煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究

李乃文，張　麗，牛莉霞

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 工商管理學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0　引言

近年來，煤礦井下安全事故時有發(fā)生，安全管理難度不斷加大。據(jù)國家煤監(jiān)局統(tǒng)計，2016年，全國發(fā)生礦難事故15起以上的省份為陜西(15起)、四川(18起)、山西(17起)、遼寧(15起)、內(nèi)蒙(23起)，共計事故249起。可以看到，煤礦安全事故發(fā)生數(shù)較大，井下事故所占比例達(dá)85%以上，形勢很是嚴(yán)峻。因此，研究煤礦井下安全系統(tǒng)很有必要，有助于降低煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性，減少煤礦井下安全事故的發(fā)生。

目前，對于煤礦井下安全方面，學(xué)者們進(jìn)行了不同層次的深入研究和分析，主要集中于煤礦井下安全評價[1]與預(yù)測[2-3]、煤礦井下安全管理[4]、煤礦井下安全生產(chǎn)技術(shù)[5]等方面，前人的研究成果雖然可以有效提高煤礦安全生產(chǎn)水平，但是缺乏對煤礦井下活動的系統(tǒng)性研究。脆弱性理論最早是由地質(zhì)學(xué)家Timmerman[6]提出，隨后廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害和金融領(lǐng)域。在自然災(zāi)害領(lǐng)域，宋守信[7]研究了地鐵電氣火災(zāi)系統(tǒng)的脆弱性，從人、機(jī)、環(huán)角度提出了管控措施；在金融領(lǐng)域，饒勛乾[8]以金融脆弱性為研究對象，提出貨幣因素是金融脆弱性的重要致因之一。可以看出，脆弱性在管理方面有比較深入的研究，但是將脆弱性理論應(yīng)用到煤礦井下安全系統(tǒng)的研究還是極為少見的。

因此本文以煤礦井下安全系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合脆弱性理論，通過文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察，建立煤礦井下安全系統(tǒng)的仿真模型，甄別主要影響因素，對不同影響因素對煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的影響程度進(jìn)行分析，以便為降低煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性，減少煤礦井下安全事故提供思路。

1　研究設(shè)計和數(shù)據(jù)來源

1.1　研究設(shè)計

20世紀(jì)初，海因里希等[9]首次提出事故致因理論，認(rèn)為導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故發(fā)生的因素主要包括人員失誤、設(shè)備故障、不良的生產(chǎn)環(huán)境與管理匱乏。該理論比較詳盡地闡述了煤礦安全事故的致因，但是煤礦井下環(huán)境復(fù)雜特殊，缺乏針對煤礦井下安全管理的具體指導(dǎo)。

在事故致因理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)梳理[10-12]，將脆弱性理論應(yīng)用到煤礦井下安全系統(tǒng)，得到煤礦井下安全系統(tǒng)的脆弱性概念模型(見圖1)，即煤礦井下安全系統(tǒng)受到不利影響因子(員工、機(jī)器設(shè)備、周遭環(huán)境和管理制度等)的暴露時間、頻率和范圍，遭受到不利影響因子的破壞程度以及從不利影響因子的破壞中恢復(fù)正常運(yùn)行的能力。

圖1　煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性概念模型Fig.1　The conceptual model of coal mine enterprise safety system fragility

其中，煤礦井下安全系統(tǒng)由員工、設(shè)備、環(huán)境和管理4個子系統(tǒng)構(gòu)成；脆弱性表現(xiàn)為暴露度、敏感度和適應(yīng)度。通過概念模型和文獻(xiàn)分析[7,10-13]，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，進(jìn)行問卷設(shè)計，問卷內(nèi)容見表1。根據(jù)調(diào)查問卷數(shù)據(jù)結(jié)果，得到4個子系統(tǒng)對系統(tǒng)脆弱性的影響程度以及4個子系統(tǒng)之間的相互影響程度。

1.2　樣本來源

根據(jù)上述測量內(nèi)容，設(shè)計調(diào)查問卷。題項(xiàng)選擇分為五個等級，分別為非常不認(rèn)同、不認(rèn)同、不確定、認(rèn)同、非常認(rèn)同。此次調(diào)查問卷發(fā)放對象是煤礦企業(yè)管理者和員工，本科生居多，便于在調(diào)查過程中對于問卷項(xiàng)目有更好的理解，更準(zhǔn)確地反映礦區(qū)情況。為了保證調(diào)研效果，筆者進(jìn)行2次調(diào)查。首先，預(yù)調(diào)研發(fā)出問卷450份，回收問卷399份，有效樣本回收率為88.7%；然后對項(xiàng)目進(jìn)行初步分析，剔除掉貢獻(xiàn)值較低的項(xiàng)目，形成正式問卷。正式施測共發(fā)出問卷800份，涉及到陜西、遼寧、山西、四川等15個省份的96個煤礦企業(yè)，回收690份，有效率為86.2%。

