徐美玲，薛 曄，李 凡，張永歡

（太原理工大學 經濟管理學院，山西 晉中 030600）

煤炭是我國第一大能源，煤炭能源的消費在能源結構中占有很大的比重，我國煤礦分布區(qū)域廣泛，地質條件較為復雜，煤炭生產過程中一直存在如瓦斯爆炸、火災、水災、煤塵爆炸及冒頂?shù)葹暮︼L險，而在這些災害風險中尤以瓦斯爆炸災害造成的后果最為嚴重。瓦斯爆炸不僅制約著煤礦生產發(fā)展，而且還易造成人民生命財產的巨大損失和嚴重的環(huán)境問題，最終嚴重影響整個國民經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，在瓦斯爆炸災害發(fā)生之前識別和分析關鍵風險因素進而采取有效措施，對瓦斯爆炸風險防控和煤礦安全生產管理具有重要的現(xiàn)實意義。目前，眾多學者對瓦斯爆炸災害風險治理進行了大量研究，主要有以下3 個方面：關于瓦斯爆炸風險評價方法的研究[1-4]、關于瓦斯爆炸風險模式識別和預測的研究[5-7]、以及關于瓦斯爆炸事故致因機理的研究[8-10]。關于瓦斯爆炸的研究多是關于風險評價方面，而對于瓦斯爆炸風險的致因分析并未考慮因素之間的關聯(lián)性，缺乏對于風險因素間內在聯(lián)系和邏輯關系的進一步分析。基于此，從人為因素、環(huán)境條件、生產設施和管理組織4 個維度構建瓦斯爆炸風險因素指標體系，并通過建立PSO-BP-DEMATEL 模型，對風險因素進行了識別和分析，量化煤礦瓦斯爆炸風險因素之間的影響關系，最終確定了煤礦瓦斯爆炸風險因素中的強驅動型風險因素和驅動型風險因素，并進一步分析得到影響瓦斯爆炸風險的關鍵因素，進而對煤礦瓦斯爆炸風險防控和安全生產管理提出了相應的對策建議。

1 PSO-BP-DEMATEL 模型

1.1 模型基礎

BP 神經網(wǎng)絡（Back Propagation）是一種按誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋網(wǎng)絡，主要思想是將學習過程分為信號的正向傳播與誤差的反向傳播2 個階段。BP 網(wǎng)絡的結構如圖1。圖中：x1、…、xi、…、xn為BP 神經網(wǎng)絡輸入層的輸入值；wik為輸入層第i 個節(jié)點到隱含層第k 個節(jié)點的權值；a1、…、ak、…、al為隱含層各個節(jié)點的閾值；wjk為隱含層第k 個節(jié)點到輸出層第j 個節(jié)點的權值；b1、…、bj、…、bm為輸出層各個節(jié)點的閾值；y1、…、yj、…、ym為BP神經網(wǎng)絡輸出層的預測輸出值。

圖1 BP 神經網(wǎng)絡結構Fig.1 BP neural network structure

激勵函數(shù)選取S 形函數(shù)為：

決策實驗室分析法（DEMATEL）是運用圖論與矩陣論原理對復雜系統(tǒng)因素間的交互影響進行研究的方法。將DEMATEL 引入瓦斯爆炸風險因素的研究中，可全面分析風險因素間的相互關系，辨識關鍵風險因素，為瓦斯爆炸風險管理提供針對性的策略。

1.2 PSO-BP-DEMATEL 模型

DEMATEL 方法通常是通過問卷調查及專家打分法建立直接關聯(lián)矩陣，這種主觀性較強的方法依賴于調研對象的知識和經驗，降低了研究結論的客觀性。將神經網(wǎng)絡與DEMATEL 方法結合，通過權值的計算得出直接關聯(lián)矩陣，可增加計算結果和分析的客觀性。PSO-BP 神經網(wǎng)絡算法通過將粒子群算法的全局搜索能力和BP 神經網(wǎng)絡的局部快速搜索能力有效結合起來，進而解決BP 神經網(wǎng)絡容易陷入局部最優(yōu)的問題，提高網(wǎng)絡的訓練速度。

