基于未确知测度的煤矿瓦斯爆炸应急救援能力综合评估

刘会景

(乌鲁木齐职业大学，新疆 乌鲁木齐 830023)

近年来，国内外的学者针对煤矿瓦斯爆炸应急救援能力影响因素及评价方法开展了大量研究[1-3]。杨三军等[4]基于探索性因子分析构建了煤矿救援队应急救援能力评价体系，谭波等[5]利用云模型研究了煤矿应急救援队伍能力评估标准，张宇等[6]结合模糊优先规划和区间可拓理论研究了矿井火灾应急救援能力，杨力等[7]基于网络层次分析法评估了煤矿应急救援能力，ZHANG等[8]将危险源的不确定路径转化未具有约束多目标粒子群，进而建立了应急救援过程中的最佳规划路径；LIU等[9]基于条件概率与隶属度模糊辅助变量构建了应急救援可持续救援能力的多目标随机规划模型；兰国辉等[10]运用粗糙集与表现性分析的手段建立了事前检测、事中处置、事后恢复的煤矿突发事件应急救援能力评估模型。上述方法在实际的煤矿事故应急救援过程中均取得了一定的成效，然而，由于瓦斯爆炸突发事故的应急救援能力的影响因素众多，一方面，评估因素与权重获取具有较大的模糊性与主观性，另一方面传统定性的评价指标难以量化应急救援能力，导致评估模型失真与可解释性较差，因此亟需进一步探析基于数据驱动的定量化评估与科学决策方式。王光远教授[11]提出的未确知数学理论能够较好地处理信息的不确定性并量化处理，广泛应用于交通、建筑等领域[12，13]。刘开第等[14]将未确知测度与模糊综合评判、灰色聚类分析、物元分析、BP人工神经网络进行系统的对比论证，研究结果表明在评估因素存在较大的不确定性时，未确知测度具有更加合理、严谨的评价结果。

鉴于此，为了进一步加强煤矿企业对瓦斯爆炸事故的应急救援控制、救援与处置能力，笔者引入未确知测度和博弈论理论，构建煤矿瓦斯爆炸应急救援能力综合评估模型，最后将该模型应用于某高瓦斯煤矿的应急救援能力的综合评估，以校验其合理性与有效性，为煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估提供一定的技术支持。

1 煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估指标体系的构建

1.1 煤矿瓦斯爆炸应急救援能力影响因素的分析

煤矿瓦斯爆炸应急救援能力影响因素分析是应急救援能力评估指标构建的基础。煤矿瓦斯爆炸事故应急救援流程如图1所示。由图1可知，应该从4个方面加强对煤矿瓦斯爆炸事故的应急救援能力提升工作：

图1 煤矿瓦斯爆炸事故应急救援流程

1)瓦斯爆炸事故预防是应急救援管理工作的核心[15]。一方面应严格落实“一通三防”，加强煤矿井下瓦斯浓度监测监控；另一方面应不断提高安全人员风险意识，明确瓦斯事故的应急救援任务与应急流程。

2)应急准备的充分与否将关系到应急响应的迅捷程度。应急预案的制定、应急救援的演练、应急队伍的专业技能训练以及应急救援技术装备的完善等将直接影响到应急接警的行动时间。

3)应急响应是指在瓦斯爆炸事故发生后的紧急救援行动。良好、迅捷的应急响应机制(如应急启动的迅捷程度、应急队伍的组织程度以及事故现场的决策调度等)能够最大化地防止事态恶化。

4)恢复重建是瓦斯爆炸事故应急救援过程中必不可少的一环，主要包括事故原因分析、救援经验总结、应急救援预案修订。

1.2 煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评价指标的筛选

现场调研了我国贵州、安徽、河南、山西等省份若干个高瓦斯煤矿的建设运营及实际应急救援能力，并对应急管理部的文件及国内外相关研究文献进行总结分析。依据科学性与实事求是原则、系统性与全面性原则、定量与定性分析相结合的评价指标设计原则，采用现场调研、文献对比以及专家德尔菲决策法，确定煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估指标包括煤矿通风系统管理X1、煤矿防瓦斯积聚能力X2、应急救援技术保障X3、应急救援组织保障X4、应急救援装备保障X5、煤矿救援恢复能力X6等6个方面。其中，煤矿通风系统管理X1包括采煤工作面风速X11、通风网络合理度X12、通风动力稳定性X13、通风设施可靠度X14、通风管理科学性X15；煤矿防瓦斯积聚能力X2包括员工带火作业培训程度X21、电气设备失效防火性能X22、局部通风机失效频率X23、通风系统测定频率X24、煤层瓦斯含量X25、煤层相对瓦斯涌出量X26；应急救援技术保障X3包括瓦斯监测监控系统功效X31、瓦斯预警报警系统功效X32、应急救援通讯联络性能X33、应急救援信息共享水平X34；应急救援组织保障X4包括应急救援规章制度完善性X41、应急救援组织结构健全性X42、应急救援决策调度能力X43、瓦斯爆炸应急预案周密性X44、瓦斯爆炸应急演练频次X45、瓦斯爆炸应急启动机制X46；应急救援装备保障X5包括应急救援设备配备水平X51、应急救援医疗救护能力X52、应急救援物资补给能力X53、应急救援交通便捷能力X54；煤矿救援恢复能力X6包括瓦斯爆炸事故调查处理X61、瓦斯爆炸事故善后处理X62、瓦斯爆炸事故生产恢复X63、瓦斯爆炸应急预案修订X64，共29项。