表1　煤礦井下安全系統(tǒng)及脆弱性測量內(nèi)容

1.3　信效度分析

為了保證研究結(jié)果的合理性，筆者采用SPSS 17.0軟件對調(diào)查問卷進(jìn)行信效度檢驗(yàn)。首先，用Cronbach’α值[14]和CITC系數(shù)法對調(diào)查問卷信度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明各個項(xiàng)目的Cronbach’α值(見表1)均大于0.7，CITC數(shù)值分別為0.557，0.612，0.572，0.644，0.663，0.599和0.634，均大于0.5，說明問卷的可信度較高；然后采用驗(yàn)證性因子分析來檢驗(yàn)問卷的效度，結(jié)果顯示：χ2/df= 3.92，CFI= 0.91，GFI= 0.92，NFI= 0.92，IFI= 0.93，RMSEA= 0.049，說明問卷具有良好的效度。

表2　驗(yàn)證性因子分析結(jié)果

2　煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的仿真研究

2.1　煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)流圖

煤礦井下安全系統(tǒng)是一個由多個子系統(tǒng)相互作用和影響的整體，每一個子系統(tǒng)分別對煤礦井下安全系統(tǒng)的暴露度、敏感度和適應(yīng)度有一定的影響。因此，為了反映各子系統(tǒng)對煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的影響程度，采用系統(tǒng)動力學(xué)理論構(gòu)建煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)流，如圖2所示。

圖2　　煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)流Fig.2　The system flow chart of coal mine underground safety system

2.2　系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型參數(shù)確定

為了構(gòu)建SD仿真方程，需要對模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在以往的研究中，學(xué)者們多采用AHP、德爾菲法對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。這些方法主要是通過主觀判斷對系數(shù)進(jìn)行衡量，誤差較大。為了規(guī)避主觀誤差，筆者采用變異系數(shù)法[15]對各個因素的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行確定。在指標(biāo)評價中，如果某項(xiàng)衡量指標(biāo)的直接觀測值較大，則變異程度較大，賦予較大的權(quán)重系數(shù)；反之，賦予較小的權(quán)重系數(shù)。在統(tǒng)計學(xué)上，通常采用均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均差系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等來衡量權(quán)重系數(shù)的變異程度，由于標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)可以規(guī)避均值的影響，筆者采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)衡量權(quán)重系數(shù)的變異程度。

限于篇幅，筆者以設(shè)備系統(tǒng)為例，計算設(shè)備系統(tǒng)各個影響因素的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)圖2的煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性流程圖，確定設(shè)備系統(tǒng)的衡量指標(biāo)為采煤設(shè)備、掘進(jìn)設(shè)備、通訊設(shè)備、監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備、排水通風(fēng)設(shè)備、應(yīng)急設(shè)施、員工安全保障物品，樣本數(shù)據(jù)為96個煤礦企業(yè)，設(shè)備系統(tǒng)衡量指標(biāo)有7個，構(gòu)成96×7階矩陣，xij表示第i個被評價對象在第j項(xiàng)指標(biāo)的直接觀測值。

(1)

(2)

然后計算各個衡量指標(biāo)的變異程度系數(shù)Vj：

(3)

最后對變異系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到各個影響因素的權(quán)重系數(shù)：

(4)

根據(jù)得到的各個影響因素的權(quán)重系數(shù)，可以建立設(shè)備系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)方程：設(shè)備系統(tǒng)=0.13×采煤設(shè)備+0.15×掘進(jìn)設(shè)備+0.08×通訊設(shè)備+0.14×監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備+0.16×排水通風(fēng)設(shè)備+0.11×應(yīng)急設(shè)施+0.23×員工安全保障物品。同理，可以計算出各個子系統(tǒng)影響因素和子系統(tǒng)對脆弱性的影響程度的權(quán)重值，并建立相應(yīng)的系統(tǒng)動力學(xué)方程，見表3。

