礦工情境意識(shí)多層遞階驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建*

俞 清，邵 丹

(1.南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學(xué) 商學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著先進(jìn)開采技術(shù)和信息技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的運(yùn)用，礦工生產(chǎn)過程中的認(rèn)知負(fù)荷不斷增加，由此產(chǎn)生的人因失誤也隨之增加，而這些失誤與礦工在生產(chǎn)過程中的情境意識(shí)密切相關(guān)[1]，這就需要對礦工情境意識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析。為此，對礦工情境意識(shí)構(gòu)成要素進(jìn)行系統(tǒng)分析并確定各要素在情境意識(shí)形成中的驅(qū)動(dòng)作用關(guān)系，從而構(gòu)建礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型對提升礦工情境意識(shí)水平具有理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)作用。

目前，一些學(xué)者對人員情境意識(shí)模型進(jìn)行了研究，如：Endsley在對人員動(dòng)態(tài)決策行為分析的基礎(chǔ)上，確定了人員情境意識(shí)的影響因素并建立人員情境意識(shí)三層模型[2]；Nazir等通過辨識(shí)關(guān)鍵因素，建立過程工業(yè)企業(yè)人員情境意識(shí)模型[3]；Mohsen等通過情境網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯分析情境意識(shí)影響因素，從而建立化工作業(yè)人員情境意識(shí)模型[4]；王永剛在Endsley建立的情境意識(shí)模型的基礎(chǔ)上，以管制員為研究對象，采用結(jié)構(gòu)方程模型建立管制員情境意識(shí)模型[5]；劉雙等以注意資源分配模型為基礎(chǔ)，通過定量化方法建立了飛行員的情境意識(shí)模型[6]。此外，還有一些學(xué)者對情境意識(shí)的影響因素進(jìn)行了研究，如：Alexandra采用相關(guān)性分析法研究了作業(yè)負(fù)荷和作用情境對核電站主控室作業(yè)人員情境意識(shí)的影響[7]；Seung等通過實(shí)驗(yàn)方法研究不同條件水平的操作控制室對操作人員情境意識(shí)的影響[8]；傅亞強(qiáng)等通過實(shí)驗(yàn)方法分析了作業(yè)任務(wù)和記憶2個(gè)變量對情境意識(shí)的影響[9]。以上這些研究為人員情境意識(shí)模型的構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)，但主要集中于過程工業(yè)或者航空領(lǐng)域，對于煤礦這一復(fù)雜高危系統(tǒng)涉及較少；同時(shí)，對于人員情境意識(shí)模型的研究主要集中于構(gòu)成要素的確定方面，對于要素間的作用關(guān)系以及要素在情境意識(shí)形成中的作用涉及相對較少。為此，本文在情境意識(shí)模型分析的基礎(chǔ)上，辨識(shí)礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素，然后綜合運(yùn)用DEMATEL法和ISM建立礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素因果關(guān)系分析方法，梳理驅(qū)動(dòng)要素間的邏輯關(guān)系，從而構(gòu)建礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型，以期為礦工情境意識(shí)分析提供理論參考。

1 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素分析

情境意識(shí)(situational awareness，SA)最早運(yùn)用于航空領(lǐng)域，隨著技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域運(yùn)用范圍的擴(kuò)大以及生產(chǎn)環(huán)境日益復(fù)雜，情境意識(shí)越來越多被用以分析復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)中的決策失誤和人因可靠性[10]，因此，在運(yùn)用過程中也形成了結(jié)合不同行業(yè)的情境意識(shí)概念。這些概念中，以Endsley提出的情境意識(shí)概念引用最廣泛，Endsley將情境意識(shí)界定為：在一定的時(shí)空條件下，人員對所處環(huán)境中的各類要素的知覺，對這些要素知覺進(jìn)行理解，并對要素的變化趨勢做出判斷和預(yù)測。為此，本文結(jié)合Ensley提出的情境意識(shí)概念，將礦工情境意識(shí)概念界定為：礦工在生產(chǎn)過程中，對井下作業(yè)環(huán)境要素感知并進(jìn)行組織和加工處理，形成對井下環(huán)境要素狀態(tài)的理解，并依據(jù)理解形成環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)變化趨勢預(yù)判。由上述概念可知，礦工在形成情境意識(shí)的過程中，主要包括對煤礦井下作業(yè)情境要素的感知、理解、判斷和預(yù)測3個(gè)環(huán)節(jié)。這3個(gè)環(huán)節(jié)的正確完成受到礦工所在組織要素和作業(yè)情境等外部要素以及礦工自身要素等內(nèi)部要素的綜合影響[5,10-11]。綜上情境意識(shí)概念分析，可用圖1所示的概念模型表征礦工情境意識(shí)。

圖1 礦工情境意識(shí)概念模型Fig.1 Conceptual model of coal miners’ situational awareness

由圖1中的礦工情境意識(shí)概念模型和文獻(xiàn)[4]、[5]和[11]中建立的人員情境意識(shí)影響因素，構(gòu)建礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素集，如圖2所示。

