第19卷第5期2009年5月 中国安全科学学报
Ch i na Sa fety Sc i ence Journa l
V o l.19N o.5
M ay2009
徐 杨1,2 周 延1,2 教授 孙 鑫1,2 于 玥1,2
(1中国矿业大学安全工程学院，徐州221008 2煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221008)
学科分类与代码:620.5020 中图分类号:X913.4 文献标识码:A
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50534090)；国家 十一五 科技支撑计划课题(2007BAK29B01);
教育部留学回国人员科研启动基金资助(2009-099-3558)。
摘 要 为定量地综合评价煤矿安全状况，结合目前煤矿灾害事故的特点，根据影响煤矿安全的因素，建立了包括环境、技术、人员、管理等4个单元、17项指标的多因素多级指标评价体系。采用模糊层次分析法(FAH P)和模糊综合评价模型相结合的方法对煤矿安全进行综合评价。首先是通过模糊层次分析法确定了各评价指标的权重，其结果显示：安全管理是影响煤矿安全的首要因素，其次是人员素质、技术与装备保障，而矿井自然安全条件排序为最后。理论联系实际，应用模糊综合评价方法对某矿的安全现状进行综合分析，得出其安全状况为 良好 ，同时也证明将模糊层次分析法应用于安全评价的可行性。 关键词 煤矿; 安全评价; 模糊层次分析法; 模糊综合评价模型; 指标体系
Synthesized A ssess m entM et hod f or CoalM i ne Safet y Based on
Fuzzy A na l ytic H ierarchy Process
XU Yang1,2 ZHOU Y an1,2,Prof. S UN X in1,2 YU Yue1,2
(1Schoo l of Safety Eng i n eeri n g,Chi n a U niversity o fM i n i n g&Techno l o gy,Xuzhou221008,China 2State K ey Laboratory o f CoalR esources&M i n e Sa fety,Xuzhou221008,China)
Abstract: For quantitati v ely and co m prehensively assessing the safety o f coa lm ine,and according to the m ain factors affecting coalm i n e safety,a m u ltileve l assess m ent index syste m w ith first layer o f four factors inc l u d i n g envir onm en,t techno logy,personne l and m anage m ent and second layer o f seventeen factors w as established w ith consi d eration on the characteristics of coal m i n e accidents.A co mprehensi v e safety evalua tion mode l of coal m ines w as proposed t h rough usi n g the m ethod of fuzzy analyti c hierarchy process (F AHP)and fuzzy co mprehensi v e eva l u ation m ode.l The w eight of each assess m ent ele m ent w as deter m i n ed by F AHP,wh ich sho w that the factors affecting the safety of coal m i n es w ere safety m anage m en,t personne,l techno logy and env ir onm ent i n order.An ill u stration w ith the assess m ent result o f good i n d i cates that this m ethod is feasi b le to assess the safety o f coalm ine.
K ey words: coalm i n e; sa fety assess m en;t f u zzy analytic h ierarchy process;
远程教育网站fuzzy co m prehensi v e assess m entm ode;l index syste m
0 引 言
