基于AHP的隧道瓦斯爆炸事故致因研究

徐明智 蔡立勇 尹智雄 周训兵

(1.贵州省劳动保护科学技术研究院；2.贵州煤矿矿用安全产品检验中心)

基于AHP的隧道瓦斯爆炸事故致因研究

徐明智1,2蔡立勇1,2尹智雄1,2周训兵1,2

(1.贵州省劳动保护科学技术研究院；2.贵州煤矿矿用安全产品检验中心)

在系统分析了隧道瓦斯爆炸致因的基础上，应用AHP基本原理建立了隧道瓦斯爆炸事故致因层次结构模型，构建了判断矩阵，计算了各因素的权重并进行了排序。结果表明：管理缺陷是隧道瓦斯爆炸事故致因的首要因素，其次是人的不安全行为和物的不安全状态，环境的不安全条件影响最小。因此，加强瓦斯管理，完善规章制度，加大安全培训力度，同时禁止明火作业和漏检瓦斯，是预防隧道瓦斯爆炸事故的重要措施。

隧道 瓦斯爆炸 层次分析法 事故致因

我国是一个多山的国家，交通线路在通过山岭重丘时需要修建大量的隧道，其中有些隧道不可避免的需要穿越煤系地层，这就导致在施工过程中有发生瓦斯突出、瓦斯爆炸和瓦斯燃烧的危险，其中又以瓦斯爆炸事故比较常见，一旦发生瓦斯爆炸，就会造成严重的人员伤亡和重大的财产损失[1-2]。随着我国交通建设的大力发展，隧道瓦斯出现的频率将会大大增加，发生隧道瓦斯爆炸事故的几率也将随之增大，因此，有必要对隧道瓦斯爆炸事故进行系统全面的分析，以找到瓦斯爆炸的致因，采取相应的治理措施。

本文以层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)为基础，探讨了隧道瓦斯爆炸事故的致因，为预防隧道瓦斯爆炸提供科学指导。

1 AHP的基本原理与步骤

1.1 AHP的基本原理

层次分析法是美国运筹学家萨蒂等人于20世纪70年代提出的一种系统分析方法，其基本原理是结合各因素之间的相互影响和隶属关系，将其分层类聚组合，建立递阶有序的层次结构模型，依据对实际情况的客观判断，对模型中每一因素的相对重要程度进行量化，再计算每一层因素的权重向量，最后综合计算所有因素的总排序权重，以此判断各因素的重要程度[3-4]。

1.2 AHP的基本步骤

1.2.1 建立层次结构模型

根据分析对象所包含的因素和因素间的隶属关系，按照不同的特征，将各因素自上而下分解成若干层，通常可分为三层：目标层、准则层和措施层。同一层的因素既作用于上一层因素，同时又受到下一层因素的影响。

1.2.2 构造判断矩阵

对隶属于上一层某一因素的同一层中每个因素进行两两对比，确定相对重要程度，采用1～9标度法进行量化[5]，以此构成判断矩阵。判断矩阵中各元素的取值和含义如表1所示。

表1 比例标度值及含义

1.2.3 计算权重向量

根据构造好的判断矩阵，计算出最大特征值λmax和对应的特征向量W，将W归一化后得到的向量即为同一层因素对于上一层某因素相对重要性的权重向量。权重向量的计算方法一般有根法、幂法、和积法、最小二乘法和对数最小二乘法等[6]。

1.2.4 一致性检验

为了防止判断矩阵受到其它不相干因素的影响，需要对其进行一致性检验。只有通过了检验，说明判断矩阵在逻辑上是合理的，是符合客观事实的[4]。检验过程如下：

计算一致性指标CI：

CI=(λmax-n)/(n-1) .

(1)

计算随机一致性比例CR：

CR=CI/RI .

(2)

当CR<0.1时，即可认为判断矩阵满足大体上的一致性，构造的判断矩阵符合数学逻辑，否则应对矩阵进行适当修正。其中RI为平均随机一致性指标，是重复多次(大于500次)进行随机判断矩阵特征值计算后取算术平均值得到的，其取值如表2所示。

表2 平均随机一致性指标RI取值

2 隧道瓦斯爆炸事故致因研究

2.1 建立层次结构模型

瓦斯隧道施工系统由人员、设备、环境与管理4方面组成，瓦斯爆炸事故的发生取决于人、物(机)、环三大因素之间相互作用，而这三者又受到管理的制约[7-8]。人对事故的影响主要是指导致隧道瓦斯爆炸的人的不安全行为，主要表现在明火作业、漏检瓦斯、操作错误和违章作业等行为;物的因素主要是指物的不安全状态，在一定条件下就会转化为事故，主要表现在通风问题、放炮火花、机电火花和摩擦火花等；人的生产活动离不开生产环境，环境因素是指环境的不安全条件，主要包括瓦斯异常涌出和局部积聚、煤自然发火；影响事故发生的深层次原因是管理因素，管理缺陷会放大人、物(机)、环三者之间相互作用关系，加速事故的发生，主要包括瓦斯管理缺陷、制度不完善、违章指挥和安全培训不够等。

