基于AHP-LS的智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估

基于AHP-LS的智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估摘要：傳統(tǒng)的安全風險評估方法已無法適應智慧礦山生產(chǎn)模式,為解決遠程自動化設備應用帶來的安全風險問題,綜合運用層次分析法(AHP)和風險矩陣法(LS)構(gòu)建了智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估模型;以某礦山設備安全管理為例,將設備安全風險影響因素劃分為3個層次:目標層、準則層、因素層,最終構(gòu)建智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估指標體系;利用AHP-LS評價模型對該體系進行了評價,結(jié)果表明:遠程自動化設備的安全防護水平是影響遠程自動化設備應用安全的關(guān)鍵因素,其風險危害最大;非崗位人員侵入、作業(yè)人員進入不安全區(qū)域、操作失誤、設備故障、設備缺陷、振動沖擊6個影響因素風險危害一般;點檢巡查頻率及項目缺失、電源異常、網(wǎng)絡傳輸故障、電磁干擾、圍巖松動、溫濕度6個影響因素風險危害相對較小。AHP-LS綜合評估法將定性分析和定量分析有機結(jié)合,既體現(xiàn)了評估過程的系統(tǒng)性,又降低了主觀分析帶來的誤差,邏輯清晰,操作簡單,能準確獲取風險因素的量化指標,適用于礦山風險評估工作,研究成果對于礦山風險管控具有一定的指導意義。關(guān)鍵詞：智慧礦山;遠程自動化設備;層次分析法;風險矩陣法;風險綜合評估;影響因素0引言隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展,我國礦山繼工業(yè)化、數(shù)字化建設之后,正逐步向信息化、智能化方向發(fā)展。以5G網(wǎng)絡、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)被廣泛應用于礦山建設。目前,我國礦山安全生產(chǎn)科技水平隨著礦山智慧化的推進而得到了巨大提升,礦山生產(chǎn)運作模式也由傳統(tǒng)的人工開采向遠程化、自動化的智能設備開采轉(zhuǎn)變,人工成本大大降低,設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備的廣泛應用,我國礦山安全生產(chǎn)狀況明顯好轉(zhuǎn),死亡率顯著降低。智慧礦山智能設備區(qū)別于傳統(tǒng)礦山設備之處在于其可實現(xiàn)遠程操控和自動運行。隨著設備運作模式的巨大改變,智慧礦山遠程自動化設備有關(guān)人員、設備、環(huán)境等方面的應用安全風險顯著區(qū)別于傳統(tǒng)風險管理?；诖?本文以某地下礦山智慧礦山遠程自動化設備應用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),通過現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢,結(jié)合層次分析法(AHP)和風險矩陣評估法(LS),構(gòu)建智慧礦山遠程自動化設備應用安全風險評估模型,對遠程自動化設備在礦山實際應用中的單個風險影響因素進行量化評價,同時對整個體系的風險因素作出危害性等級評估,旨在為礦山風險管控提供參考。1研究方法1.1層次分析法層次分析法是在20世紀70年代初提出的一種結(jié)合定性分析和定量分析來解決多因素且難以完全定量分析的復雜系統(tǒng)問題的分析方法,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,將影響目標問題的指標因素逐一列出,再依據(jù)因素之間的關(guān)聯(lián)性進行分層,每層指標因素又通過隸屬關(guān)系與上層指標連接,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層,即需要分析解決的目標問題;中間層為準則層,是解決目標問題的準則;最下層為因素層,是影響目標問題的基本單元。2)構(gòu)造判斷矩陣將每層隸屬于同一評價準則的指標因素,依據(jù)其對應上一層指標的重要程度進行兩兩比較,得到判斷矩陣:矩陣性質(zhì)為aij=1,(當i=j時);矩陣元素aij按“1-9”標度法確定,判別標準見表1。表1“1-9”標度法Table1"1-9"scalesvaluationmethod

