煤矿安全应急管理系统耦合协调度评价研究

衡连伟 夏业领

摘 要：针对煤矿安全应急管理系统耦合协调度低导致矿难事故发生的问题，构建了基于网络层次分析法（ANP）和序参量法的煤矿安全应急管理耦合协调度模型。将应急管理系统分为应急目标、应急运作、应急保障、应急激励和应急约束5个子系统，构建了包含39个序参量的煤矿安全应急管理评价指标体系。借助超级决策软件（SD）确定各指标权重，采用序参量法对预防、准备、响应和恢复四个阶段的煤矿安全应急管理系统耦合协调度进行测算。结果表明：以预防阶段作为基期，案例煤矿应急管理系统耦合协调度在准备阶段为0.052 5，响应阶段和恢复阶段的耦合协调度分别为-0.036 4和-0.300 7。案例煤矿安全应急管理系统各子系统有序度在预防、准备、响应和恢复阶段波动大，系统内部协调程度低，外在表现为整体协调度水平低。

关键词：应急管理；网络层次分析法（ANP）；耦合协调度模型

中图分类号：X92 文献标识码：A文章编号：1672-1101（2018）01-0055-07

Abstract： Aiming at emergency management systems low coupling and coordination degree that lead to mine accidents， a coupling coordination degree model of emergency management of coal mines is built based on ANP and ordinal parameter method. The emergency management system is divided into 5 subsystems： emergency target， emergency operation， emergency support， emergency incentive and emergency constraint. An evaluation index system for emergency management of coal mines including 39 sequential parameters is built. With the help of super decision software （SD）， the weight of each index is determined， and the order parameter method is applied to calculate the coupling coordination degree between four stages of emergency management， including prevention， preparation， response and recovery. The results show that with the prevention stage as the base， the coupling coordination degree of emergency management system of the case coal mine is 0.052 5 in the preparation stage， and the coordination degree of the response stage and the recovery stage is -0.036 4 and -0.300 7 respectively. The order degree of each subsystem of emergency management system of coal mines fluctuates greatly in the stage of prevention， preparation， response and recovery， and the degrees of internal coordination and overall coordination are low.

Key words：Emergency management； Network analytic hierarchy process （ANP）； Coupling coordination degree model

2016年1月，全國共发生各类较大以上事故64起、死亡和下落不明270人[1]。2017年2月14日，湖南涟源市祖保煤矿发生矿井煤尘爆炸，造成10人死亡；2017年3月9日，山西长治市长治联盛煤业公司井下发生顶板事故，造成3人死亡、2人受伤，这些事故反映出我国部分煤矿存在安全应急管理工作混乱、安全监察监管不严、从业人员安全防范意识薄弱等问题。煤矿作为我国工业生产中事故发生率最高、伤亡最严重的行业，且又是灾难事故的预防主体和积极响应者，其应急管理工作直接决定着煤矿安全管理工作的效率和效能。因此，如何解决上述问题，找出事故致因，衡量并评价煤矿安全应急管理系统及各子系统间的动态协调程度成为煤矿安全应急管理亟待解决的难题。

一、文献综述

通过整理及归纳相关文献，发现有关煤矿安全应急管理研究主要集中：（1）煤矿安全应急管理体系研究。席煜宸从安全规划、应急预案体系、应急机制和应急法制等8个方面构建了符合我国国情的煤矿应急管理体系[2]。倪蓉基于充分分析当前煤矿企业应急管理存在的问题，从预案、组织、运作、法制和保障五个方面构建了煤矿事故应急管理体系[3]。齐琪等通过分析煤矿企业事故的主要致因因素，探讨事故致因要素与煤矿企业应急管理能力的关系，并以事故致因为视角，构建出煤矿企业应急管理评价指标体系[4]。李晶从应急管理法制体系、队伍体系、应急预案及演练体系、科技支撑体系四方面，探讨了煤矿安全生产应急管理的现状和存在的问题，并提出改进和发展的目标建议[5]；（2）应急管理能力评价研究。苗成林等基于习惯领域理论提出了我国煤矿突发事件应急能力评价指标赋权方法，结果表明该模型在确定应急能力评价指标赋权方法是可行的，并与传统的AHP和熵值法进行对比[6]。杨力等基于熵值法和支持向量机对煤矿应急救援能力进行评价，弥补了单一方法的缺陷，提高了评价的精度[7]。曾平等根据应急决策保障能力的特征，构建其评价指标体系，根据ANP理论和SD软件计算出各因素权重[8]，李树刚等以ANP计算结果作为BP神经网络的训练样本数据，进一步丰富了煤矿安全应急管理能力评价方法[9]。（3）应急管理协调度评价研究。吴保磊等基于社会网络理论建立了煤矿应急救援系统协同模型，通过计算度数中心度、网络密度、单元协同熵、系统协同熵来获得应急救援系统协同状况[10]。何叶荣等运用网络层次分析法和耦合协调度评价模型评价某煤矿安全应急管理耦合协调度[11]。戚宏亮等构建煤矿安全应急管理系统协调度评价模型，设计了包含4个层次35个指标的评价体系，计算得到黑龙江省煤矿近5年的协同度[12]。何刚基于系统动力学探究了煤矿安全应急管理各因子的安全投入与应急管理能力的协同关系[13]。

