基于云模型的地勘行業安全生產標準化等級評價

史小棒，趙云勝，羅 聰，胡東濤，田 輝

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

地質勘查行業(以下簡稱為地勘行業)作業流動性大、危險性高、工作環境多變、條件艱苦，從業人員在多種高風險并存的環境下作業，也因此被我國列入高危行業。為了提高我國地勘單位整體的安全水平，地勘單位逐步開始創建安全生產標準化體系。

企業安全生產標準化作為提高企業整體安全水平的重要手段，近年來成為國內外研究的熱點[1-5]。如Antonsen等[6]指出安全生產標準化管理可以提高從業人員的安全意識，規范操作人員的安全行為；何華剛等[7]根據湖北省安全生產標準化評審經驗，將安全生產標準化與國外安全管理體系進行了對比，引入模糊綜合評價法構建了地勘行業安全生產標準化評估模型；陳述等[8]運用軟件成熟度評估框架，使用分級加權法評估了水利工程安全生產標準化體系；鄭霞忠等[9]針對目前企業安全生產標準化評審過程中存在的問題和缺陷，提出了可變模糊評價模型；周晶等[10]利用馬氏田口法對煤礦安全生產標準化指標進行了優化篩選，為煤礦安全生產標準化體系評價提供了新視角；曾佳龍等[11]在尾礦庫安全生產標準化評價過程中，引入熵權-未確知理論，提高了評價結果的可信度。

上述安全生產標準化評價方法雖然都在一定程度上減少了專家主觀性和定性概念模糊性對評審結果的影響，但是未考慮評審過程中的隨機性，尤其是針對環境復雜、管理困難的地勘行業。為了解決上述問題，本文在建立地勘單位安全生產標準化指標體系的基礎上，采用云模型評價方法解決了評價過程中的模糊性和隨機性問題，旨在提高評價結果的準確性和精確度，可為地勘行業安全生產標準化評價提供理論支持。

1 云模型理論

“未確知信息”概念于1990年由閆樂林提出，進而產生未確知數學理論。未確知測度理論是王光遠教授在未確知數學理論的基礎上，提出的不同于灰色理論和模糊數學的不確定性理論。該理論最先在城市環境評價中取得了較好的應用效果[12]，之后廣泛應用于其他行業之中[13-15]。

云模型屬于不確定性的人工智能范疇，是1995年由中國工程院李德毅院士提出的概念，是一種處理定性概念和定性描述的相關轉換模型[16]。云模型的定義：設A是一個定量論域,x∈A，B是與A相關聯的定性概念，若A中的元素x(x∈A)對B所表達的定性概念的隸屬確定度Ct∈[0,1]是一有穩定傾向的隨機數，概念B從論域A到區間[0,1]的映射在數域空間的分布，稱為云(Cloud)。Ct在[0,1]區間內取值，云是從論域到區間[0，1]的映射，即：

Ct:A→[0,1],x∈A,x→Ct(x)

(1)

云模型的數字特征通過三個數據表現，分別是期望、熵和超熵，它們體現了定性概念的定量特征。其中，期望是云滴空間的重心位置，是最能夠代表定性概念的點；在云模型中，熵用來衡量定性概念的概率與模糊度，反映了模糊性與隨機性的關聯性，它一方面反映數域空間語言值可被接受的范圍，同時也表示云滴在數域空間出現的隨機性；超熵即熵的熵，是熵的不確定性的度量，是所有云滴的不確定度的凝聚度。

2 地勘單位安全生產標準化評價指標體系的建立

根據地勘行業的特色，從文獻[7]中梳理出影響地勘單位作業安全的因素，參照行業技術標準、規范[17]，提煉、集合并建立了計劃-執行-檢查與改進(P-D-CA)3項一級指標、14項二級指標的地勘單位安全生產標準化評價體系，詳見圖1。

圖1 地勘單位安全生產標準化評價指標體系Fig.1 Standardized evaluation system for safety production in geological exploration units

3 地勘單位安全生產標準化云模型評價方法

在專家打分的基礎上，分別計算和確定各評價指標的權重以及評價標準云和評價綜合云，并通過計算評價標準云與評價綜合云的相似度來確定地勘單位安全生產標準化等級。地勘單位安全生產標準化云模型評價方法的具體流程，見圖2。

圖2 地勘單位安全生產標準化云模型評價方法Fig.2 Evaluation method of standardized cloud model for safety production in geological exploration units

3.1 確定評價標準

根據文獻[7]和行業規范[17]確定評價標準的等級，并建立評價等級標準，常分為5級。此外，邀請地質局及科研機構相關專家s人，通過查閱地勘單位安全管理資料和檢查現場情況，結合評價指標體系U(見圖1)對地勘單位安全生產標準化14個評價指標進行評價打分。

3.2 生成標準云

(2)

式中：m為常數，反映評價的隨機性，主要根據地勘單位的實際情況酌情調整。

3.3 計算各評價指標的權重

利用未確知測度理論，計算專家可信度，并在專家打分的基礎上結合專家可信度獲得盲數矩陣，再利用熵權法理論，可求得各級指標的權重。

(1) 計算專家可信度：結合地勘行業的特點，制定專家可信度評定分類表(見表1)，計算專家組成員(h1,h2,…,hs)4項指標的評定得分gij，并通過下面公式分別計算第j個專家成員的可信度αj和綜合可信度θj:

表1 專家可信度評定分類表

(3)