將PSO 優(yōu)化之后的權值和閾值作為BP 網(wǎng)絡的初始權值和閾值對神經網(wǎng)絡進行訓練，最終求得輸入因素間的直接關聯(lián)矩陣。然后按照傳統(tǒng)DEMATEL 方法，計算每個風險因素的影響度、被影響度、原因度及中心度。為能進一步呈現(xiàn)出不同關鍵風險因素的重要性排序，將PSO-BP-DEMATEL 模型和熵權法結合進行關鍵風險因素識別。步驟如下：

步驟1：原始數(shù)據(jù)標準化。

正向指標標準化處理方法為：

式中：Yj為第j 個期望輸出值。

步驟5：尋找個體極值和群體極值。

步驟6：粒子按式（4）和式（5）更新位置和速度。

步驟7：全局最優(yōu)適應度值是否小于設定誤差或者迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)，若不滿足條件，返回步驟4；若滿足條件，則輸出PSO 優(yōu)化好的權值和閾值，并將其作為BP 網(wǎng)絡的初始權值和閾值對神經網(wǎng)絡進行訓練，直到網(wǎng)絡達到性能指標，保存權值。

式中：U 為直接關聯(lián)矩陣歸一化后的矩陣；bij為直接關聯(lián)矩陣B 中第i 行第j 列的元素；max 函數(shù)為取直接關聯(lián)矩陣各行元素求和的最大值；T 為綜合影響矩陣；E 為單位矩陣；（E-U）-1為E-U 的逆矩陣。

步驟11：計算各因素的影響度R 與被影響度D、原因度R-D 與中心度R+D，建立因果關系圖。

式中：Ri為第i 個因素的影響度；ti·為綜合影響矩陣中第i 行元素之和；tij為綜合影響矩陣中第i 行第j 列的元素；Di為第i 個因素的被影響度；t·j為綜合影響矩陣中第j 列元素之和。

步驟12：運用熵權法計算各因素的綜合重要度，并對綜合重要度排序，確定關鍵風險因素。由于熵權法較為常見，故不再列出具體步驟。

式中：ρi為第i 個因素的綜合重要度；wi1*為第i個因素的中心度權重；Ri+Di為第i 個因素的中心度；wi2*為第個因素的原因度權重；Ri-Di為第i 個因素的原因度。

2 瓦斯爆炸風險因素指標體系

2.1 瓦斯爆炸風險因素識別

事故致因理論認為，安全事故風險是人、機、環(huán)境、管理等因素的多元函數(shù)，應充分考慮瓦斯爆炸風險因素間的內在聯(lián)系和相互作用關系，對導致瓦斯爆炸的人、機、環(huán)境各種因素的狀態(tài)以及有關的管理約束條件進行深入分析，從而確定關鍵風險因素，找出制約煤礦安全生產的薄弱環(huán)節(jié)。因此，通過參考國家、省、市等部門煤礦安全評價標準與相關文獻[11-13]，對影響煤礦瓦斯爆炸災害發(fā)生的風險因素主要從人、環(huán)境、設施、管理4 個方面進行識別。

1）人的因素在煤礦安全生產過程中占有獨特的地位，人的不安全行為會引起煤礦瓦斯爆炸災害風險的發(fā)生，所以安全生產過程中人為因素對煤礦瓦斯爆炸狀態(tài)起著重要的影響。反映人為因素的指標主要包括：技術水平人員配備、員工平均受教育年限、員工安全意識、員工持證率和違章作業(yè)情況等。

2）環(huán)境因素包含的內容比較廣泛，可以從人工作業(yè)環(huán)境和自然地質環(huán)境2 個方面進行分析。自然環(huán)境條件一般是固有的，是人為很難進行控制和改變的條件，而作業(yè)環(huán)境一般可以通過提高安全技術水平，改善設備設施等方法解決。

