基于RS—可拓理論的金屬礦山應急能力評估

謝振華 幸貞雄 徐明智

(1.中國勞動關系學院安全工程學院,北京 100048;2.貴州省應急管理科學研究院,貴州 遵義 563000)

金屬礦山生產條件復雜,涉及的危險因素較多,一旦安全風險管控不到位,很容易發生火災、爆炸、中毒窒息、冒頂坍塌等事故,造成重大人員傷亡和財產損失。 例如,2021 年1 月10 日,山東省棲霞市笏山金礦發生爆炸事故,造成11 人死亡,直接經濟損失6 847.33 萬元。 事故原因是該礦井下違規混存炸藥、雷管,在井口實施罐籠氣割作業的過程中,高溫熔渣塊落入井下亂堆亂放的炸藥包裝紙箱上,引起紙箱燃燒并引發雷管和炸藥爆炸。 金屬礦山必須根據有關安全法律法規,做好事故預防工作,增強事故應急能力,快速、有效地采取事故處置措施,減少事故損失。例如,2019 年12 月14 日,四川省杉木樹煤礦發生透水事故,造成18 人被困井下,其中5 人遇難。 應急管理部和地方政府立即啟動應急響應,調集專業救護隊、排水隊伍科學實施應急救援。 經過連續88 小時的全力施救,13 名被困人員全部安全升井。 因此,適時、準確地開展金屬礦山應急能力評估,能及時發現應急管理中的不足,滿足應急決策需求,提升礦山應急能力。

近年來,國內外學者在交通、電網突發事件以及企業應急能力評估方面開展了研究工作,取得了一定的進展。 如張建軍等[1]建立了包括應急組織能力、應急準備能力、事件預防能力、監測預警能力、應急響應能力、處置救援能力、恢復重建能力、評估完善能力的公路交通突發事件應急能力評估理論體系;黎振宇等[2]基于二元聯系數-投影灰靶決策理論開展了電網應急能力評估,采用基于網絡層次分析法的權重劃分模型進行指標權重確定;王迪等[3]提出了基于模糊-兩階段超效率SBM 模型的電網應急能力動態綜合評價方法;WEISDOF 等[4]論述了加強應急能力建設和評估的有效方法,以減少人員傷亡和事故損失;楊力等[5]基于ISM 方法構建了煤礦應急救援能力評價指標體系,采用模糊綜合評價法進行了煤礦應急救援能力評估;楊振宏等[6]基于可拓理論進行了化工園區應急管理能力評估。 上述研究成果盡管比較豐富,但專門針對金屬礦山應急能力評估的研究成果較少。

開展應急能力評估首先需要建立評估指標體系,楊三軍等[7]通過文獻分析、調查問卷等,建立了礦山救援隊的應急救援能力評價指標體系;陳釘均等[8]從鐵路應急準備能力、應急響應能力及應急恢復能力三方面,構建了重大疫情下鐵路應急救援能力評估指標體系;PENADES 等[9]從應急響應過程中的協調、信息、發布、交流、合作、智能化6 個維度對應急預案進行了評估。 評估指標權重的確定方法主要有德爾菲法、層次分析法AHP、改進的AHP、粗糙集方法RS、層級熵分析法等[10-14]。 目前,對評估方法的研究相對比較多,有模糊綜合評價法[15]、神經網絡方法[16]、變熵權法[17]、可拓理論法[18]等。 韓心星[19]采用交叉影響分析法及解釋結構模型法,對企業的應急情景進行了構建和推演,并開展了企業應急能力評估。 上述研究成果為金屬礦山應急能力評估指標體系構建和評估方法選擇提供了借鑒,但需要結合金屬礦山應急能力需求特點,開展針對性的評估。

本研究針對金屬礦山安全生產特點和應急能力建設要求,建立金屬礦山應急能力綜合評估指標體系,基于粗糙集理論RS 和專家評分法,確定金屬礦山應急能力評估指標工作開展權重,采用可拓理論開展金屬礦山應急能力評估。

