基于DEMATEL-ISM的地下金属矿山人机系统事故影响因素分析*

罗周全，程鹏毅

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410000)

0　引言

在现代工业中，机械化程度越来越高，人机交互面成为事故多发面，因此，把人和机器作为一个整体，在设计时充分考虑人的状态，以提高作业的效率、安全性、舒适度等特性，这样的系统称为人机系统。事故具有动态性和复杂性，我国地下金属矿山人机属于复杂的闭环系统，对事故的研究就是找出事故致因，通过技术、管理等手段防范于未然，减少事故的发生。在矿山人机系统中，各个层次结构组成元素之间存在交互作用，会涌现出特有的结构，从而引发新的功能，因此矿山人机系统因素组成的事故系统不仅需要研究基本的人、机、环3大因素，还需要研究特殊的层次结构和复杂的组元交互。通过对复杂矿山人机系统结构分析，以及对矿山事故原理进行分析，可以得出安全人机事故影响因素。

在以往的矿山安全研究中，主要以研究机械的本质安全为主，缺乏对整个矿山人机系统的分析计算，然而系统中的各个因素都是相互作用、相互影响的，地下金属矿山事故频发是人为原因、还是机械设备的原因往往无法进行单一的解答，而是需要用安全系统的思维分析矿山事故的诱发因素，克服分析的片面性，进而提出切实可行的对策措施[1]。

决策实验室分析法(DEMATEL)与解释结构模型(ISM)可以将复杂的矿山人机系统变成一个多级递阶的系统模型，将矿山中模糊的思想、现状等转化为直观的、结构关系良好的模型，得以分析矿山人机系统构成因素间相互联系的程度。因此，采用此方法可以研究影响因素之间的相互作用及其对地下金属矿山人机系统事故的影响程度，构建影响因素多级递阶结构模型，揭示各个因素的中心度和节点度，明确其中的原因因素和结果因素，实现对地下金属矿山人机系统的影响因素的层次划分[2]。

1　地下金属矿山事故影响因素的提取

在地下金属矿山人机安全分析中，矿山系统的3大事故致因分别为人的不安全行为、物的不安全状态和环境扰动，3种致因在约束失效时就可能引发安全事故[3]。陈宝智研究的两类危险源理论，考虑到约束失效后意外释放的能量而引发事故，主要注重物的不安全状态，即机械性能衰退问题，能量的载体破裂[4]；田水承在此基础上，补充了第三类危险源管理因素，对系统分析边界进行扩充，认为信息缺乏在事故中也占重要地位，管理也是主要的影响因素[5]；Nancy Levisohn运用系统思维构筑安全系统，从客观的角度提出一种基于事故模型的危害分析方法—系统理论事故流程分析(STAMP)，主要考虑了设计失误、部件间交互作用事故和复杂的感知决策失误以及社会、组织和管理等因素，并面向事故全过程进行因素识别，注重分析潜在的控制缺陷及由此导致的危险行为。现在通用安全管理中，广泛应用的有人、机、环、信息、管理5大事故致因。地下金属矿山人机系统是一种开放、非线性的系统，与外界有着物质、能量和信息的交互，在外界环境一定时，系统的结构能够决定系统功能，矿山的结构状态与矿山人机系统相关，因此地下金属矿山的安全性就是在所有系统影响因素相互协同下的整体涌现性。综合分析，机械部件失效、人机交互紊乱、环境扰动、适应性衰退和信息缺失均构成了矿山人机系统安全事故，不仅包括人、机、环、信息、管理等基本要素，还包括其因素交互面产生的新影响因素，基于这些原理和方法将影响因素细化为 15 个地下金属矿山人机系统事故致因因素[6-12]，如图1所示。

图1　地下金属矿山人机系统安全事故致因因素Fig.1　Underground metal mine man-machine system safety accident causes factors

