基于CWM-TOPSIS模型的金属矿山企业安全管控能力评价
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Evaluation of Safety Control Capacity of Metal Mining Enterprises Based on CWM-TOPSIS Model
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通讯作者:
收稿日期: 2023-09-11 修回日期: 2024-01-12
基金资助: |
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Received: 2023-09-11 Revised: 2024-01-12
作者简介 About authors
李筱(1994-),女,山东泰安人,博士研究生,从事应急管理方面的研究工作
关键词:
Keywords:
本文引用格式
李筱, 许钧, 张成旭, 隋来伦, 王在勇.
LI Xiao, XU Jun, ZHANG Chengxu, SUI Lailun, WANG Zaiyong.
金属矿产资源是经济、社会、国防工业以及高精尖行业不可或缺的重要战略资源,为国家经济和社会发展作出了重要的贡献。近年来,我国金属矿采矿规模迅猛发展,建成的县级以上国有金属矿山已达900余座,金属矿石年产量增长至4亿t左右(张艳利,2022)。与此同时,人为开采矿产资源必然会导致一些安全问题,尤其是随着开采规模的不断扩大以及开采深度的增加,各类突发事故层出不穷,破坏性也在逐步加重(王少峰等,2021;王佳斌等,2024),为此国家对于矿山安全愈发重视(蔡美峰等,2021;王勇等,2023),金属矿山企业对矿山安全更是负有极其重要的责任。目前,各金属矿山企业针对矿山安全建立了一些安全管理制度和应急管理制度,通过统计分析大量矿山事故资料和相关文献发现,安全事故的发生大多是企业在安全方面的管理缺失所导致的。因此,安全管理是矿山系统安全的重要环节,金属矿山企业的安全管控能力是评估矿山整体安全水平的重要依据(丁百川,2017;叶文涛等,2021)。
关于矿山安全管理评价已有较多研究。昌孝存(2019)构建了以安全理念为核心,包含组织、制度、技术和信息等7个要素以及危险源预控和灾害应急救援2个关键环节的安全保障体系,利用事故树模型和层次分析法评价了某煤矿企业的安全水平并提出了安全保障优化方案。尹斌等(2020)以山西某煤矿为例评价了企业行为安全现状水平,并提出了减少不安全行为的具体措施。王猛等(2020)评价了地下金属矿山安全保障条件,并提出提升产能的安全保障措施。高振兴等(2020)基于系统过程中安全管理的“四因素”理论,提出了熵值法与突变理论相结合的尾矿库安全评价方法,并计算得到尾矿库的综合安全状况等级。李东印等(2022)通过对比传统和智能化综采安全系统特征,从人、机、环、管4个方面选取指标建立安全评价体系,并基于熵权—可拓理论构建安全评价模型用于计算安全等级。张景钢等(2022)提出了基于贝叶斯网络的HAZOP-LOPA矿山安全评价方法,并应用在瓦斯爆炸事故评价中。上述学者采用不同理论和方法进行矿山安全评价研究,取得了一些成果,这些研究大多集中在矿山安全风险和各类安全事故评价等方面,主要关注矿山安全管理相关评价。
然而,针对目前数智时代下的金属矿山企业安全管控能力方面的研究较少,且缺乏工程实践分析。鉴于此,本文建立了金属矿山企业安全管控能力指标体系,分别运用熵权法(EWM)和层次分析法(AHP)对各个指标进行权重值计算,再将综合权重法(CWM)与TOPSIS法相结合构建金属矿山企业安全管控能力模型,根据模型计算结果评估金属矿山企业安全管控能力,并提出合理化建议。
1 金属矿山企业安全管控能力指标体系构建
