劉會景

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830023)

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者針對煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素及評價方法開展了大量研究[1-3]。楊三軍等[4]基于探索性因子分析構(gòu)建了煤礦救援隊?wèi)?yīng)急救援能力評價體系，譚波等[5]利用云模型研究了煤礦應(yīng)急救援隊伍能力評估標(biāo)準(zhǔn)，張宇等[6]結(jié)合模糊優(yōu)先規(guī)劃和區(qū)間可拓理論研究了礦井火災(zāi)應(yīng)急救援能力，楊力等[7]基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法評估了煤礦應(yīng)急救援能力，ZHANG等[8]將危險源的不確定路徑轉(zhuǎn)化未具有約束多目標(biāo)粒子群，進而建立了應(yīng)急救援過程中的最佳規(guī)劃路徑；LIU等[9]基于條件概率與隸屬度模糊輔助變量構(gòu)建了應(yīng)急救援可持續(xù)救援能力的多目標(biāo)隨機規(guī)劃模型；蘭國輝等[10]運用粗糙集與表現(xiàn)性分析的手段建立了事前檢測、事中處置、事后恢復(fù)的煤礦突發(fā)事件應(yīng)急救援能力評估模型。上述方法在實際的煤礦事故應(yīng)急救援過程中均取得了一定的成效，然而，由于瓦斯爆炸突發(fā)事故的應(yīng)急救援能力的影響因素眾多，一方面，評估因素與權(quán)重獲取具有較大的模糊性與主觀性，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)定性的評價指標(biāo)難以量化應(yīng)急救援能力，導(dǎo)致評估模型失真與可解釋性較差，因此亟需進一步探析基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的定量化評估與科學(xué)決策方式。王光遠教授[11]提出的未確知數(shù)學(xué)理論能夠較好地處理信息的不確定性并量化處理，廣泛應(yīng)用于交通、建筑等領(lǐng)域[12，13]。劉開第等[14]將未確知測度與模糊綜合評判、灰色聚類分析、物元分析、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)的對比論證，研究結(jié)果表明在評估因素存在較大的不確定性時，未確知測度具有更加合理、嚴(yán)謹?shù)脑u價結(jié)果。

鑒于此，為了進一步加強煤礦企業(yè)對瓦斯爆炸事故的應(yīng)急救援控制、救援與處置能力，筆者引入未確知測度和博弈論理論，構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力綜合評估模型，最后將該模型應(yīng)用于某高瓦斯煤礦的應(yīng)急救援能力的綜合評估，以校驗其合理性與有效性，為煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估提供一定的技術(shù)支持。

1 煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素的分析

煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素分析是應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)構(gòu)建的基礎(chǔ)。煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援流程如圖1所示。由圖1可知，應(yīng)該從4個方面加強對煤礦瓦斯爆炸事故的應(yīng)急救援能力提升工作：

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援流程

1)瓦斯爆炸事故預(yù)防是應(yīng)急救援管理工作的核心[15]。一方面應(yīng)嚴(yán)格落實“一通三防”，加強煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控；另一方面應(yīng)不斷提高安全人員風(fēng)險意識，明確瓦斯事故的應(yīng)急救援任務(wù)與應(yīng)急流程。

2)應(yīng)急準(zhǔn)備的充分與否將關(guān)系到應(yīng)急響應(yīng)的迅捷程度。應(yīng)急預(yù)案的制定、應(yīng)急救援的演練、應(yīng)急隊伍的專業(yè)技能訓(xùn)練以及應(yīng)急救援技術(shù)裝備的完善等將直接影響到應(yīng)急接警的行動時間。

3)應(yīng)急響應(yīng)是指在瓦斯爆炸事故發(fā)生后的緊急救援行動。良好、迅捷的應(yīng)急響應(yīng)機制(如應(yīng)急啟動的迅捷程度、應(yīng)急隊伍的組織程度以及事故現(xiàn)場的決策調(diào)度等)能夠最大化地防止事態(tài)惡化。

4)恢復(fù)重建是瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援過程中必不可少的一環(huán)，主要包括事故原因分析、救援經(jīng)驗總結(jié)、應(yīng)急救援預(yù)案修訂。