煤矿安全是矿井生产工作的重中之重，因而要求矿山技术和管理部门在生产过程中对煤矿进行安全评价，通过安全评价来确定生产系统的危险状态，以便采取相应的预防措施，以最少的投资来实现本质
安全化。因此，如何结合煤矿生产系统的特点，建立有效的评价理论和方法来评价矿井生产系统的危
*文章编号:1003-3033(2009)05-0147-06; 收稿日期:2009-01-09; 修稿日期:2009-04-30
险程度是一个迫切需要的新课题[1]
。目前，用于煤矿安全评价的方法主要包括四大类
[2-4]
：专家评价方法、运筹学方法(模糊综合评价法、层次分析法)、新型评价方法(神经网络、灰评判)、
混合方法等。每个方法都有其优、缺点和使用范围。
研究表明[4]
，主观评价方法中层次分析法(AHP)较优，能够有效地处理难于完全用定量方法分析的复杂问题，其思想是对两两指标之间的重要程度作比较判断，一般来说比较易于实现。然而AH P 在构造判断矩阵时没有考虑到人的判断模糊性，同时在一致性检验时过于复杂，实用程度不高[5]
。
模糊数学的方法充分考虑个人判断的模糊性，因而能更好地反映主观判断的模糊性
[6-8]
。通过引入模
糊数学的方法，克服了层次分析法的局限性以及人类思维的主观性，这种方法称为模糊层次分析法[8]
。
笔者在前人研究的基础上，采用基于模糊层次分析方法(FAH P)建立矿井安全评价模型并进行了实例分析。
1 煤矿安全评价指标体系
煤矿安全评价指标体系是涉及煤矿安全生产的相互联系、相互制约的因素构成的一个有机整体，是进行安全评价的基础[9-11]
。笔者在对煤矿安全状况调查、分析的基础上，本着涵盖井下生产系统的所
有环节的原则并采用人-机-环境系统分析方法，确定煤矿的安全状况为总目标层，影响煤矿安全的一
级评价指标为4个，在每个一级指标下面又分别设二级指标，如图1所示。1)矿井自然条件因素
主要是指影响采掘生产的地质条件，如瓦斯状况、煤层赋存条件、煤层自然发火倾向性以及水文地质等。
蕾鹿蛾2)生产人员素质及技术水平因素
人的因素是指人的基本素质和安全意识及安全行为，在人机环境系统中占有独特的地位，对安全系统状态起着重要的影响作用。反映人员素质的主要指标有安全意识、技术水平、文化水平及人员结构等。
3)技术与装备保障因素
在整个煤矿的生产系统中，技术装备因素是内容最多、涵盖面最宽的因素，包括采掘机械化程度、各种设备的配备以对设备的维护和技术上的创新等。
4)安全管理水平因素
管理因素是影响煤矿安全性最为重要的因素类之一，煤矿大部分事故都是由于管理不善造成的。管理因素包括安全监察体系、安全教育培训、安全投入、
事故处理等。
一条伏尔加的鱼
图1 煤矿安全评价指标体系
2 基于模糊层次分析法的矿井安全综
合评价模型
根据煤矿安全影响因素的三级特点，采用模糊层次分析法(F AHP)和模糊综合评价模型相结合的方法对煤矿安全进行综合评价。在构建模型的过程中，指标体系中的各指标以指标定量化为基本准则和目标，在评价过程中没有定性指标直接参与评价过程，而是通过特定的处理方法将定性指标转化为
定量指标，使其不影响评价过程以及评价结果。2.1 建立三角模糊判断矩阵
用三角模糊数定量表示因素间的两两比较判断，比较其对于准则的重要程度，并按事前规定的标度定量化，得到三角模糊数组成的模糊判断矩阵[8]
。判断矩阵中各元素的数值采用数字度量尺度，记E I 表示同等重要,WM I 表示稍重要,SM I 表示比较重要,VS M I 表示相当重要,AM I 表示绝对重要,
148 中国安全科学学报Chi na Safety Sc ience Journal 第19卷
2009年
数字度量尺度如图2
所示。
图2 相对重要性的语言尺度表
2.2 计算评价准则的综合重要程度值
令M j
E i 表示模糊判断矩阵中第i 个评价准则相对第j 个评价准则的重要程度值,S i 表示模糊判断矩阵中第i 个评价准则相对其他所有准则的综合重要程度值，则S i 可用公式(1)计算。
S i = m
j =1
M j
Ei
n i =1 m
j =1
M j
E i
-1
(1)
2.3 计算评价准则的归一化权重值
设S 1=(l 1,m 1,u 1)和S 2=(l 2,m 2,u 2)是两个三角模糊数,V(S 1 S 2)表示三角模糊数S 1 S 2的可能程
度,V(S S 1,S 2, ,S n )表示三角模糊数S 大于等于K 个三角模糊数S i 的可能程度，令d (C i )表示一个准则C i 优于其他准则的纯测量度。当m 1 m 2时,
V (M 1 M 1)=l 1-u 2
(m 2-u 2)-(m 1-l 1)
,l 1 u 2
，其他
(2)当m 2 m 1时,V(M 2 M 1)=1
(3)d (C i )=V(S S 1,S 2, ,S n )=m i n V(S i >S k )
(4)
于是可以得到所有准则的权重向量为
W =[d (C 1),d (C 2), ,d (C n )]
T
(5)
经过归一化处理，可以得出每个准则的归一化权重值:
W =[d (C 1),d (C 2), ,d (C n )]
T
(6)
2.4 多级模糊综合评价
设因素集U =(u 1,u 2, ,u n )为一级指标