金属矿山企业安全管控能力是指能够反映金属矿山企业安全管理现状的知识和技能的组合,包括金属矿山本质安全水平和安全风险防范与控制两大方面。对于金属矿山本质安全水平,《安全生产“十二五”规划》首次提出“本质安全”的要求,之后《“十四五”国家安全生产规划》提出要筑牢本质安全防线。金属矿山结合自身特点,积极探索实践本质安全技术与安全管理方法,其中资源禀赋和开采技术条件是决定金属矿山本质安全水平的基础。金属矿山开采深度普遍在500 m以上,高温高地应力条件下极易发生岩爆事故,严重影响矿山作业人员的安全。同时,传统生产方法和技术存在操作工序繁琐且劳动强度大等缺点,不仅制约了工作面的推进速度,还成为安全管控的薄弱环节。因此,必须淘汰落后的工艺和装备,推广先进的适用防治技术,注重矿山安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防控制,进一步严格安全生产基本条件及技术管理,提升金属矿山本质安全水平(王国法等,2023)。对于安全风险防范与控制,《“十四五”矿山安全生产规划》提出实施矿山智能化发展行动计划,深入推进非煤矿山机械化、自动化和信息化建设,逐步推进非煤矿山智能化建设。以机械化为基础、自动化为主导、信息化为支撑的矿山智能化建设有力保障了煤矿安全生产,安全高效生产力水平实现跨越式进步。近年来,数字化管理手段和智能安全监测被推广应用于提升传统金属矿山的安全管理模式,例如基于数字孪生的智能安全管控平台、自动化三维建模安全监测以及智能互馈的安保系统等(邹龙,2022)。因此,在“智慧矿山”、“金属矿山数字化转型”的关键时期,应结合机械化设备、自动化装备和信息化技术手段,实现矿山本质安全运行,从根源上减少风险事故的发生,提升安全管控能力。
综合以上两大方面,参考《矿山安全标准工作管理办法》,结合《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423-2020)、《关于加强非煤矿山安全生产工作的指导意见》和《金属非金属矿山企业安全风险分级管控工作指南》对安全管理的相关要求,通过参考相关文献和开展专家咨询,总结出包括人、机、环、管、信息等多个维度的指标。但过多的指标不仅会增加评价的难度,而且会因指标间的相互关联造成信息相互重叠和干扰。因此,考虑到目标性原则和系统性原则,首先根据因子分析法关于利用少数几个公共因子解释多个观测变量中存在的复杂关系的思想,对总结出的综合指标进行分解,并提取出13个公共因子,归结为指标层。然后,根据主成分分析法的降维思想,将原始变量重新组合成一组新的互不相关的几个综合变量以代替原始变量,将13个公共因子归结为4个主成分,即4个维度的准则层。最后,建立以企业安全管理能力、企业员工安全水平、企业风险控制能力和企业安全数智化水平4个维度下包括责任主体落实、安全技能水平和应急处置能力等13个指标的金属矿山企业安全管控能力评价指标体系(图1)。
图1
图1
金属矿山企业安全管控能力评价指标体系
Fig.1
Index system for evaluation of safety capacity capability of metal mining enterprises
2 金属矿山安全管控能力评价方法
金属矿山安全管控能力评价包括定性分析和定量计算2个方面。定性分析主观因素影响太大,不可避免地出现个体认知偏差。定量计算拥有具体实测数据,但存在数据量不足或屏蔽经验和专业知识的问题。在实际应用中,应采用定量和定性相结合的方法,综合考虑主客观数据,使得结果更加符合实际情况。
2.1 AHP法确定指标权重
(1)邀请金属矿山行业专家和从事相关研究的学者根据1~9标度法对各级指标进行打分,指标取值原则见表1。通过各指标间两两相比构建判断矩阵 S。
表1 判断矩阵标度定义
Table 1
标度 | 含义 |
---|---|
1 | 2个要素相比,同样重要 |
3 | 2个要素相比,后者比前者稍重要 |
5 | 2个要素相比,后者比前者明显重要 |
7 | 2个要素相比,后者比前者强烈重要 |
9 | 2个要素相比,后者比前者极端重要 |
2,4,6,8 | 上述相邻判断的中间状态 |
倒数 | 2个要素相比,后者比前者的重要性标度 |
(2)结合标度值计算矩阵 S 各个因素权重
式中:
式中:
式中:
(3)计算判断矩阵 S 的相关参数,包括各个因素最大特征值
式中:
如果C.R.<0.1,则通过一致性检验,权重值有效;反之则需要对判断矩阵 S 进行修改,使之能够满足一致性检验。
2.2 EWM法确定指标权重
(1)针对m个评价样本和n个评价指标建立评价矩阵 E。
(2)对于各指标间的差异化,进行样本数据的标准化处理。正向指标和负向指标标准化公式分别为
(3)完成步骤(2)后,可以对各个指标统一进行权重的分配。
式中:
(4)计算各指标的熵值和熵权
利用式(13)~