1.2 煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評價指標(biāo)的篩選

現(xiàn)場調(diào)研了我國貴州、安徽、河南、山西等省份若干個高瓦斯煤礦的建設(shè)運營及實際應(yīng)急救援能力，并對應(yīng)急管理部的文件及國內(nèi)外相關(guān)研究文獻進行總結(jié)分析。依據(jù)科學(xué)性與實事求是原則、系統(tǒng)性與全面性原則、定量與定性分析相結(jié)合的評價指標(biāo)設(shè)計原則，采用現(xiàn)場調(diào)研、文獻對比以及專家德爾菲決策法，確定煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)包括煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理X1、煤礦防瓦斯積聚能力X2、應(yīng)急救援技術(shù)保障X3、應(yīng)急救援組織保障X4、應(yīng)急救援裝備保障X5、煤礦救援恢復(fù)能力X6等6個方面。其中，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理X1包括采煤工作面風(fēng)速X11、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)合理度X12、通風(fēng)動力穩(wěn)定性X13、通風(fēng)設(shè)施可靠度X14、通風(fēng)管理科學(xué)性X15；煤礦防瓦斯積聚能力X2包括員工帶火作業(yè)培訓(xùn)程度X21、電氣設(shè)備失效防火性能X22、局部通風(fēng)機失效頻率X23、通風(fēng)系統(tǒng)測定頻率X24、煤層瓦斯含量X25、煤層相對瓦斯涌出量X26；應(yīng)急救援技術(shù)保障X3包括瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)功效X31、瓦斯預(yù)警報警系統(tǒng)功效X32、應(yīng)急救援通訊聯(lián)絡(luò)性能X33、應(yīng)急救援信息共享水平X34；應(yīng)急救援組織保障X4包括應(yīng)急救援規(guī)章制度完善性X41、應(yīng)急救援組織結(jié)構(gòu)健全性X42、應(yīng)急救援決策調(diào)度能力X43、瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案周密性X44、瓦斯爆炸應(yīng)急演練頻次X45、瓦斯爆炸應(yīng)急啟動機制X46；應(yīng)急救援裝備保障X5包括應(yīng)急救援設(shè)備配備水平X51、應(yīng)急救援醫(yī)療救護能力X52、應(yīng)急救援物資補給能力X53、應(yīng)急救援交通便捷能力X54；煤礦救援恢復(fù)能力X6包括瓦斯爆炸事故調(diào)查處理X61、瓦斯爆炸事故善后處理X62、瓦斯爆炸事故生產(chǎn)恢復(fù)X63、瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案修訂X64，共29項。

1.3 煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力的定性與定量分級

煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)選取與量化分級是否科學(xué)、合理將全面影響應(yīng)急救援能力評估的準(zhǔn)確性、可靠性，因此為減少煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估過程中的模糊性與不確定性問題，對應(yīng)急救援能力評估進行定性與定量分級，見表1。

表1 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力評價指標(biāo)分級準(zhǔn)則

將應(yīng)急救援能力評估等級劃分為V1—V5五個級別，分別表示應(yīng)急救援能力的優(yōu)、良、中、差、劣，每個級別均有一個規(guī)定的量化數(shù)值區(qū)間。對于定性指標(biāo)如X22電氣設(shè)備失效防火性能、X31瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)功效、X32瓦斯預(yù)警報警系統(tǒng)功效、X33應(yīng)急救援通訊聯(lián)絡(luò)性能、X43應(yīng)急救援決策調(diào)度能力、X52應(yīng)急救援醫(yī)療救護能力、X53應(yīng)急救援物資補給能力、X62瓦斯爆炸事故善后處理、X63瓦斯爆炸事故生產(chǎn)恢復(fù)、X64瓦斯爆炸應(yīng)急預(yù)案修訂等采用半定量化的方式取值，即用定性語言將其劃分為5個評價等級(見表1)，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為定性量化指標(biāo)，在確定此系列指標(biāo)等級時，根據(jù)煤礦的安管人員、監(jiān)管人員以及專家的意見與建議進行評估；對于其余指標(biāo)則采用實際值對其進行賦值分級[16]。

2 基于未確知測度的瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估模型

2.1 構(gòu)造評價空間及量化等級

未確知測度理論可以將煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素中的定性評價指標(biāo)通過測度函數(shù)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)值[17]，并結(jié)合博弈論組合賦權(quán)技術(shù)，構(gòu)造基于未確知測度與博弈論的煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力綜合評價模型，其評價策略如圖2所示。

