基于RS—可拓理論的金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估

謝振華 幸貞雄 徐明智

(1.中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 100048;2.貴州省應(yīng)急管理科學(xué)研究院,貴州 遵義 563000)

金屬礦山生產(chǎn)條件復(fù)雜,涉及的危險(xiǎn)因素較多,一旦安全風(fēng)險(xiǎn)管控不到位,很容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒窒息、冒頂坍塌等事故,造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。 例如,2021 年1 月10 日,山東省棲霞市笏山金礦發(fā)生爆炸事故,造成11 人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失6 847.33 萬元。 事故原因是該礦井下違規(guī)混存炸藥、雷管,在井口實(shí)施罐籠氣割作業(yè)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(fā)雷管和炸藥爆炸。 金屬礦山必須根據(jù)有關(guān)安全法律法規(guī),做好事故預(yù)防工作,增強(qiáng)事故應(yīng)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(fā)生透水事故,造成18 人被困井下,其中5 人遇難。 應(yīng)急管理部和地方政府立即啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng),調(diào)集專業(yè)救護(hù)隊(duì)、排水隊(duì)伍科學(xué)實(shí)施應(yīng)急救援。 經(jīng)過連續(xù)88 小時(shí)的全力施救,13 名被困人員全部安全升井。 因此,適時(shí)、準(zhǔn)確地開展金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)急管理中的不足,滿足應(yīng)急決策需求,提升礦山應(yīng)急能力。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在交通、電網(wǎng)突發(fā)事件以及企業(yè)應(yīng)急能力評(píng)估方面開展了研究工作,取得了一定的進(jìn)展。 如張建軍等[1]建立了包括應(yīng)急組織能力、應(yīng)急準(zhǔn)備能力、事件預(yù)防能力、監(jiān)測(cè)預(yù)警能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、處置救援能力、恢復(fù)重建能力、評(píng)估完善能力的公路交通突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估理論體系;黎振宇等[2]基于二元聯(lián)系數(shù)-投影灰靶決策理論開展了電網(wǎng)應(yīng)急能力評(píng)估,采用基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的權(quán)重劃分模型進(jìn)行指標(biāo)權(quán)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(wǎng)應(yīng)急能力動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法;WEISDOF 等[4]論述了加強(qiáng)應(yīng)急能力建設(shè)和評(píng)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(gòu)建了煤礦應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了煤礦應(yīng)急救援能力評(píng)估;楊振宏等[6]基于可拓理論進(jìn)行了化工園區(qū)應(yīng)急管理能力評(píng)估。 上述研究成果盡管比較豐富,但專門針對(duì)金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估的研究成果較少。

開展應(yīng)急能力評(píng)估首先需要建立評(píng)估指標(biāo)體系,楊三軍等[7]通過文獻(xiàn)分析、調(diào)查問卷等,建立了礦山救援隊(duì)的應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;陳釘均等[8]從鐵路應(yīng)急準(zhǔn)備能力、應(yīng)急響應(yīng)能力及應(yīng)急恢復(fù)能力三方面,構(gòu)建了重大疫情下鐵路應(yīng)急救援能力評(píng)估指標(biāo)體系;PENADES 等[9]從應(yīng)急響應(yīng)過程中的協(xié)調(diào)、信息、發(fā)布、交流、合作、智能化6 個(gè)維度對(duì)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行了評(píng)估。 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定方法主要有德爾菲法、層次分析法AHP、改進(jìn)的AHP、粗糙集方法RS、層級(jí)熵分析法等[10-14]。 目前,對(duì)評(píng)估方法的研究相對(duì)比較多,有模糊綜合評(píng)價(jià)法[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[16]、變熵權(quán)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(jié)構(gòu)模型法,對(duì)企業(yè)的應(yīng)急情景進(jìn)行了構(gòu)建和推演,并開展了企業(yè)應(yīng)急能力評(píng)估。 上述研究成果為金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建和評(píng)估方法選擇提供了借鑒,但需要結(jié)合金屬礦山應(yīng)急能力需求特點(diǎn),開展針對(duì)性的評(píng)估。

本研究針對(duì)金屬礦山安全生產(chǎn)特點(diǎn)和應(yīng)急能力建設(shè)要求,建立金屬礦山應(yīng)急能力綜合評(píng)估指標(biāo)體系,基于粗糙集理論RS 和專家評(píng)分法,確定金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)工作開展權(quán)重,采用可拓理論開展金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估。