综上所述，当前关于煤矿应急管理的研究成果丰富，多数研究以应急管理评价为主，评价方法主要有网络层次分析法（ANP）、熵值法、支持向量机和物元法等。但对煤矿安全应急管理系统耦合协调度的研究关注较少。据此，本文以煤矿安全应急管理系统为研究对象，将网络层次分析法（ANP）和耦合协调度模型运用到煤矿安全应急管理系统的协同研究中，通过提高应急管理系统各子系统的协同能力，增加系统内部的有序性，提高应急管理效能，同时为煤矿应急管理探索新的视角。

二、研究方法

（一）网络层次分析法

网络层次分析法（ANP）是美国匹兹堡大学的T.L.Saaty于1996年提出的一种适应非独立的递阶层次结构的决策方法，该方法将系统内各元素的关系用网络结构表示，而不再是简单的递阶层次结构，网络层中的元素可能相互影响、相互支配，能更准确地描述客观事物之间的联系，是对层次分析法丰富和发展而形成的一种新的实用决策方法[14]。典型的ANP结构具有控制层和网络层两个部分，两者形成一个相互影响的网络结构。近年来，由于超级决策（SD）软件的开发，将ANP的计算程序化，使得ANP法广泛应用在各安全领域。

（二）耦合协调度模型

1.子系统有序度模型。物理学中，耦合是指2个或2个以上的系统通过内外部各种相互作用而彼此影响的现象[15]。耦合度就是描述系统内各子系统或要素彼此相互作用影响的程度[16]。系统内部序参量之间的协同程度决定着系统是否有序，如果系统内部各子系统间相互联系、相互协助，系统耦合度高，系统就会保持有序的状态；如果系统内部各子系统或要素协调程度低，彼此间不配合、相互制约，系统运行绩效低，系统就会保持无序的状态。煤矿安全应急管理耦合协调度主要指矿井安全应急管理系统内部各子系统或要素之间在演化递进过程中相互协调、彼此交互的程度[11]。

由式（3）可知，煤矿安全应急管理系统协调度的演变实质上是以时间序列为基础的动态演变过程。由定义可知，应急管理系统协调度SE∈[-1，1]，其数值越大，表明系统协调发展程度越高，反之则越低。目前大多数国家和国际组织普遍采用的协调度等级划分标准[17]，如表1所示。

三、煤矿安全应急管理系统协调度评价指标体系

煤矿安全应急管理系统是一个多层次、多部门、多功能的动态复杂复合系统。系统内众多要素在物质、信息和能量的流通与交换过程中， 通过相互作用、相互影响、相互依赖和相互制约， 构成多重反馈从而组成了具有一定结构和功能特点的复合系统。因此，将系统动力学引入煤矿安全应急管理研究中，可以从宏观上把握煤矿安全应急管理系统的结构和运行机制。系统结构受社会经济、内部组织运作和外部宏观环境的影响。社会面，经济面，内部组织运作，外部宏观环境构成了煤矿安全应急管理系统的边界。系统由五个子系统构成， 即目标系统、运作系统、保障系统、激励系统和约束系统。5个应急管理子系统协同运行，可使应急管理系统发挥“2×2>3×1”的整体协同效应。