圖2 煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力評價模型

若n為煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評價指標(biāo)空間I={I1，I2，…，In}的個數(shù)；m為每個評價對象所含有的應(yīng)急救援能力評價指標(biāo)X={X1，X2，…，Xm}的個數(shù)，則可構(gòu)成xi={xi1，xi2，…，xim}的m維向量，其中aij表示應(yīng)急救援能力指標(biāo)測度值。定義每個指標(biāo)的評價等級劃分為V={V1，V2，…，Vk}，若V1>V2，則稱V={V1，V2，…，Vk}為評價等級上的一個有序分割集，在本文中k取值為5。定義xij為第i個待評價高瓦斯礦井Im關(guān)于第i個評價指標(biāo)的實測值，u=uijk(xij∈Vk)為xij屬于第k個評價等級Nk的程度，若u同時滿足“非負有界性”[式(1)]、“歸一性”[式(2)]、“可加性”[式(3)]，則u成為“未確知測度”[17]。

0

(1)

u(xij∈V)=1

(2)

2.2 單指標(biāo)未確知測度構(gòu)造

為解決煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估過程中的不確定性問題，利用應(yīng)用較為廣泛的直線法構(gòu)造單指標(biāo)測度函數(shù)[18]，如圖3所示，其通用函數(shù)表達式為：

式中，x為各評價指標(biāo)實測值；ui(x)、ui+1(x)分別表示指標(biāo)實測值x關(guān)于V3、V4的測度；ai、ai+1分別表示V3、V4上指標(biāo)實測值x的中間值。

圖3 未確知測度函數(shù)模型

于是由各指標(biāo)測度值uijk構(gòu)成的單指標(biāo)測度評價矩陣為(uijk)m×p為：

則xij的單指標(biāo)未確知測度為矩陣(uijk)m×p的第j行[ui1kui2k…uijk]。

2.3 組合賦權(quán)權(quán)重計算

2.3.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)的計算步驟如下：首先，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，由專家對同一層次n個煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力影響因素的重要性進行兩兩比較分析，構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣U；其次，利用求和法[19]及式(6)計算U的最大特征根λmax與對應(yīng)的權(quán)重特征向量ω。

為使得計算結(jié)果合理，需利用式(7)對U進行一致性檢驗，當(dāng)RC≤0.1時，認為權(quán)重評價較為合理，否則需進行修正，IR由文獻[19]確定。

式中，RC為一致性比例；IR為一致性指標(biāo)。

2.3.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法(Entropy weight method，EWM)的計算步驟如下[20]：

式中，rij為第j個評價者對第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

其次，由式(9)得第i個指標(biāo)中第j個評價者的比例fij：

然后，由式(10)得第i個指標(biāo)的熵值Hi：

其中，當(dāng)fij=0，令fijlnfij=0。

最后，由式(11)可計算得到第i個指標(biāo)的熵權(quán)vi。

2.3.3 博弈論組合權(quán)重計算

為彌補主客觀權(quán)重之間既沖突又協(xié)調(diào)的矛盾，基于博弈論思想對煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評價指標(biāo)權(quán)重進行組合優(yōu)化，進而得到更為合理有效的組合權(quán)重[16]。

1)各級權(quán)重向量計算。若AHP所確定的主觀權(quán)重為Wh1，EWM所確定的客觀權(quán)重為Wh3，即：

Wh=[wh1，wh3]T

(12)

同時引入線性組合系數(shù)αh記為：

αh=(α1，α2)

(13)

則以二級評價指標(biāo)為例，權(quán)重向量線性組合為：

2)組合權(quán)重優(yōu)化。為使Wh與Wij的距離差值達最小值，利用式(15)對系數(shù)αh進行優(yōu)化，即有：

則由矩陣的微分性質(zhì)，可推導(dǎo)出式(16)的最優(yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件為：

3)歸一化處理。對系數(shù)αh利用式(17)進行歸一化處理，則有：

2.4 多指標(biāo)綜合測度評價向量

則多指標(biāo)未確知測度評價矩陣(uik)n×p為：

則多指標(biāo)未確知測度為矩陣(uik)n×p的第i行[ui1ui2…ujp]。

2.5 置信度準(zhǔn)則識別

引入置信度λ∈[0.5，1)，若N1>N2>…>Np，令：

則認為該煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評價等級屬于第k0個評價等級Nk0。

3 案例分析

3.1 工程概況

選取山西某高瓦斯煤礦為研究背景，目前該煤層平均厚度約為5.60m，主采煤層工作平均風(fēng)速約為2.1m/s，煤層原始瓦斯含量約為11.24m3/t，煤層相對瓦斯涌出量約為9m3/t。通過現(xiàn)場調(diào)研可知，結(jié)合2020年該礦的實際情況以及應(yīng)急救援工作需求，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)測定頻率為2次，安管人員的教育培訓(xùn)學(xué)時不低于120h，煤礦應(yīng)急演練頻次為12次，應(yīng)急信息共享時間與應(yīng)急啟動時間均在8min內(nèi)，其余信息則由專家評估，見表2，并利用未確知測度與博弈論對其進行礦井瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估。

