基于AHP-LS的智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于AHP-LS的智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估摘要：傳統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法已無(wú)法適應(yīng)智慧礦山生產(chǎn)模式,為解決遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,綜合運(yùn)用層次分析法(AHP)和風(fēng)險(xiǎn)矩陣法(LS)構(gòu)建了智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型;以某礦山設(shè)備安全管理為例,將設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素劃分為3個(gè)層次:目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、因素層,最終構(gòu)建智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系;利用AHP-LS評(píng)價(jià)模型對(duì)該體系進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明:遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備的安全防護(hù)水平是影響遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全的關(guān)鍵因素,其風(fēng)險(xiǎn)危害最大;非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、操作失誤、設(shè)備故障、設(shè)備缺陷、振動(dòng)沖擊6個(gè)影響因素風(fēng)險(xiǎn)危害一般;點(diǎn)檢巡查頻率及項(xiàng)目缺失、電源異常、網(wǎng)絡(luò)傳輸故障、電磁干擾、圍巖松動(dòng)、溫濕度6個(gè)影響因素風(fēng)險(xiǎn)危害相對(duì)較小。AHP-LS綜合評(píng)估法將定性分析和定量分析有機(jī)結(jié)合,既體現(xiàn)了評(píng)估過(guò)程的系統(tǒng)性,又降低了主觀分析帶來(lái)的誤差,邏輯清晰,操作簡(jiǎn)單,能準(zhǔn)確獲取風(fēng)險(xiǎn)因素的量化指標(biāo),適用于礦山風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作,研究成果對(duì)于礦山風(fēng)險(xiǎn)管控具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：智慧礦山;遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備;層次分析法;風(fēng)險(xiǎn)矩陣法;風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估;影響因素0引言隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展,我國(guó)礦山繼工業(yè)化、數(shù)字化建設(shè)之后,正逐步向信息化、智能化方向發(fā)展。以5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等為代表的新型技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山建設(shè)。目前,我國(guó)礦山安全生產(chǎn)科技水平隨著礦山智慧化的推進(jìn)而得到了巨大提升,礦山生產(chǎn)運(yùn)作模式也由傳統(tǒng)的人工開(kāi)采向遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化的智能設(shè)備開(kāi)采轉(zhuǎn)變,人工成本大大降低,設(shè)備利用率和資源利用率得到較大提高。隨著智慧礦山智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用,我國(guó)礦山安全生產(chǎn)狀況明顯好轉(zhuǎn),死亡率顯著降低。智慧礦山智能設(shè)備區(qū)別于傳統(tǒng)礦山設(shè)備之處在于其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)運(yùn)行。隨著設(shè)備運(yùn)作模式的巨大改變,智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備有關(guān)人員、設(shè)備、環(huán)境等方面的應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)顯著區(qū)別于傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理。基于此,本文以某地下礦山智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和專(zhuān)家咨詢,結(jié)合層次分析法(AHP)和風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估法(LS),構(gòu)建智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備在礦山實(shí)際應(yīng)用中的單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行量化評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)整個(gè)體系的風(fēng)險(xiǎn)因素作出危害性等級(jí)評(píng)估,旨在為礦山風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。1研究方法1.1層次分析法層次分析法是在20世紀(jì)70年代初提出的一種結(jié)合定性分析和定量分析來(lái)解決多因素且難以完全定量分析的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的分析方法,其基本分析步驟敘述如下。