基于博弈組合賦權與秩和比法的煤礦通風安全生產標準化管理體系建設研究

汪志萼,王學強,張峰飛,徐景德,馬 峻

(1.首都經濟貿易大學 管理工程學院,北京 豐臺 100086;2. 陜西煤業股份有限公司,陜西 西安 710077;3. 陜西彬長礦業集團有限公司,陜西 咸陽 713600;4. 華北科技學院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤礦通風是煤礦生產系統的重要組成部分,為井下安全生產提供保障,合理達標的煤礦通風系統可以提高煤礦防災抗害能力。為全面推進煤礦企業現有安全管理中存在的缺陷和不足,進一步增強煤礦企業安全生產及保障能力,國家煤礦安全監察局于2020年7月在煤礦安全質量標準化的基礎上修訂并發布《煤礦安全生產標準化管理體系考核定級辦法(試行)》與《煤礦安全生產標準化基本要求及評分辦法》,指導煤礦企業安全生產工作持續改進達到本質安全水平[1]。此次修訂將安全風險分級管控和事故隱患排查等“雙重預防性工作機制”結合煤礦安全管理建設工作體系中,真正實現了煤礦安全風險的超前預控。通風要素在煤礦安全生產標準化管理體系中占有重要地位,而煤礦企業在創建一級標準化過程中出現執行偏差和存在重大問題的多在通風要素中。因此,如何科學高效評估通風要素安全標準化建設水平是使煤礦企業持續改進的可行手段之一。目前,國內外學者多采用風險評價和安全理論對煤礦通風安全管理進行研究。張聰聰等[2]結合主成分分析法和灰色關聯分析法構建了13個指標的煤礦通風系統可靠性評價數學模型,并實例驗證了該模型的實用性。喬偉勝[3]應用層次分析法對整個礦井的通風系統和通風狀況進行了多指標可靠性分析與評價。謝賢平等[4]從煤礦通風系統效果評定角度出發,選取9個具有經濟技術評價效果的指標構建評價指標體系,并進行應用驗證。肖成俠[5]等采用HAZOP法對通風系統中可能存在導致風險的因素進行系統化識別與分析。國內外學者采用多種評價方法,如Fisher判別法[6]、灰色關聯分析與神經網絡模型[8]、熵權法[9]和模糊綜合評價法[10]等對通風系統進行綜合評價。在評價體系基礎上,程健維等[10]基于動力學理論構建了煤礦通風系統的預警體系。雖然眾多學者基于不同理論構建多種通風系統的評價模型,但以上研究大多采用神經網絡、FCE和AHP等評估煤礦通風水平,無法避免其模型中的權重賦權的主觀性和模糊性。每一種賦權方法都有其使用范圍和優缺點,采取多種方法結合可在一定程度上克服單一方法的片面性。

從“通風系統-局部通風-通風設施”3個方面分析影響煤礦通風安全生產標準化創建水平的指標,綜合運用層次分析法、CRITIC法、博弈論組合賦權法與秩和比綜合評價法構建煤礦通風安全生產標準化管理評價體系,以期為煤礦在達標創建國家安全一級標準化管理體系,日常工作中提前發現安全風險與事故隱患,為降低經濟損失與減小事故發生率提供依據。

1 煤礦通風安全生產標準化管理評價體系的構建

1.1 指標的確定

根據《中華人民共和國安全生產法》、國家煤礦安全監察局頒布的《煤礦安全生產標準化管理體系考核定級辦法(試行)》和《煤礦安全生產標準化管理體系基本要求及評分方法(試行)》等國家法律與標準,參照美國聯邦安全管理委員會的危機管理四階段MPRR理論[9],依循科學性、可行性和層次性原則,將煤礦通風安全生產標準化建設水平評估劃分為3個一級指標和8個二級指標,評價體系如圖1所示,各級指標含義及考核方法參見文獻[1]。

