基于AHP 和熵权法的煤矿安全态势评价模型

胡 霞，钟文杰，程静静

（中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州221008）

我国作为煤炭生产和消费大国，煤矿安全生产关乎到国家经济和民生稳定。我国的煤矿安全生产形势虽然逐年好转，事故数量、事故死亡人数、百万吨死亡率均呈逐年下降趋势，但与一些产煤大国相比，我国的煤炭百万吨死亡率是印度、南非、澳大利亚等国的10 余倍，是美国的30 多倍[1]。利用矿井的隐患记录信息和井工煤矿功能进行煤矿安全态势定量威胁评估，根据井工煤矿的功能结构，以功能和位置为感知指标，提出一种感知煤矿安全态势的层次化模型。该模型把位置、功能和井工煤矿系统3 个层次作为理解煤矿安全态势3 个角度，能演化一定时空范围内的煤矿安全态势，便于煤矿安监人员直观地理解掌握煤矿的安全水平，及时调整煤矿的安全生产策略，使煤矿的安全管理水平能有效地提升。

1 安全态势研究现状

1.1 安全风险评价研究现状

在煤矿安全风险评价方面，可以分为事故级别和系统级别2 种不同类型的安全风险评价。在系统级别，研究学者侧重于研究煤矿安全生产风险评价体系。如杨军[2]对常用的风险评价方法和预警方法进行全面总结，确定煤矿安全生产风险评价指标体系；张洪杰[3]根据煤矿安全生产风险系统影响因素的特点、国家法律法规、行业标准等，定义了各安全风险指标的含义，并将指标量化；乔国厚[4]将人、机、环、管、信息等要素相结合，建立更为全面的评估指标体系模型。在事故级别，皮子坤[5]等将模糊综合评价与前景理论相结合，构建了煤矿瓦斯爆炸风险评价模型；佟瑞鹏[6]等提出了模糊Bow-tie 模型，对顶板事故进行了风险分析研究。

不管是事故级还是企业级方面的煤矿风险评价，其数据集字段指标大都是人为设计的指标，如设备完好率，人员持证率等，反映的主要是系统的宏观状态。采取人为设计的指标，一方面有利于评价体系的有效易用，但另一方面却让数据集在反应煤矿安全风险时本身存在一定主观性。隐患记录日志作为对煤矿具体运行的反映，是一种有效反映煤矿系统安全水平的数据来源。然而大量的隐患记录日志仅在当日查阅后封存在企业数据仓库中，没法有效利用。目前，在煤矿安全评价方面很少将隐患记录日志应用于安全评价方面的研究。

随着智慧矿山、感知矿山概念[7]的提出，隐患记录和系统记录从维度、粒度、深度、广度等方面都成指数级上升，学者开始注重如何快速感知和反映矿山发生的改变。从这个角度看，人为设计的指标在煤矿安全评价存在不足，有必要以微观、数据源的视角，去评估煤矿的生产风险，适应新技术的要求。

1.2 安全态势

态势感知的定义由Endsley[8]首次明确提出。态势感知是指“在一定的时空范围内，认知、理解环境因素，并且对未来的发展趋势进行预测”。

在煤矿安全方面，目前对煤矿安全评价的研究仍处于煤矿安全态势的要素提取上，目的在寻找一种指标体系能全面地反映煤矿的安全水平。如何对煤矿安全态势进行理解仍处于空白。然而，在网络安全态势领域，研究者已经陆续提出了数十种网络安全态势感知模型，并且基于已存在模型，提出了多种数据融合算法的实际应用[9]。

结合已有研究成果以及现阶段煤矿数据采集水平，采取基于数学模型的融合方法，以煤矿隐患记录日志为数据源实现矿山安全态势的定量评价，利用煤矿记录的隐患日志，根据过去时空内煤矿隐患存在生命周期的记录情况，结合功能、位置的重要性，提出一种感知煤矿安全态势的层次化模型，把位置、功能和井工煤矿系统3 个层次作为理解煤矿安全态势3 个角度，演化一定时空范围内的煤矿安全态势。

