層次分析法在煤礦安全體系中的應(yīng)用研究

張曉旭，范超男，馬國良

(1.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 3.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近年來，由于我國煤礦開采條件差，而且隨著開采深度的延伸，各種技術(shù)及管理問題日漸隨之增多，加之勞動力知識技能的缺陷，這就對煤礦安全管理提出了越來越多的挑戰(zhàn)，需要煤炭企業(yè)管理者認真研究加以解決。因此，隨著安全生產(chǎn)法制建設(shè)的不斷深入，必須加快本質(zhì)安全型礦井的發(fā)展步伐，按照全面推行現(xiàn)代安全管理制度的總體要求，全面形成以“現(xiàn)代化安全管理模式”為核心，把煤礦建設(shè)成為一個可持續(xù)發(fā)展能力強、科技創(chuàng)新能力強、人才資源豐富的安全、和諧礦區(qū)[1]。

隨著安全管理水平的發(fā)展，針對煤礦安全評價的方法不斷得到豐富，每種評價方法的適用場景和工作量存在差異[2]。層次分析法(AHP)是在深入分析復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素和內(nèi)部關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程進行數(shù)學(xué)化，從而可為多目標、多準則和無結(jié)構(gòu)特性一類的復(fù)雜決策問題提供一種簡單有效的決策方法，特別適用于無法直接準確計量決策結(jié)果的情形[3-4]。本文從系統(tǒng)工程的角度，基于對煤礦安全管理的具體認識，采用層次分析法對煤礦安全管理體系的可靠性進行綜合分析，在充分考慮各方面因素后，對煤礦安全管理體系中的各個因素做了系統(tǒng)的定性和定量的評價，并對相應(yīng)因素進行重要性排序，簡單直觀地反映了煤礦安全管理狀況，從而為煤礦安全管理提供依據(jù)，最大限度的降低因管理不善而引發(fā)重大安全事故。

1 層次分析法及分析步驟

層次分析法(AHP)由美國著名運籌學(xué)家A.L.Saaty于20世紀70年代提出，通過把與決策相關(guān)元素分解成目標、準則和方案等層次，并進行定性及定量分析的決策方法[5]。

運用層次分析法進行分析，分為4個步驟[6-8]：①問題層次化，構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型；②構(gòu)造各影響因素的判斷矩陣；③計算權(quán)向量，并做一致性檢驗；④計算組合權(quán)向量，并做組合一致性檢驗。

1.1 構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)相關(guān)因素的不同屬性，從上到下劃分為幾個層次。同級因素從屬于上級因素或影響上級因素，同時支配下級因素或受下級因素影響。最上層是目標層，通常只有一個因素。底層通常是方案層或?qū)ο髮樱虚g可以有一層或幾層，通常為準則或指標層[9-11]。

1.2 構(gòu)造各因素的判斷矩陣

在構(gòu)建了多層次結(jié)構(gòu)模型后，各層次之間的關(guān)系就被確定，判斷矩陣是同一層次的各元素對于上層次中某一準則的重要性進行兩兩比較的結(jié)果，重要性判斷結(jié)果一般選用1～9標度進行量化[12-15]，見表1。

1.3 計算權(quán)向量并做一致性檢驗

最大特征根與對應(yīng)特征向量從每一個成對比較陣計算可得，并利用指標(一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率)做一致性檢驗。若檢驗通過，進行歸一化后的特征向量即為權(quán)向量，否則，需要重新構(gòu)造成對比較陣[16]。

A·W=λmax·w

(1)

式中，A為判斷矩陣；W為權(quán)重；λmax為判斷矩陣最大特征值；w為歸一化后權(quán)重。

表1 判斷矩陣1～9標度意義Tab.1 Meanings of scale 1～9 in judgment matrix

評價判斷矩陣的一致性檢驗指標為CR(一致性比例)。當CR<0.1時，認為該判斷矩陣具有滿意的一致性，否則，需要對判斷矩陣進行調(diào)整[17]。

CR=CI/RI

(2)