3)計算層次單排序并檢驗一致性對判斷矩陣A的各行元素值的乘積開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應指標因素的單排序權(quán)重。一致性檢驗步驟為:(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)每個賦權(quán)和向量的分量分別除以對應的權(quán)向量的分量,即第i個賦權(quán)向量的分量除以第i個權(quán)的分量,然后累加后求得判斷矩陣A的最大特征值λmax;(3)計算一致性指標CI式中:n為矩陣A的階數(shù);當CI=0時,具備完全一致性;當CI接近0時,具備滿意一致性;CI越大,不一致性越嚴重。(4)計算一致性檢驗系數(shù)CR式中,RI為隨機一致性指標,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取值見表2。CR為一致性檢驗系數(shù),當CR<0.1時,檢驗合格;反之一致性檢驗不通過,需重構(gòu)判斷矩陣,并再次檢驗一致性,直至檢驗合格。表2平均隨機一致性指標RI值Table2

RI

valueofaveragedrandomconsistencyindex注：RI值會隨著計算標準的不同而出現(xiàn)微小差異。4)計算層次總排序并檢驗一致性計算某層所有指標因素相對總目標的組合權(quán)重,即為層次總排序,然后進行一致性檢驗。計算式為式中:b1,b2,…,bn為該層指標因素對目標的排序;CIi、RIi(i=1,2,3,…,n)分別為下層指標因素相對該層元素層次單排序的一致性指標和隨機一致性指標。1.2風險矩陣法風險矩陣法是一種將定性或半定量的后果分級與產(chǎn)生一定水平風險的可能性等級相結(jié)合的風險評估分析方法。風險矩陣法源于“風險度(R)=事故的概率(L)×事故的嚴重度(S)”的模型,其核心是構(gòu)建風險矩陣。風險矩陣的主要內(nèi)容包括:代表危害事件后果嚴重度等級的劃分標準,代表危害事件發(fā)生可能性概率的劃分標準以及表示風險危險性等級的矩陣元素。其中,風險矩陣的階數(shù)越高,后果嚴重度等級和可能性概率的劃分越細致,對評估人員的分析思維要求越高。風險矩陣法分析步驟為:①系統(tǒng)分析目標問題的影響事件,辨識風險因素;②進行風險分析,評估各風險因素事件的后果嚴重度等級和可能性概率;③根據(jù)決策者的評估需求,構(gòu)建風險矩陣,評價各風險事件的危險性等級。AHP-LS綜合評估法就是將風險矩陣中風險后果的嚴重性等級用層次分析法的量化權(quán)重來評判,以減小主觀評判的誤差;之后運用德爾菲法對各指標因素發(fā)生的概率進行評估;最終依據(jù)風險評判矩陣確定各風險指標因素的危險性等級。2應用實例2.1應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,需對現(xiàn)有礦井設備設施進行遠程自動化改造,該改造工程涉及通風機、水泵、空壓機、提升機等礦山機電設備。通過實時監(jiān)控設備狀態(tài),傳輸設備參數(shù),經(jīng)系統(tǒng)分析決策后,遠程調(diào)控設備運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)礦山機電設備設施的自動化運行。遠程自動化設備改造后,礦山部分作業(yè)過程被自動化機械設備取代,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)風險,從技術(shù)方面保障了礦山生產(chǎn)安全。但新的安全風險問題隨之凸顯,主要包括3個方面:a.人因安全問題。由人的不安全行為和管理上的部分缺陷導致,主要有非崗位人員侵入、作業(yè)人員進入不安全區(qū)域、操作失誤、點檢巡查問題等。b.設備安全問題。設備自身狀態(tài)問題和防護水平問題,包括設備故障、設備缺陷、電源問題、網(wǎng)絡問題、安全防護問題等。c.環(huán)境安全問題?？赡軐υO備造成危害的風險因素,包括電磁、圍巖、溫濕度、振動沖擊等。2.2層次模型構(gòu)建通過對該礦的現(xiàn)場調(diào)查和風險資料分析,結(jié)合同類地下礦山機電設備的相關(guān)安全資料,基于層次分析思想,將遠程自動化設備在應用中的安全風險影響因素劃分為3個層次:①目標層,即遠程自動化設備安全風險評估;②準則層,分為人因風險(B1)、設備風險(B2)、環(huán)境風險(B3);③因素層,由實際影響因素類型按照隸屬關(guān)系劃分為13個二級指標。