2 安全态势评价体系

2.1 安全态势体系层次和规模

按规模和层次关系，提出了层次化矿山安全态势量化评估模型，煤矿安全态势层次分析图如图1。把煤矿记录的隐患记录作为原始数据, 挖掘各个功能的威胁情况，分析统计隐患严重程度、发生次数，进而评估各项功能的安全威胁状况、性能条件[10]。以此作为，综合理解煤矿生产系统中各功能的安全状况。最后，根据煤矿系统结构理解全煤矿生产系统的安全态势。

图1 煤矿安全态势层次分析图Fig.1 Analytic hierarchy process of coal mine safety situation

隐患层包含常见的煤矿安全隐患，主要有人、机、环、管4 大类。为叙述方便，定义以下概念：①隐患H 为安全检查中记录危险源隐患；②位置功能风险指数RLF为在位置Li中功能Fj的风险，LFij为位置Li的功能Fj；③功能风险指数RF为功能Fj的风险；④煤矿风险指数RS为煤矿系统S 的风险。

2.2 安全态势感知计算

2.2.1 位置功能级

隐患蕴含的风险对煤矿系统安全态势的影响与隐患自身的威胁程度有关，也与隐患存在的地点，能影响的功能单位有关。定义时间区间t 内，位置Li的功能Fi风险值RLFij（t）为：

根据《煤矿安全规程》的井工煤矿功能分类和各功能要求来确定隐患的严重度和可能带来后果，确定了井工煤矿所需的功能集合，并把隐患按严重度划分为高、中、低3 个类别，用3、2、1 表示。其中《规程》中提及事项若出现在隐患记录中，则其严重程度最高，表示为3；《规程》中没提及事项按照专家经验知识划分为中、低2 个等级，分别用2、1 表示。

2.2.3 系统级别

在时刻t 矿山系统S 的风险指数为:

3 矿山安全态势感知实例

3.1 研究背景

以煤矿2803 工作面为研究对象。该矿井主要灾害类型为地质水害和瓦斯突出，矿井地质类型极复杂，水文地质类型中等。以2019 年7 月份数据为例进行安全态势评价. 评价采用收集于该煤矿的隐患数据集，该数据记录的隐患信息包含人、机、环、管，样本容量为638 条，根据隐患数据记录详情可以将其划分到对应功能以及威胁等级。

3.2 煤矿位置功能安全态势

以2803 工作面的上回风巷、上运输巷车场、下回风巷为例，根据式（1）可以绘制煤矿防瓦斯功能安全态势感知图如图2。

图2 煤矿防瓦斯功能安全态势感知Fig.2 Safety situational awareness of coal mine gas prevention function

由图2 可知：

1）7 月份，上运输巷车场在防瓦斯方面没有出现功能波动，上回风巷出现出现过数次功能波动，下回风巷功能波动较为频繁。根据隐患数据和煤矿工作面结构分析可知，由于上运输巷车场远离工作面，瓦斯难以在该工作面聚集，该地因而在防治瓦斯措施上较另外2 处简单，治理条件较好。而上回风巷和下回风巷作为工作面的进出风巷，该地防治瓦斯措施繁多，因而更容易出现功能波动情况。且下回风巷作为出风巷，防治手段更多，因而比上回风巷更容易产生功能共振。图中的数值波动符合工作面实际。

2）与其他位置相比，安全管理人员在现阶段应更多地重视对下回风巷防瓦斯功能的维护检查，减少功能失效的发生，预防险情发生。

3）图中下回风巷于多日波峰值位于100 以上，说明极可能存在重大的隐患的整改的时间超过1 天问题，对煤矿的安全生产不利，提示煤矿管理人员应该加快对隐患整改的速度或采取对应的临时措施，减低高威胁的持续时间，保证煤矿安全生产。

