非煤礦山安全管理的生態系統理論研究

郭進平 張 星 李世倫

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055)

非煤礦山在我國經濟發展中占有重要的地位，非煤礦山生產活動具有復雜性、動態性等特點，給其安全生產管理帶來了很多不便之處。有文獻指出非煤礦山行業每年事故的死亡人數位居第三，僅位于煤礦事故和交通事故之后[1]，因此我國的非煤礦山的安全生產依然面臨嚴重的考驗。朱龍杰[2]從儒、道、法、兵4家傳統思想入手，結合我國非煤礦山安全管理的特點，形成了基于傳統思想的非煤礦山安全管理模式。劉好等[3]從系統理論出發，將安全生產管理分解為5個因子，建立安全生產管理體系。貝塔朗菲[4]的《現代發展理論》等著作的發表為生態系統在管理科學中的應用提供了很好的思路，生物整體與環境因素關系可以通過數學模型進行研究，認為生命現象存在自組織性和有序性。隨著社會發展程度的不斷提高，生態系統理論已在工商業金融和知識管理中得到了一定的運用。胡斌[5]將耗散結構理論與企業的生態系統相結合，企業生態系統動態發展的根本原因就是系統自組織性和環境選擇。黃國平[6]基于金融生態系統理論，對我國金融生態環境進行了評價。王興元、張鵬[7]在品牌建設中引入生態系統理論，為品牌建設提供了新的思維模式、方法和角度。筆者查閱生態系統理論應用的文獻，發現將生態系統理論運用到非煤礦山安全管理中的研究并不多，多數是以系統理論為指導思想，研究非煤礦山安全管理體系的演化機理，因此筆者嘗試性地將生態系統基本理論運用到非煤礦山安全管理系統中，希望可以起到豐富非煤礦山安全管理工作思路的作用。

1 非煤礦山安全管理生態系統

1.1 非煤礦山安全管理生態系統內涵

英國的生物學家Arthur Roy Clapham最早提出“生態系統”，是指自然界中生物與環境構成的統一整體，生態系統中生物與環境相互影響、相互制約的過程中存在大量的物質循環和能量流動[8]。安全管理體系具有跟生態系統類似的特性，因此可以將生態系統理論運用到安全管理體系中。

基于自然生態系統理論，非煤礦山生產活動的直接參與者與生態系統中的生產者對應，前者作為生產系統中的主要組成部分；企業各級管理人員與生態系統中的消費者對應，管理人員對企業的生產活動承擔直接責任；政府安全生產監督部門與生態系統中的分解者對應，對企業安全生產工作進行有效的監督，并解決生產活動中遇到的問題；安全文化、安全制度、安全投入與生態系統中非生物的物質和能量對應，對安全生產管理體系的復雜度、健康度和穩定性有重要的作用。

1.2 非煤礦山安全管理生態系統的特征

(1)整體性。非煤礦山安全生產生態系統中各個子系統都具有專有的功能，非煤礦山安全管理生態系統中各子系統之間要做到相互配合，共同發揮系統整體的功能。

(2)動態性。每個參與安全生產過程的安全主體對各類信息的掌握情況不一樣，會導致管理相關信息在傳輸的過程中出現信息缺失、信息錯誤等情況，使得安全生產管理出現混亂。因此各參與主體要對安全管理信息進行不斷的更新和協調，在信息運動的基礎上運用先進的安全管理知識，使非煤礦山安全管理生態系統處于最佳的狀態。

(3)耗散結構特性。系統內各因素的改變與系統運行結果無線性關系，比如安全投入并不能直觀體現出系統正處于有序穩定的狀態。礦山生產技術和安全管理的不斷進步，人們對影響非煤礦山安全生產的因素進行有效控制，降低系統內熵的大小，從而維持系統處于一種動態平衡狀態。

2 非煤礦山安全管理生態系統構成

類比自然生態系統的組成可以構建非煤礦山安全生產管理生態系統結構模型，該模型由2大部分組成，分別為非煤礦山企業安全管理主體生態系統和安全自然生態系統，這2部分可以視為自然生態系統中的生物要素和非生物要素。非煤礦山安全管理中存在大量安全管理信息資源的傳遞，包括流動的人力、技術、物力、法規制度、資金等資源的流動。安監局會將關于非煤礦山安全生產的有關法規、通知和批文等信息傳達給每個非煤礦山企業，在此過程中，非煤礦山生產的主體也承擔著信息的消費和傳遞的作用；非煤礦山安全管理工作涉及到的專業內容，安全管理主體在獲取非煤礦山生產各方面的信息后，進行信息分析處理，通過安全管理鏈傳達給其他的主體；安全生產管理人員對接收到的上級信息可以進行有效的反饋，他們可以結合非煤礦山的生產情況，針對相關的安全管理信息提出需要完善的方案。安全主體對信息的吸收與反饋共同組成了非煤礦山安全生產信息傳遞的生態鏈[9-10]。

系統中生物主體有企業監管人員、生產活動直接參與者、政府安全生產監督部門和企業管理組織，其將非生物資源通過一定的途徑在系統中加工、配置、傳遞，主體間相互吸收有效資源，系統的資源傳遞結構如圖1所示。

圖1 非煤礦山安全管理資源傳遞結構

3 非煤礦山安全管理生態系統熵變含義

非煤礦山安全管理生態系統中任何一個因素偏向于消極的方向發展，均會對該系統造成不利的負面影響，甚至會引發安全事故，因此研究該系統的演化機理對在面臨系統處于不同的狀態時所采取的措施有重要的意義。馬金山[11]從礦山安全系統的特征入手，應用熵理論對礦山安全系統演化機理進行探討，并建立了相應的安全熵理論。非煤礦山安全生產管理生態系統內外無時無刻不在進行著能量交換，隨著與外界環境的能量交換，系統又會處在新的平衡狀態。