[12]
,
评价集V =(v 1,v 2, ,v n )，对应的权重集W =(w 1,w 2, ,w n )。一级指标集中的任一元素U i 划分子
集的个数为t ，于是得到二级指标因素集合U i =(u i 1,u i 2, ,u it )，对应权重集为W i =(w i 1,w i 2, ,w it ),U i 的单因素评价矩阵记为R i ~
。
1)一级模糊综合评价：对每一个子因素集U i
分别作出综合评判，根据公式B i ~
=W i ~
R i ~
，进行模糊
矩阵的合成运算，并归一化。
2)二级模糊综合评价：用一级评价的结果B i ~
构
成因素集U 的单因素评价矩阵R ~，于是有二级综合评判:B ~=W ~ R ~
。3 实例分析
某矿水文地质条件一般，煤层具有自然发火倾向，煤尘有爆炸危险。主采煤层属煤与瓦斯突出煤层，瓦斯含量高，压力大，透气性差。矿井安全管理措施完善、生产系统安全保障技术先进，设备齐全、预防措施合理。现以此矿为例，采用模糊层次分析法(FAH P )和模糊综合评价模型相结合的方法对该矿安全现状进行综合评价。3.1 确定评价对象集
确定评价对象集P ={某矿井安全现状}。3.2 确定评价集
确定评价集V =(v 1,v 2, ,v m )。评价分为5个等级，采用满分10分制
[13]
，如表1所示。
表1 安全等级加权值和标准分值
评价等级很安全级
较安全级
一般安全级
较不安全级不安全级加权值
108.57.05.01.0标准分值9~108~8.96~7.9
4~5.9
<4
备注:
1.安全评价等级数目可视实际分级需要而不同，一般分为5级。
2.加权值和标准分值均是经验确定。
149 第5期 徐杨等：基于模糊层次分析法的矿井安全综合评价
3.3 构造因素集
构造因素集U=(u1,u2,u3,u4)=(矿井自然条件，生产人员素质及技术水平，技术与装备保障，安全管理水平)。3.4 计算一级指标权重和二级指标权重集
根据数字度量尺度，进行两两比较得到一级指标对总目标的模糊判断矩阵，如表2所示。
表2 评价准则模糊判断矩阵B
评价准则模糊判断矩阵
评价准则
兽兽车展
矿井自然安全条件B
1
人员素质及技术水平B
2
技术与装备保障B
3
安全管理与保障B
4
B
1
11113/2213/223/225/2
B
2
1/22/3111111.5213/22
B
3
1/22/310.52/3111113/22
B
4
2/50.52/30.52/311/22/31111 根据式(1)，计算每个一级指标准则的综合重
要程度S i。
S B1=(4.5,6,7.5) (
1
22.167
,
1
17.333
,
1
13.4
)
(0.203,0.346,0.556)
S B2=(3.5,4.667,6) (
1
22.167
,
1
17.333
,
1
13.4
)
(0.158,0.268,0.448)
S B3=(3,3.833,5) (
1
22.167
,
1
17.333
,
1
13.4
)
(0.135,0.221,0.373)
S B4=(2.4,2.833,3.667) (
1
22.167
,
1
17.333
,
1
13.4
)
(0.108,0.164,0.274)
根据式(2)~式(5)，可得:d (B1)=m i n[V(S B1
S B2,S B3,S B4)]=1;d (B2)=m i n[V(S B2 S B1,S B3,
S B4)]=0.761;d (B3)=m in[V(S B3 S B1,S B2,
S B4)]=0.577;d (B4)=m in[V(S B4 S B1,S B2,S B3)]
=0.279。经归一化处理得:W =(0.382,0.291,
0.220,0.107)T，同理，可求各二级指标相对于一级
指标的权重值(见表3)。
3.5 建立单因素评价矩阵
根据评价矿井的情况及查阅的相关资料，结合
专家意见对各二级指标打分，评分结果如表3所示。表3 某矿井安全现状综合评价指标权重及模糊隶属度
一级指标权重二级指标权重
安全等级
很好较好一般差很差
B1矿井自然条件0.107C1瓦斯状况0.4780.10.20.40.20.1 C2煤层赋存0.3270.20.40.20.20.0 C3自然发火0.1000.20.50.30.00.0 C4水文地质0.0950.30.40.30.00.0
B2人员素质及技术水平0.291
C5技术水平0.3710.30.30.20.20.0
C6安全意识0.2510.10.30.30.20.1
C7文化水平0.2630.20.30.20.20.1
C8人员结构0.1150.10.30.40.10.1
B3技术与装备保障0.220
C9科技创新0.4160.20.40.30.10.0
C10机械化水平0.3200.40.30.30.00.0
C11装备配置0.1280.30.30.40.00.0
C12设备维护0.1360.20.30.40.10.0
B4安全管理水平0.382C13安全监管体系0.2890.10.40.30.20.0 C14安全教育培训0.2400.20.30.30.10.