圖1 煤礦通風安全生產標準化建設水平評價體系

1.2 基于AHP的指標主觀權重計算

AHP是利用專家知識與經驗對多不同層次的指標進行模糊量化的一種半定性-半定量方法,經常被應用構建安全評價體系,但由于存在較強的主觀性與精度不足等問題,需要與其他評價方法結合使用。

層次分析法可以體現行業專家的經驗判斷,指標的相對重要程度一般不會違反人們的常識。本文以層次分析法首先建立兩級指標層與目標層,再邀請10位專家采用九級標度法對二級指標進行兩兩比較,構造判斷矩陣,其中某位專家對二級指標的打分表見表1。

表1 煤礦通風安全生產標準化建設水平評價體系指標某位專家打分表

利用SPSS軟件計算表1中專家判斷矩陣的一致性比率CR=0.074,可知通過一致性檢驗,由此可得出該位為專家確定的一級指標的權重,再對各專家的判斷矩陣逐一進行計算權重并進行一致性檢驗,得到權重后取平均值,即得到最終的各級權重,形成建設水平評價指標的權重表,如圖2 所示。

圖2 通風三要素二級指標各項權重圖

由圖2可知,通風系統的主觀權重高于局部通風和通風設施,而局部通風的客觀權重要高于通風系統和通風設施的客觀權重,也可以看出CRITIC法計算的通風系統和通風設施的客觀權重差異不大,而局部通風中風筒敷設的客觀權重差異顯著。因此,可以發現在評價體系中,通風系統和局部通風中的系統管理、風量配置和裝備措施等主觀指標權重較大,表征其對煤礦通風建設達標具有決定性的影響作用,通風設施中各二級指標權重較小,與專家組依據日常在屬地煤礦安全生產標準化管理體系的達標抽查中發現的重大問題主要集中在系統管理和裝備措施中,而風門、風橋等通風設施中存在不少問題,但以容易且反復出現的隱患為主,不涉及重大事故隱患等相一致。

1.3 基于CRITIC的指標客觀權重計算

CRITIC是一種經典的客觀賦權方法,其原理是根據指標間的信息量、對比度及其沖突性來確定各個指標的權重大小,該方式適用于有波動性的數據,易表征數據攜帶的信息量。但其缺點是忽視了決策者的主觀知識與經驗等主觀偏好信息,有時會出現權重系數不合理的現象。針對8個二級指標的客觀權重計算可依據專家定性賦值結果,首先對表1中數據按照公式(1)進行正向化處理,可使原始數據經過處理后,數值變化范圍都滿足0≤aij≤1。

(1)

式中,aij為標準化后的數據值,xij為第i個評價對象的第j個指標值,xjmin為指標j的最小值,xjmax為指標j的最大值。

對進行了標準化處理后的數據進行波動性分析,采用標準差表征其波動性,定義xi為指標j的指標向量,其標準差記為σj,標準差越大表示該指標的數值差異越大,說明其攜載的信息量越大,指標的評價強度越高,依此分配更大的權重,按照公式(2)計算標準差。

(2)

指標之間的相關性可以反映出指標之間的沖突性,從而來優化依據波動性來分配權重的不足,一般相關性越大,沖突指標越小,依此分配越小的權重,按照公式(3)計算相關系數ρij。

ρij=cov(xi,xj)/(σi,σj)

(3)

式中,ρij表示第i個指標和第j個指標之間的相關系數,cov(xi,xj)表示第i個指標和第j個指標之間的協方差。

最后,結合標準差和相關系數計算指標所含信息量Gj與最終權重ωj,指標所含信息量越大,其評價作用越強,依此分配的權重也應越大。按照式(5)計算出各級指標的客觀權重,結果見表2。

表2 煤礦通風三要素安全生產標準化建設水平評價體系指標權重

(4)

式中,Gj為第j項指標的信息量值。

(5)

