基于熵-測度量化的煤礦應急救援能力評價

陳錦瑞

(延長石油集團魏墻煤業有限公司，陜西 榆林 719100)

0 引言

煤礦開采屬于高風險作業，生產條件差且發生事故的危險源較多。礦井一旦發生事故，應急救援能力的強度就決定了救援的成效，因此需要提前對煤礦應急救援能力做出評價，了解煤礦企業現有的應急救援能力實際水平，發現不足并及時改進。近些年，我國許多專家學者在煤礦應急救援能力評價方面進行了研究，并提出了相應的評價方法，主要有李叔保等[1]應用層次分析法對煤礦應急能力評價研究，侯金玲[2]應用灰色—模糊綜合法對煤礦應急救援能力進行評價研究，李樹剛等[3]應用ANP-BP方法對煤礦應急能力進行了評價，王春光等[4]利用可拓學理論對煤礦應急救援能力進行了評價。然而，應用上述方法進行煤礦應急救援能力評價時，權重的計算受主觀因素影響較大，且不能綜合考慮一些評價因素的不確定性和隱蔽性，造成評價結果與實際情況可能不相符合。基于此，引入信息熵與未確知測度理論對煤礦應急救援能力進行研究。

信息熵理論是美國數學家香農為解決信息的度量問題提出的概念，利用信息熵確定權重可以充分利用客觀數據所提供的信息來確定權重，較好地消除人為因素帶來的偏差[5-7]。未確知測度理論由我國學者王光遠[8]在1990年提出，它的特點是可以很好地解決評價中諸多因素的不確定性信息，還可以對其進行定量分析。因此將二者相耦合利用，既避免了確定權重的主觀偏向性，又可定量去分析不確定性因素，使評價結果更為客觀與實際情況更吻合。目前，熵-測度模型被成功應用到不同領域的風險評價和應急能力評價中[9-12]。所以將耦合模型應用到煤礦應急救援能力評價中是一種較為理想和實用的評價方法。

1 煤礦應急救援能力評價體系及等級劃分

根據煤礦應急救援能力的含義和綜合考慮應急救援能力的各影響因素，以國家安全法規為基準并按照科學性原則、系統性原則、可量化原則、可行性原則構建煤礦應急救援能力評價指標體系。將煤礦應急救援能力總體分為危險源檢測能力、應急準備能力、應急救援執行能力和事后恢復能力4類，再從4類指標中選取19個指標作為評價因子，如圖1所示。

圖1 煤礦應急救援能力評價指標體系

根據煤礦應急救援能力評價指標等級劃分標準，將每個評價指標劃分為5個等級，即為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，分別表示煤礦應急救援能力好、較好、一般、較差、差。根據《煤礦安全生產法》《安全評價》和《國家安全生產事故災難應急救援預案》等文獻，以及根據煤礦現狀及相關專家建議，對每一級都確定了一個評分標準，見表1(Xi代表煤礦應急能力各評價指標)。

表1 煤礦應急救援能力評價指標分級標準

2 煤礦應急救援能力熵-測度模型的構建

將煤礦應急救援能力評價空間記為X，各應急能力評價因素分別用x1,x2,…,xn表示，則X=(x1,x2,…,xn)。而每個評價的因素xi具有n個評價指標f1,f2,…,fm即F={f1,f2,…,fm}，用xij表示第i個評價因素xi關于第j個指標fj的測量值。對每個評價指標都有l個評價等級c1,c2,…,cg評價空間記為U則U={c1,c2,…,cg}，設第ck為第k級的評價等級，且k級比k+1級強，記為ck>ck+1(k=1,2,…,g)，那么，U={c1,c2,…,cg}就是評價空間U上的一個有序分割類。

2.1 單指標測度評價矩陣

設應急能力評價因素xi關于評價指標In在評價等級ck處的程度為uijk，記uijk=u，其中是指標對評價等級的測量結果，是一種uijk可能性測度，要求它符合

0≤u(xij∈ck)≤1

(1)

u(xi∈U)=1

(2)

