羅周全，程鵬毅

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410000)

0　引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，機械化程度越來越高，人機交互面成為事故多發(fā)面，因此，把人和機器作為一個整體，在設(shè)計時充分考慮人的狀態(tài)，以提高作業(yè)的效率、安全性、舒適度等特性，這樣的系統(tǒng)稱為人機系統(tǒng)。事故具有動態(tài)性和復雜性，我國地下金屬礦山人機屬于復雜的閉環(huán)系統(tǒng)，對事故的研究就是找出事故致因，通過技術(shù)、管理等手段防范于未然，減少事故的發(fā)生。在礦山人機系統(tǒng)中，各個層次結(jié)構(gòu)組成元素之間存在交互作用，會涌現(xiàn)出特有的結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)新的功能，因此礦山人機系統(tǒng)因素組成的事故系統(tǒng)不僅需要研究基本的人、機、環(huán)3大因素，還需要研究特殊的層次結(jié)構(gòu)和復雜的組元交互。通過對復雜礦山人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，以及對礦山事故原理進行分析，可以得出安全人機事故影響因素。

在以往的礦山安全研究中，主要以研究機械的本質(zhì)安全為主，缺乏對整個礦山人機系統(tǒng)的分析計算，然而系統(tǒng)中的各個因素都是相互作用、相互影響的，地下金屬礦山事故頻發(fā)是人為原因、還是機械設(shè)備的原因往往無法進行單一的解答，而是需要用安全系統(tǒng)的思維分析礦山事故的誘發(fā)因素，克服分析的片面性，進而提出切實可行的對策措施[1]。

決策實驗室分析法(DEMATEL)與解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)可以將復雜的礦山人機系統(tǒng)變成一個多級遞階的系統(tǒng)模型，將礦山中模糊的思想、現(xiàn)狀等轉(zhuǎn)化為直觀的、結(jié)構(gòu)關(guān)系良好的模型，得以分析礦山人機系統(tǒng)構(gòu)成因素間相互聯(lián)系的程度。因此，采用此方法可以研究影響因素之間的相互作用及其對地下金屬礦山人機系統(tǒng)事故的影響程度，構(gòu)建影響因素多級遞階結(jié)構(gòu)模型，揭示各個因素的中心度和節(jié)點度，明確其中的原因因素和結(jié)果因素，實現(xiàn)對地下金屬礦山人機系統(tǒng)的影響因素的層次劃分[2]。

1　地下金屬礦山事故影響因素的提取

在地下金屬礦山人機安全分析中，礦山系統(tǒng)的3大事故致因分別為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和環(huán)境擾動，3種致因在約束失效時就可能引發(fā)安全事故[3]。陳寶智研究的兩類危險源理論，考慮到約束失效后意外釋放的能量而引發(fā)事故，主要注重物的不安全狀態(tài)，即機械性能衰退問題，能量的載體破裂[4]；田水承在此基礎(chǔ)上，補充了第三類危險源管理因素，對系統(tǒng)分析邊界進行擴充，認為信息缺乏在事故中也占重要地位，管理也是主要的影響因素[5]；Nancy Levisohn運用系統(tǒng)思維構(gòu)筑安全系統(tǒng)，從客觀的角度提出一種基于事故模型的危害分析方法—系統(tǒng)理論事故流程分析(STAMP)，主要考慮了設(shè)計失誤、部件間交互作用事故和復雜的感知決策失誤以及社會、組織和管理等因素，并面向事故全過程進行因素識別，注重分析潛在的控制缺陷及由此導致的危險行為?，F(xiàn)在通用安全管理中，廣泛應(yīng)用的有人、機、環(huán)、信息、管理5大事故致因。地下金屬礦山人機系統(tǒng)是一種開放、非線性的系統(tǒng)，與外界有著物質(zhì)、能量和信息的交互，在外界環(huán)境一定時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠決定系統(tǒng)功能，礦山的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與礦山人機系統(tǒng)相關(guān)，因此地下金屬礦山的安全性就是在所有系統(tǒng)影響因素相互協(xié)同下的整體涌現(xiàn)性。綜合分析，機械部件失效、人機交互紊亂、環(huán)境擾動、適應(yīng)性衰退和信息缺失均構(gòu)成了礦山人機系統(tǒng)安全事故，不僅包括人、機、環(huán)、信息、管理等基本要素，還包括其因素交互面產(chǎn)生的新影響因素，基于這些原理和方法將影響因素細化為 15 個地下金屬礦山人機系統(tǒng)事故致因因素[6-12]，如圖1所示。