通过对隧道瓦斯爆炸事故致因的分析，按照层次分析法的基本步骤，建立隧道瓦斯爆炸层次结构模型，如图1所示。

图1 隧道瓦斯爆炸层次分析结构模型

2.2 构造判断矩阵

采用1～9标度法进行两两比较，同时参考专家意见，确定各因素之间的重要程度并按规定的标度值进行赋值，构造出每一层的判断矩阵，如表3～表7所示。

表3 目标层A对准则层B判断矩阵M1

表4 准则层B1对措施层C1～ C4判断矩阵M11

2.3 计算各层权重向量并一致性检验

对于M1判断矩阵，使用MATLAB计算出最大特征值λmax=4.189 1，特征向量归一化后有W1=(0.280 8，0.132 8，0.063 8，0.522 6)T，对应的随机一致性指标RI1=0.89，一致性指标CI1=0.063 0，则一致性指标比例CR1=0.070 8<0.1。因此，该判断矩阵的一致性合理的。

表5 准则层B2对措施层C5～ C8判断矩阵M12

表6 准则层B3对措施层C9～ C11判断矩阵M13

表7 准则层B4对措施层C12～ C14判断矩阵M14

按上述方法计算判断矩阵M11～M14最大特征值和对应的权重向量，计算结果如表8所示。

表8 判断矩阵M11～M14计算结果

2.4 计算总排序权重

由准则层B对目标层A的权重W1和措施层C对准则层B的权重W1i，可计算措施层C对目标层A的总排序权重W，具体计算结果如表9所示。

表9 隧道瓦斯爆炸事故致因权重总排序

对权重总排序进行一致性检验，计算综合一致性指标比例CR：

=0.008 447<0.1

因此，综合排序的一致性是合理的，权重总排序可以作为目标层的依据。

2.5 结果分析

从以上结果可以看出，管理缺陷(权重 0.522 6)是隧道瓦斯爆炸事故致因的首要因素，其次是人的不安全行为(0.280 8)和物的不安全状态(0.132 8)，环境的不安全条件(0.522 6)对隧道瓦斯爆炸影响最小。

由表4可以看出，影响较大的致因因素有：瓦斯管理缺陷(0.252 5)、制度不完善(0.142 0)、明火作业(0.133 8)、安全培训不够(0.082 0)、漏检瓦斯(0.080 8)和通风问题(0.072 4)，这6个因素占了总权重的76.35%，其中管理方面的因素占了47.65%。可见管理缺陷因素是引起隧道瓦斯爆炸的根本原因，故要加强瓦斯管理，建立健全相关管理制度，完善安全规程，同时加大安全培训的力度，从根本上防范隧道瓦斯爆炸事故的发生。同时，还要加强对人员的管理，杜绝人的不安行为的发生，禁止明火作业和漏检瓦斯。

3 结 论

(1)应用AHP对隧道瓦斯爆炸事故致因进行分析，建立了层次结构模型，构建了判断矩阵，通过对模型的求解，得出了隧道瓦斯爆炸各致因因素的权重，基本符合当前瓦斯隧道施工中的实际情况。

(2)通过对隧道瓦斯爆炸事故致因因素的权重排序发现，管理缺陷是导致隧道瓦斯爆炸的根本原因，其次是人的不安全行为。因此，必须要加强管理，尤其是瓦斯的管理，完善规章制度，加大安全培训的力度。同时，也要禁止明火作业、漏检瓦斯等人的不安全行为。

(3)由于瓦斯隧道施工过程复杂多变，影响瓦斯爆炸的因素很多，本文在选取致因因素时可能不够全面。在实际应用中，应根据隧道施工中的具体特点，选取全面而准确的因素以建立更精确的层次结构模型，为预防隧道瓦斯爆炸事故提供科学指导。

[1] 姜洪亮.紫坪铺隧道瓦斯灾害研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[2] 康小兵，许 模.我国瓦斯隧道建设现状综述[J].人民长江，2011，42(3)：30-33.

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[4] 韩中庚.数学建模方法及其应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 荆全忠，姜秀慧，杨鉴淞，等.基于层次分析法(AHP)的煤矿安全生产能力指标体系研究[J]. 中国安全科学学报，2006，16(9)：74-79.

[6] 邓 雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]. 数学的实践与认识，2012，42(7)：93-100.

[7] 蒋 敏.瓦斯隧道施工过程瓦斯灾害危险性评价研究[D].成都：成都理工大学，2012.

[8] 陈沅江，程 刚，熊建明.应用FTA分析瓦斯隧道在建期瓦斯爆炸事故[J].科技导报，2012，30(24)：46-51.

Research on the Cause of Tunnel Gas Explosion Accident Based on AHP

Xu Mingzhi1,2Cai Liyong1,2Yin Zhixiong1,2Zhou Xunbing1,2

(1.Guizhou Institute of Labor Protection Science and Technology;2.Guizhou Coal Mine Safety Product Inspection Center)

Based on analyzing the factors affecting the tunnel gas explosion, the structure model of the tunnel gas explosion accident is established based on the basic principle of APH,the judgment matrix is constructed and the weights of every factor are calculated and sorted.The results show that the management flaw is the primary factor of the tunnel gas explosion accident, followed by unsafe behavior of human and unsafe state of matter,the impact of unsafe conditions of environmental is smallest.Therefore,strengthen gas management,perfect rules and regulations,increasing safety training intensity,prohibiting working with naked fire and residual gas are the important measures to prevent the tunnel gas explosion accident.

Tunnel, Gas explosion, Analytic hierarchy process, Accident cause

2015-06-03)

徐明智(1988—)，男，助理工程师，硕士研究生，563000 贵州省遵义市红花岗区桃溪路51号。