3.1 非煤礦山安全生產管理生態系統熵變數學模型

根據耗散結構基本原理，得出非煤礦山安全生產管理生態系統熵的定義為：系統內部各種不可逆過程伴隨著熵的增加，其物理意義是系統混亂程度的度量。

非煤礦山安全生產管理生態系統正熵流是導致系統處于無序狀態的一個度量，其數學表達式為

Si=-Ka∑P(xj)lgP(xj) (j=1,2,…,n) ，

(1)

式中，Si為系統總正熵；Ka為待定系數，為安全系統所處的行業、階段時對系統產生正熵值時各因素的權重值；j為非煤礦山安全生產系統中產生正熵的安全因素；P(xj)為子因素影響系統產生正熵值變化的概率。

非煤礦山安全生產管理生態系統負熵流是導致系統處于有序狀態的一個度量，其數學表達式為

Se=Kb∑P(xj)lgP(xj) (j=1,2,…,n) ，

(2)

式中，Se為系統總負熵；Kb為待定系數，為系統所處的行業、階段時對系統產生負熵值時各因素的權重值；j為系統中產生負熵的安全因素；P(xj)為子因素影響系統產生負熵值變化的概率。

系統總熵ST表達式為

ST=Si+Se=-Ka∑P(xj)lgP(xj)+

Kb∑P(xj)lgP(xj)，

(3)

式中，當Se>Si,即ST>0時，系統處于無序狀態；當Se

3.2 非煤礦山安全管理生態系統熵變分析

通過調研非煤礦山安全管理的資料文案，并征求相關專家意見，得出影響非煤礦山安全生產的指標要素，如表1所示。

對指標體系中一級指標的重要性進行分析，確定每個指標相應的權重；請專家對每個指標產生的熵流影響進行打分為S，并對指標因素在企業中施行的實際情況進行打分為E，將每個因素的2個分值相乘得出子因素影響系統產生熵流變化的概率P(xj)；確定待定系數Ka、Kb；由式(1)和式(2)分別計算系統的正熵值和負熵值，最后由式(3)計算系統的總熵值，由總熵值的大小確定系統所處的狀態。

4 實證分析

本次選取陜西省某非煤礦山為研究對象，選取該非煤礦山近10 a的安全管理生態系統熵變指標要素評分為研究數據，以2016年安全管理生態系統熵變指標要素評分為例，對該模型的有效性和實用性進行了驗證；然后對該礦山近10 a來安全管理生態系統的運行熵進行分析，計算并繪出了系統運行熵的變化圖， 通過行業和安全專家打分得出安全管理生態系統熵變指標評分表，如表2所示。

從表2的計算結果可知，根據式(1)～式(3)計算系統總正熵Si=0.352 9，系統總負熵Se= -0.515 5，系統總熵ST=-0.162 6<0，可以判斷出，該非煤礦山安全管理生態處于不斷健康發展的趨勢，從安全管理視角來看系統處于積極穩定的狀態。同理可以求解出2007—2016年的信息熵累計數值，通過以上的計算求得該礦山生態安全總熵ST自2014年起開始由正到負。根據前文對信息熵概念的闡述，說明該礦山的安全狀況自2014年起開始好轉。2007—2013其累計信息熵是正的，分別為 0.427 853、0.338 659、0.218 359、0.118 359、0.128 359、0.068 359、0.048 359，說明該礦山的生態環境并未達到安全水平。利用Matlab多項式擬合對趨勢線進行二階、三階、四階多項式擬合并后推得其年份—熵累計函數關系為

y=0.002 45x2-9.994x+10 117,

y=-0.000 46x3+2.788x2-5 613.5x+3.767 3,

y=0.000 46x4-3.665x3+11 060x2-1.483 3x+7.96，

表2 非煤礦山安全管理生態系統耗散結構分析指標評分

式中，x為年份數，以2005年為“1”起點；y為熵累值。趨勢圖如圖2所示。

圖2 安全管理生態系統累計信息熵變趨勢

殘差分析如圖3所示，可以分析出四階的殘差系數擬合數=0.110 98，說明函數擬合良好。

從圖3可以看出:該礦山安全管理生態系統總熵從2011年開始系統總熵值為正值但趨于穩定，但系統仍處于不可接受的安全水平；從2014年開始系統總熵值變為負值，可以理解為新《安全生產法》頒布后起到了積極有效的作用；隨著新《安全生產法》施行力度的不斷加大，當地政府及相關部門采取了更加有效的調節和相應措施，共同推動礦山安全管理生態系統向穩定有序的方向發展，結果與企業的安全生產

圖3 安全管理生態系統累計信息熵變趨勢殘差

5 結 論

(1)由生態系統理論啟發，提出了非煤礦山安全管理生態系統的概念，并建立了非煤礦山安全管理生態系統結構圖，基于耗散結構基本理論，分析非煤礦山安全管理生態系統中的熵變機理，得出系統的3個狀態：有序狀態、無序狀態和臨界狀態。

(2)通過熵權法賦權模型獲得的評價結果相對合理,為有關部門的監測和有針對性的治理提供了重要依據。

(3)以陜西省某礦山2007—2016年評價指標評分為基礎，并計算出了系統歷年的總熵值，對結果進行可視化分析，結果與企業安全管理實際情況相符合。

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