圖1　地下金屬礦山人機系統(tǒng)安全事故致因因素Fig.1　Underground metal mine man-machine system safety accident causes factors

1)機械物理部件失效：礦山接卸構(gòu)件、軟件等的各種失效，如：礦山掘進機老化、裝藥臺車故障等。

2)人為失誤導致：主要指礦山操作人員未按規(guī)程進行的錯誤操作，但應(yīng)排除在特定環(huán)境下違規(guī)操作可以有效避免事故發(fā)生的情況，如：疲勞工作、上崗操作不熟練等。

3)安全文化薄弱：主要指礦山人機安全文化氛圍不濃厚，安全意識差，安全教育不夠深入到位等。

4)人機約束失效：指物理部件之間的相互制約關(guān)系失效(硬約束)，如：礦山兩鏟運機相撞；也指礦山安全監(jiān)督關(guān)系缺乏(軟約束)，如：缺乏對員工安全行為的監(jiān)管。

5)非功能性交互：指可預(yù)期的交互作用外的非線性耦合作用，一般指超過了礦山機械設(shè)備設(shè)計者的預(yù)期，導致事故的發(fā)生，一般指本質(zhì)安全薄弱。

6)重復或遺漏控制：礦山系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復雜，重疊區(qū)域的多次控制或者邊緣區(qū)域的遺漏控制，如：人機交互界面，人和機方面都沒有進行控制，或人和機2方面都進行了控制。

7)物質(zhì)交互受阻：指物質(zhì)無法正常交互，如：礦山設(shè)備無正常油料供應(yīng)。

8)能量交互受阻：指能量無法正常應(yīng)用，如：礦山設(shè)備無動力輸出、裝藥機無法正常裝藥、掘進機無法掘進，屬于設(shè)備本身出現(xiàn)的故障。

9)信息交互受阻：指急需的信息無法得到及時提供，如：礦山事故發(fā)生時，無法將信息傳送到達相關(guān)人員等。

10)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆性：指地下礦山人機系統(tǒng)與生俱來的容易崩潰的性質(zhì)，與人機系統(tǒng)所受的內(nèi)外界的干擾和沖擊強度有關(guān)，是系統(tǒng)的本質(zhì)屬性。

11)知識更新慢：指礦山員工安全認知能力提高緩慢，新的安全知識無法及時被接受；隨著礦山新技術(shù)的引進，其安全控制手段沒有被及時更新、采納。

12)應(yīng)變能力差：指礦山員工及安全管理人員在突發(fā)狀況下，不能采取及時有效的糾正措施，不能根據(jù)實際環(huán)境修正規(guī)則制度所確定的行為。

13)認知缺陷：礦山員工、安全監(jiān)督管理人員不能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的安全隱患，對礦山事故機理缺乏準確的認知，即安全技術(shù)管理水平弱。

14)不確定性：因礦山信息缺乏，進而導致各種難以做出正確決策的情況。

15)無事故事件通報：一個人機子系統(tǒng)發(fā)生事故后，對另一子系統(tǒng)不通報，或者對事故通報視而不見。

2　集成DEMATEL-ISM方法

2.1　方法和模型介紹

基于前文對地下金屬礦山人機系統(tǒng)辨析的15個事故影響因素，提出集成DEMATEL與ISM方法，劃分系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，以此來降低ISM方法中計算可達矩陣的復雜度、減少可達矩陣的計算量，使得可達矩陣的計算過程簡化，更易于分析礦山人機系統(tǒng)事故的影響因素[13-16]，具體步驟如圖2所示。

圖2　集成DEMATEL-ISM劃分礦山人機結(jié)構(gòu)Fig. 2　Integrated DEMATEL-ISM division of mine man-machine structure

2.2　DEMATEL-ISM方法步驟

地下金屬礦山人機系統(tǒng)集成DEMATEL-ISM方法，分析事故因素相互影響關(guān)系的基本步驟如下：

1)確定礦山人機環(huán)系統(tǒng)安全事故致因因素a1,a2,…,an，ai∈A(i=1,2,…,n) ，其中n為人機環(huán)系統(tǒng)事故因素的數(shù)目，A是礦山人機環(huán)系統(tǒng)事故因素的總集合。

(1)

式(1)是采用取平均的方法對多位礦山專家的評價結(jié)果進行集結(jié)，從而使獲得的初始直接矩陣得以消除專家的個體知識差異。取平均求得初始直接影響矩陣如下：

(2)

