基于云模型的地勘行业安全生产标准化等级评价

史小棒，赵云胜，罗 聪，胡东涛，田 辉

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

地质勘查行业(以下简称为地勘行业)作业流动性大、危险性高、工作环境多变、条件艰苦，从业人员在多种高风险并存的环境下作业，也因此被我国列入高危行业。为了提高我国地勘单位整体的安全水平，地勘单位逐步开始创建安全生产标准化体系。

企业安全生产标准化作为提高企业整体安全水平的重要手段，近年来成为国内外研究的热点[1-5]。如Antonsen等[6]指出安全生产标准化管理可以提高从业人员的安全意识，规范操作人员的安全行为；何华刚等[7]根据湖北省安全生产标准化评审经验，将安全生产标准化与国外安全管理体系进行了对比，引入模糊综合评价法构建了地勘行业安全生产标准化评估模型；陈述等[8]运用软件成熟度评估框架，使用分级加权法评估了水利工程安全生产标准化体系；郑霞忠等[9]针对目前企业安全生产标准化评审过程中存在的问题和缺陷，提出了可变模糊评价模型；周晶等[10]利用马氏田口法对煤矿安全生产标准化指标进行了优化筛选，为煤矿安全生产标准化体系评价提供了新视角；曾佳龙等[11]在尾矿库安全生产标准化评价过程中，引入熵权-未确知理论，提高了评价结果的可信度。

上述安全生产标准化评价方法虽然都在一定程度上减少了专家主观性和定性概念模糊性对评审结果的影响，但是未考虑评审过程中的随机性，尤其是针对环境复杂、管理困难的地勘行业。为了解决上述问题，本文在建立地勘单位安全生产标准化指标体系的基础上，采用云模型评价方法解决了评价过程中的模糊性和随机性问题，旨在提高评价结果的准确性和精确度，可为地勘行业安全生产标准化评价提供理论支持。

1 云模型理论

“未确知信息”概念于1990年由闫乐林提出，进而产生未确知数学理论。未确知测度理论是王光远教授在未确知数学理论的基础上，提出的不同于灰色理论和模糊数学的不确定性理论。该理论最先在城市环境评价中取得了较好的应用效果[12]，之后广泛应用于其他行业之中[13-15]。

云模型属于不确定性的人工智能范畴，是1995年由中国工程院李德毅院士提出的概念，是一种处理定性概念和定性描述的相关转换模型[16]。云模型的定义：设A是一个定量论域,x∈A，B是与A相关联的定性概念，若A中的元素x(x∈A)对B所表达的定性概念的隶属确定度Ct∈[0,1]是一有稳定倾向的随机数，概念B从论域A到区间[0,1]的映射在数域空间的分布，称为云(Cloud)。Ct在[0,1]区间内取值，云是从论域到区间[0，1]的映射，即：

Ct:A→[0,1],x∈A,x→Ct(x)

(1)

云模型的数字特征通过三个数据表现，分别是期望、熵和超熵，它们体现了定性概念的定量特征。其中，期望是云滴空间的重心位置，是最能够代表定性概念的点；在云模型中，熵用来衡量定性概念的概率与模糊度，反映了模糊性与随机性的关联性，它一方面反映数域空间语言值可被接受的范围，同时也表示云滴在数域空间出现的随机性；超熵即熵的熵，是熵的不确定性的度量，是所有云滴的不确定度的凝聚度。

2 地勘单位安全生产标准化评价指标体系的建立

根据地勘行业的特色，从文献[7]中梳理出影响地勘单位作业安全的因素，参照行业技术标准、规范[17]，提炼、集合并建立了计划-执行-检查与改进(P-D-CA)3项一级指标、14项二级指标的地勘单位安全生产标准化评价体系，详见图1。

图1 地勘单位安全生产标准化评价指标体系Fig.1 Standardized evaluation system for safety production in geological exploration units

3 地勘单位安全生产标准化云模型评价方法

在专家打分的基础上，分别计算和确定各评价指标的权重以及评价标准云和评价综合云，并通过计算评价标准云与评价综合云的相似度来确定地勘单位安全生产标准化等级。地勘单位安全生产标准化云模型评价方法的具体流程，见图2。

图2 地勘单位安全生产标准化云模型评价方法Fig.2 Evaluation method of standardized cloud model for safety production in geological exploration units

3.1 确定评价标准

根据文献[7]和行业规范[17]确定评价标准的等级，并建立评价等级标准，常分为5级。此外，邀请地质局及科研机构相关专家s人，通过查阅地勘单位安全管理资料和检查现场情况，结合评价指标体系U(见图1)对地勘单位安全生产标准化14个评价指标进行评价打分。

3.2 生成标准云

(2)

式中：m为常数，反映评价的随机性，主要根据地勘单位的实际情况酌情调整。

3.3 计算各评价指标的权重

利用未确知测度理论，计算专家可信度，并在专家打分的基础上结合专家可信度获得盲数矩阵，再利用熵权法理论，可求得各级指标的权重。

(1) 计算专家可信度：结合地勘行业的特点，制定专家可信度评定分类表(见表1)，计算专家组成员(h1,h2,…,hs)4项指标的评定得分gij，并通过下面公式分别计算第j个专家成员的可信度αj和综合可信度θj:

表1 专家可信度评定分类表

(3)

