基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型

王 蕾，楊 力(.安徽理工大學經濟與管理學院，安徽 淮南 300；.安徽理工大學人文社會科學學院，安徽 淮南 300)

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基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型

王 蕾1，楊 力2
(1.安徽理工大學經濟與管理學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學人文社會科學學院，安徽 淮南 232001)

為提高煤礦企業本質安全管理評價的準確度，減少人為主觀因素在安全管理評價中的影響，建立了基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型。粗糙集方法從特征選擇的角度約簡出最能體現特征類別的少數關鍵屬性，依此構建出煤礦本質安全管理評價指標體系；利用拉開檔次法對小樣本進行評價，以定量化方法解決多屬性綜合評價問題，進而得出煤礦本質安全管理評價結果；兩種方法相結合，有利于對小樣本數據的煤礦本質安全管理進行評價。以某大型煤電集團本質安全管理評價資料進行實證研究，通過實驗數據與原評價結果的對比，得出該評價模型具有較高的精度，有助于評價煤礦安全管理水平，對建立煤礦安全管理機制具有重要作用。

本質安全管理；粗糙集；拉開檔次法；評價模型

本質安全型煤礦企業，是指運用先進的安全管理理念、科學的安全管理方法以及先進的科學技術，使得企業內部的人、物、系統、制度達到安全、和諧、統一，從而使各類事故降到最少，最終實現企業零事故的本質安全[1-2]。近年來我國各地區煤礦事故時有發生，不僅給我國造成了巨大的損失，也嚴重危害了許多煤礦工作人員的人身安全，而90%的煤礦事故發生都是由于管理的疏忽所造成的。因此，從2005年以來，我國政府提出煤礦“兩型三化”的發展方向，煤礦企業要建設成為安全高效型、本質安全型的礦井。煤礦本質安全管理作為本質安全型煤礦的核心內容，做好煤礦本質安全管理評價對煤礦的安全、高效發展具有十分重要的作用。

1 文獻綜述

煤礦本質安全管理的內涵、指標體系和評價模型，是做好煤礦本質安全管理評價的重要組成部分，三者之間密不可分。從內涵角度，杜春宇等從煤礦管理的多個角度進行分析，分別從宏微觀兩個方面探討了煤礦本質安全管理的內涵[1]，同時提出了煤礦本質安全管理評價指標[3]。從指標體系角度，李新春和宋學鋒的指標體系主要是從風險管理和閉環管理方面進行的，據此得出了一些改進措施[4]。從評價模型角度，主要是利用層次分析法、模糊綜合評價方法，而這些方法在指標權重的設定上會受到人為主觀因素的影響，進而對最終評價結果的準確性產生影響。王志慧等采用層次分析法構建了評價模型[5]，杜春宇等在此基礎上進一步探索，采用模糊層次分析法對指標進一步模糊細分，改進了評價模型[6-7]。針對以上研究的缺陷，本文建立了基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型，利用粗糙集理論約簡出煤礦本質安全管理評價指標體系，使得有限的評價指標能夠滿足評價的要求。利用拉開檔次法進行評價，既能反映出樣本之間的差異性，對評價結果進行排序分級；同時還能減少主觀因素對指標權重的影響，直接利用評價數據進行評價，進一步提高評價結果的準確度。

2 基于粗糙集和拉開檔次法的本質安全管理評價模型構建

2.1 煤礦本質安全管理評價指標的選取

煤礦本質安全管理就是對煤礦企業中存在的、可能造成事故的各種不安全因素進行識別并超前控制，從而減少煤礦事故發生的現代管理方法。對煤礦企業本質安全管理的評價本質上就是對煤礦生產各環節的安全管理評價，它涉及到人、設備、環境、管理等多個要素，煤礦本質安全管理的目標就是要達成這些要素的匹配，從而達到企業的裝備先進、環境可靠、管理精細，安全領先。

從指標選取的角度，煤礦本質安全管理的主要要素涵蓋4M理論的四個方面[8]，即人(Men)、設備(Machine)、環境(Environment)和管理(Management)。基于人-設備-環境-管理為一體的評價指標的主要方面，細分出與此相關的各個因素。

對于指標體系的進一步細分，則采用粗糙集理論。在對煤礦本質安全管理進行評價時，為防止重要因素的漏選，普遍的做法是選擇較多的評價指標集，但當評級指標過多時，無疑會增大評價的難度。但實際應用中，并不是所有的評價指標都是非常有用的。從特征選擇的角度考慮，類別在很大程度上是由最能體現出類別特征的少數關鍵屬性決定的。所以，可以利用特征方法選出一些對評價起主要作用的影響因素，以此作為運用拉開檔次法的評價指標。粗糙集為解決這一困難提供了較好的方法。粗糙集約簡是用于數據選擇和分析的重要方法，知識約簡能夠刪除冗余指標，從眾多有相互關聯的因素中找出最本質的特征變量。