式中,ωj為第j項指標的權重值。

由圖2可知,局部通風和通風設施兩項所包含的波動性和沖突性反映出來的信息量較大,說明根據專家定性賦值的結果計算出的客觀權重與層次分析法計算出的主觀權重具有差異性。各有側重的權重在應用到評價中時會產生不同的結果,因而存在準確性與科學性不足的問題。

1.4 基于CW的組合權重計算

為了使多指標決策的排序結果更科學,一種合理的做法就是將不同的賦權法所得的權重系數按照一定的方法進行組合。本文通過引入博弈論組合賦權,使排序結果既能體現主觀信息,又能體現客觀信息。通過協調主觀權重和客觀權重之間的差異性,該方法可避免單一權重在決策過程中的不確定性和片面性,減少與最優策略偏離程度。

組合賦權法要求構建指標主觀權重與客觀權重之間的離差函數,如式(6)所示。

(6)

按照矩陣的微分性質,取式(6)的最優化一階導數,計算求解出θ1、θ2的值,并按照公式(7)對其進行歸一化處理。即θ1=0.565,θ2=0.435。最后,組合權重ωi按照公式(8)計算,權重計算結果見表2。

(7)

(8)

式中,ωi為第i項的組合權重值。

因此,組合賦權后得到三個一級指標的權重接近,但二級指標的權重各有側重,這與煤礦通風實際工作是相符合的,通風系統的建設多為頂層設計,需礦領導審批安全技術措施,局部通風項的風機風筒正常運行依賴于通防技術管理人員的設計與維護,而通風設施的建設多考核現場運行,需一線職工的全員參與建設標準化煤礦。因此,在建設煤礦安全生產標準化時,三項一級指標要齊頭并進,全部達到一級標準化要求。

1.5 基于RSR的建設水平評價

秩和比(RSR)一般用于評價多個指標的綜合水平情況,原理是利用RSR值信息進行各項統計回歸分析,RSR值介于0～1之間且連續,該值越大說明評價越好。

計算步驟如下:把評價對象中各級指標數據構造矩陣,結合各指標的組合權重計算矩陣的秩得到一個新的無量綱統計量RSR并排名得到RSR的頻率分布表,列出各組頻數,計算各組的累計頻數和累計頻率,將轉換為概率單位Probit。再以Probit值為自變量,以RSR為因變量,計算直線回歸方程,方程通過檢驗即可采用Probit值。再依據RSR分級的對照表對評價對象進行劃分等級,對照表見表3。

表3 RSR分級的百分數與概率單位(Probit)對照表

2 實例應用

2.1 檢查問題數據考察

應用構建的評價體系對陜西彬長礦區某礦開展煤礦通風安全生產標準化建設水平綜合評價工作。邀請專家開展實地檢查通風三要素創建成果,評價該礦通風安全生產標準化建設水平實際情況,現場檢查問題如圖3所示。

圖3 某礦安全生產標準化問題清單圖

雖然專家現場檢查發現眾多問題,該礦對安全生產標準化管理體系創建要求較高,過程控制較嚴,全礦上下高度重視,將標準化管理體系創建作為安全生產的抓手和日常工作,常抓不懈,取得了長足的進步。如在通風系統方面,煤礦通風系統較為正規合理,都設有專用采區回風巷,按照分區通風設計系統,基本上消滅了串聯通風;煤礦每年進行一次反風演習,按照規定進行通風阻力測定和主扇風機性能鑒定。在局部通風方面,所有的局部通風都做了設計,進行了需風量計算,局部通風機選型都較大,風量充足并能在長距離通風條件下風機工況穩定。局部風機安裝制定了措施,現場上架或者吊掛,安裝正規,符合質量標準要求;局部通風機都實行了“三專”供電,安裝了風電閉鎖并能實現自動切換。風筒吊掛平直整齊,基本做到了逢環必掛,無拐死彎、急彎、阻風現象,接頭嚴密不漏風;全部的局部通風機都安裝了風電閉鎖和瓦斯電閉鎖裝置。在通風設施方面,井下絕大多數通風設施都牢固可靠,正規合理,質量符合要求;通風設施構筑前進行了設計,編制了施工安全和質量控制措施,制定了質量驗收制度;對通風設施定期檢查,發現問題及時維修;通風設施見實幫實底,部分設施進行了掏槽。因此,科學評價該礦目前通風安全生產標準化建設水平實際情況對其持續改進和一級達標具有重要意義。