3）生產設施因素在整個煤礦安全生產系統(tǒng)中種類繁多，往往是導致瓦斯積聚和引爆火源產生的較為直接的因素。所以，對于煤礦安全生產管理而言，在考慮生產設施因素時，對選用的設備要兼顧生產效率和安全可靠性2 個方面。從煤礦安全生產系統(tǒng)的構成來看，生產設施因素主要包括機械化程度和各種設備完好情況。

4）管理組織是指對煤礦安全生產中一切人、環(huán)境、設備的狀態(tài)進行計劃、組織、管理與控制，以改善和消除生產設施的不安全因素和員工的不安全行為，減少和避免瓦斯爆炸災害風險，實現(xiàn)煤礦安全生產。瓦斯爆炸災害風險的管理組織因素主要包括：安全管理組織機構、安全制度與責任落實、安全教育培訓與執(zhí)行、安全科技投入和安全管理文化氛圍等。

2.2 瓦斯爆炸風險因素指標體系

采用頻率統(tǒng)計法確定瓦斯爆炸風險因素指標體系，基于識別的瓦斯爆炸風險因素，依據(jù)科學性、系統(tǒng)性、有效性、可量化性和綜合性等原則，結合煤礦瓦斯爆炸風險發(fā)生的特點，對引發(fā)瓦斯爆炸的風險因素進行分析和篩選，選取統(tǒng)計使用頻率較高的指標。最終從人為因素、環(huán)境條件、生產設施和管理組織4 個維度選取21 項指標建立煤礦瓦斯爆炸風險因素指標體系，瓦斯爆炸風險因素指標體系見表1。

表1 瓦斯爆炸風險因素指標體系Table 1 Index system of gas explosion risk factors

3 瓦斯爆炸風險因素

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

根據(jù)建立的瓦斯爆炸風險因素指標體系，查閱整理相關文獻和資料，通過國家煤礦安全生產網(wǎng)、國家安全生產監(jiān)督管理總局和各省煤礦安全監(jiān)察網(wǎng)，對各項指標的相關資料數(shù)據(jù)進行了收集整理，最終得到研究的樣本數(shù)據(jù)。

在上述建立的瓦斯爆炸風險因素指標體系中，由于指標代表的意義及取值范圍不同，指標體系中各指標數(shù)據(jù)單位不統(tǒng)一，為消除不同指標因量綱或量綱單位所帶來的不可公度性，根據(jù)式（6）和式（7）對數(shù)據(jù)進行標準化處理。

3.2 計算結果

以人為因素、環(huán)境條件、生產設施、管理組織這4 個維度的21 個因素作為輸入層，以風險等級大小作為輸出層，應用matlab 軟件建立含有隱含層的PSO-BP 神經網(wǎng)絡數(shù)學模型，隱含層取值為10，允許擬合誤差最小值為0.001，最大迭代次數(shù)200，規(guī)定粒子最大速度為5，粒子運動最大位置為2，慣性權重為0.9，加速因子為2。

根據(jù)PSO-BP-DEMATEL 模型的建模步驟，經過多次訓練后選取預測效果最好的網(wǎng)絡并將其保存，預測效果如圖2。

圖2 預測效果Fig.2 Forecast effect

然后可以得到權值矩陣，根據(jù)直接關聯(lián)矩陣，計算出各風險因素的影響度、被影響度、中心度、原因度和綜合重要度的數(shù)值，瓦斯爆炸風險因素的綜合影響度見表2。

表2 瓦斯爆炸風險因素的綜合影響度Table 2 Comprehensive influence degree of gas explosion risk factors