1 金屬礦山應急能力評估指標體系建立

依據《中華人民共和國安全生產法》及《中華人民共和國突發事件應對法》等法律法規,并結合事故應急工作開展要求,應急工作可分為事前、事中、事后3 個階段,應急能力應包括應急預防能力、應急準備能力、應急響應能力、應急恢復能力4 個方面,每個方面可再分為不同的要素。 例如,國家《“十四五”礦山安全生產規劃》提出要大力提升應急救援處置能力,進一步規范事故現場指揮機構,完善礦山應急預案管理和應急預案定期評估修訂機制,構建空天地一體化應急通信系統,規范企業兼職救援隊伍建設,優化升級緊急避險與逃生等應急救援隊技術裝備,推動完善實訓演練基礎設施,提高應急救援隊伍訓練水平。

根據應急相關的法律法規,借鑒相關研究成果并結合本研究對多家金屬礦山的現場調研,先初選出金屬礦山應急能力評估指標,再利用解釋結構模型(ISM)方法,在不損失系統功能的前提下給出最簡的、層次化的拓撲圖,凝練出金屬礦山應急能力評估的模型體系[20]。 ISM 方法適用于指標數據比較多、各指標與各數據間關系比較復雜并且結構不清晰的系統分析,先構建出初選指標間的鄰接矩陣,再通過建模軟件計算得到可達矩陣,最后建立評估指標的多級遞階結構模型。 最終得到的金屬礦山應急能力評估指標體系由4 個一級指標、20 個二級指標組成,如表1 所示。

表1 金屬礦山應急能力評估指標體系Table 1 Index system of emergency capability assessment for metal mine

2 基于RS 理論確定評估指標權重

由于金屬礦山應急能力的影響因素很多,事故發生的可能性比較大,導致評估指標的模糊性、不確定性比較高,而且涉及的數據量大、一致性不強,難以做到客觀準確定量。 因此,應選擇主觀和客觀相結合的方法來確定評估指標的權重。 經過對各種權重確定方法的對比分析可知,粗糙集(Rough Set,RS)理論直接對數據進行分析和推理,不需要提供任何先驗知識[21],不受金屬礦山已經發生事故的先驗性影響,通過數據約簡確定評估指標權重,能充分體現數據的客觀性,而且充分考慮金屬礦山應急能力影響的各個因素,有助于提高評估結果的精準性。 但RS 確定指標權重存在某些指標的權重值為0 的問題,可以結合專家評分法,綜合考慮每一個專家的意見來校正。 因此,本研究以粗糙集理論為基礎,結合專家評分法確定金屬礦山應急能力評估指標的權重。

2.1 粗糙集理論確定權重的步驟

(1)選擇多位專家,根據金屬礦山的應急能力評估指標體系,對一家或多家金屬礦山的應急能力水平進行評分。

(2)將各評估指標的屬性值進行離散化。 金屬礦山應急能力評估結果和各評估指標的等級均分為好、較好、一般、差4 個等級,對應的值域為[100,90]、(90,75]、(75,60]、(60,0],離散化值分別為1、2、3、4。

(3)對離散化的決策表進行約簡,刪除屬性值相同的對象,得到約簡后的決策表。

(4)按條件屬性C和決策屬性D對論域進行等價類劃分,得到U/ind(C)和U/ind(D)。 其中,U為評估論域,U/ind(C)、U/ind(D)分別為按條件屬性C和決策屬性D劃分得到的論域。

(5)去除某一條件屬性Ci考察分類變化,得到論域U/ind(C-Ci)。

(6)計算各屬性關于決策屬性的重要性,計算公式為

式中,σCD(Ci)為Ci關于D的重要性;γC(D)為D依賴于C的程度,γC-Ci(D)為D依賴于C-Ci的程度;為U的基,即U中元素的個數;為論域POSC(D)中的元素個數;POSC(D)為D的C正域, 即去掉多元素集合的 約 簡 結 果;為論域POSC-Ci(D)中的元素個數;POSC-Ci(D)為D的C-Ci正域,即去掉多元素集合的約簡結果。