3.3 煤矿功能安全态势

利用RLR建立熵权法初始矩阵，利用隐患数据算数平均值建立准则层初始矩阵。位置功能客观评价指标层V→计算结果，各位置功能权向量vi为：2803上回风巷0.106，上运输巷车场0.192，下底抽巷0.219，下回风巷0.070，下运输巷车场0.147，中间巷0.080，切眼0.091，工作面0.097。以综采功能、爆炸功能以及支护和顶板控制功能为例，根据式（2）绘制出的功能安全威胁感知图如图3。

图3 煤矿功能安全态势感知Fig.3 Coal mine function safety situational awareness

由图3 可直观理解到：①该工作面爆破功能管控较好，不存在爆炸功能的波动，该方面安全水平较高；②在综采方面，2803 工作面于7 月22 日到7 月25 日出现了一个峰值但峰值较小，说明在此期间2803 工作面综采功能出现了小范围的功能波动，但功能威胁很小；③此外，在支护和顶板控制功能方面，2803 工作面一直处于一个较高水平。这说明该工作面在此功能上一直存在较大的功能振福，反应该工作面在这方面存在一些设计或实施不合理的情况，导致此功能一直处于高风险状态中。安全管理人员在此功能上仔细排查引发功能波动的直接原因和间接原因，减少功能失效的发生。

3.4 煤矿系统安全态势

由于待判断功能数量较多会严重影响专家对各功能判断，因此预先把17 个功能划分到5 个功能组。由专家先在功能组别间两两比较建立准则层1判断矩阵，然后再在各功能组内两两比较建立各功能组准则层2 判断矩阵。判断矩阵均具有一致性。求解各准则层判断矩阵，各功能权向量值计算结果见表1。其中，w1为准则层1 判断矩阵求解权重，w2为准则层2 判断矩阵求解权重。wj为功能Fj的权向量值。

表1 各功能权向量值Table 1 Value of each function weight direction

根据式（3）绘制的煤矿系统整体安全态势感知图如图4。由图4 可直观了解到：煤矿的整体安全水平总是不断变动的，安全水平存在一定的周期规律。这告知安全管理人员应该在波谷时加强对各功能的检查维护，及时调整安全策略，减少系统功能的整体波动。煤矿管理人员可以根据峰值出现时间规律，在该时间点内提高安全防范意识，对人员、设备进行更仔细地监控监测，减少在波峰时期出现功能失效。

图4 煤矿系统整体安全态势感知图Fig.4 Overall safety situation awareness map of coal mine system

实验表明，位置、功能和整个煤矿系统的安全态势能被煤矿安全态势评价模型以较直观地方式展示。引入了安全态势的概念，较一般安全风险评价法而言，让煤矿安全管理人员能够更及时地了解煤矿的安全动态，排查安全水平变化的直接、间接原因，调整煤矿安全策略，维持系统处于安全水平。其次，可以把安全威胁的演化规律从长期安全态势理解曲线中挖掘提炼出来。该评价模型在陈四楼2803 工作面隐患日志数据中得到很好地应用，能够科学合理地评价常见隐患对系统安全的威胁，给安全管理人员提供更好的决策依据。

4 结 语

在煤矿实地调查和文献分析的基础上，从隐患、位置、功能和系统4 个层次建立较为全面的层次化矿山安全态势评价体系，提出了基于隐患记录数据的AHP-熵权煤矿功能权重评判模型：依靠行业法规和专家经验确定隐患风险，以隐患提供的信息量作为求解位置功能权重的依据，利用专家经验进行对功能进行修正。目前煤矿安全定量评价模型的实验分析仅基于煤矿自身排查的隐患日志记录，但这些信息在反应煤矿安全水平和揭示煤矿事故发生轨迹方面仍存在不足，没有考虑到传感器的监测数据和井下视频的监控数据。现阶段进一步的研究重心是：结合目前正在建设的智慧矿山功能提供的多源数据，进一步提高安全态势评估的精度和信度；在隐患数据的基础上，研究基于规则推理的融合方法、基于概率统计的融合方法以及基于逻辑关系的融合方法在安全态势感知上引用。