1 金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系建立

依據(jù)《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》及《中華人民共和國(guó)突發(fā)事件應(yīng)對(duì)法》等法律法規(guī),并結(jié)合事故應(yīng)急工作開展要求,應(yīng)急工作可分為事前、事中、事后3 個(gè)階段,應(yīng)急能力應(yīng)包括應(yīng)急預(yù)防能力、應(yīng)急準(zhǔn)備能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急恢復(fù)能力4 個(gè)方面,每個(gè)方面可再分為不同的要素。 例如,國(guó)家《“十四五”礦山安全生產(chǎn)規(guī)劃》提出要大力提升應(yīng)急救援處置能力,進(jìn)一步規(guī)范事故現(xiàn)場(chǎng)指揮機(jī)構(gòu),完善礦山應(yīng)急預(yù)案管理和應(yīng)急預(yù)案定期評(píng)估修訂機(jī)制,構(gòu)建空天地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng),規(guī)范企業(yè)兼職救援隊(duì)伍建設(shè),優(yōu)化升級(jí)緊急避險(xiǎn)與逃生等應(yīng)急救援隊(duì)技術(shù)裝備,推動(dòng)完善實(shí)訓(xùn)演練基礎(chǔ)設(shè)施,提高應(yīng)急救援隊(duì)伍訓(xùn)練水平。

根據(jù)應(yīng)急相關(guān)的法律法規(guī),借鑒相關(guān)研究成果并結(jié)合本研究對(duì)多家金屬礦山的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,先初選出金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo),再利用解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)方法,在不損失系統(tǒng)功能的前提下給出最簡(jiǎn)的、層次化的拓?fù)鋱D,凝練出金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估的模型體系[20]。 ISM 方法適用于指標(biāo)數(shù)據(jù)比較多、各指標(biāo)與各數(shù)據(jù)間關(guān)系比較復(fù)雜并且結(jié)構(gòu)不清晰的系統(tǒng)分析,先構(gòu)建出初選指標(biāo)間的鄰接矩陣,再通過建模軟件計(jì)算得到可達(dá)矩陣,最后建立評(píng)估指標(biāo)的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型。 最終得到的金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系由4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、20 個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成,如表1 所示。

表1 金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系Table 1 Index system of emergency capability assessment for metal mine

2 基于RS 理論確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

由于金屬礦山應(yīng)急能力的影響因素很多,事故發(fā)生的可能性比較大,導(dǎo)致評(píng)估指標(biāo)的模糊性、不確定性比較高,而且涉及的數(shù)據(jù)量大、一致性不強(qiáng),難以做到客觀準(zhǔn)確定量。 因此,應(yīng)選擇主觀和客觀相結(jié)合的方法來確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。 經(jīng)過對(duì)各種權(quán)重確定方法的對(duì)比分析可知,粗糙集(Rough Set,RS)理論直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理,不需要提供任何先驗(yàn)知識(shí)[21],不受金屬礦山已經(jīng)發(fā)生事故的先驗(yàn)性影響,通過數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重,能充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)的客觀性,而且充分考慮金屬礦山應(yīng)急能力影響的各個(gè)因素,有助于提高評(píng)估結(jié)果的精準(zhǔn)性。 但RS 確定指標(biāo)權(quán)重存在某些指標(biāo)的權(quán)重值為0 的問題,可以結(jié)合專家評(píng)分法,綜合考慮每一個(gè)專家的意見來校正。 因此,本研究以粗糙集理論為基礎(chǔ),結(jié)合專家評(píng)分法確定金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。

2.1 粗糙集理論確定權(quán)重的步驟

(1)選擇多位專家,根據(jù)金屬礦山的應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)一家或多家金屬礦山的應(yīng)急能力水平進(jìn)行評(píng)分。

(2)將各評(píng)估指標(biāo)的屬性值進(jìn)行離散化。 金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估結(jié)果和各評(píng)估指標(biāo)的等級(jí)均分為好、較好、一般、差4 個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)的值域?yàn)閇100,90]、(90,75]、(75,60]、(60,0],離散化值分別為1、2、3、4。