[91] 葛紅亮、鞠海龍：《“中國-東盟命運(yùn)共同體”構(gòu)想下南海問題的前景展望》，《東北亞論壇》2014年第4期，第29-30頁。

表3　煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)動力學(xué)方程

2.3　仿真結(jié)果分析

煤礦企業(yè)項(xiàng)目的工期大多比較長，根據(jù)開放式訪談的結(jié)果，在進(jìn)行仿真分析的時候，將單位設(shè)定為2個月，進(jìn)行為期10個月的仿真分析，對煤礦井下安全系統(tǒng)在一個工期內(nèi)的變化有一個較為實(shí)際的把握。筆者從暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個方面對煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行仿真分析，在分析各個子系統(tǒng)對煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性影響程度時，設(shè)定員工系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和管理系統(tǒng)4個變量，探討每個變量變化1個單位引起煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性變化的規(guī)律。

2.3.1煤礦井下安全系統(tǒng)暴露度分析

煤礦井下安全系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括人、機(jī)、環(huán)、管4個主體要素，暴露度主要考察系統(tǒng)受到外界擾動危害的幾率。為有效降低煤礦井下安全系統(tǒng)的暴露度，需要明確各個子系統(tǒng)對系統(tǒng)暴露度的影響程度。仿真分析結(jié)果如圖3所示，暴露度結(jié)果分為系統(tǒng)在初始狀態(tài)下的結(jié)果和變化某個子系統(tǒng)狀態(tài)下的結(jié)果。初始狀態(tài)下的結(jié)果是指每個子系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的安全系統(tǒng)暴露度，各子系統(tǒng)變化一個單位下的結(jié)果是指某個子系統(tǒng)的取值，其他子系統(tǒng)取值保持不變，最后得出的安全系統(tǒng)的暴露度。

圖3　煤礦井下安全系統(tǒng)暴露度仿真走勢Fig.3　Mine safety system exposure simulation trend chart

由圖3可知，對于系統(tǒng)暴露度，設(shè)備系統(tǒng)影響最為顯著，環(huán)境系統(tǒng)次之，員工系統(tǒng)和管理系統(tǒng)作用不大。另外，在一個仿真周期內(nèi)，安全系統(tǒng)自身的暴露度有下降趨勢，但是并不明顯。仿真結(jié)果(見表4)表明當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)增加一個單位時，系統(tǒng)暴露度在2月時下降30.28%，在工期即將竣工時，下降率達(dá)到了87.64%；當(dāng)環(huán)境系統(tǒng)增加一個單位時，系統(tǒng)暴露度在2月時下降25.14%，在10月時，下降率達(dá)到了72.50%，僅次于設(shè)備系統(tǒng)；當(dāng)員工系統(tǒng)和管理系統(tǒng)增加一個單位時，系統(tǒng)暴露度最高下降率分別為41.25%和28.75%。由此可以得出，對于煤礦井下安全系統(tǒng)的暴露度，設(shè)備系統(tǒng)影響程度最強(qiáng)，環(huán)境系統(tǒng)次之，管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)影響程度相對較弱。因此，為有效降低系統(tǒng)的暴露度，需要提升設(shè)備系統(tǒng)安全水平，當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)安全水平提升時，可以有效較少外界擾動與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度，從而降低系統(tǒng)暴露度。

2.3.2煤礦井下安全系統(tǒng)敏感度分析

系統(tǒng)敏感度著重反映系統(tǒng)面對外界擾動的反應(yīng)時間、幅度和限度。在仿真分析時，控制其他子系統(tǒng)取值不變，變化某個子系統(tǒng)取值，觀察安全系統(tǒng)敏感度的變化，仿真結(jié)果如圖4所示。

表4　煤礦井下安全系統(tǒng)暴露度仿真結(jié)果分析

圖4　煤礦井下安全系統(tǒng)敏感度仿真走勢Fig.4　Mine safety system sensitiveness simulation trend chart