3.3 結果分析

根據(jù)DEMATEL 的分類規(guī)則要求和風險因素的作用機理，將全部因素分成原因型和結果型2 大類，又可以將原因型因素稱為驅動因素，將結果型因素稱為特征因素，特征因素的狀態(tài)隨著原因型因素狀態(tài)的改善及結構的調整而發(fā)展變化。在DEMATEL方法中，關鍵因素是指能夠在系統(tǒng)中起重要支配作用的原因型因素[14]。因此重點分析原因型因素即驅動因素，并根據(jù)綜合重要度排序識別關鍵風險因素。通過分析可以發(fā)現(xiàn)存在中心度遠大于其他指標的風險因素，因此以所有風險因素中心度的均值和標準差之和（2.80）作為劃分界限，進而將驅動因素分為強驅動型風險因素和驅動型風險因素。煤礦瓦斯爆炸風險因素原因-結果度如圖3。

圖3 瓦斯爆炸風險因素原因-結果度Fig.3 Causes-result degree of gas explosion risk factors

1）強驅動型風險因素分析。影響煤礦瓦斯爆炸的風險因素中，安全教育培訓與執(zhí)行的影響度最大，說明安全教育培訓與執(zhí)行因素對其他風險因素影響作用最為顯著，該因素的中心度也最大，表明這個風險因素在煤礦瓦斯爆炸風險管理系統(tǒng)中處于重要地位，應重點關注。安全管理組織結構和安全管理文化氛圍的中心度也較大，同樣屬于煤礦瓦斯爆炸風險因素中的需重度關注的因素。這些風險因素的中心度值大于所有因素中心度的均值加標準差，表現(xiàn)出顯著的重要性，并且這3 個因素均屬于管理組織維度的風險因素，反映出煤礦企業(yè)的管理組織工作在瓦斯爆炸災害風險中起著關鍵作用。同時安全教育培訓和執(zhí)行、安全管理組織機構和安全管理文化氛圍具有較高的影響度，表明這3 個風險因素對其它風險因素的影響較大，并與其他風險因素的關系聯(lián)系緊密，對其他風險因素均產生較強的影響作用，相對而言，其他風險影響因素對該因素的作用相對較小。這些強驅動風險因素對瓦斯爆炸災害風險管理的影響是持續(xù)的、穩(wěn)定的，起到根本性、持續(xù)性的推動作用，煤礦安全生產過程中應加以重視。

2）驅動型風險因素分析。驅動型風險因素主要有安全科技與投入、員工安全意識、風量供需比、技術人員配備、安全防護設施完好率。這些風險因素均屬于原因型風險因素，中心度又明顯弱于強驅動型風險因素，在瓦斯爆炸災害風險中具有重要作用，但并不是對其中的每個因素都產生影響。同時可以看出，驅動型風險因素主要為管理組織和人為因素2個維度的因素，說明煤礦的管理組織工作和員工素質管理對瓦斯爆炸災害風險起著重要的推動作用。如在進行煤礦開采時，技術人員配備越符合煤礦安全生產要求并且工作人員的安全意識越強，操作各種生產設施時，出錯率也就越小，這樣瓦斯爆炸災害風險發(fā)生的機率也就越小。所以，驅動型風險因素雖然不能對瓦斯爆炸災害風險發(fā)展起到根本決定作用，但其仍是解決當前瓦斯爆炸災害風險問題的重要途徑，推動著其他風險因素的發(fā)展變化。

3）綜合分析。分別將人為因素、生產設施、環(huán)境條件和管理組織4 個維度中所包含風險因素的影響度、中心度求和后平均，各維度層因素的影響度、中心度和原因度見表3。由表3 可知，管理組織維度的風險因素指標對瓦斯爆炸災害風險的影響程度最大，其次是人為因素維度。管理組織維度和人為因素維度的原因度均大于0，說明管理組織和員工管理工作影響著其他風險因素，在煤礦瓦斯爆炸風險中起著至關重要的作用。從四者的中心度來看，管理組織維度的中心度最大，其次是環(huán)境條件、生產設施、和人為因素。管理組織工作在煤礦瓦斯爆炸災害風險管理工作中起著核心作用，不僅影響著瓦斯爆炸災害風險管理，而且對其他風險因素的管理也起著重要的影響作用，而管理組織工作正是煤礦瓦斯爆炸災害風險管理的關鍵樞紐，如果不能較好的控制或改善這些因素，造成災害風險的可能性會大大增加。