缪里森
1 C15安全投入0.2070.30.50.20.00.0 C16事故处理0.1820.20.40.40.00.0 C17安全文化0.0820.40.30.20.10.0
150 中国安全科学学报
Chi na Safety Sc ience Journal
第19卷
2009年
3.6 模糊综合评价
根据各二级指标权重W i
~和对应的单因素矩阵R i
~
，进行一级模糊综合评价。
B1
~=W1
~
R1
~
=(0.478,0.237,0.100,0.095)
0.1 0.2 0.4 0.2 0.0
0.2 0.4 0.2 0.2 0.0
0.2 0.5 0.3 0.0 0.0
0.3 0.4 0.3 0.0 0.0
=(0.162,0.314,0.315,0.161,0.048)
同理计算，可得4个一级指标对应各个评价等级的隶属度，如表4所示。
表4 隶属度的计算结果阳性克隆
评价指标很好较好一般差很差矿井自然条件0.1620.3140.3150.1610.048
人员素质及技术水平0.2000.3000.2480.1890.063技术与装备保障0.1960.3000.2590.1870.058安全管理水平0.2080.3890.2890.0900.024矿井安全现状0.1980.3360.2730.1480.045
利用一级模糊评价的结果，进行二级模糊综合评价:
B ~=W
~
R
~
=(0.107,0.291,0.022,0.382)
0.162 0.314 0.315 0.161 0.048
0.200 0.300 0.248 0.189 0.063
0.196 0.300 0.259 0.187 0.058
0.208 0.389 0.289 0.090 0.024
=(0.198,0.336,0.273,0.148,0.045)
可见，各评价指标得分比较接近，且大多数指标属于良好或一般等级。人员素质和技术与装备保障两个一级指标对 差 等级的隶属度高，这表明这两项是影响矿井安全现状的主要限制因素。
根据矿井安全现状对应各评价等级的隶属度和各个评价等级的取值，加权计算安全现状的综合评价结果，即V=0.198 10+0.336 8.5+0.273 7.0+0.148 5.0+0.045 0.1=7.532。由于V (6,7.9)，这表明该矿井的安全状况属于 一般 等级，仍需要进一步改进，如安全管理水平以及技术与装备保障等。
4 结 论
1)借鉴前人在煤矿安全评价指标体系方面的研究成果，在对煤矿安全状况调查、分析的基础上，结合矿井的实际情况，采用人-机-环境管理系统分析方法，建立了煤矿安全现状的多级评价指标体系。
2)利用模糊层次分析法(FAH P)可以克服层次分析法的局限性，较好地保证了权重系数的客观性和准确性。通过对FAH P模型的求解，对煤矿安全的影响因素的相对重要性进行了排序。结果显示：安全管
理因素是首位的，人员和技术装备因素次之，矿井自然安全条件因素为末位。这为煤矿安全工作提出了重点，对实际工作有一参考价值。
3)应用模糊综合评价法，可以全面考虑影响系统安全的各种因素，比较客观合理地对煤矿安全生产状况进行综合评价，便于矿井根据评价结果采取相应的措施，提高安全生产水平。这种方法简便、可行，具有较强的实用性。
4)进行煤矿安全评价的重要前提是确定科学合理的安全评价指标体系，由于不同矿区的灾害条件不同，在评价指标的选择时，需根据实际情况和经验进行必要的调整。应加强该方面的研究，逐步对构建模型进行优化。
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第5期 徐杨等：基于模糊层次分析法的矿井安全综合评价
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