式中，CR為一致性比例；CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標。

計算得到的隨機性一致指標RI值見表2。

表2 隨機性一致指標RI值Tab.2 Numerical values of average random consistent index RI

得到的判斷矩陣權(quán)重及最大特征向量可對評價因素的權(quán)重進行層次總排序和層次單排序[18]。

1.4 計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗

通過計算最下層因素對于目標的組合權(quán)向量，并且根據(jù)公式可進行組合一致性檢驗。若檢驗通過，即可根據(jù)組合權(quán)向量所表示的結(jié)果做出相關(guān)決策。否則，需要重新考慮模型，或者需要重建具有較大一致性比率的成對比較矩陣[19]。

2 基本步驟

2.1 確定評價指標

建立層次分析法模型的首要問題是根據(jù)科學(xué)研究中實證與規(guī)范相統(tǒng)一的原則和要求來建立層次分析法指標體系。指標體系的建立應(yīng)遵循科學(xué)性和實用性兩大指導(dǎo)原則。在我國煤礦井下開采中，由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，往往伴隨著天然氣、水、火、塵等自然災(zāi)害的威脅。同時，煤礦工人安全知識的缺乏、生產(chǎn)技術(shù)的相對落后、安全監(jiān)督的疏忽和安全管理的不規(guī)范導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)管理能力較差。基于對煤礦安全管理的理解，從系統(tǒng)工程的角度對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)進行綜合分析，可以看出，決定和影響煤礦安全生產(chǎn)能力的因素主要包括安全技術(shù)措施、安全培訓(xùn)教育、安全檢查、安全機構(gòu)和安全救護救援。

2.2 構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法的基本步驟，系統(tǒng)地分析了我國煤礦企業(yè)安全管理體系的有關(guān)資料和信息之后，確定了5個方案層，19個準則層。建立煤礦企業(yè)安全管理遞接層次模型，如圖1所示。

圖1 煤礦安全管理體系評價指標體系Fig.1 Indication system-IS of coal safety management

2.3 構(gòu)造判斷矩陣并一致性檢驗

根據(jù)相關(guān)專家以及現(xiàn)場工作人員的意見，確定出各因素間的相對重要性，并構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，然后運用Matlab軟件計算出權(quán)向量并進行一致性檢驗。

A—B之間構(gòu)成的判斷矩陣如下：

該矩陣的特征值：W=(w1，w2，w3，w4，w5)=(0.484 7，0.262 3，0.144 8，0.070 1，0.038 1)，λmax=5.268 2。CI=(λmax-n)/(n-1)= 0.060 750。查表可得，RI=1.12，則有CR=0.054 21<0.1。因此，認為判斷矩陣通過了一致性檢驗。

B—bi之間構(gòu)成的判定矩陣的形式如下所示：

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.556 4，0.228 5，0.136 6，0.078 5)，λmax=4.031 01，CI=0.010 35。查表得，RI=0.89，則CR=0.011 631<0.1。因此，認為判斷矩陣通過了一致性檢驗。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.586 0，0.218 0，0.123 5，0.072 5)，λmax=4.019 25，CI= 0.006 413。查表得，RI=0.89，則CR=0.007 206<0.1。因此，認為判斷矩陣通過了一致性檢驗。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.638 8，0.182 4，0.119 3，0.059 6)，λmax=4.103 70，CI=0.034 56。查表得，RI=0.89，這時CR=0.038 821<0.1。因此，認為判斷矩陣通過了一致性檢驗。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3，w4)=(0.609 8，0.209 3，0.113 5，0.067 5)，λmax=4.016 43，CI= 0.005 50。查表得，RI=0.89，這時CR=0.006 20<0.1，因此，該判斷矩陣通過一致性檢驗。

該矩陣特征值：W=(w1，w2，w3)=(0.696 0，0.224 5，0.079 5)，λmax=3.078 33，CI= 0.039 65。查表可得，RI=0.58，這時有CR=0.068 37<0.1。因此，認為判斷矩陣通過了一致性檢驗。