設煤礦本質安全管理評價指標的論域為V[9]，R為V上的一個等價關系，則K=(V，R)稱為一個近似空間。若x，y∈V且(x，y)∈R，則x和y在K上是不可區分的，R被稱為一個不可分辨關系。若P?R，且P≠φ，則R∩P也是一個等價關系，并且稱為P上的一個不可分辨關系，記為ind(P)。若屬性r∈P，且ind(P)=ind(P-(r))，則稱r為P上可省略的，否則稱r為P上不可省略的。當屬性r為P上可省略時，可以認為屬性r對于評價煤礦本質安全管理的意義不大，屬于冗余屬性，省略以后不會影響到煤礦本質安全管理的評價。利用這一特性就可以對煤礦本質安全管理的評價指標進行知識約簡，從眾多的條件屬性中最大限度地刪除冗余屬性，提取出最小數量的必要屬性。

通過文獻研究和實地調查，可以看出煤礦本質安全管理評價體系是一個紛繁復雜的評價體系，涵蓋了煤礦安全管理的方方面面。構造的評價體系見圖1[10-11]。

2.2 煤礦本質安全管理評價模型設計

煤礦本質安全管理評價是一個多屬性綜合評價問題，拉開檔次法正是解決這類問題的恰當方法。在得出核心評價指標體系之后采用拉開檔次法對樣本進行評價。評價模型見圖2。

圖1 煤礦本質安全管理評價指標體系

設極大型評價指標為x1，x2，…，xn(如果有指標不是極大型，則將其轉化為極大型)，則線性函數(式(1))即被評價對象的綜合評價函數[12-14]。

y=ω1x1+ω2x2+…ωnxn=ωTx

(1)

式(1)中：ω=(ω1，ω2，…，ωn)T看作n維的待定正向量(所發揮的作用等于權系數向量)；x=(x1，x2，…，xn)T是被評價對象的原始狀態量。

假設將第i個被評價對象的n個標準原始觀測值xi1，xi2，…，xin代入式(1)中，得到式(2)。

yi=ω1xi1+ ω2xi2+ …ωnxi n，i = 1，2，…m

(2)

假設有式(3)。

(3)

那么式(2)可改寫為式(4)。

y=Aω

(4)

確定權系數向量ω的基準是能最大程度地表現出因“質量”不同而導致的評價對象間的不同。若用數學語言描述，則是求出指標向量x的線性函數ωTx，并要求該函數對m個評價對象取值的方差盡可能最大，分散程度盡可能最大。

變量y=ωTx依照m個評價對象取值，以此構成的樣本方差表示為式(5)。

(5)

ns2=ωTATAω=ωTHω

(6)

在式(6)中，H=ATA是對稱矩陣。

很明顯，假如對ω不加限制，式(6)取值可取任意大的值。在ωTω=1時，要求求出式(6)的最大值。即選擇一個ω，使其滿足式(7)。

maxωTHω

(7)

3 實證分析

以某大型煤電集團的以往資料為例，獲得樣本數據資料，見表1。表中的數據是各礦井的評價結果，本質安全管理等級是通過Delphi法由專家經驗得到。依據本質安全型煤礦建設水平的不同層次，本質安全管理評價等級共劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級。本質安全Ⅰ級各指標得分均不低于90分，本質安全Ⅱ級各指標得分均不低于80分，本質安全Ⅲ級指標得分均不低于70分，若未達到上述評定要求，則判定為非本質安全Ⅳ級。

表1中的數據都是極大型指標，因此將其標準化，得出的數據處理結果見表2。

通過使用Matlab計算求得對稱矩陣H，見式(8)。

(8)

將該向量歸一化后，則有式(9)。

(9)

表1 樣本數據表[15]

表2 數據處理結果

表3 評價結果表

表4 新模型結果與原模型結果對比

由表4可以看出，基于粗糙集和拉開檔次法的模型評價結果與原評價結果基本一致，但是也存在不同之處，礦井2由原來的Ⅲ級變為Ⅱ級，礦井4由原來的Ⅰ級變為Ⅱ級，相比樣本結果來看，新模型的評價結果更為準確，更有說服力。首先，基于粗糙集和拉開檔次法的模型采用定量化的權重賦值方法，不但有力地突出了各評價指標間重要性不同，同時所得結果更加客觀。其次，從指標得分值來看，礦井2的前3項指標得分都高于80，只有第四項較低，而且第四項的權重最小，所以將礦井2由原來的Ⅲ級變為Ⅱ級更準確；礦井4在四項指標中只有第一項高于90分，其余三項都低于90分，而且占權重最大的第三項指標的分數是四項指標中最低的，因此將礦井4由原來的Ⅰ級變為Ⅱ級更合理。

4 結 論

本文提出了一種基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型，并將其實際應用到煤礦本質安全管理評價中。