式中：βij為事故因素ai對aj的平均直接影響強度。

3)對地下金屬礦山人機環(huán)系統(tǒng)直接影響矩陣規(guī)范化，得到新的矩陣C(C=[cij]n×n)，即為規(guī)范化直接影響矩陣：

(3)

4)計算綜合影響矩陣T(T= [ti j]n×n)。綜合影響矩陣表示對礦山人機環(huán)系統(tǒng)各因素間的直接影響和間接影響進行綜合累加，以確定每個因素相對于人機環(huán)系統(tǒng)中最高水平因素對系統(tǒng)的最終影響：

(4)

0

T=C(1-C)-1

(5)

5)計算各事故因素的影響fi和被影響度ei?；谑?4)綜合影響矩陣T，將元素每行的數(shù)值相加得到因素影響度fi，影響度fi表示元素c對除自身外，所有元素的綜合影響度，其中包含直接的和間接的影響，如式(6)所示；基于綜合影響矩陣T，將元素每列的數(shù)值相加得到因素被影響度ei，被影響度ei表示元素i除自身外，所有元素的綜合影響度，如式(7)所示。

(6)

(7)

6)計算中心度Mi和原因度Ni。影響度fi和被影響度ei相加得到元素i的中心度，影響度fi和被影響度ei相減得到元素i原因度。

Mi=fi+ei(i=1,2,…,n)

(8)

Ni=fi-ei(i=1,2,…,n)

(9)

7)繪制原因結(jié)果圖，以中心度為橫坐標，原因度為縱坐標繪制，標出各事故因素在笛卡兒坐標系上的位置，就可以在圖上分析地下金屬礦山人機環(huán)系統(tǒng)安全事故因素的重要度和屬性。

8)計算整體影響H(H=[hij]n×n)

H=I+T

(10)

式中：I為單位矩陣。

9)為得到標準化的可達矩陣，需要對整體影響矩陣中的元素進行處理，給定閾值λ，計算可達矩陣K(K=[kij]n×n)：

kij=1，ifhij≥λ(i，j，2，…，n)

(11)

kij=0，ifhij<λ(i，j，2，…，n)

(12)

λ的取值直接影響可達矩陣構(gòu)成及后續(xù)的礦山層次結(jié)構(gòu)劃分，在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對取值參數(shù)進行優(yōu)化。

10)對可達矩陣K進行級間劃分，即將不同事故因素劃分到不同層次，其中可達集合、前因集合、最高級要素集等主要名詞的概念表述如下：

①可達集合：表示在可達矩陣K的第i行中，將所有元素為1的列對應(yīng)的要素所組成的集合，定義為事故因素ai的可達集合，用Ri表示。

②前因集合：表示在可達矩陣K第i列中，將所有元素為1的行所對應(yīng)的要素組成的集合，定義為事故因素ai的前因集合，用Si表示。

③最高級要素集：若Ri=Ri∩Si,(i=1,2,…,n) ，則Ri為最高級要素。由此定義可知，當Ri為最高級要素集時，ai影響的要素(構(gòu)成ai的可達集合)完全包含在影響ai的要素(構(gòu)成ai的前因集合)中，這說明，Ri中的要素均能在Si中找到ai的前因，也即其他因素可以到達因素αi，而因素αi則不能到達其他因素，因此因素ai是位于高層級的因素。

④可達集合和前因集合可按下式進行計算：

Ri={aj|aj∈A,kij≠0}(j=1,2,…,n)

(13)

Si={ai|ai∈A,kij≠0}(i=1,2,…,n)

(14)

11)驗證公式Ri=Ri∩Si,(i=1,2,…,n)是否成立。若成立，則因素ai為最高層因素，這是在矩陣K中劃出第i行和第i列。

12)重復10)和11)，直到劃出所有因素。

13)根據(jù)事故因素被劃出的順序，繪制因素遞階層次圖。從礦山網(wǎng)絡(luò)的視角，將事故因素當成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系視為網(wǎng)絡(luò)的邊；針對可達矩陣K，將事故因素αi第i行中元素為1的列，所對應(yīng)的事故因素間的連接視為節(jié)點ai的出邊，表示因素ai對其他因素的影響；事故ai第i列中元素為1的行，所對應(yīng)的事故因素間的連接視為節(jié)點ai的入邊，表示因素ai受其他因素的影響。

但隨著事故因素的增多，級間劃分工作量增大，操作和使用復雜性增加，于是采用因素驅(qū)動力和依賴性來進行層級劃分[17]。將可達矩陣C中行元素之和定義為元素驅(qū)動力Qi，表示影響度，可達矩陣K中的列元素之和定義為元素依賴Yi，表示元素被影響度：