(4)

式中：gij为第j个专家对第i项指标的评定得分。

(2) 计算盲数矩阵：将专家评估值与专家综合可信度相结合，得到综合应急预案评定得分矩阵。假设评分标准分为k个等级,再依据单指标未确知测度算法[18]，可计算得到盲数矩阵D：

(5)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(3) 计算第p个指标的熵值rp：

(6)

式中：p=1,2,…,14;l=1,2,…,k。

(4) 计算第p个指标的权重wp：

(7)

式中：p=1,2,…,14。

由此得到指标权重向量为W=(w1,w2,…,wp)(p=1,2,…,14)。

3.4 确定各指标评价云

针对专家打分的结果Zjp=(zj1,zj2,zjp,…,zj14)(j=1,2,…,s)，利用一维逆向正态云发生器[19]，按照下面公式计算得到相应的指标评价云，实现评分结果定量到定性的变换，并可求出第p个指标评价云的3个数字特征值CUp(EXp,ENp,HEp)(p=1,2,…,14)：

(8)

(9)

(10)

(11)

3.5 计算评价综合云

将上述计算得到的指标权重wp代入下面公式，便可计算得到地勘单位安全生产标准化综合云CU(EX,EN,HE):

(12)

3.6 根据云相似度确定安全生产标准化等级

将综合云与标准云进行相似度比较，根据最大隶属度原则，地勘单位安全生产标准化等级结果就是云相似度最大值γk对应的标准云等级所处的评价空间。云相似度γk的计算步骤如下：

4 实例验证

青海省某矿产勘查院是一支以地质岩芯钻探和岩芯钻探工程技术研究为重点，地质硐探及其他地勘工程施工、固体地质矿产勘查为一体，专业性质突出的地勘单位，拥有地质岩芯钻探甲级、地质坑探乙级、固体矿产勘查乙级、营业性爆破资质。为满足地勘工程质量、安全、环境保护不断提高的管理要求，已通过了地勘行业安全生产标准化二级单位认证。

4.1 确定评价标准，计算标准云和综合云

参考相关规范、文献和专家意见，将安全生产标准化等级分为5级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，表示理想、良好、一般、较差、很差。其中Ⅰ级分数区间为(90,100]，Ⅱ级分数区间为(75,90]、Ⅲ级分数区间为(60,75]、Ⅳ级分数区间为(30,60]、Ⅴ级分数区间为[0,30]，相对应的标准云的特征参数，详见表2。

表2 评价标准等级划分及标准云的特征参数

根据5级评价标准云特征参数，利用MATLAB 6.0a软件绘制地勘单位安全生产标准化评价标准云图，见图3。

图3 地勘单位安全生产标准化评价标准云图Fig.3 Standard cloud map for standardized evaluation of safety production in geological exploration units

4.2 计算指标权重，确定指标云

邀请9名来自冶金地质局相关领导以及科研机构的专家对该矿产勘查院各评价指标进行打分，同时从职称、学历、工龄和专业对专家的可信度进行打分，按照相关文献方法计算各个专家成员的可信度和综合可信度，其计算结果见表3。

表3 专家可信度和综合可信度

将专家评估值与专家综合可信度相结合，可得到各评价指标的综合得分，见表4。

表4 各评价指标的综合得分

由此可得出该矿产勘查院安全生产标准化单指标未确知测度矩阵如下：

首先根据熵权法计算公式(6)和(7)，可计算得到各评价指标的熵值和权重，见表5；然后依据专家评分结果，利用公式(8)、(9)、(10)可计算得到各指标云的3个特征值。如以目标与计划u11指标为例，9位专家对其打分分别为90、95、92、93、96、90、91、92、93，得其指标评价云的特征值为Cu11=(92.440 0，2.011 5，0.481 3);同理，可得到其他各个指标云的特征值，见表5。

表5 各评价指标的权重和指标云特征值

将计算获得的指标权重和指标云结果代入公式(12)，可计算得到该矿产勘查院安全生产标准化评价综合云为CU=(84.687 090，2.266 933，0.550 000),见图4。

图4 某矿产勘查院安全生产标准化评价综合云图Fig.4 Standardized comprehensive cloud map of safety production in a mineral exploration institute

4.3 计算云相似度，确定安全生产标准化等级

将5个等级对应的标准云Cloud分别与综合云进行云相似度rk比较(见表6)，并依据最大隶属度原则，综合云与第Ⅱ等级对应的标准云CloudⅡ的相似度最大，则该矿产勘查院安全生产标准化等级为良好。

表6 云相似度计算结果

4.4 讨论

由上述评价结果可知，该矿产勘查院安全生产标准化等级为良好，这与该地勘单位的实际情况相符，表明安全生产标准化云模型评价方法是合理、可行的。该云模型评价方法考虑了安全生产标准化评价过程中的随机性和模糊性，且利用云模型图实现了定性语言与定量数值之间的自然转换，表现形式更加生动、直观，便于管理者利用评价信息。

5 结 论

本文利用云模型理论，借鉴其特点和优势，构建了地勘单位安全生产标准化等级评估模型，并通过实例验证表明，云模型评价方法可以有效地对地勘单位安全生产标准化进行评价，减少了评价过程中信息获取的模糊性，修正了评审过程中人为主观因素的影响，极大地提高了评价结果的准确性和精确度。