圖2 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素Fig.2 The driven factors of coal miners’ situational awareness

2 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素因果關(guān)系建模

由上述礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素分析可知，礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素間存在彼此相互影響的非獨(dú)立作用關(guān)系，而分析這種非獨(dú)立作用關(guān)系，就需要確定礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素彼此間的相互作用強(qiáng)度以及這些要素在礦工情境意識(shí)中的作用和地位[11]。為此，本文首先采用可以用于分析復(fù)雜系統(tǒng)中要素間因果關(guān)系的方法—DEMATEL法建立礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型中要素的定量化因果關(guān)系[12]，同時(shí)，針對傳統(tǒng)DEMATEL法在構(gòu)建直接影響關(guān)系矩陣中借助專家判斷信息易造成主觀偏差的問題，運(yùn)用信息熵理論獲取驅(qū)動(dòng)要素間的相對重要度，并將其作為礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素直接關(guān)系矩陣。上述礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型的建模主要分為以下6步。

①令礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素集A

②標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)要素矩陣A，形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B

③礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素j的熵值計(jì)算

(1)

④計(jì)算礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素j的權(quán)重系數(shù)

(2)

⑤形成礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的直接影響關(guān)系矩陣R

2)標(biāo)準(zhǔn)化礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的直接影響關(guān)系矩陣。綜合采用式(3)和(4)得到R的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X。

從圖1中可以看出，由于轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及載頻的不同，所得到的重構(gòu)結(jié)果δk,n的幅度大小會(huì)有所差異，但是由于觀測的目標(biāo)相同，因而所重構(gòu)的方位向散射點(diǎn)位置信息相同.這一特性可以在重構(gòu)過程中加以利用，從而提高重構(gòu)的精度.

(3)

(4)

3)計(jì)算要素的綜合影響矩陣T。T通過對步驟2)中的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X求幾何級(jí)數(shù)確定，計(jì)算如式(5)。

(5)

4)確定礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素影響度閾值λ，建立驅(qū)動(dòng)要素間鄰接矩陣D=(dij)，dij滿足下列條件。

(6)

式中：tij為礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的綜合影響關(guān)系矩陣元素；閾值λ取值為驅(qū)動(dòng)要素的綜合影響關(guān)系矩陣的均值[13]。

5)建立礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的可達(dá)矩陣M。當(dāng)驅(qū)動(dòng)要素間的鄰接矩陣D滿足式(7)，則可建立驅(qū)動(dòng)要素的可達(dá)矩陣。

(D+I)k-1≠(D+I)k=(D+I)k+1=M

(7)

式中：I是對應(yīng)的單位矩陣，D+I計(jì)算過程中可能形成矩陣元素為“2”的情形，此時(shí)需要將這些元素值更換為“1”，形成考慮驅(qū)動(dòng)元素自相關(guān)的矩陣。

6)劃分系統(tǒng)要素區(qū)域和層級(jí)。系統(tǒng)要素區(qū)域和區(qū)域內(nèi)層級(jí)劃分是指依據(jù)可達(dá)矩陣，確定系統(tǒng)內(nèi)部要素階梯結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)的過程，劃分的具體過程可參照文獻(xiàn)[14]給出的步驟，具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)劃分過程Fig.3 Process of system partition

3 礦工情境意識(shí)多層遞階驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建

3.1 驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建

為了驗(yàn)證和說明本文提出的礦工情境意識(shí)能力驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建方法的有效性，以國家煤礦安全監(jiān)察局網(wǎng)站公布的煤礦事故數(shù)據(jù)為樣本，對2010—2014年煤礦“較大級(jí)”以上的人因事故按照圖2的礦工情境意識(shí)能力驅(qū)動(dòng)要素進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 2010—2014年煤礦人因事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 The statistical results of human factor accidents in coal mine during 2010—2014

注：表中數(shù)據(jù)為歸一化之后數(shù)據(jù)。

由表1中煤礦人因事故分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果和建模步驟①～④，得圖2中礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的權(quán)重系數(shù)為：?11=(0.094,0.174,0.179,0.027,0.050,0.024,0.100,0.120,0.067,0.021,0.145)，則由步驟⑤可得礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的直接影響關(guān)系矩陣，如表2所示。

由表2中的礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素直接影響關(guān)系矩陣，結(jié)合式(3)～(5)，采用MATLAB軟件編程可得礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的綜合影響關(guān)系矩陣，如表3所示。

表2 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素直接影響關(guān)系Table 2 Direct influence relationship for driven factors of coal miners’ situation awareness

表3 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素綜合影響關(guān)系Table 3 Comprehensive influence relationship for driven factors of coal miners’ situation awareness

由表3中的礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素綜合影響關(guān)系矩陣，確定閾值λ為0.053，按式(6)建立礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的鄰接矩陣，如表4所示，并依據(jù)式(7)和步驟6)采用MATLAB進(jìn)行編程，可得礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型，如圖4所示。

表4 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素鄰接矩陣Table 4 Adjacency matrix for driven factors of coal miners’ situation awareness