表2 某高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)值

3.2 煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估

3.2.1 單指標(biāo)測度函數(shù)構(gòu)造

結(jié)合式(4)構(gòu)造單指標(biāo)未知測度函數(shù)，結(jié)合煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)體系及其標(biāo)準(zhǔn)，采用直線型測度函數(shù)，構(gòu)造煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)單指標(biāo)測度函數(shù)，如圖4所示。

3.2.2 應(yīng)急救援能力測度評價矩陣計算

依據(jù)表2的現(xiàn)場調(diào)研及評估結(jié)果，結(jié)合所構(gòu)造的瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力單指標(biāo)測定函數(shù)，可計算得該煤礦瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力單指標(biāo)評價矩陣(u1jk)29×5，如式(22)所示。

圖4 定性指標(biāo)未確知測度函數(shù)

3.2.3 應(yīng)急救援能力指標(biāo)組合賦權(quán)計算

為使得指標(biāo)能力評估權(quán)重更加滿足要求，專家的權(quán)威性量化標(biāo)準(zhǔn)見表3，結(jié)合單指標(biāo)評價矩陣(u1jk)29×5，利用前文所述主觀權(quán)重法(AHP法)和客觀權(quán)重法(EWM法)分別計算瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力各指標(biāo)權(quán)重值，見表4。

表3 專家權(quán)威性量化標(biāo)準(zhǔn)

主客觀權(quán)重存在一定的差異，因此需要利用博弈論組合賦權(quán)法對應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)權(quán)重值進行集成運算。根據(jù)式(23)可計算得最優(yōu)化一階線性方程組為：

U5={0.436，0.182，0.363，0.057，0.054}

3.2.4 多指標(biāo)測度計算與置信度識別

由多指標(biāo)綜合測度評價向量U5及置信度評價準(zhǔn)則，取置信度λ=0.5，于是從小到大有k0=0.054+0.057+0.363+0.182=0.656>0.5，從大到小有k0=0.436+0.182=0.618>0.5。由此可知，二次判別結(jié)果一致，即可認為該高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評估等級為良。根據(jù)調(diào)研資料顯示，將該評價結(jié)果與該高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評價報告結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，評價結(jié)果基本一致。評價結(jié)果表明，煤礦應(yīng)急救援能力的建立與健全是一項長期安全管理工程，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理、煤礦防瓦斯積聚能力、應(yīng)急救援技術(shù)保障、應(yīng)急救援組織保障、應(yīng)急救援裝備保障、煤礦救援恢復(fù)能力是保障煤礦安全生產(chǎn)工作的重點；對于該煤礦來說，應(yīng)進一步加強安全風(fēng)險管控和事故隱患排查治理，持續(xù)有效地開展瓦斯爆炸事故預(yù)防的安全檢查、應(yīng)急演練、應(yīng)急救援工作。

表4 某高瓦斯礦井應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)權(quán)重值

4 結(jié) 論

1)高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力影響因素眾多，以現(xiàn)場調(diào)研與文獻查閱為手段，綜合考慮6方面共29項判別指標(biāo)，研究了各指標(biāo)的定性與定量分級準(zhǔn)則，為煤礦應(yīng)急救援能力綜合評價提供了一定基礎(chǔ)。

2)針對高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力評價過程的主觀性問題，基于未確知測度理論建立了瓦斯爆炸應(yīng)急救援能力評估模型。該模型選用直線法構(gòu)造單指標(biāo)測度函數(shù)，結(jié)合博弈論確定指標(biāo)權(quán)重并計算多指標(biāo)測度，利用置信度準(zhǔn)則對應(yīng)急救援能力進行排序。

3以山西某高瓦斯煤礦為例，實地考察該高瓦斯煤礦應(yīng)急救援能力評估指標(biāo)值評價值，模型評價結(jié)果與實際論證結(jié)果較為吻合，可為煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援能力提升和安全管控提供一定的理論支持。為使得該模型具有較高的實用性與可操作性，后續(xù)研究可結(jié)合計算機軟件編程技術(shù)、集成人工智能算法，實現(xiàn)應(yīng)急救援能力評估的智能化水平。