1)建立層次結(jié)構(gòu)體系層次結(jié)構(gòu)體系是按照系統(tǒng)分析思想,將影響目標(biāo)問(wèn)題的指標(biāo)因素逐一列出,再依據(jù)因素之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分層,每層指標(biāo)因素又通過(guò)隸屬關(guān)系與上層指標(biāo)連接,最后形成階梯狀的結(jié)構(gòu)體系。層次體系的最上層為目標(biāo)層,即需要分析解決的目標(biāo)問(wèn)題;中間層為準(zhǔn)則層,是解決目標(biāo)問(wèn)題的準(zhǔn)則;最下層為因素層,是影響目標(biāo)問(wèn)題的基本單元。2)構(gòu)造判斷矩陣將每層隸屬于同一評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的指標(biāo)因素,依據(jù)其對(duì)應(yīng)上一層指標(biāo)的重要程度進(jìn)行兩兩比較,得到判斷矩陣:矩陣性質(zhì)為aij=1,(當(dāng)i=j時(shí));矩陣元素aij按“1-9”標(biāo)度法確定,判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。表1“1-9”標(biāo)度法Table1"1-9"scalesvaluationmethod

3)計(jì)算層次單排序并檢驗(yàn)一致性對(duì)判斷矩陣A的各行元素值的乘積開(kāi)n次方:經(jīng)歸一化后得到權(quán)向量W=(W1,W2,…,Wn)(向量中各元素之和等于1),向量中的元素值即為對(duì)應(yīng)指標(biāo)因素的單排序權(quán)重。一致性檢驗(yàn)步驟為:(1)判斷矩陣A的行向量B乘以其權(quán)向量W,得到賦權(quán)和向量;(2)每個(gè)賦權(quán)和向量的分量分別除以對(duì)應(yīng)的權(quán)向量的分量,即第i個(gè)賦權(quán)向量的分量除以第i個(gè)權(quán)的分量,然后累加后求得判斷矩陣A的最大特征值λmax;(3)計(jì)算一致性指標(biāo)CI式中:n為矩陣A的階數(shù);當(dāng)CI=0時(shí),具備完全一致性;當(dāng)CI接近0時(shí),具備滿意一致性;CI越大,不一致性越嚴(yán)重。(4)計(jì)算一致性檢驗(yàn)系數(shù)CR式中,RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),其取值和判斷矩陣階數(shù)有關(guān),階數(shù)越大,越易出現(xiàn)一致性偏離;RI取值見(jiàn)表2。CR為一致性檢驗(yàn)系數(shù),當(dāng)CR<0.1時(shí),檢驗(yàn)合格;反之一致性檢驗(yàn)不通過(guò),需重構(gòu)判斷矩陣,并再次檢驗(yàn)一致性,直至檢驗(yàn)合格。表2平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值Table2

RI

valueofaveragedrandomconsistencyindex注：RI值會(huì)隨著計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的不同而出現(xiàn)微小差異。4)計(jì)算層次總排序并檢驗(yàn)一致性計(jì)算某層所有指標(biāo)因素相對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重,即為層次總排序,然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算式為式中:b1,b2,…,bn為該層指標(biāo)因素對(duì)目標(biāo)的排序;CIi、RIi(i=1,2,3,…,n)分別為下層指標(biāo)因素相對(duì)該層元素層次單排序的一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)。1.2風(fēng)險(xiǎn)矩陣法風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是一種將定性或半定量的后果分級(jí)與產(chǎn)生一定水平風(fēng)險(xiǎn)的可能性等級(jí)相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法源于“風(fēng)險(xiǎn)度(R)=事故的概率(L)×事故的嚴(yán)重度(S)”的模型,其核心是構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)矩陣。風(fēng)險(xiǎn)矩陣的主要內(nèi)容包括:代表危害事件后果嚴(yán)重度等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn),代表危害事件發(fā)生可能性概率的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及表示風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)性等級(jí)的矩陣元素。其中,風(fēng)險(xiǎn)矩陣的階數(shù)越高,后果嚴(yán)重度等級(jí)和可能性概率的劃分越細(xì)致,對(duì)評(píng)估人員的分析思維要求越高。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法分析步驟為:①系統(tǒng)分析目標(biāo)問(wèn)題的影響事件,辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)因素;②進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,評(píng)估各風(fēng)險(xiǎn)因素事件的后果嚴(yán)重度等級(jí)和可能性概率;③根據(jù)決策者的評(píng)估需求,構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)矩陣,評(píng)價(jià)各風(fēng)險(xiǎn)事件的危險(xiǎn)性等級(jí)。AHP-LS綜合評(píng)估法就是將風(fēng)險(xiǎn)矩陣中風(fēng)險(xiǎn)后果的嚴(yán)重性等級(jí)用層次分析法的量化權(quán)重來(lái)評(píng)判,以減小主觀評(píng)判的誤差;之后運(yùn)用德?tīng)柗品▽?duì)各指標(biāo)因素發(fā)生的概率進(jìn)行評(píng)估;最終依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判矩陣確定各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素的危險(xiǎn)性等級(jí)。