孫玉亮，王勝康，張 婧

(1．中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221008;2．中國礦業(yè)大學計算機科學與技術學院，江蘇 徐州 221008)

煤炭是我國主要的能源，一直以來占我國一次能源的70%左右，煤炭的生產在我國國民經濟發(fā)展中有著舉足輕重的作用。目前煤礦安全狀況雖然較以前有了很大的改善，但傷亡事故仍然比較嚴重，重特大事故時有發(fā)生。煤礦的井下生產系統(tǒng)是一個比較復雜的系統(tǒng)，它具有很多不安全的因素，比如：頂底板事故、瓦斯突出、煤層瓦斯爆炸、火災、突水等危險。井下事故具有動態(tài)性、隨機性，并且這些災害在時間和空間上有一定的聯系。這就要求管理部門和生產技術部門在生產過程中對煤礦安全進行評價，通過對安全的評價來進一步加強煤礦安全的基礎工作，提前預測事故發(fā)生的可能性，確定生產系統(tǒng)的危險程度以及了解事故發(fā)生的規(guī)律，便于采取相應的預防措施，用最少的投資來確保本質的安全化。為了確保煤礦安全生產的持久性，盡可能減少安全事故造成的損失，對煤礦的安全狀況進行綜合評價，可以為生產管理者及決策者正確判斷當前煤礦危險程度和制定相應的安全措施政策提供有力的科學依據，這樣不僅可以有針對性的對煤礦安全事故進行預防，而且有利于提高煤礦企業(yè)的安全管理水平。本文采用熵權法和TOPSIS法相結合的方法對煤礦安全進行綜合評價，為煤礦安全管理提供了有力的依據。

1 安全評價方法的選擇

目前，綜合評價方法有許多種，對各種方法進行了比較研究，研究結果表明，TOPSIS方法比較合理，因為它對原始數據進行同趨勢和歸一化的處理后，消除了不同指標量綱的影響，并能充分利用原始數據的信息，所以能充分反映各方案之間的差距、客觀真實的反映實際情況，具有真實、直觀、可靠的優(yōu)點，而且其對樣本資料無特殊要求，能夠對比較復雜的問題進行有效地處理，應用日趨廣泛。其中心思想在于首先確定各項指標的正理想值和負理想值，所謂正理想解是一設想的最好值，它的各個屬性值都達到各候選方案中最好的值，而負理想解是另一設想的最壞值，然后求出各個方案與理想值、負理想值之間的加權歐氏距離，由此得出各方案與最優(yōu)方案的接近程度，作為評價方案優(yōu)劣的標準。

權重的確定是在運用TOPSIS方法時一個非常重要的環(huán)節(jié)，充分考慮主觀因素及客觀因素的影響，采用熵權法來確定其權重。熵權法是一種比較客觀的賦權方法，信息是系統(tǒng)中有序程度的度量，熵是系統(tǒng)中無序程度的度量。信息熵越小，熵權越大時，說明提供的信息效用值越大。反之，信息效用值就越小。熵權法的最大優(yōu)點是直接利用決策矩陣所提供的信息來計算權重，沒有加入決策者的主觀判斷，因此，綜合評價得出的結果較為客觀。該方法現已在社會經濟、工程技術等各領域得到廣泛應用。

因此，將熵權法與TOPSIS法相結合對煤礦安全進行全面綜合的評價。

2 煤礦安全系統(tǒng)評價的指標體系

煤礦安全評價的指標體系是對煤礦安全進行評價的基礎，是關系到影響煤礦安全生產的各個因素構成的一個有機整體。本文是在對煤礦安全狀況進行實地調查分析的基礎上，充分考慮到井下生產系統(tǒng)中所有的環(huán)節(jié)，確定總目標層為煤礦安全狀況，把影響煤礦安全的一級評價指標分為5個，然后在一級指標下設二級指標，見圖1。

圖1 煤礦安全評價指標體系

1)地質條件因素(I1)。主要指影響開采的地質條件，如煤層的走向、傾角、厚度及頂底板結構和火災、水災、瓦斯狀況等。

2)技術與裝備因素(I2)。在煤礦的生產系統(tǒng)中，技術裝備因素是涉及范圍最廣的因素，包括開采的機械化程度、設備的完好情況及安全技術措施的實施等。

3)員工素質及技術水平因素(I3)。人在人機環(huán)境系統(tǒng)中有著很重要的地位，對煤礦的安全系統(tǒng)起著重要的作用。反映員工素質的主要影響因素有技術水平、人員結構、安全意識等。