1.3 煤矿瓦斯爆炸应急救援能力的定性与定量分级

煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估指标选取与量化分级是否科学、合理将全面影响应急救援能力评估的准确性、可靠性，因此为减少煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估过程中的模糊性与不确定性问题，对应急救援能力评估进行定性与定量分级，见表1。

表1 煤矿瓦斯爆炸事故应急救援能力评价指标分级准则

将应急救援能力评估等级划分为V1—V5五个级别，分别表示应急救援能力的优、良、中、差、劣，每个级别均有一个规定的量化数值区间。对于定性指标如X22电气设备失效防火性能、X31瓦斯监测监控系统功效、X32瓦斯预警报警系统功效、X33应急救援通讯联络性能、X43应急救援决策调度能力、X52应急救援医疗救护能力、X53应急救援物资补给能力、X62瓦斯爆炸事故善后处理、X63瓦斯爆炸事故生产恢复、X64瓦斯爆炸应急预案修订等采用半定量化的方式取值，即用定性语言将其划分为5个评价等级(见表1)，括号内数据为定性量化指标，在确定此系列指标等级时，根据煤矿的安管人员、监管人员以及专家的意见与建议进行评估；对于其余指标则采用实际值对其进行赋值分级[16]。

2 基于未确知测度的瓦斯爆炸应急救援能力评估模型

2.1 构造评价空间及量化等级

未确知测度理论可以将煤矿瓦斯爆炸应急救援能力影响因素中的定性评价指标通过测度函数转化为定量的数值[17]，并结合博弈论组合赋权技术，构造基于未确知测度与博弈论的煤矿瓦斯爆炸应急救援能力综合评价模型，其评价策略如图2所示。

图2 煤矿瓦斯爆炸事故应急救援能力评价模型

若n为煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评价指标空间I={I1，I2，…，In}的个数；m为每个评价对象所含有的应急救援能力评价指标X={X1，X2，…，Xm}的个数，则可构成xi={xi1，xi2，…，xim}的m维向量，其中aij表示应急救援能力指标测度值。定义每个指标的评价等级划分为V={V1，V2，…，Vk}，若V1>V2，则称V={V1，V2，…，Vk}为评价等级上的一个有序分割集，在本文中k取值为5。定义xij为第i个待评价高瓦斯矿井Im关于第i个评价指标的实测值，u=uijk(xij∈Vk)为xij属于第k个评价等级Nk的程度，若u同时满足“非负有界性”[式(1)]、“归一性”[式(2)]、“可加性”[式(3)]，则u成为“未确知测度”[17]。

0

(1)

u(xij∈V)=1

(2)

2.2 单指标未确知测度构造

为解决煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估过程中的不确定性问题，利用应用较为广泛的直线法构造单指标测度函数[18]，如图3所示，其通用函数表达式为：

式中，x为各评价指标实测值；ui(x)、ui+1(x)分别表示指标实测值x关于V3、V4的测度；ai、ai+1分别表示V3、V4上指标实测值x的中间值。

图3 未确知测度函数模型

于是由各指标测度值uijk构成的单指标测度评价矩阵为(uijk)m×p为：

则xij的单指标未确知测度为矩阵(uijk)m×p的第j行[ui1kui2k…uijk]。

2.3 组合赋权权重计算

2.3.1 层次分析法确定主观权重

层次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)的计算步骤如下：首先，经现场调研，由专家对同一层次n个煤矿瓦斯爆炸应急救援能力影响因素的重要性进行两两比较分析，构造优先关系判断矩阵U；其次，利用求和法[19]及式(6)计算U的最大特征根λmax与对应的权重特征向量ω。

为使得计算结果合理，需利用式(7)对U进行一致性检验，当RC≤0.1时，认为权重评价较为合理，否则需进行修正，IR由文献[19]确定。

式中，RC为一致性比例；IR为一致性指标。

2.3.2 熵权法确定客观权重

熵权法(Entropy weight method，EWM)的计算步骤如下[20]：

式中，rij为第j个评价者对第i个指标的标准值。

其次，由式(9)得第i个指标中第j个评价者的比例fij：

然后，由式(10)得第i个指标的熵值Hi：

其中，当fij=0，令fijlnfij=0。

最后，由式(11)可计算得到第i个指标的熵权vi。

2.3.3 博弈论组合权重计算

为弥补主客观权重之间既冲突又协调的矛盾，基于博弈论思想对煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评价指标权重进行组合优化，进而得到更为合理有效的组合权重[16]。