2應(yīng)用實(shí)例2.1應(yīng)用背景某地下礦山為提升礦山安全生產(chǎn)技術(shù)水平,保障礦山可持續(xù)發(fā)展,需對(duì)現(xiàn)有礦井設(shè)備設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化改造,該改造工程涉及通風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、提升機(jī)等礦山機(jī)電設(shè)備。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài),傳輸設(shè)備參數(shù),經(jīng)系統(tǒng)分析決策后,遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化運(yùn)行。遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備改造后,礦山部分作業(yè)過(guò)程被自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備取代,不僅提高了礦山生產(chǎn)效率,還降低了作業(yè)成本和人員井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),從技術(shù)方面保障了礦山生產(chǎn)安全。但新的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題隨之凸顯,主要包括3個(gè)方面:a.人因安全問(wèn)題。由人的不安全行為和管理上的部分缺陷導(dǎo)致,主要有非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、操作失誤、點(diǎn)檢巡查問(wèn)題等。b.設(shè)備安全問(wèn)題。設(shè)備自身狀態(tài)問(wèn)題和防護(hù)水平問(wèn)題,包括設(shè)備故障、設(shè)備缺陷、電源問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題、安全防護(hù)問(wèn)題等。c.環(huán)境安全問(wèn)題?？赡軐?duì)設(shè)備造成危害的風(fēng)險(xiǎn)因素,包括電磁、圍巖、溫濕度、振動(dòng)沖擊等。2.2層次模型構(gòu)建通過(guò)對(duì)該礦的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)資料分析,結(jié)合同類(lèi)地下礦山機(jī)電設(shè)備的相關(guān)安全資料,基于層次分析思想,將遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備在應(yīng)用中的安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素劃分為3個(gè)層次:①目標(biāo)層,即遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;②準(zhǔn)則層,分為人因風(fēng)險(xiǎn)(B1)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)(B2)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(B3);③因素層,由實(shí)際影響因素類(lèi)型按照隸屬關(guān)系劃分為13個(gè)二級(jí)指標(biāo)。最終構(gòu)建智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系(見(jiàn)圖1)。圖1智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1Safetyriskassessmentindexsystemofremoteautomationequipmentforsmartmine2.3風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算針對(duì)智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,根據(jù)層次分析法分析步驟構(gòu)建判斷矩陣,計(jì)算權(quán)向量并檢驗(yàn)一致性,結(jié)果見(jiàn)表3-表6。表3一級(jí)指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層(A-B)判斷矩陣及結(jié)果Table3Judgmentmatrixandresultsofthefirst-levelonthetargetlevel(A-B)表4B1-C判斷矩陣及結(jié)果Table4B1-Cjudgmentmatrixandresults表5B2-C判斷矩陣及結(jié)果Table5B2-Cjudgmentmatrixandresults表6B3-C判斷矩陣及結(jié)果Table6B3-Cjudgmentmatrixandresults由表3-表6可知,各判斷矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)層次總排序一致性為CR=由上可知,層次總排序滿足一致性要求。智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)總目標(biāo)權(quán)重結(jié)果及排序見(jiàn)表7。表7智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)組合權(quán)重Table7Thecombinedweightofsafetyriskofremoteautomationequipmentappliedinsmartmine根據(jù)表3-表6的層次單排序和表7的組合權(quán)重排序可知:a.智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)中,設(shè)備自身存在的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全影響最大,其次為人因風(fēng)險(xiǎn),最后為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。b.人因風(fēng)險(xiǎn)層面。