4)環(huán)境條件因素(I4)。主要是指操作人員的作業(yè)環(huán)境，如環(huán)境的照明、煤層防治、噪音、溫度、空氣品質等。

5)安全管理水平因素(I5)。管理是影響煤礦安全性的最為重要的因素之一，煤礦的大部分事故都是因為管理不善引起的。管理因素包括安全教育培訓、安全投入、安全監(jiān)察體系、事故處理等。

3 基于熵權的TOPSIS煤礦安全綜合評價模型構建

3．1 熵權的確定

設有m個煤礦，n項安全評價指標，每個煤礦相對于每項安全評價指標的觀察值為 xij，形成決策矩陣：

若決策矩陣(xij)當中的項xj指標值xij的差異越大，則該指標在綜合評價中所起的作用就越大;如果某項指標的指標值全部相等，說明該指標在綜合評價中不起作用，可將該指標剔除，然后對剩余指標引入熵權。

具體分析步驟如下：

1)指標歸一化。計算第j項安全指標下第i個煤礦安全程度的相對比重pij，公式：

由此得到原始決策矩陣(xij)m×n的規(guī)范化矩陣(pij)m×n。

2)計算第j項安全指標的熵值：

式中：

3)計算第j項安全指標的差異性系數：

對于給定的 j，Ej越大，則 xij的差異性 dj越大。當xij全部相等時，Ej=Emax=1，dj=0表明第j項安全指標在綜合評價中沒有作用，其權重等于零，可以去掉。Ej越小，則xij的差異性dj就越大，表明第j項安全指標在綜合評價中所起的作用就越大。

4)得到第j個安全指標的權重：

則得到的權重矩陣為：

3．2 TOPSIS法評價步驟

1)構造標準化決策矩陣：

式中：

J1—效益型指標集;J2—損失型指標集;A*—理想集;

A－—負理想集。

4)計算評價對象與理想解和負理想解的歐式距離S*i和 Si－：

5)計算評價對象與理想解的相對貼近度Ci：

6)按Ci由大到小對各煤礦進行排序，前面的優(yōu)于后面的。

4 評價實例分析

本文以2010年第三季度某集團的5個煤礦X={x1，i=1，2，3，4，5}為研究對象，利用熵權法計算 5個指標的權重，再借助TOPSIS法對5個煤礦進行安全綜合評價及排序。根據各煤礦的實際狀況以及專家的研究分析，得到安全綜合評價的原始數據，見表1。

表1 安全綜合評價的原始數據

根據表1的數據，構建煤礦安全的綜合評價決策矩陣。對決策矩陣利用式(2)～(6)計算各指標的熵值(Ej)、差異性系數(dj)及權重(wj)。計算過程使用Matlab編程實現，計算結果見表2。

表2 各安全指標的Ej、dj和wj

根據表2得出的權重，利用式(7)和(8)加權標準TOPSIS決策矩陣，按式(9)～(13)求得正距離、負距離和相對貼近度。5個煤礦的安全綜合評價結果和排序見表3。

表3 5個煤礦的安全綜合評價和排名

由表3數據分析和排名可知，x3煤礦安全性最好，x5煤礦安全性最差，需要對其加強安全管理，避免事故的發(fā)生。

5 結論

本文將熵權法和TOPSIS法相結合建立了煤礦安全的綜合評價模型，保證了權重系數的客觀性和準確性，并通過實例的分析，得到以下結論：

1)影響煤礦安全的因素有很多，合理地選取指標并且準確地對指標進行定量化，對綜合評價結果的合理性有很大的影響，而本文選取的指標都是經過前人驗證的，具有很強的可行性。

2)本文利用熵權法來確定權重，克服了層次分析法等其他確定權重方法的局限性，較好地保證了權系數的客觀性和準確性。

3)熵權法和TOPSIS法相結合的方法，能全面考慮煤礦安全的各種因素，客觀地對煤礦安全狀況進行綜合評價，為煤礦的安全管理提供了有力的理論依據。這種方法具有很強的實用性，現已在工程技術及社會經濟等各領域得到廣泛應用。

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