圖4 礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型Fig.4 Driven model for coal miners’ situation awareness

3.2 模型分析

由圖4建立的礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)階梯模型可知，第1層中的生理心理狀況(df7)、工作記憶(df8)、作業(yè)經(jīng)驗(yàn)(df9)和作業(yè)能力(df10) 4個(gè)驅(qū)動(dòng)要素是礦工情境意識(shí)的直接影響因素。該分析結(jié)果與文獻(xiàn)[11]中分析的操縱員情境意識(shí)模型基本一致，表明了分析結(jié)果的有效性。同時(shí)，根據(jù)表1中煤礦人因事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010—2014年這5年中事故率最高的誘發(fā)因素有3年分布在直接驅(qū)動(dòng)要素中，表明直接驅(qū)動(dòng)要素對礦工情境意識(shí)失效具有顯著影響，因此煤礦企業(yè)在制定礦工情境意識(shí)提升策略時(shí)可以考慮從這4個(gè)方面建立具體實(shí)施措施，但是需要注意的是，這些直接影響因素還受其他間接因素影響，這就要求建立措施過程中需要考慮間接驅(qū)動(dòng)要素的影響作用。

第2層和第3層的驅(qū)動(dòng)要素為礦工情境意識(shí)的間接影響因素，這與文獻(xiàn)[16]相一致。間接影響因素主要是組織層級(jí)的因素，組織所建立的制度會(huì)對組織行為形成規(guī)范和約束，顯然組織制度設(shè)計(jì)不合理或者不完善就會(huì)對組織的其他活動(dòng)產(chǎn)生影響，從而對組織中的個(gè)體產(chǎn)生影響，最終形成事故。例如，組織培訓(xùn)制度不健全就可能導(dǎo)致培訓(xùn)工作不到位從而使礦工對相應(yīng)的操作規(guī)程和注意事項(xiàng)等信息掌握不充分，進(jìn)而出現(xiàn)人員無法勝任崗位的現(xiàn)象，從而可能引發(fā)事故。同樣，如果作業(yè)規(guī)程設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致礦工生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)負(fù)荷的增加，這樣就可能對礦工形成壓力并影響礦工的心理和生理狀況以及操作能力，進(jìn)而增加情境意識(shí)失效的可能性。因此，煤礦企業(yè)要注重企業(yè)組織建設(shè)的工作，尤其是建立健全完善的組織制度。

第4層的驅(qū)動(dòng)要素是礦工情境意識(shí)的根本影響因素。煤礦班組安全氛圍(df5)處于驅(qū)動(dòng)模型的最底層，該分析結(jié)果與文獻(xiàn)[16]相一致。班組安全氛圍屬于看不見的驅(qū)動(dòng)要素， 而礦工情境意識(shí)水平需要通過礦工個(gè)體得以體現(xiàn)，因此班組安全氛圍只能通過影響間接層要素并最終影響礦工的情境意識(shí)。例如，不良的班組安全氛圍會(huì)導(dǎo)致班組成員和管理層的信息溝通與交流不暢，可能會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的管理制度以及操作規(guī)范等組織行為得不到礦工的認(rèn)可，從而使礦工出現(xiàn)對抗心理和情緒，進(jìn)而作用于其安全作業(yè)能力，并最終影響礦工的情境意識(shí)[15]。

4 結(jié)論

1)礦工情境意識(shí)是由多層次要素交互影響彼此互為因果作用從而驅(qū)動(dòng)形成的，同時(shí)，現(xiàn)有的人員情境意識(shí)模型處理這種因果驅(qū)動(dòng)關(guān)系主要基于統(tǒng)計(jì)分析方法，對于同一準(zhǔn)則層要素間的相互作用關(guān)系以及跨層級(jí)要素間的作用關(guān)系分析不足，采用熵值法和DEMATEL方法對這種作用關(guān)系進(jìn)行定量分析，不僅可以降低由傳統(tǒng)DEMATEL方法形成的主觀偏差，還可以對驅(qū)動(dòng)要素間的因果關(guān)系進(jìn)行充分分析，從而提升礦工情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)模型的魯棒性。

2)礦工情境意識(shí)的改善不僅需要關(guān)注礦工自身的心理和生理狀況、作業(yè)技能水平這些直接作用的影響因素，更需要從組織層面提升礦工情境意識(shí)水平，通過加強(qiáng)班組安全氛圍建設(shè)，完善組織制度建設(shè)，從而間接影響礦工個(gè)人情境意識(shí)驅(qū)動(dòng)要素的提升，最終實(shí)現(xiàn)礦工情境意識(shí)水平提升。

3)本文采取的定量分析方法主要依據(jù)安全生產(chǎn)事故數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是整體數(shù)據(jù)，雖然保障了數(shù)據(jù)的相對充足，但是事故分布呈現(xiàn)地域或者企業(yè)集中現(xiàn)象，因此分析的結(jié)果也可能存在相同的問題。如何有效解決上述問題，從而提高分析結(jié)果的針對性，是后續(xù)研究過程中需要加以考慮的內(nèi)容。