式中:P为一个恒定值,
2.3 CWM法确定指标权重
为了更好地结合AHP和EWM 2种计算权重的方法,对主客观权重进行综合分析,使评价指标的综合权重更加科学合理(吴建斌等,2021)。此处采用组合加权法进行权重计算:
式中:
结合博弈论理论,为实现综合权重向量 ω 与单一权重向量
2.4 TOPSIS法评价模型
(1)原始数据的加权运算
定义m为评价样本,n为评价指标。根据CWM法求得的权重值进行加权运算,得出一个加权规范化矩阵 T。
(2)正理想解与负理想解的计算
(3)欧式距离的计算
(4)相对贴近度的确定
根据
3 金属矿山企业安全管控能力综合评价
为了检验模型评价企业安全管控能力的有效性,选取金、石膏等12种矿产资源储量居全国第1位的山东省5个金属矿山进行了调研。其中,包括山东黄金集团3家黄金企业,招金集团2家黄金企业,来源于中国百家最大有色金属矿采选冶企业,具有采、选、冶综合生产能力的国家大型二档和开采年限较长的几家黄金企业。运用本文提出的评价方法进行企业安全管控能力评价。
3.1 AHP法计算权重
利用AHP法构建各金属矿山企业安全管控能力评价指标的判断矩阵,并计算各评价指标的权重ω1,进行一致性检验。具体结果如表2所示。
表2 判断矩阵 S 的权重计算及一致性检验结果
Table 2
S | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 | x6 | x7 | x8 | x9 | x10 | x11 | x12 | x13 | ω1 | 权重排序 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
x1 | 1 | 1.3665 | 2.6377 | 0.8417 | 1.0811 | 0.2180 | 0.4327 | 2.6199 | 0.2385 | 0.2224 | 0.2458 | 0.2210 | 1.7419 | 0.0463 | 11 |
x2 | 0.7318 | 1 | 0.2715 | 0.9770 | 0.4862 | 0.2055 | 0.2915 | 0.3294 | 0.3683 | 0.2485 | 0.2194 | 0.3748 | 0.5426 | 0.0212 | 13 |
x3 | 0.3791 | 3.6828 | 1 | 0.3904 | 0.2892 | 0.5598 | 0.5464 | 0.2109 | 0.4940 | 7.2657 | 1.1005 | 0.5238 | 7.7668 | 0.0889 | 6 |
x4 | 1.1880 | 1.0236 | 2.5615 | 1 | 0.2238 | 0.3545 | 0.2493 | 0.6382 | 0.3146 | 0.2006 | 1.6891 | 0.2042 | 0.3578 | 0.0414 | 12 |
x5 | 0.9249 | 2.0567 | 3.4583 | 4.4687 | 1 | 0.6331 | 0.5783 | 0.4516 | 0.8250 | 0.2897 | 0.2047 | 0.4714 | 0.4671 | 0.0506 | 10 |
x6 | 4.5882 | 4.8674 | 1.7863 | 2.8208 | 1.5796 | 1 | 1.3089 | 0.6087 | 0.4146 | 0.9766 | 0.3289 | 0.3858 | 0.3806 | 0.0651 | 9 |
x7 | 2.3111 | 3.4302 | 1.8301 | 4.0112 | 1.7293 | 0.7640 | 1 | 0.2906 | 0.7284 | 0.2276 | 0.5149 | 3.5774 | 3.3499 | 0.0844 | 8 |
x8 | 0.3817 | 3.0362 | 4.7423 | 1.5670 | 2.2143 | 1.6428 | 3.442 | 1 | 0.2129 | 0.2919 | 0.3822 | 2.6083 | 2.0916 | 0.0893 | 5 |
x9 | 4.1926 | 2.7150 | 2.0245 | 3.1783 | 1.2121 | 2.4119 | 1.373 | 4.6970 | 1 | 1.005 | 0.242 | 0.209 | 0.633 | 0.0865 | 7 |