1)机械物理部件失效：矿山接卸构件、软件等的各种失效，如：矿山掘进机老化、装药台车故障等。

2)人为失误导致：主要指矿山操作人员未按规程进行的错误操作，但应排除在特定环境下违规操作可以有效避免事故发生的情况，如：疲劳工作、上岗操作不熟练等。

3)安全文化薄弱：主要指矿山人机安全文化氛围不浓厚，安全意识差，安全教育不够深入到位等。

4)人机约束失效：指物理部件之间的相互制约关系失效(硬约束)，如：矿山两铲运机相撞；也指矿山安全监督关系缺乏(软约束)，如：缺乏对员工安全行为的监管。

5)非功能性交互：指可预期的交互作用外的非线性耦合作用，一般指超过了矿山机械设备设计者的预期，导致事故的发生，一般指本质安全薄弱。

6)重复或遗漏控制：矿山系统控制结构复杂，重叠区域的多次控制或者边缘区域的遗漏控制，如：人机交互界面，人和机方面都没有进行控制，或人和机2方面都进行了控制。

7)物质交互受阻：指物质无法正常交互，如：矿山设备无正常油料供应。

8)能量交互受阻：指能量无法正常应用，如：矿山设备无动力输出、装药机无法正常装药、掘进机无法掘进，属于设备本身出现的故障。

9)信息交互受阻：指急需的信息无法得到及时提供，如：矿山事故发生时，无法将信息传送到达相关人员等。

10)系统结构脆性：指地下矿山人机系统与生俱来的容易崩溃的性质，与人机系统所受的内外界的干扰和冲击强度有关，是系统的本质属性。

11)知识更新慢：指矿山员工安全认知能力提高缓慢，新的安全知识无法及时被接受；随着矿山新技术的引进，其安全控制手段没有被及时更新、采纳。

12)应变能力差：指矿山员工及安全管理人员在突发状况下，不能采取及时有效的纠正措施，不能根据实际环境修正规则制度所确定的行为。

13)认知缺陷：矿山员工、安全监督管理人员不能及时发现系统的安全隐患，对矿山事故机理缺乏准确的认知，即安全技术管理水平弱。

14)不确定性：因矿山信息缺乏，进而导致各种难以做出正确决策的情况。

15)无事故事件通报：一个人机子系统发生事故后，对另一子系统不通报，或者对事故通报视而不见。

2　集成DEMATEL-ISM方法

2.1　方法和模型介绍

基于前文对地下金属矿山人机系统辨析的15个事故影响因素，提出集成DEMATEL与ISM方法，划分系统层次结构，以此来降低ISM方法中计算可达矩阵的复杂度、减少可达矩阵的计算量，使得可达矩阵的计算过程简化，更易于分析矿山人机系统事故的影响因素[13-16]，具体步骤如图2所示。

图2　集成DEMATEL-ISM划分矿山人机结构Fig. 2　Integrated DEMATEL-ISM division of mine man-machine structure

2.2　DEMATEL-ISM方法步骤

地下金属矿山人机系统集成DEMATEL-ISM方法，分析事故因素相互影响关系的基本步骤如下：

1)确定矿山人机环系统安全事故致因因素a1,a2,…,an，ai∈A(i=1,2,…,n) ，其中n为人机环系统事故因素的数目，A是矿山人机环系统事故因素的总集合。

(1)

式(1)是采用取平均的方法对多位矿山专家的评价结果进行集结，从而使获得的初始直接矩阵得以消除专家的个体知识差异。取平均求得初始直接影响矩阵如下：

(2)

式中：βij为事故因素ai对aj的平均直接影响强度。

3)对地下金属矿山人机环系统直接影响矩阵规范化，得到新的矩阵C(C=[cij]n×n)，即为规范化直接影响矩阵：

(3)

4)计算综合影响矩阵T(T= [ti j]n×n)。综合影响矩阵表示对矿山人机环系统各因素间的直接影响和间接影响进行综合累加，以确定每个因素相对于人机环系统中最高水平因素对系统的最终影响：

(4)

0

T=C(1-C)-1

(5)

5)计算各事故因素的影响fi和被影响度ei。基于式(4)综合影响矩阵T，将元素每行的数值相加得到因素影响度fi，影响度fi表示元素c对除自身外，所有元素的综合影响度，其中包含直接的和间接的影响，如式(6)所示；基于综合影响矩阵T，将元素每列的数值相加得到因素被影响度ei，被影响度ei表示元素i除自身外，所有元素的综合影响度，如式(7)所示。

(6)

(7)

6)计算中心度Mi和原因度Ni。影响度fi和被影响度ei相加得到元素i的中心度，影响度fi和被影响度ei相减得到元素i原因度。

Mi=fi+ei(i=1,2,…,n)

(8)

Ni=fi-ei(i=1,2,…,n)

(9)

7)绘制原因结果图，以中心度为横坐标，原因度为纵坐标绘制，标出各事故因素在笛卡儿坐标系上的位置，就可以在图上分析地下金属矿山人机环系统安全事故因素的重要度和属性。

8)计算整体影响H(H=[hij]n×n)

H=I+T

(10)

式中：I为单位矩阵。

9)为得到标准化的可达矩阵，需要对整体影响矩阵中的元素进行处理，给定阈值λ，计算可达矩阵K(K=[kij]n×n)：

kij=1，ifhij≥λ(i，j，2，…，n)

(11)

kij=0，ifhij<λ(i，j，2，…，n)

(12)

λ的取值直接影响可达矩阵构成及后续的矿山层次结构划分，在经验的基础上，对取值参数进行优化。

10)对可达矩阵K进行级间划分，即将不同事故因素划分到不同层次，其中可达集合、前因集合、最高级要素集等主要名词的概念表述如下：

①可达集合：表示在可达矩阵K的第i行中，将所有元素为1的列对应的要素所组成的集合，定义为事故因素ai的可达集合，用Ri表示。

②前因集合：表示在可达矩阵K第i列中，将所有元素为1的行所对应的要素组成的集合，定义为事故因素ai的前因集合，用Si表示。

③最高级要素集：若Ri=Ri∩Si,(i=1,2,…,n) ，则Ri为最高级要素。由此定义可知，当Ri为最高级要素集时，ai影响的要素(构成ai的可达集合)完全包含在影响ai的要素(构成ai的前因集合)中，这说明，Ri中的要素均能在Si中找到ai的前因，也即其他因素可以到达因素αi，而因素αi则不能到达其他因素，因此因素ai是位于高层级的因素。

