和原行继续向左遍历，最终形成基元知识树的文本解释。

上述抽象描述的详细解决方案见如下问题解决过程。

3 安全投入效用分析

按第1 节所给安全投入与安全生产调查报告，将自然句作为分析的基本单位形成基元知识串，由知识串组成的基元知识系统如图5 所示。由上至下基本按照论述的顺序给出。

图5 基元知识串表示的基元知识系统

如图5 所示，根据文本叙述形成基元知识串，保留了以句为单位的文本含义。可知多数基元知识串的中心Object 都是矿业集团、二类矿或一类矿。根据基元知识树的生成方法构建基元知识树，如图6 所示。

图6 给出了由2 个基元知识树和2 个素基元知识组成的基元知识系统。基元知识树较基元知识、基元知识串更能体现文本语义描述的核心对象及其逻辑关系。

因为矿业集团主要关注经济问题，所以首先从经济损失开始寻找，即A。其在二类矿的基元知识树中，所以限定寻找范围在二类矿相关的基元知识串中。经济损失A 和工作面停采B 相关，B 与发生冲击地压C 有关，C 与工作面D 有关，D 与生产E 有关。此时在二类矿的基元知识树中，生产能力F 与E 为等价关系，而E 与Object 相邻，所以知识链不分叉而转向F。从F 出发到与之相关的监测监控系统G，其与监测监控系统I 和监测监控系统K 有关。所以在G 处分叉形成3 个分支，GH、IJ、KL 均发展到与Object 相邻时停止。上述过程形成了一条知识链，该知识链说明了造成二类矿经济损失的原因。对于二类矿经济损失的直接原因是：①安全投入；②电气联动设计；③增加工作面，即H、J、L。具体为安全投入购买了监测监控设备，但由于气电联动设计导致监控检测设备关闭，且新工作面未安装监测监控设备。在这种情况下增加生产能力，扩大生产后导致二类矿接近一类矿工作面，在没有检测监控设备情况下发生冲击地压，造成停采导致经济损失。

分析上述3 点直接原因。二类矿得到的安全投入用于购买监测监控设备，直接提高了安全水平，间接提高了生产能力。在新工作面开采时因为安全投入资金耗尽所以并未购买监测监控设备。另外已经安装设备的工作面由于气电联动设计导致经常非事故性停产而被关闭。二类矿接受安全投入并未达到预期提高安全和经济效益的目的，反而造成了生产事故。虽然二类矿自身追求经济利益采掘技术要求低的煤层，但集团监管不力也是重要原因。其制定的考核指标矿井百万吨死亡率小于0.1 是不合理的。二类矿发生冲击地压过程中只有受伤，没有死亡，所以考核一直达标，因此可继续生产。从矿业集团的基元知识树看集团与二类矿的关系，是集团决定考核指标百万吨死亡率小于0.1，并根据两类矿实际安全情况决定对二类矿加大安全投入。所以二类矿发生上述生产事故一方面是自身对利益的追求，另一方面是集团对二类矿监管缺失造成的。

所以矿业集团的安全投入效用是负面的，并不起积极作用。

4 保证安全投入有效性的措施

上述例子得到的知识链是关于造成经济损失的因果关系过程。宏观上，经济损失来源于事故，事故源于扩大生产，扩大生产源于安全投入，即安全投入导致经济损失。根据多米诺效应，只要保证该知识链中的一个环节不发生，则不会导致最终的经济损失。

从直接原因入手，气电联动设计本身是一种保障安全极其有效的措施。生产过程中非事故性停产，应查明触发原因。一般情况下是系统安装后未针对本矿特点设置相应参数及试运行调试，进而导致不切合实际的事故触发。

由于安全投入使二类矿达到了提高生产能力的标准，但二类矿追求自身利益，将获得的开采配额用于技术简单的煤层开采，而自身又不增加相应的配套安全设施，导致事故发生。二类矿难以自觉遵守安全要求，需要集团提出约束条件，比如新开采工作面必须安装完备的监测监控系统，否则对管理者实施处罚。

安全投入目标是提升矿的安全等级，但通过上述分析得到了相反的结论，这主要是集团监管不力和二类矿运用安全投入不合理。安全投入不合理是因为集团并未参与安全投入的具体实施，且缺乏监管，所以造成安全投入效用不佳的原因主要在集团责任。集团应实地调研二类矿安全情况，制定安全投入的具体使用途径，并对使用情况进行考核。另外现有的百万吨死亡率小于0.1 的指标过于单一，应增加更为全面的考核指标。

综上，使用基元知识系统对安全投入效用进行了分析，找出了效用不佳的原因，并给出了解决方法。随着方法的成熟可挖掘出更精细的推理过程，以指导实际安全投入方案。