操作失誤的權(quán)重遠(yuǎn)大于非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、點(diǎn)檢巡查頻率及項(xiàng)目缺失3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。因此,在智慧礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中管理者要注重加強(qiáng)對(duì)工人的崗位知識(shí)培訓(xùn),確保其能力符合上崗標(biāo)準(zhǔn)。c.設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)層面。各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的排序?yàn)?設(shè)備安全防護(hù)水平>設(shè)備缺陷>設(shè)備故障>網(wǎng)絡(luò)傳輸故障>電源異常,且設(shè)備安全防護(hù)水平對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全的影響明顯高于其他幾個(gè)因素,這說(shuō)明在智慧礦山安全生產(chǎn)管理中,要注重提高遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全水平,完善安全防護(hù)和預(yù)警裝置,保障設(shè)備和人員安全。d.環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)層面。電磁干擾的權(quán)重最大,說(shuō)明電磁場(chǎng)的影響對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備的安全危害最大,管理者應(yīng)對(duì)此加強(qiáng)防范。2.4風(fēng)險(xiǎn)矩陣構(gòu)建及危害性等級(jí)評(píng)判借鑒生產(chǎn)安全事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分方法,根據(jù)作業(yè)人身傷害程度和對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響程度,將安全風(fēng)險(xiǎn)危害事件的后果嚴(yán)重度分為4個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表8)。根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)危害事件發(fā)生的頻繁程度,將安全風(fēng)險(xiǎn)危害事件發(fā)生的可能性分為5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表9)。依據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)危害的后果嚴(yán)重度和可能性等級(jí)的確定過(guò)程建立安全風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)性等級(jí)對(duì)照表,采用矩陣法描述安全風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)性等級(jí)(見(jiàn)表10)。表8危害事件的后果嚴(yán)重度等級(jí)Table8Consequenceseveritylevelofhazardousevents注：量化值為AHP評(píng)價(jià)法計(jì)算權(quán)重,n為上級(jí)指標(biāo)層指標(biāo)個(gè)數(shù)。表9危害事件的可能性等級(jí)Table9Likelihoodlevelofhazardousevents表10危險(xiǎn)性等級(jí)對(duì)照Table10Hazardlevelcomparison綜上所述,AHP-LS綜合評(píng)估法就是將風(fēng)險(xiǎn)矩陣中風(fēng)險(xiǎn)后果的嚴(yán)重性等級(jí)用層次分析法的量化權(quán)重來(lái)評(píng)判(見(jiàn)表8),以減小主觀評(píng)判的誤差;同時(shí)通過(guò)德?tīng)柗品ù_定各風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的可能性等級(jí)(見(jiàn)表9);最后根據(jù)表10得到遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素危害性等級(jí)(見(jiàn)表11)。由表11可知,在遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)體系中,遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備的安全防護(hù)水平是影響遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全的關(guān)鍵因素,其風(fēng)險(xiǎn)危害最大;非崗位人員侵入、作業(yè)人員進(jìn)入不安全區(qū)域、操作失誤、設(shè)備故障、設(shè)備缺陷、振動(dòng)沖擊6個(gè)影響因素風(fēng)險(xiǎn)危害一般;點(diǎn)檢巡查頻率及項(xiàng)目缺失、電源異常、網(wǎng)絡(luò)傳輸故障、電磁干擾、圍巖松動(dòng)、溫濕度6個(gè)影響因素風(fēng)險(xiǎn)危害相對(duì)較小。表11風(fēng)險(xiǎn)矩陣危害性等級(jí)評(píng)判結(jié)果Table11Evaluationresultsofhazardlevelofriskmatrix3結(jié)論a.結(jié)合層次分析法和風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估法,構(gòu)建了智慧礦山遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)化設(shè)備在礦山實(shí)際應(yīng)用中的單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行了量化評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)整個(gè)體系的風(fēng)險(xiǎn)因素作出了危害性等級(jí)評(píng)估。研究結(jié)論具有一定的代表性,對(duì)于礦山智慧化進(jìn)程中的風(fēng)險(xiǎn)管控工作具有一定的指導(dǎo)意義。b.在