煤矿的应急管理是一项复杂且繁琐的系统工程，科学选取应急管理系统协调度评价指标，将直接影响评价结果的正确与否，最为关键的是如何设计能反映系统全局的、又能符合要求的煤矿安全应急管理评价指标体系。通过深入研究煤矿安全应急管理相关理论与实践，结合国内外应急管理的研究成果[18-19]，对影响煤矿安全应急管理水平的因素进行归纳分析，列出初步的评价指标体系。然后咨询相关领域专家，对初选指标进行筛选和增补，并形成最终的评价指标体系（见表2），指标间的依存反馈关系则是通过相关领域专家小组以讨论的方式获得。

表2中，运作子系统与目标、保障、激励、约束子系统都有直接作用，且以保障子系统为基础，在激励子系统的推动和约束子系统的制约下，为达到目标子系统的目标而发展、调整、运行。应急目标子系统主要指矿井突发事件发生前、发生时、发生后，煤矿安全应急管理系统以能够有效运转，能够及时地进行突发事件管理，将灾害损失和人员伤亡降到最低程度。应急运作子系统是应急管理系统的主要环节，通过事前有效的监测和预防活动，降低潜在突发事件发生的可能性，对已经发生的突发事件，采取一定的应急措施，通过科学决策和指挥，调用现有资源，减少突发事件造成的损失。运作子系统描述了应急管理各阶段的任务、活动、资源及信息流，这对应急技术的设计和改进、人员的培训、业务流程的再造具有非常大的作用[20]。应急保障子系统主要由组织、预案、资源、技术、法律规范等要素组成，它包含的要素都是煤矿安全应急管理过程中涉及到的基础性要素。应急激励子系统包含了对煤矿安全應急管理系统起推动作用的要素如科技创新、灾害保险和社会救援等。应急约束子系统主要指对应急成本进行约束。在资源限制条件下，不计代价的应急显然不合理，重视应急成本的有效性和可行性非常有必要。

四、实证分析

（一）基于ANP的煤矿安全应急管理建模

准则层由煤矿安全应急管理系统以及各子系统组成，分别为目标、运作、保障、激励、约束，表2中的各序参量则为网络层。依据ANP原理和德尔菲法，构建出应急管理网络结构模型，因序参量较多，本文只给出准则层各系统之间的结构关系图，如图1。

图1中双向箭头表示元素集间相互影响，单向箭头为单向影响，环形箭头为元素集内部元素之间具有影响关系。为了定量获取指标权重，编制《煤矿安全应急管理系统耦合协调度评价指标关联情况调查表》，实地走访并调研煤矿安全应急管理领域的20 位专家学者，请专家对指标间的关联情况进行判断，并对指标间的重要性进行打分， 对分歧较大的指标进行二次打分。将打分结果输入到SD（超级决策）软件中，计算出超矩阵（包括未加权超矩阵、加权超矩阵和极限超矩阵），再点击计算权重的Priorities命令，得到各因素的权重，见表2。

（二）煤矿安全应急管理系统耦合协调度计算

本文选取安徽省某矿区进行应急管理协调度测算，编制《煤矿安全应急管理状况调查问卷》，问卷共设有5个组，39个题项，选取煤矿相关代表性的管理人员及技术层人员对煤矿安全应急管理系统的5个子系统，39个序参量进行0-1闭区间打分，采取十分制定量评价记分法取平均值明确所选指标数据，0表示最差值，1表示最理想值，从0至1依次期望水平越来越高。利用所得定量数据分别测量应急目标子系统、应急运作子系统、应急保障子系统、应急激励子系统和应急约束子系统耦合协调度。

1.数据无量纲化处理。为了消除量纲对计算结果的影响，利用公式（4）和（5）对从初始数据进行无量纲化处理：

表3为无量纲化后的数据，每列表示为应急管理的四个阶段，每行表示为各子系统的序参量，以应急运作子系统为例，该矩阵总共有14行4列，代表该子系统14个序参量在预防、准备、响应、恢复四个阶段的数值。

2.子系统有序度测度。结合公式（1）、（2）和表2中的权重，测算出5个子系统有序度，见图2。

从图2可以看出，运作子系统和保障子系统有序度在四个阶段波动较小，其余三个子系统波动较大。在预防阶段，运作、保障和约束子系统有序度较高，处于基本协调状态，目标子系统和激烈子系统处于不协调状态；系统从预防阶段过渡到准备阶段的过程中，各子系统之间并未保持一致的发展趋势，目标和运作子系统有序度是逐渐增加的，其中目标子系统实现了4.95倍的增长，保障、激励和约束子系统均有6.3%、43.2%、63.4%的下降，结合图3可知，可能由于目标和运作子系统有序度增加的幅度大于其余三个子系统有序度下降的幅度，此阶段系统协调度总体上是上升的。