2.2 檢查問題數據分析

依據秩和比綜合評價法,將檢查問題構造矩陣并采取整次法進行編秩(4,2,4,2.5,3,1,3.5,1.5),計算得RSR分布值為0.5344,換算成Probit值為4.326。以Probit值為自變量,以RSR為因變量,計算直線回歸方程。線性回歸模型要求總體回歸系數不為0,即變量之間存在回歸關系。根據F檢驗結果對模型進行檢驗;R2代表曲線回歸的擬合程度,越接近1效果越好;VIF值代表多重共線性嚴重程度,用于檢驗模型是否呈現共線性,即解釋變量間存在高度相關的關系(VIF應小于10或者5,嚴格為5);若VIF出現inf,則說明VIF值無窮大,建議檢查共線性或更換回歸模型。

根據表5中F檢驗的結果分析可以得到,顯著性P值為0.0001,水平呈現顯著性,拒絕了回歸系數為0的原假設,同時模型的擬合優度R2為0.966,模型表現較為優秀,因此模型基本滿足要求。對于變量共線性表現,VIF全部小于10,因此模型沒有多重共線性問題,模型構建良好。

因此,得到模型的公式為:

RSR=0.013+0.114×Probit

(9)

最后參照表3,即可得出該礦當前的通風安全生產標準化建設水平為國家二級安全生產標準化煤礦,表格中的“Level 1”為國家一級安全生產標準化煤礦,“Level 2”為國家二級安全生產標準化煤礦,“Level 3”為國家三級安全生產標準化煤礦。評價結果與專家評級的結果相吻合,該礦未達到國家一級安全生產標準化煤礦的要求,這與表4中檢查出的問題息息相關,建議煤礦應及時整改檢查出的各項問題,同時應重點管控通風系統和局部通風中出現的重大隱患,評價結果可為創建達標煤礦與減少事故隱患發生率提供依據。

表4 線性回歸參數表

3 結論

(1) 構建煤礦通風安全生產標準化建設水平評價指標體系以通風系統、局部通風和通風設施為一級指標,以系統管理、風量配置、裝備措施等8個指標為二級指標,構建煤礦通風安全生產標準化建設水平評價體系對某礦通風建設情況進行評價,結果表明該煤礦通風建設水平處于國家二級安全生產標準化煤礦,驗證了該體系的有效性。

(2) 各二級指標權重表明風筒敷設、裝備措施、風量配置和系統管理等指標應作為達標創建安全生產標準工作的要點,煤礦企業應加強通風管理工作,努力搭建好管理體系框架并賦予其職能,確立其運行模式,規范其運作方式,建立健全制度和崗位職責,使之能按照預期的方向運作,真正實現通風要素達標。

(3) 依據現有國家規定和行業標準審視煤礦通風系統,存在問題較多,建議該礦全盤整合系統,可以通過簡化通風系統,尤其是對現有的通風及其他安全生產系統進行整合,規避重大安全事故風險和隱患,以順利通過國家一級安全生產標準化管理體系建設的驗收和保證日常生產安全工作的持續改進。

(4) 通過分析專家檢查問題和評價通風建設水平,可以得出煤礦企業應敬畏規程,尊重標準。尤其是在通風系統建設上,應強化底線、紅線意識,特別是避免生產采區不能實現獨立通風與采區未達到邊界的“重生產輕安全”行為。