x10 | 4.4960 | 4.0248 | 0.1376 | 4.9844 | 3.4514 | 1.0239 | 4.394 | 3.4263 | 0.9952 | 1 | 0.2977 | 0.2217 | 0.2377 | 0.0974 | 4 |
x11 | 4.0684 | 4.5588 | 0.9087 | 0.5920 | 4.8862 | 3.0407 | 1.942 | 2.6162 | 4.1359 | 3.3591 | 1 | 1.2602 | 0.4923 | 0.1233 | 1 |
x12 | 4.5242 | 2.6677 | 1.9090 | 4.8965 | 2.1215 | 2.5920 | 0.280 | 0.3834 | 4.7891 | 4.5102 | 0.7935 | 1 | 0.2470 | 0.1076 | 2 |
x13 | 0.5741 | 1.8431 | 0.1288 | 2.7950 | 2.1408 | 2.6274 | 0.299 | 0.4781 | 1.5807 | 4.2075 | 2.0312 | 4.0490 | 1 | 0.0981 | 3 |
根据式(6)~
3.2 EWM法计算权重
对于量化指标的选择和取值主要遵从高度关联和量化易评的原则。定量指标一方面对应已有统计数据,另一方面通过统计、调查和评判等方式获取。利用MATLAB R2016b软件对式(13)~
表3 各评价指标的计算结果
Table 3
一级指标 | 二级指标 | 权重排序 | ||
---|---|---|---|---|
企业安全 管理能力 | 责任主体落实x1 | 0.8472 | 0.0455 | 13 |
管理机构建立x2 | 0.7894 | 0.0627 | 9 | |
安全制度建立x3 | 0.6712 | 0.0979 | 4 | |
培训与宣传力度x4 | 0.7551 | 0.0729 | 8 | |
企业员工 安全水平 | 员工安全意识x5 | 0.8332 | 0.0496 | 11 |
安全技能水平x6 | 0.7408 | 0.0772 | 6 | |
安全工作执行力x7 | 0.8357 | 0.0489 | 12 | |
企业风险 控制能力 | 危险源辨识x8 | 0.8077 | 0.0572 | 10 |
安全隐患排查x9 | 0.7137 | 0.0852 | 5 | |
安全技术水平x10 | 0.6381 | 0.1077 | 2 | |
应急处置能力x11 | 0.5937 | 0.1209 | 1 | |
安全数智化 水平 | 多维态势感知能力x12 | 0.7550 | 0.0729 | 7 |
风险智能监测能力x13 | 0.6591 | 0.1014 | 3 |
3.3 CWM法计算权重
表4 各评价指标的综合权重值
Table 4
评价指标 | 3种评价方法综合权重ω* | 综合权重 排序 | ||
---|---|---|---|---|
AHP法 | EWM法 | CWM法 | ||
责任主体落实x1 | 0.0463 | 0.0455 | 0.0461 | 12 |
管理机构建立x2 | 0.0212 | 0.0627 | 0.0321 | 13 |
安全制度建立x3 | 0.0889 | 0.0979 | 0.0912 | 5 |
培训与宣传力度x4 | 0.0414 | 0.0729 | 0.0497 | 11 |
员工安全意识x5 | 0.0506 | 0.0496 | 0.0503 | 10 |
安全技能水平x6 | 0.0651 | 0.0772 | 0.0683 | 9 |
安全工作执行力x7 | 0.0844 | 0.0489 | 0.0751 | 8 |
危险源辨识x8 | 0.0893 | 0.0572 | 0.0809 | 7 |
安全隐患排查x9 | 0.0865 | 0.0852 | 0.0862 | 6 |
安全技术水平x10 | 0.0974 | 0.1077 | 0.1001 | 2 |
应急处置能力x11 | 0.1233 | 0.1209 | 0.1227 | 1 |
多维态势感知能力x12 | 0.1076 | 0.0729 | 0.0985 | 4 |