在准备阶段，目标子系统有序度最高，处于良好协调状态，运作和保障子系统处于基本协调状态，激烈和约束处于不协调状态；系统从准备阶段向响应阶段过渡的过程中，除激励子系统有序度实现1.68倍的增长，其余子系统有序度均有不同程度的下降，分别为6.7%、22.1%、11.2%、86.5%。 结合图3， 此阶段上系统协调度逐渐下降，由0.052 5降为-0.036 4，下降了1.69倍。

在响应阶段，目标子系统协调度最高，接近良好协调状态，运作、保障和激励子系统处于轻度不协调状态，约束子系统协调度最低，濒临严重不协调状态；系统从响应阶段过渡到恢复阶段的过程中，激励和约束子系统有序度保持增长趋势，其中约束子系统有序度增长了13.98倍。目标、运作和保障子系统有序度下降幅度为88.5%、38.8%和92.4%。结合图3，此阶段上，系统协调度下降了7.26倍，由-0.036 4降为-0.300 7。在恢复阶段，激励子系统协调度最高，处于基本协调状态，运作和约束子系统处于轻度不协调状态，目标和保障子系统接近严重不协调状态。

总体上来看，应急管理系统内部各子系统之间协调程度低，彼此间并无一致的发展趋势，系统运行绩效低；在图2中，应急运作子系统和应急激励子系统协调度总体偏高，说明这两个子系统在煤矿安全应急管理耦合协调中发挥决定作用。

3.应急管理系统耦合协调度综合评价。以预防阶段作为基期，结合子系统有序度数据，运用公式（3），计算出煤矿安全应急管理系统耦合协调度水平，见图3。

由图3可知，煤矿安全应急管理系统耦合协调度在准备阶段为0.052 5，相对来说系统协调度较高，但是系统整体协调度水平还是较低，处于不协调状态。响应阶段和恢复阶段的协调度分别为-0.036 4和-0.300 7，处于严重不协调状态，在实际情况中，响应阶段涉及到的应急工作更为重大和复杂，是应急管理的关键环节，但煤矿安全应急管理系统内部各子系统尚未合理协调以至于系统处于不协调状态，说明应急管理工作亟待进一步改善，各子系统耦合协调水平还需进一步优化。

五、结论

1.本文在确定煤矿安全应急管理评价指标的基础上，基于ANP相关理论，构建了指标之间相互依存和反馈关系，基于耦合协调度模型测算出应急管理系统的耦合协调度和各子系统的有序度。通过剖析煤矿安全应急管理5个子系统的耦合协调程度，将预防、准备、响应和恢复四个阶段作为应急管理活动的全过程。计算结果表明：在预防阶段，激励子系统有序度最高；在准备和响应阶段，目标子系统有序度最高；在恢复阶段，激励子系统协调度最高。煤矿安全应急管理系统耦合协调度在准备阶段为0.052 5，响应阶段为-0.036 4。案例煤矿各应急子系统在预防、准备、响应和恢复阶段波动大，导致煤矿安全应急系统整体协调度水平低。因此，目前亟需协调好应急管理各子系统之间的关系，只有子系统之间协调程度高，才能使应急管理系统耦合协调程度在预防、准备、响应和恢复四个阶段达到协同。

2.煤矿安全应急管理工作是一项比较繁琐和复杂的工作，随着科学技术的进步，煤矿安全应急管理工作亟需改善和加强。可以借鉴安全生产应急管理“十三五”规划，加强“互联网+”与煤矿安全应急管理的联通互动。选择1-2个区域开展煤矿安全应急管理联动工作试点，实现现场应急联动和跨区域多方异地协同应急。

3.ANP方法能够大大简化评价过程的复杂性，使决策更加科学、合理。但是，ANP在判断指标之间重要性时依靠专家经验，使得计算结果人为主观因素较多。因此，煤矿安全应急管理评价指标的合理性及指标的量化值得在未来进行深入研究。同时，本文在测度应急管理系统的耦合协调度时未考虑单个指标因素，下一步的研究方向将准确定位、重点考察关键指标因素对煤矿安全应急管理系统的影响，准确把握所有评价指标因果关系和相互关系，进一步提升应急管理系统耦合协调度。

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[责任编辑：范 君]