(15)

(16)

計算Qi與Yi的數(shù)值后，可以將可達矩陣K按照各行的因素驅(qū)動力大小，將因素按“從小到大、從上到下”的原則進行排序，再將列因素也按行因素的排列原則進行排序，從而得到重排序的可達矩陣K′ ,在K′中將驅(qū)動力相同的因素作為同一個遞階結(jié)構(gòu)層級因素，獲得因素的遞階層次結(jié)構(gòu)。

3　實例分析

為了對某地下金屬礦山的人機系統(tǒng)的安全狀況進行分析，采用預(yù)先事故分析法，使用設(shè)計好的調(diào)查問卷表，對該礦的礦長、安全管理人員、安全技術(shù)人員、一線礦工進行問卷調(diào)查，按較強、強、一般、弱、無5個等級分別賦值4、3、2、1、0來進行相互影響關(guān)系評判，得到4個初始直接影響矩陣，通過對4位專家所給的鉛鋅礦直接影響矩陣進行平均求和，消除個體的數(shù)據(jù)差異，得到矩陣B，即最終的初始直接影響矩陣，如表1所示。

表1　初始直接影響矩陣B

根據(jù)集成DEMATEL-ISM方法，在表1直接影響矩陣B中 ,行和的最大值33.00，進而根據(jù)3)步，求得規(guī)范化直接影響矩陣C；應(yīng)用4)步，計算得到綜合影響矩陣T；再根據(jù)5)和6)步，計算得出影響度、被影響度、中心度、原因度、中心度排序，推出各因素屬性，計算結(jié)果如表2所示，原因結(jié)果圖如圖3所示。

根據(jù)9)步，取λ=0.23，求得可達矩陣如表3所示。

表2　地下金屬礦山人機環(huán)系統(tǒng)的DEMATEL方法計算結(jié)果

表3　λ=0.23時所得的可達矩陣

圖3　地下金屬礦山人機系統(tǒng)安全事故因素區(qū)域Fig.3　Underground metal mine man-machine system safety accident factor area map

根據(jù)11)步，計算可得依次分出的層次為：

K1={α1，α2，α4，α6，α7，α8，α12，α15} ；K2={α9，α10} ；K3={α14} ；K4={α3,α5} ；K5={α11,α13} 。根據(jù)所劃分出的因素層次，可繪制圖4所示的事故因素遞階層次結(jié)構(gòu)。

圖4　地下金屬礦山人機系統(tǒng)事故安全影響因素模型Fig.4　Model of factors affecting the accident safety of man-machine systems in underground metal mines

4　結(jié)論

地下金屬礦山人機系統(tǒng)是礦山安全中的重要一環(huán)，科學辨識事故影響因素，分析影響程度，并采用DEMETAL-ISM方法對影響因素之間的關(guān)系以及各自對地下金屬礦山事故的影響程度進行研究，得到如下結(jié)論：

1)根據(jù)地下金屬礦山人機系統(tǒng)事故影響因素是否對其他因素造成影響，可以將其分為原因因素和結(jié)果因素，在實際生產(chǎn)中對原因因素進行關(guān)注和改進能夠更加快速有效地改善人機系統(tǒng)的安全性。

2)通過對地下金屬礦山人機系統(tǒng)事故影響因素的分析，發(fā)現(xiàn)影響因素呈現(xiàn)多級遞階狀分布，其中人員的知識更新慢和認知缺陷是最本質(zhì)的原因，而且通常很容易被忽視；此外，安全文化薄弱和非功能性交互也是比較深層次的原因；人為失誤、人機約束失效、重復或遺漏控制、物質(zhì)交互受阻、能量交互受阻和應(yīng)變能力差是事故的近鄰致因；機械物理部件失效和無事故事件通報對金屬礦山人機系統(tǒng)安全性的影響相對較弱。

3)認知缺陷、安全文化薄弱、非功能性交互、不確定性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆性、重復或遺漏控制等因素是DEMATEL方法確定的關(guān)鍵節(jié)點，但是關(guān)鍵節(jié)點的分布在因素遞階層次結(jié)構(gòu)圖每一層都有，這說明在該礦山人機系統(tǒng)中，事故的控制不能只抓近鄰致因，只關(guān)注一個層級的因素，而應(yīng)綜合考慮對處于地下金屬礦山中各個層級的關(guān)鍵因素進行有針對性的重點控制，防止因管理片面出現(xiàn)地下金屬礦山人機事故。

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