1)基于粗糙集和拉開檔次法的煤礦本質安全管理評價模型充分利用了粗糙集擅長處理眾多解釋變量的能力，以及拉開檔次法基于差異功能驅動的評價能力，極大地提高了評價精度。

2)利用粗糙集對煤礦本質安全管理評價指標進行約簡，在信息完整的前提下得到了必要的評價指標，構建了煤礦本質安全管理評價指標體系，使得拉開檔次法的樣本數據大大減少，提高了模型的評價效率。

3)把拉開檔次法作為后置的評價方法，提高了模型的信息處理能力。解決了樣本數據量綱化和標準化問題，用定量的方法對指標數據進行賦權，與傳統的模糊評價法、層次分析法和德爾菲技術相比，獲得的評價結果更加客觀，減少了人為主觀因素對評價結果的影響。

[1] 杜春宇，杜翠鳳，宋存義.煤礦本質安全管理內涵研究[J].中國煤炭，2007，33(4)：62-64.

[2] Yang Li-jie，Meng Xiang-yun，Wang Gui-mei，et al.Study of inherent safety mine hoist based on modern design methods[C].International Conference on Digital Manufacturing and Automation，2010，449-450.

[3] 徐耀，杜春宇.煤礦本質安全管理評價指標研究[J].中國煤炭，2008，34(3)：76-79.

[4] 李新春，宋學峰.煤礦本質安全管理體系研究[J].中國礦業大學學報，2008(3)：65-69.

[5] 王志慧，杜春宇，杜翠鳳，等.煤礦本質安全管理評價的AHP數學模型及應用[J].煤炭科學技術，2008，36(2)：55-57.

[6] 杜春宇，陳東科，杜翠鳳，等.煤礦本質安全管理綜合評價體系模型與應用[J].重慶大學學報，2008，31(2)：198-201.

[7] Li Yang，Chengcheng Liu.Prediction of Gas Emission Based on Partial Correlation Analysis and SVR [J].Applied Mathematics & Information Sciences，2013(5)：1643-1647.

[8] 吳金剛，郭軍杰.基于4M的煤礦本質安全管理體系建設探討[J].中州煤炭，2011(3)：104-109.

[9] 朱幫助.基于SMC-RS-LSSVM的電子商務客戶流失預測模型[J].系統工程理論與實踐，2010，30(11)：1963-1965.

[10] 楊力，劉程程，宋利，等.基于熵權法的煤礦應急救援能力評價[J].中國軟科學，2013(11)：187-192.

[11] Wu Qiang，Shao Chang-an.The Study of Coal Mine Safety Evaluation Based on Dynamic Fuzzy[C].Sixth International Conference on Fuzzy System and Knowledge Discovery，2009：351-352.

[12] 郭亞軍.綜合評價理論、方法及拓展[M].北京：科學出版社，2012：37-38.

[13] 崔遠來，朱秀珍，李遠華.基于“縱橫向”拉開檔次法的灌區動態綜合評價[J].灌溉排水學報，2006，25(4)：20-22.

[14] 歐陽森，黃瑞藝，程小華.基于逐層拉開檔次法的電能質量綜合評價[J].華南理工大學學報，2013，41(5)：94-96.

[15] 李斌，王志軍.煤礦本質安全管理綜合評價的SVM模型及應用[J].礦業安全與環保，2013，40(5)：117-120.

Evaluation model for coal mine inherent safety managementbased on integration of rough sets and deviation maximization method

WANG Lei1，YANG Li2

(1.School of Economics and Management，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.School of Humanities and Social Science，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

To improve coal mine safety management evaluation accuracy and reduce the influence of the person’s subjective factors on the evaluation results，integrated model of rough sets and deviation maximization method for coal mine safety management evaluation is proposed in this paper.Rough sets select a few key attributes based on feature selection，and construct coal mine inherent safety management evaluation system；deviation maximization method which is a quantitative method is used for small samples to solve the multi-attribute comprehensive evaluation problem，then come to get the coal mine inherent safety management evaluation results；combination of the two methods is conducive to evaluate coal mine inherent safety management of small samples.Taking some evaluation data of a coal enterprise as samples，through comparison practical data with original data，empirical results show that this evaluation method had a high accuracy，so it would be helpful to evaluate the coal mine safety management level，and be important for the establishment of the coal mine safety management mechanism.

inherent safety management；rough sets；deviation maximization method；evaluation model

2014-11-17

國家自然科學基金項目“煤礦應急救援能力評價方法與應用研究”資助(編號：71371014)；國家自然科學基金項目“基于小樣本數據的煤礦安全評價方法與應用研究”資助(編號：71071003)；安徽理工大學大學生科研項目“煤礦應急救援能力評價與應用研究”資助(編號：ZZ1412)

王蕾(1991-)，女，山西長治人，碩士生，攻讀安徽理工大學管理科學與工程專業，研究方向為決策理論與方法、煤礦安全管理。E-mail：1334827837@qq.com。

楊力(1972-)，男，安徽淮南人，博士，教授，研究方向為決策理論與方法、煤礦安全管理。

C939

A

1004-4051(2015)11-0016-05