(3)

其中，式(1)稱為“非負有界性”，式(2)稱為“歸一性”，式(3)稱為“可加性評”。滿足以上各式的u為未確知測度。評價因素xi的單指標未確知測度矩陣為

(4)

2.2 信息熵確定指標的權重

(5)

(6)

由于單指標測度評價矩陣已知，因此可以通過(5)式和(6)式求得權重wj。

2.3 多指標綜合測度評價向量

若uik=u(X∈ck)評價因素xi屬于第k等級的程度，則有

(7)

2.4 置信度識別準則

為了確定煤礦應急救援能力的最后評價結果，引入置信度識別準則：設λ為置信度(λ≥0.5，通常取0.6或0.7)，如果c1>c2…>cg，且令

(8)

則認為此煤礦應急救援能力屬于第k0個評價等級ck0。

3 應用實例

以魏墻煤礦為例，該礦為了驗證事故應急預案的合理性和提高煤礦應急救援能力，每半年組織一次應急演練。并在演練期間邀請事故應急救援方面的專家，分工對演練的每個程序進行考核評價，綜合考核結果給出煤礦應急救援能力等級，從而發現礦井在應急救援過程中所存在的問題及時進行改進。選取最近一次應急演練進行評價，各項評價指標的專家賦值結果，見表2。

表2 應急救援能力評價指標賦值

3.1 構造單指標測度函數

根據單指標測度函數的定義和煤礦應急救援能力評價指標分級標準(表1)，構建煤礦應急救援能力評價指標的單指標測度函數。所確定的測度函數如圖2所示。

圖2 各指標測度函數

3.2 計算多指標綜合測度評價向量

將表2中各指標的評價賦值代入單指標測度函數(圖2)中，計算煤礦應救援能力評價的單指標評價矩陣，得到的評價矩陣如下

(9)

應用熵理論(5)和(6)式確定魏墻煤礦的應急救援能力體系的各個評價指標的權重，所確定的評價指標權重為(w1,w2…w19)=(0.064 289 7，0.036 601 6，0.036 601 6，0.036 016，0.064 289 7，0.064 289 7，0.064 289 7，0.036 601 6，0.036 601 6，0.064 289 7，0.064 289 7，0.064 289 7，0.064 289 7，0.036 601 6，0.064 289 7，0.064 289 7，0.064 289 7，0.036 601 6)。然后根據多指標綜合測度評價向量式(7)和單指標評價矩陣(9)確定二墩煤礦應急救援能力體系的多指標綜合測度評價向量為u={0.412 952 5，0.449 554 1，0.119 192 1，0.018 300 8，0}。

3.3 置信度識別

由于評價等級{c1,c2,…,cg}的有序性，建立置信度準則，取置信度λ=0.7，根據(8)式可得k0=min|0.412 952 5+0.449 554 1=0.862 250 66>0.7|。所以，由上式可以判斷魏墻煤礦應急救援能力等級屬于Ⅱ級，即該煤礦的應急救援能力較好。應用熵-測度模型所確定的評價等級與專家組對此次應急演練所給出的綜合結果相符，與該礦的實際情況相吻合。

4 結論

(1)通過對煤礦應急救援因素的分析和現場實際調研，以國家安全法規為基準并依據科學性原則、系統性原則、可量化原則、可行性原則建立了煤礦應急救援能力評價指標體系。

(2)引入未確知測度理論，構建煤礦應急救援能力的評價模型，利用信息熵理論確定各項指標的權重，應用置信度識別準則進行評價等級判定。

(3)將評價模型應用于陜北魏墻煤礦，結果表明，該煤礦的應急能力較好，與實際情況相吻合。所構建的評價模型為煤礦應急救援能力研究提供了一種新的思路，可以為煤礦事故的預防及應急救援能力的提升方面提供科學合理的決策支持。