1)各级权重向量计算。若AHP所确定的主观权重为Wh1，EWM所确定的客观权重为Wh3，即：

Wh=[wh1，wh3]T

(12)

同时引入线性组合系数αh记为：

αh=(α1，α2)

(13)

则以二级评价指标为例，权重向量线性组合为：

2)组合权重优化。为使Wh与Wij的距离差值达最小值，利用式(15)对系数αh进行优化，即有：

则由矩阵的微分性质，可推导出式(16)的最优化一阶导数条件为：

3)归一化处理。对系数αh利用式(17)进行归一化处理，则有：

2.4 多指标综合测度评价向量

则多指标未确知测度评价矩阵(uik)n×p为：

则多指标未确知测度为矩阵(uik)n×p的第i行[ui1ui2…ujp]。

2.5 置信度准则识别

引入置信度λ∈[0.5，1)，若N1>N2>…>Np，令：

则认为该煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评价等级属于第k0个评价等级Nk0。

3 案例分析

3.1 工程概况

选取山西某高瓦斯煤矿为研究背景，目前该煤层平均厚度约为5.60m，主采煤层工作平均风速约为2.1m/s，煤层原始瓦斯含量约为11.24m3/t，煤层相对瓦斯涌出量约为9m3/t。通过现场调研可知，结合2020年该矿的实际情况以及应急救援工作需求，煤矿通风系统测定频率为2次，安管人员的教育培训学时不低于120h，煤矿应急演练频次为12次，应急信息共享时间与应急启动时间均在8min内，其余信息则由专家评估，见表2，并利用未确知测度与博弈论对其进行矿井瓦斯爆炸应急救援能力评估。

表2 某高瓦斯矿井应急救援能力评估指标值

3.2 煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估

3.2.1 单指标测度函数构造

结合式(4)构造单指标未知测度函数，结合煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估指标体系及其标准，采用直线型测度函数，构造煤矿瓦斯爆炸应急救援能力评估指标单指标测度函数，如图4所示。

3.2.2 应急救援能力测度评价矩阵计算

依据表2的现场调研及评估结果，结合所构造的瓦斯爆炸应急救援能力单指标测定函数，可计算得该煤矿瓦斯爆炸应急救援能力单指标评价矩阵(u1jk)29×5，如式(22)所示。

图4 定性指标未确知测度函数

3.2.3 应急救援能力指标组合赋权计算

为使得指标能力评估权重更加满足要求，专家的权威性量化标准见表3，结合单指标评价矩阵(u1jk)29×5，利用前文所述主观权重法(AHP法)和客观权重法(EWM法)分别计算瓦斯爆炸应急救援能力各指标权重值，见表4。

表3 专家权威性量化标准

主客观权重存在一定的差异，因此需要利用博弈论组合赋权法对应急救援能力评估指标权重值进行集成运算。根据式(23)可计算得最优化一阶线性方程组为：

U5={0.436，0.182，0.363，0.057，0.054}

3.2.4 多指标测度计算与置信度识别

由多指标综合测度评价向量U5及置信度评价准则，取置信度λ=0.5，于是从小到大有k0=0.054+0.057+0.363+0.182=0.656>0.5，从大到小有k0=0.436+0.182=0.618>0.5。由此可知，二次判别结果一致，即可认为该高瓦斯矿井应急救援能力评估等级为良。根据调研资料显示，将该评价结果与该高瓦斯矿井应急救援能力评价报告结果进行对比分析发现，评价结果基本一致。评价结果表明，煤矿应急救援能力的建立与健全是一项长期安全管理工程，煤矿通风系统管理、煤矿防瓦斯积聚能力、应急救援技术保障、应急救援组织保障、应急救援装备保障、煤矿救援恢复能力是保障煤矿安全生产工作的重点；对于该煤矿来说，应进一步加强安全风险管控和事故隐患排查治理，持续有效地开展瓦斯爆炸事故预防的安全检查、应急演练、应急救援工作。

表4 某高瓦斯矿井应急救援能力评估指标权重值

4 结 论

1)高瓦斯煤矿应急救援能力影响因素众多，以现场调研与文献查阅为手段，综合考虑6方面共29项判别指标，研究了各指标的定性与定量分级准则，为煤矿应急救援能力综合评价提供了一定基础。

2)针对高瓦斯煤矿应急救援能力评价过程的主观性问题，基于未确知测度理论建立了瓦斯爆炸应急救援能力评估模型。该模型选用直线法构造单指标测度函数，结合博弈论确定指标权重并计算多指标测度，利用置信度准则对应急救援能力进行排序。

3以山西某高瓦斯煤矿为例，实地考察该高瓦斯煤矿应急救援能力评估指标值评价值，模型评价结果与实际论证结果较为吻合，可为煤矿瓦斯爆炸事故应急救援能力提升和安全管控提供一定的理论支持。为使得该模型具有较高的实用性与可操作性，后续研究可结合计算机软件编程技术、集成人工智能算法，实现应急救援能力评估的智能化水平。