表3 各維度層因素的影響度、中心度和原因度Table 3 Influence degree, cause degree and centrality degree of each dimension factor

4）綜合重要度分析。對風險因素的綜合重要度分析可以更加清楚的呈現(xiàn)出不同關鍵風險因素的重要性程度。關鍵風險因素不僅要求其綜合重要度值高，而且也要求為原因型因素，故關鍵風險因素只能從原因型風險因素中選取，且根據(jù)綜合重要度排序，其優(yōu)先次序為：安全教育培訓與執(zhí)行、安全管理組織機構、安全管理文化氛圍、員工安全意識、安全科技與投入、風量供需比、技術人員配備、安全防護設施完好率。同時根據(jù)“二八定律”，20%的因素起著關鍵的影響作用。因此，挑選綜合重要度在前20%的風險因素作為識別的關鍵風險因素，其影響程度依次為：安全教育培訓與執(zhí)行、安全管理組織機構、安全管理文化氛圍、員工安全意識、安全科技與投入。

4 結 語

1）通過識別煤礦瓦斯爆炸風險因素，將其分為人為因素、環(huán)境條件、生產設施和管理組織4 個維度，并構建PSO-BP-DEMATEL 模型，對瓦斯爆炸風險因素進行分析，進一步結合熵權法計算綜合重要度，確定瓦斯爆炸災害風險中的關鍵風險因素。最終分析得到5 個關鍵風險因素：安全教育培訓與執(zhí)行、安全管理組織機構、安全管理文化氛圍、員工安全意識、安全科技與投入。這些風險因素會對其他風險因素產生重要影響，并進一步影響煤礦瓦斯爆炸風險的管理，是瓦斯爆炸風險防范的關鍵所在。

2）依據(jù)識別和分析的瓦斯爆炸關鍵風險因素，針對煤礦瓦斯爆炸風險管理的發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下對策建議，以期為我國煤礦瓦斯爆炸風險防控管理工作提供參考。為加強煤礦瓦斯爆炸災害風險的管理和防控，應把對于員工的安全教育培訓工作放在首位，定期組織員工學習必要的安全生產防護理論和技能，也要注意在培訓結束后對員工進行考核，在合格通過考核后，才能保障員工能夠在實際工作過程中對安全作業(yè)的理論和技能進行良好應用，進而預防和減少瓦斯爆炸災害的發(fā)生。

3）影響瓦斯爆炸發(fā)生的關鍵風險因素主要為管理組織因素，因此為更好的預防瓦斯爆炸發(fā)生，需建立瓦斯爆炸風險管理組織機構，在企業(yè)內部形成良好的安全管理文化與氛圍，進而提高員工安全意識。建立瓦斯爆炸風險管理組織機構主要是為監(jiān)督瓦斯管理工作，對相關工作人員的工作行為以及工作內容等進行有效監(jiān)督，這樣不僅可以提高瓦斯防治相關工作人員的工作效率和工作質量，還可以為企業(yè)工作人員的人身安全提供保障。

4）防止瓦斯爆炸風險的發(fā)生還應加大安全科技投入，加強基礎設施的管理。促進煤礦建設沿著信息化、自動化、智能化、智慧化方向的升級發(fā)展，加大煤礦安全科技投入力度，從而進一步完善安全生產設施、監(jiān)測監(jiān)控設施及防護設施的管理。更好的推進信息技術的利用，如安裝利用物聯(lián)網(wǎng)技術的瓦斯爆炸動態(tài)安全預警系統(tǒng)，進行瓦斯監(jiān)測、設備監(jiān)測、故障診斷和管理預警，提高企業(yè)管理組織水平，減少瓦斯爆炸事故發(fā)生率，將煤礦生產的各個環(huán)節(jié)和設備信息都統(tǒng)一到一起進行處理，增強瓦斯爆炸災害的防控能力。