最終構(gòu)建智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估指標體系(見圖1)。圖1智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估指標體系Fig.1Safetyriskassessmentindexsystemofremoteautomationequipmentforsmartmine2.3風險權(quán)重計算針對智慧礦山遠程自動化設備安全風險評估指標體系,根據(jù)層次分析法分析步驟構(gòu)建判斷矩陣,計算權(quán)向量并檢驗一致性,結(jié)果見表3-表6。表3一級指標層對目標層(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,各判斷矩陣均通過一致性檢驗。檢驗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。智慧礦山遠程自動化設備應用安全風險因素相對總目標權(quán)重結(jié)果及排序見表7。表7智慧礦山遠程自動化設備應用安全風險組合權(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.智慧礦山遠程自動化設備應用安全風險中,設備自身存在的風險對遠程自動化設備應用安全影響最大,其次為人因風險,最后為環(huán)境風險。b.人因風險層面。操作失誤的權(quán)重遠大于非崗位人員侵入、作業(yè)人員進入不安全區(qū)域、點檢巡查頻率及項目缺失3個風險指標的權(quán)重。因此,在智慧礦山生產(chǎn)運營中管理者要注重加強對工人的崗位知識培訓,確保其能力符合上崗標準。c.設備風險層面。各風險因素權(quán)重的排序為:設備安全防護水平>設備缺陷>設備故障>網(wǎng)絡傳輸故障>電源異常,且設備安全防護水平對遠程自動化設備應用安全的影響明顯高于其他幾個因素,這說明在智慧礦山安全生產(chǎn)管理中,要注重提高遠程自動化設備安全水平,完善安全防護和預警裝置,保障設備和人員安全。d.環(huán)境風險層面。電磁干擾的權(quán)重最大,說明電磁場的影響對遠程自動化設備的安全危害最大,管理者應對此加強防范。2.4風險矩陣構(gòu)建及危害性等級評判借鑒生產(chǎn)安全事故風險等級的劃分方法,根據(jù)作業(yè)人身傷害程度和對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響程度,將安全風險危害事件的后果嚴重度分為4個等級(見表8)。根據(jù)安全風險危害事件發(fā)生的頻繁程度,將安全風險危害事件發(fā)生的可能性分為5個等級(見表9)。依據(jù)安全風險危害的后果嚴重度和可能性等級的確定過程建立安全風險危險性等級對照表,采用矩陣法描述安全風險的危險性等級(見表10)。表8危害事件的后果嚴重度等級Table8Consequenceseveritylevelofhazardousevents注：量化值為AHP評價法計算權(quán)重,n為上級指標層指標個數(shù)。表9危害事件的可能性等級Table9Likelihoodlevelofhazardousevents表10危險性等級對照Table10Hazardlevelcomparison綜上所述,AHP-LS綜合評估法就是將風險矩陣中風險后果的嚴重性等級用層次分析法的量化權(quán)重來評判(見表8),以減小主觀評判的誤差;同時通過德爾菲法確定各風險因素發(fā)生的可能性等級(見表9);最后根據(jù)表10得到遠程自動化設備風險因素危害性等級(見表11)。由表11可知,在遠程自動化設備安全風險體系中,遠程自動化設備的安全防護水平是影響遠程自動化設備應用安全的關(guān)鍵因素,其風險危害最大;非崗位人員侵入、作業(yè)人員進入不安全區(qū)域、操作失誤、設備故障、設備缺陷、振動沖擊6個影響因素風險危害一般;點檢巡查頻率及項目缺失、電源異常、網(wǎng)絡傳輸故障、電磁干擾、圍巖松動、溫濕度6個影響因素風險危害相對較小。表11風險矩陣危害性等級評判結(jié)果Table11Evaluationresultsofhazardlevelofriskmatrix3結(jié)論a.結(jié)合層次分析法和風險矩陣評估法,構(gòu)建了智慧礦山遠程自動化設備應用安全風險評估模型,對遠程自動化設備在礦山實際應用中的單個風險影響因素進行了量化評價,同時對整個體系的風險因素作出了危害性等級評估。研究結(jié)論具有一定的代表性,對于礦山智慧化進程中的風險管控工作具有一定的指導意義。b.在