2.4 層次總排序及一致性檢驗

層次總排序是在指同一層次的所有元素對于目標層(A)的相對重要性(A—Bi的排序也為一個總排序)[20]。總排序權(quán)重是從頂層到底層權(quán)重進行的合成。所有影響煤礦安全生產(chǎn)管理的因素進行的總排序見表3。

表3 煤礦安全管理評價指標體系及權(quán)重Tab.3 Indication system-IS of coal safety management and weights

CI=0.013 6，RI=0.877 7；CR=CI/RI=0.015 5<0.1，煤礦安全管理體系總排序結(jié)果具有滿意的一致性。

2.5 結(jié)果分析

從以上分析可以看出，在煤礦安全管理體系中，安全技術(shù)措施(權(quán)重0.484 7)是影響煤礦安全管理的首要因素，其次是安全培訓(xùn)教育(0.262 3)、安全檢查(0.144 8)和安全機構(gòu)(0.070 1)，而安全救護救援(0.038 1)排在最后。為進一步提高我國煤礦安全管理水平，首先要加大安全生產(chǎn)的投入，不斷提高安全技術(shù)設(shè)施和裝備水平。其次，要提高煤礦企業(yè)管理人員的安全管理素質(zhì)和能力，使煤礦企業(yè)管理人員樹立系統(tǒng)、持久、務(wù)實、科學(xué)的安全觀。同時，還要重視員工的培訓(xùn)教育，加強對員工的安全教育和專業(yè)技能培訓(xùn)，配備高專業(yè)素質(zhì)的安全技術(shù)人員，以加強安全生產(chǎn)管理和監(jiān)察力度。

另外，從層次總排序(表3)的致因排序中可以看出，礦山安全管理體系的19個影響因素的相對重要性排序依次為工作面安全規(guī)范(0.269 7)，上崗安全培訓(xùn)(0.153 7)，一通三防技術(shù)措施(0.110 7)，一通三防檢查(0.092 5)，機運安全措施(0.066 2)，班前安全教育(0.057 2)，礦長責(zé)任制(0.042 7)，個人安全防護技術(shù)措施(0.038 0)，安全事故會(0.032 4)，礦隊救護(0.026 5)，工作面質(zhì)量檢查(0.026 0)，開展安全知識競賽(0.019 0)，井下三違檢查(0.017 3)，通風(fēng)安全科(0.014 7)，機運設(shè)備安全檢查(0.008 6)，醫(yī)療救護(0.008 2)，工區(qū)安監(jiān)員(0.008 0)，班安全監(jiān)護網(wǎng)(0.004 7)，個人救護(0.003 0)。從中可以看出，工作面安全規(guī)范在所有因素中比重最大，其次是崗前培訓(xùn)，因此，管理人員必須結(jié)合本礦實際情況，制定合理的規(guī)章制度，并不斷完善和細化相應(yīng)的操作規(guī)程，預(yù)防各種危險因素的發(fā)生，保證工作人員的人身安全和煤礦安全生產(chǎn)的進行。形成具有中國煤礦特色、高效運行的安全管理體系，對于提高煤礦安全管理水平、實現(xiàn)科學(xué)化管理、減少煤礦事故發(fā)生具有重要意義。

3 結(jié)論

(1)基于層次分析法建立了煤礦安全管理體系評價指標體系(5個一級指標和19個二級指標)，并對現(xiàn)有煤礦安全管理體系進行了綜合評價。確定了安全技術(shù)措施是煤礦安全管理的首要因素，并且得出影響煤礦安全管理各因素的致因排序，工作面安全規(guī)范和上崗安全培訓(xùn)重要性較高。

(2)針對煤礦安全管理體系評價結(jié)果，煤礦企業(yè)需不斷提高安全技術(shù)設(shè)施和裝備水平，加強對工人的安全教育和專業(yè)技能培訓(xùn)，加強煤礦安全生產(chǎn)管理和監(jiān)察力度。

(3)在實際的煤礦安全管理的分析和評價中要多種方法并用，以便對煤礦安全管理做出更合理、更準確地評價，將科技轉(zhuǎn)化為煤礦安全的推動力，逐步實現(xiàn)煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。