(3)對(duì)離散化的決策表進(jìn)行約簡(jiǎn),刪除屬性值相同的對(duì)象,得到約簡(jiǎn)后的決策表。

(4)按條件屬性C和決策屬性D對(duì)論域進(jìn)行等價(jià)類劃分,得到U/ind(C)和U/ind(D)。 其中,U為評(píng)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(jì)算各屬性關(guān)于決策屬性的重要性,計(jì)算公式為

式中,σCD(Ci)為Ci關(guān)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(gè)數(shù);為論域POSC(D)中的元素個(gè)數(shù);POSC(D)為D的C正域, 即去掉多元素集合的 約 簡(jiǎn) 結(jié) 果;為論域POSC-Ci(D)中的元素個(gè)數(shù);POSC-Ci(D)為D的C-Ci正域,即去掉多元素集合的約簡(jiǎn)結(jié)果。

(7)將重要性進(jìn)行歸一化處理,即得到各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。

2.2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

本研究以應(yīng)急預(yù)防能力為例分析指標(biāo)權(quán)重計(jì)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(qǐng)10 位專家對(duì)2 家金屬礦山應(yīng)急預(yù)防能力的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分,可以按表1 的指標(biāo)解釋分項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分,得到百分制分值,然后離散化為4 個(gè)等級(jí)。 再對(duì)離散化的決策表進(jìn)行約簡(jiǎn),得到約簡(jiǎn)后的決策表如表2 所示。相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)行如下計(jì)算:

表2 約簡(jiǎn)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(jīng)過歸一化處理,應(yīng)急預(yù)防能力各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)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(yīng)急能力評(píng)估的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重為wA1=0.286,wA2=0.381,wA3=0.190,wA4=0.143,其他二級(jí)指標(biāo)的權(quán)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(yīng)急能力評(píng)估方法

可拓理論從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度研究解決評(píng)估對(duì)象的模糊性、多樣性、矛盾性問題,在許多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。 可拓理論中的參變量物元模型是動(dòng)態(tài)模型,通過引進(jìn)物元R=(N,C,V)概念,將待評(píng)事物N、事物具有的特征C以及特征的具體量值V有機(jī)結(jié)合起來,能較好地解決綜合評(píng)估中指標(biāo)的不相容問題。 因此,本研究基于可拓理論構(gòu)建金屬礦山應(yīng)急能力的可拓評(píng)估模型。

3.1 經(jīng)典域物元、節(jié)域物元和待評(píng)物元

(1)經(jīng)典域物元Rj。 公式為

式中,Nj為應(yīng)急能力評(píng)估的j個(gè)等級(jí),j=(1,2,…,m);Ci為第i個(gè)評(píng)估指標(biāo),i=(1,2,…,n);Vji為等級(jí)Nj對(duì)于Ci的取值范圍,即經(jīng)典域,Vji=,aji為取值下限,bji為取值上限。

(2)節(jié)域物元Rp。 公式為

式中,N為應(yīng)急能力評(píng)估等級(jí)的全體;Vpi為Ci在等級(jí)N下的所有取值范圍,即N的節(jié)域,Vpi=。 顯然有?。

(3)待評(píng)物元Rx。 公式為

式中,Nx為某待評(píng)估金屬礦山的等級(jí);Vi為Nx關(guān)于指標(biāo)Ci的具體數(shù)據(jù),即專家對(duì)某金屬礦山各指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果。

3.2 關(guān)聯(lián)度

(1)確定各評(píng)估指標(biāo)關(guān)于各評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj(vi)。 公式為

式中,ρ(vi,vji) 為點(diǎn)vi與區(qū)間Vji的距,計(jì)算式為

(2)確定待評(píng)物元對(duì)于評(píng)估等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度。根據(jù)各應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重,將單項(xiàng)關(guān)聯(lián)度Kj(vi)和權(quán)重值合成為綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nx),即待評(píng)金屬礦山Nx關(guān)于預(yù)警等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。 公式為

3.3 評(píng)估等級(jí)

如果評(píng)估對(duì)象的評(píng)估指標(biāo)分為不同層次或評(píng)估指標(biāo)較多而使權(quán)重過小時(shí),需要采用多層次綜合可拓評(píng)估模型。 多層次綜合可拓評(píng)估模型計(jì)算方法與單層次類似,第二層次評(píng)估結(jié)果組成第一層次的評(píng)估矩陣K1,然后結(jié)合第一層次評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重W,得到最終評(píng)估結(jié)果K:

4 金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估方法的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實(shí)例概況

山東黃金集團(tuán)某金礦下設(shè)4 個(gè)礦區(qū),現(xiàn)有職工2 000 多人。 礦山主要產(chǎn)品為金錠、銀錠,采用主豎井、斜坡道聯(lián)合開拓和點(diǎn)柱式機(jī)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(chǎn)工作,設(shè)置有各級(jí)安全管理機(jī)構(gòu),配備了專(兼)職安全生產(chǎn)管理人員,制定了比較完善的安全生產(chǎn)管理制度和安全操作規(guī)程。

4.2 該企業(yè)評(píng)估物元確定

本研究將礦山應(yīng)急能力評(píng)估等級(jí)劃分為好、較好、一般、差4 個(gè)等級(jí),分別表示為N1、N2、N3、N4。 各等級(jí)對(duì)于每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的取值范圍分別為[100,90]、(90,75]、(75,60]、(60,0]。 邀請(qǐng)10 位來自高校、科研單位以及金屬礦山的專家,按照評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)該礦山的應(yīng)急能力進(jìn)行評(píng)分,計(jì)算每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的平均分作為評(píng)估得分。 本研究以一級(jí)指標(biāo)應(yīng)急預(yù)防能力A1為例加以說明,相關(guān)結(jié)果如下:

R3、R4類似,不再贅述。

4.3 企業(yè)評(píng)估關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(5)至式(8)計(jì)算各指標(biāo)對(duì)于各評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,得到應(yīng)急預(yù)防能力對(duì)于各評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度矩陣為

再根據(jù)應(yīng)急預(yù)防能力各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重W1=(0.178,0.143,0.108,0.178,0.143,0.25),由式(9)可得應(yīng)急預(yù)防能力的綜合關(guān)聯(lián)度為:K11=W1·K1(1) =(0.606,0.404,0.409,0)。 同理,可得一級(jí)指標(biāo)應(yīng)急準(zhǔn)備能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急恢復(fù)能力的綜合關(guān)聯(lián)度K12、K13、K14,構(gòu)成評(píng)估矩陣K1:

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)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(yè)應(yīng)急能力評(píng)估等級(jí)確定并驗(yàn)證

由上述計(jì)算可知:K中最大值為0.511,因此該礦山的應(yīng)急能力評(píng)估等級(jí)為2 級(jí),較好。 該企業(yè)成立了應(yīng)急管理機(jī)構(gòu),制定了相關(guān)的應(yīng)急管理制度,配備了專(兼)職應(yīng)急管理人員,各類應(yīng)急救援設(shè)施及裝備較為齊全。 企業(yè)編制了系統(tǒng)、完善的應(yīng)急預(yù)案體系,并定期開展應(yīng)急培訓(xùn)和應(yīng)急演練,但培訓(xùn)的針對(duì)性以及演練的實(shí)戰(zhàn)性還有待加強(qiáng)。 因此,評(píng)估結(jié)果與該企業(yè)應(yīng)急能力總體情況以及專家總體認(rèn)識(shí)相符。與傳統(tǒng)的專家評(píng)分法及模糊綜合評(píng)估方法相比,基于可拓理論的應(yīng)急能力評(píng)估方法能有效消除專家評(píng)估意見的不一致性,更加符合應(yīng)急能力的客觀實(shí)際,同時(shí)比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、變熵權(quán)法等復(fù)雜的評(píng)估方法易于實(shí)現(xiàn)。 因此,基于可拓理論的金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估方法具有一定的科學(xué)性和實(shí)用性。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)應(yīng)急領(lǐng)域相關(guān)的法律法規(guī)并利用解釋結(jié)構(gòu)模型方法,建立了金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估模型體系。 該體系由應(yīng)急預(yù)防能力、應(yīng)急準(zhǔn)備能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急救援能力4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、20 個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成。

(2)基于粗糙集理論RS 和專家評(píng)分法,確定了金屬礦山應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)權(quán)重,能充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)的客觀性,減少評(píng)估者的主觀影響。

(3)在某金屬礦山的應(yīng)用實(shí)踐表明,所提方法能充分綜合考慮各評(píng)估指標(biāo)的不相容問題及專家意見,評(píng)估結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映了礦山的應(yīng)急能力。

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