(7)將重要性進行歸一化處理,即得到各評估指標的權重。

2.2 評估指標權重計算

本研究以應急預防能力為例分析指標權重計算過程。 條件屬性集C={C1,C2,C3,C4,C5,C6}={B1,B2,B3,B4,B5,B6},決策屬性集D={1,2,3,4}。 邀請10 位專家對2 家金屬礦山應急預防能力的二級指標進行評分,可以按表1 的指標解釋分項進行評分,得到百分制分值,然后離散化為4 個等級。 再對離散化的決策表進行約簡,得到約簡后的決策表如表2 所示。相關參數可以進行如下計算:

表2 約簡后的決策表Table 2 Reduced decision table

U/ind(C)={{1},{2},{3},{4},{5},{6,7},{8},{9},{10},{11},{12},{13},{14},{15},{16},{17},{18}} ,

U/ind(D)={{2},{1,3,4,6,8,9,10,12,14,15,16,18},{5,7,11,13,17}} ,

U/ind(C-C1)= {{1},{2},{3},{4,5,9,18},{6,7,16},{8},{9},{10},{11},{12},{13},{14},{15},{17}} ,

POSC-C1(D)={{1},{2},{3},{8},{9},{10},{11},{12},{13},{14},{15},{17}} 。

由式(1) 得,σCD(C1) =γC(D) -γC-C1(D) =

同理可得,條件屬性C2,C3,C4,C5,C6的重要性分別為4/18,3/18,5/18,4/18,7/18。 經過歸一化處理,應急預防能力各評估指標的權重分別為wB1=0.178,wB2= 0. 143,wB3= 0. 108,wB4= 0. 178,wB5=0.143,wB6=0.250。

基于RS 理論,得到金屬礦山應急能力評估的一級指標權重為wA1=0.286,wA2=0.381,wA3=0.190,wA4=0.143,其他二級指標的權重為wB7=0.128,wB8=0.205,wB9=0.179,wB10=0.128,wB11=0.154,wB12=0.103,wB13=0.103,wB14=0.316,wB15=0.263,wB16=0.421,wB17=0.136,wB18=0.273,wB19=0.364,wB20=0.227。

3 基于可拓理論的應急能力評估方法

可拓理論從定性和定量兩個角度研究解決評估對象的模糊性、多樣性、矛盾性問題,在許多領域得到了成功應用。 可拓理論中的參變量物元模型是動態模型,通過引進物元R=(N,C,V)概念,將待評事物N、事物具有的特征C以及特征的具體量值V有機結合起來,能較好地解決綜合評估中指標的不相容問題。 因此,本研究基于可拓理論構建金屬礦山應急能力的可拓評估模型。

3.1 經典域物元、節域物元和待評物元

(1)經典域物元Rj。 公式為

式中,Nj為應急能力評估的j個等級,j=(1,2,…,m);Ci為第i個評估指標,i=(1,2,…,n);Vji為等級Nj對于Ci的取值范圍,即經典域,Vji=,aji為取值下限,bji為取值上限。

(2)節域物元Rp。 公式為

式中,N為應急能力評估等級的全體;Vpi為Ci在等級N下的所有取值范圍,即N的節域,Vpi=。 顯然有?。

(3)待評物元Rx。 公式為

式中,Nx為某待評估金屬礦山的等級;Vi為Nx關于指標Ci的具體數據,即專家對某金屬礦山各指標的評估結果。

3.2 關聯度

(1)確定各評估指標關于各評估等級的關聯度Kj(vi)。 公式為

式中,ρ(vi,vji) 為點vi與區間Vji的距,計算式為

(2)確定待評物元對于評估等級的綜合關聯度。根據各應急能力評估指標的權重,將單項關聯度Kj(vi)和權重值合成為綜合關聯度Kj(Nx),即待評金屬礦山Nx關于預警等級j的關聯度。 公式為