(4)

式中：gij為第j個專家對第i項指標的評定得分。

(2) 計算盲數矩陣：將專家評估值與專家綜合可信度相結合，得到綜合應急預案評定得分矩陣。假設評分標準分為k個等級,再依據單指標未確知測度算法[18]，可計算得到盲數矩陣D：

(5)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(3) 計算第p個指標的熵值rp：

(6)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(4) 計算第p個指標的權重wp：

(7)

式中：p=1,2,…,14。

由此得到指標權重向量為W=(w1,w2,…,wp)(p=1,2,…,14)。

3.4 確定各指標評價云

針對專家打分的結果Zjp=(zj1,zj2,zjp,…,zj14)(j=1,2,…,s)，利用一維逆向正態云發生器[19]，按照下面公式計算得到相應的指標評價云，實現評分結果定量到定性的變換，并可求出第p個指標評價云的3個數字特征值CUp(EXp,ENp,HEp)(p=1,2,…,14)：

(8)

(9)

(10)

(11)

3.5 計算評價綜合云

將上述計算得到的指標權重wp代入下面公式，便可計算得到地勘單位安全生產標準化綜合云CU(EX,EN,HE):

(12)

3.6 根據云相似度確定安全生產標準化等級

將綜合云與標準云進行相似度比較，根據最大隸屬度原則，地勘單位安全生產標準化等級結果就是云相似度最大值γk對應的標準云等級所處的評價空間。云相似度γk的計算步驟如下：

4 實例驗證

青海省某礦產勘查院是一支以地質巖芯鉆探和巖芯鉆探工程技術研究為重點，地質硐探及其他地勘工程施工、固體地質礦產勘查為一體，專業性質突出的地勘單位，擁有地質巖芯鉆探甲級、地質坑探乙級、固體礦產勘查乙級、營業性爆破資質。為滿足地勘工程質量、安全、環境保護不斷提高的管理要求，已通過了地勘行業安全生產標準化二級單位認證。

4.1 確定評價標準，計算標準云和綜合云

參考相關規范、文獻和專家意見，將安全生產標準化等級分為5級，分別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，表示理想、良好、一般、較差、很差。其中Ⅰ級分數區間為(90,100]，Ⅱ級分數區間為(75,90]、Ⅲ級分數區間為(60,75]、Ⅳ級分數區間為(30,60]、Ⅴ級分數區間為[0,30]，相對應的標準云的特征參數，詳見表2。

表2 評價標準等級劃分及標準云的特征參數

根據5級評價標準云特征參數，利用MATLAB 6.0a軟件繪制地勘單位安全生產標準化評價標準云圖，見圖3。

圖3 地勘單位安全生產標準化評價標準云圖Fig.3 Standard cloud map for standardized evaluation of safety production in geological exploration units

4.2 計算指標權重，確定指標云

邀請9名來自冶金地質局相關領導以及科研機構的專家對該礦產勘查院各評價指標進行打分，同時從職稱、學歷、工齡和專業對專家的可信度進行打分，按照相關文獻方法計算各個專家成員的可信度和綜合可信度，其計算結果見表3。

表3 專家可信度和綜合可信度

將專家評估值與專家綜合可信度相結合，可得到各評價指標的綜合得分，見表4。

表4 各評價指標的綜合得分

由此可得出該礦產勘查院安全生產標準化單指標未確知測度矩陣如下：

首先根據熵權法計算公式(6)和(7)，可計算得到各評價指標的熵值和權重，見表5；然后依據專家評分結果，利用公式(8)、(9)、(10)可計算得到各指標云的3個特征值。如以目標與計劃u11指標為例，9位專家對其打分分別為90、95、92、93、96、90、91、92、93，得其指標評價云的特征值為Cu11=(92.440 0，2.011 5，0.481 3);同理，可得到其他各個指標云的特征值，見表5。

表5 各評價指標的權重和指標云特征值

將計算獲得的指標權重和指標云結果代入公式(12)，可計算得到該礦產勘查院安全生產標準化評價綜合云為CU=(84.687 090，2.266 933，0.550 000),見圖4。

圖4 某礦產勘查院安全生產標準化評價綜合云圖Fig.4 Standardized comprehensive cloud map of safety production in a mineral exploration institute

4.3 計算云相似度，確定安全生產標準化等級

將5個等級對應的標準云Cloud分別與綜合云進行云相似度rk比較(見表6)，并依據最大隸屬度原則，綜合云與第Ⅱ等級對應的標準云CloudⅡ的相似度最大，則該礦產勘查院安全生產標準化等級為良好。

表6 云相似度計算結果

4.4 討論

由上述評價結果可知，該礦產勘查院安全生產標準化等級為良好，這與該地勘單位的實際情況相符，表明安全生產標準化云模型評價方法是合理、可行的。該云模型評價方法考慮了安全生產標準化評價過程中的隨機性和模糊性，且利用云模型圖實現了定性語言與定量數值之間的自然轉換，表現形式更加生動、直觀，便于管理者利用評價信息。

5 結 論

本文利用云模型理論，借鑒其特點和優勢，構建了地勘單位安全生產標準化等級評估模型，并通過實例驗證表明，云模型評價方法可以有效地對地勘單位安全生產標準化進行評價，減少了評價過程中信息獲取的模糊性，修正了評審過程中人為主觀因素的影響，極大地提高了評價結果的準確性和精確度。