由圖4可以看出，系統(tǒng)自身敏感度水平比較高，亟待解決；另外，從趨勢上看，對于煤礦井下安全系統(tǒng)的敏感度，環(huán)境系統(tǒng)影響強(qiáng)度最強(qiáng)，設(shè)備系統(tǒng)次之，管理系統(tǒng)最弱。仿真結(jié)果(見表5)表明煤礦井下安全系統(tǒng)自身的敏感度比較高，初始敏感度達(dá)到8.0，在工期即將竣工時，敏感度為7.14，雖然有所下降，但是仍然處于較高水平。當(dāng)環(huán)境系統(tǒng)增加一個單位時，系統(tǒng)敏感度在2月時，下降率為14.88%，在4月時，下降率為24.00%，在6月時，下降率為35.75%，在8月時，下降率為47.63%，在10月時，下降率達(dá)到59.50%，下降水平超出一半，效果最佳。當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)增加一個單位時，系統(tǒng)敏感度在2月時，下降率為9.50%，在10月時，下降率達(dá)到41.38%，效果稍遜于環(huán)境系統(tǒng)，而管理系統(tǒng)和員工系統(tǒng)達(dá)到的最大下降率分別為23.50%和26.75%，效果差強(qiáng)人意。因此，為了有效降低安全系統(tǒng)的敏感度，需要努力完善環(huán)境系統(tǒng)，比如塵毒的有效治理、加強(qiáng)礦井照明等。

表5　煤礦井下安全系統(tǒng)敏感度仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)適應(yīng)度是指系統(tǒng)從外界擾動的危害中恢復(fù)的程度和能力。在仿真分析中，仍然采取單因素適應(yīng)度分析法，保持其他子系統(tǒng)取值不變，僅僅變化某個子系統(tǒng)取值，探討安全系統(tǒng)適應(yīng)度的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，員工系統(tǒng)和管理系統(tǒng)對于提高適應(yīng)度效果非常顯著，設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)效果不明顯。仿真結(jié)果(見表6)表明系統(tǒng)自身適應(yīng)度初始值為6.5，適應(yīng)度水平一般。當(dāng)員工系統(tǒng)增加一個單位時，煤礦井下安全系統(tǒng)適應(yīng)度在2月時是7.09，上升率為9.08%，在4月時，適應(yīng)度為7.69，上升率為18.31%，在6月時，適應(yīng)度為8.21，上升率為26.31%，在8月時，適應(yīng)度為8.92，上升率為37.23%，在10月時，適應(yīng)度為9.58，上

圖5　煤礦井下安全系統(tǒng)適應(yīng)度仿真走勢Fig.5　Mine safety system adaptation simulation trend chart

升率達(dá)到47.38%，提升效果最好。當(dāng)管理系統(tǒng)增加一個單位時，煤礦井下安全系統(tǒng)適應(yīng)度在2月時是7.01，上升率為7.85%，在4月時，上升率為16.62%，在6月時，上升率為24.15%，在8月時，上升率為34.31%，在10月時，上升率為44.46%，提升效果僅次于員工系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)增加一個單位時，環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)達(dá)到的最高上升率分別為19.23%和24.46%，提升效果不顯著。因此，為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)度，需要改進(jìn)員工系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，從安全意識、操作規(guī)范入手，有效提升員工系統(tǒng)安全水平，通過定時的安全監(jiān)督檢查來完善管理系統(tǒng)，從而顯著提高系統(tǒng)的適應(yīng)度。

表6　煤礦井下安全系統(tǒng)適應(yīng)度仿真結(jié)果分析

3　結(jié)論

1)設(shè)備系統(tǒng)對煤礦井下安全系統(tǒng)的暴露度影響最顯著，煤礦企業(yè)應(yīng)該對設(shè)備及時更新和維護(hù)，尤其是員工安全保障品，要每天定時進(jìn)行檢查，可以有效降低煤礦井下安全系統(tǒng)的暴露度。

2)環(huán)境系統(tǒng)對煤礦井下安全系統(tǒng)的敏感度影響最顯著，煤礦企業(yè)應(yīng)該通過改進(jìn)井下礦工的工作環(huán)境，比如塵毒的有效治理和改善礦井的透水情況，來降低煤礦井下安全系統(tǒng)的敏感度。

3)員工系統(tǒng)和管理系統(tǒng)對煤礦井下安全系統(tǒng)的適應(yīng)度影響最顯著，煤礦企業(yè)可以通過減少員工違規(guī)率和提高員工安全意識水平，同時定時進(jìn)行安全監(jiān)督檢查，從而提高煤礦井下安全系統(tǒng)的適應(yīng)度。

4)本文采用控制變量法，控制其他子系統(tǒng)取值不變，只是變化某個子系統(tǒng)取值，研究單個子系統(tǒng)變化對系統(tǒng)脆弱性的影響，存在一定的局限性，后期可以進(jìn)一步研究多個子系統(tǒng)同時變化對系統(tǒng)脆弱性帶來的影響。

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