④可达集合和前因集合可按下式进行计算：

Ri={aj|aj∈A,kij≠0}(j=1,2,…,n)

(13)

Si={ai|ai∈A,kij≠0}(i=1,2,…,n)

(14)

11)验证公式Ri=Ri∩Si,(i=1,2,…,n)是否成立。若成立，则因素ai为最高层因素，这是在矩阵K中划出第i行和第i列。

12)重复10)和11)，直到划出所有因素。

13)根据事故因素被划出的顺序，绘制因素递阶层次图。从矿山网络的视角，将事故因素当成网络节点；因素间的关联关系视为网络的边；针对可达矩阵K，将事故因素αi第i行中元素为1的列，所对应的事故因素间的连接视为节点ai的出边，表示因素ai对其他因素的影响；事故ai第i列中元素为1的行，所对应的事故因素间的连接视为节点ai的入边，表示因素ai受其他因素的影响。

但随着事故因素的增多，级间划分工作量增大，操作和使用复杂性增加，于是采用因素驱动力和依赖性来进行层级划分[17]。将可达矩阵C中行元素之和定义为元素驱动力Qi，表示影响度，可达矩阵K中的列元素之和定义为元素依赖Yi，表示元素被影响度：

(15)

(16)

计算Qi与Yi的数值后，可以将可达矩阵K按照各行的因素驱动力大小，将因素按“从小到大、从上到下”的原则进行排序，再将列因素也按行因素的排列原则进行排序，从而得到重排序的可达矩阵K′ ,在K′中将驱动力相同的因素作为同一个递阶结构层级因素，获得因素的递阶层次结构。

3　实例分析

为了对某地下金属矿山的人机系统的安全状况进行分析，采用预先事故分析法，使用设计好的调查问卷表，对该矿的矿长、安全管理人员、安全技术人员、一线矿工进行问卷调查，按较强、强、一般、弱、无5个等级分别赋值4、3、2、1、0来进行相互影响关系评判，得到4个初始直接影响矩阵，通过对4位专家所给的铅锌矿直接影响矩阵进行平均求和，消除个体的数据差异，得到矩阵B，即最终的初始直接影响矩阵，如表1所示。

表1　初始直接影响矩阵B

根据集成DEMATEL-ISM方法，在表1直接影响矩阵B中 ,行和的最大值33.00，进而根据3)步，求得规范化直接影响矩阵C；应用4)步，计算得到综合影响矩阵T；再根据5)和6)步，计算得出影响度、被影响度、中心度、原因度、中心度排序，推出各因素属性，计算结果如表2所示，原因结果图如图3所示。

根据9)步，取λ=0.23，求得可达矩阵如表3所示。

表2　地下金属矿山人机环系统的DEMATEL方法计算结果

表3　λ=0.23时所得的可达矩阵

图3　地下金属矿山人机系统安全事故因素区域Fig.3　Underground metal mine man-machine system safety accident factor area map

根据11)步，计算可得依次分出的层次为：

K1={α1，α2，α4，α6，α7，α8，α12，α15} ；K2={α9，α10} ；K3={α14} ；K4={α3,α5} ；K5={α11,α13} 。根据所划分出的因素层次，可绘制图4所示的事故因素递阶层次结构。

图4　地下金属矿山人机系统事故安全影响因素模型Fig.4　Model of factors affecting the accident safety of man-machine systems in underground metal mines

4　结论

地下金属矿山人机系统是矿山安全中的重要一环，科学辨识事故影响因素，分析影响程度，并采用DEMETAL-ISM方法对影响因素之间的关系以及各自对地下金属矿山事故的影响程度进行研究，得到如下结论：

1)根据地下金属矿山人机系统事故影响因素是否对其他因素造成影响，可以将其分为原因因素和结果因素，在实际生产中对原因因素进行关注和改进能够更加快速有效地改善人机系统的安全性。

2)通过对地下金属矿山人机系统事故影响因素的分析，发现影响因素呈现多级递阶状分布，其中人员的知识更新慢和认知缺陷是最本质的原因，而且通常很容易被忽视；此外，安全文化薄弱和非功能性交互也是比较深层次的原因；人为失误、人机约束失效、重复或遗漏控制、物质交互受阻、能量交互受阻和应变能力差是事故的近邻致因；机械物理部件失效和无事故事件通报对金属矿山人机系统安全性的影响相对较弱。

3)认知缺陷、安全文化薄弱、非功能性交互、不确定性、系统结构脆性、重复或遗漏控制等因素是DEMATEL方法确定的关键节点，但是关键节点的分布在因素递阶层次结构图每一层都有，这说明在该矿山人机系统中，事故的控制不能只抓近邻致因，只关注一个层级的因素，而应综合考虑对处于地下金属矿山中各个层级的关键因素进行有针对性的重点控制，防止因管理片面出现地下金属矿山人机事故。

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