风险智能监测能力x13 | 0.0981 | 0.1014 | 0.0990 | 3 |
图2
图2
3种方法各评价指标的综合权重值对比
Fig.2
Comparison of comprehensive weight value of each evaluation index by three method
3.4 TOPSIS法综合评价模型
(1)正理想解与负理想解
利用
表5 各金属矿山企业样本的正、负理想解
Table 5
矿山企业 | 正理想解 | 负理想解 |
---|---|---|
企业1 | 0.1527 | 0.1992 |
企业2 | 0.1917 | 0.1701 |
企业3 | 0.2395 | 0.1437 |
企业4 | 0.1841 | 0.1952 |
企业5 | 0.2093 | 0.1662 |
(2)计算相对贴近度
根据
表6 各企业3种方法相对贴进度计算结果
Table 6
矿山 企业 | AHP- TOPSIS法 | EWM- TOPSIS法 | CWM- TOPSIS法 | CWM-TOPSIS法贴进度排序 |
---|---|---|---|---|
企业1 | 0.5688 | 0.5590 | 0.5660 | 1 |
企业2 | 0.4672 | 0.4815 | 0.4701 | 3 |
企业3 | 0.3891 | 0.3350 | 0.3750 | 5 |
企业4 | 0.5295 | 0.4744 | 0.5147 | 2 |
企业5 | 0.4359 | 0.4642 | 0.4426 | 4 |
表7 评价指标体系综合评分排名
Table 7
矿山企业 | 安全管控能力评分 | 排序 |
---|---|---|
企业1 | 8.4154 | 1 |
企业2 | 8.2773 | 2 |
企业3 | 7.8820 | 5 |
企业4 | 8.1408 | 3 |
企业5 | 7.9670 | 4 |
(3)分析与建议
由表4可知,综合权重相对较大的指标主要是应急处置能力、安全技术水平和风险智能预警能力,说明这些指标对于金属矿山企业安全管控能力影响较大。应急处置能力代表矿山企业应对风险的整体适应和处理能力,应通过科学配置应急队伍、建立应急通信保障等来提升该项能力。风险控制离不开新技术和新装备的支持,建议及时更新安全设备,逐步提高人机协同安全性,确保发挥技术之长。风险智能预警和多维态势感知是安全管理数字化的重点内容,应积极搭建完善动态化、可视化的安全监测预警云平台,实现危险源精准辨识、监测数据智能挖掘和数实数据融合。由表6和表7可知,在3种评价模型中企业1的相对贴近度均最大,且综合评分最高,说明企业1的矿山安全管控能力最强。其中,企业2和企业4隶属于同一集团,并且是省级首批资源整合的企业,在安全、生产等方面形成一体化管理,安全管控能力差别不大,模型评价结果与专家组评价结果基本一致,符合矿山的基本情况。
4 结论
(1)借助因子分析法提取了影响金属矿山企业安全管控能力的13个指标,运用主成分分析法将其归纳为企业安全管理能力、企业员工安全水平、企业风险控制能力和安全数字化水平4个维度。全面分析了企业安全管控的影响因素,建立了评价指标体系。
(2)在安全数字化时代下,结合金属矿山企业实际情况和相关资料,综合考虑影响金属矿山企业安全管控能力评估模型的评价指标,再利用AHP法、EWM法和组合赋权的CWM法对评价指标进行权重优化,剔除了单一方法带来的不利影响,有利于优化金属矿山企业安全管控能力指标体系。
(3)结合样本实例,通过AHP-TOSIS模型、EWM-TOPSIS模型与CWM-TOSIS模型进行相互验证,最终得出应急处置能力、安全技术水平和风险智能预警能力这3项评价指标权重最大,对金属矿山企业安全管控能力影响最为显著。同时,利用得到的指标权重对金属矿山企业进行综合评价,得出企业1的安全管控能力最高,评价结果与实际情况一致。金属矿山企业可根据评价结果有针对性地强化,提升矿山安全管控水平。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2024/1005-2518/1005-2518-2024-32-1-100.shtml
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