3.3 評估等級

如果評估對象的評估指標分為不同層次或評估指標較多而使權重過小時,需要采用多層次綜合可拓評估模型。 多層次綜合可拓評估模型計算方法與單層次類似,第二層次評估結果組成第一層次的評估矩陣K1,然后結合第一層次評估指標的權重W,得到最終評估結果K:

4 金屬礦山應急能力評估方法的應用

4.1 應用實例概況

山東黃金集團某金礦下設4 個礦區,現有職工2 000 多人。 礦山主要產品為金錠、銀錠,采用主豎井、斜坡道聯合開拓和點柱式機械化水平分層充填采礦方法,日采礦石約7 000 t。 該礦山重視安全生產工作,設置有各級安全管理機構,配備了專(兼)職安全生產管理人員,制定了比較完善的安全生產管理制度和安全操作規程。

4.2 該企業評估物元確定

本研究將礦山應急能力評估等級劃分為好、較好、一般、差4 個等級,分別表示為N1、N2、N3、N4。 各等級對于每個評估指標的取值范圍分別為[100,90]、(90,75]、(75,60]、(60,0]。 邀請10 位來自高校、科研單位以及金屬礦山的專家,按照評估指標體系對該礦山的應急能力進行評分,計算每個評估指標的平均分作為評估得分。 本研究以一級指標應急預防能力A1為例加以說明,相關結果如下:

R3、R4類似,不再贅述。

4.3 企業評估關聯度

根據式(5)至式(8)計算各指標對于各評估等級的關聯度,得到應急預防能力對于各評估等級的關聯度矩陣為

再根據應急預防能力各二級指標的權重W1=(0.178,0.143,0.108,0.178,0.143,0.25),由式(9)可得應急預防能力的綜合關聯度為:K11=W1·K1(1) =(0.606,0.404,0.409,0)。 同理,可得一級指標應急準備能力、應急響應能力、應急恢復能力的綜合關聯度K12、K13、K14,構成評估矩陣K1:

根據一級指標的權重W= (0. 286,0. 381,0.190,0.143),由式(10)可得:K=W·K1=(0.442,0.511,0.469,0.034) 。

4.4 企業應急能力評估等級確定并驗證

由上述計算可知:K中最大值為0.511,因此該礦山的應急能力評估等級為2 級,較好。 該企業成立了應急管理機構,制定了相關的應急管理制度,配備了專(兼)職應急管理人員,各類應急救援設施及裝備較為齊全。 企業編制了系統、完善的應急預案體系,并定期開展應急培訓和應急演練,但培訓的針對性以及演練的實戰性還有待加強。 因此,評估結果與該企業應急能力總體情況以及專家總體認識相符。與傳統的專家評分法及模糊綜合評估方法相比,基于可拓理論的應急能力評估方法能有效消除專家評估意見的不一致性,更加符合應急能力的客觀實際,同時比神經網絡方法、變熵權法等復雜的評估方法易于實現。 因此,基于可拓理論的金屬礦山應急能力評估方法具有一定的科學性和實用性。

5 結 論

(1)根據應急領域相關的法律法規并利用解釋結構模型方法,建立了金屬礦山應急能力評估模型體系。 該體系由應急預防能力、應急準備能力、應急響應能力、應急救援能力4 個一級指標、20 個二級指標組成。

(2)基于粗糙集理論RS 和專家評分法,確定了金屬礦山應急能力評估指標權重,能充分體現數據的客觀性,減少評估者的主觀影響。

(3)在某金屬礦山的應用實踐表明,所提方法能充分綜合考慮各評估指標的不相容問題及專家意見,評估結果比較準確地反映了礦山的應急能力。

(4)采用可拓理論開展金屬礦山應急能力評估,能有效解決評估對象的模糊性、多樣性、矛盾性問題,獲得比較客觀的評估結果。