基于ISM和AHP以及模糊评判的矿山安全管理能力分析与评价
张舒，史秀志，古德生，黄刚海
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：以矿山安全管理能力系统为研究对象，通过解释结构模型法(ISM)、层次分析法(AHP)并利用模糊综合评判方法，分析和评价矿山安全管理能力。综合影响矿山安全管理能力的16个因素，运用ISM将安全管理能力因素体系构成1个多级递阶模型进行分析。在结构模型的基础上，应用AHP对影响因素权重进行计算，得出影响矿山安全管理能力的主要因素。采用二元相对定权法确定定性指标的隶属矩阵，通过模糊综合评判方法，对安全管理能力进行评价，得出各单位安全管理能力的优越度。研究结果表明：评判结果符合企业的实际情况，所建立的分析评价模式可为矿山安全管理提供指导与借鉴。
关键词：
矿山；安全管理能力；解释结构模型(ISM)；层次分析法(AHP)；模糊综合评判；
中图分类号：TD97 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)08-2406-11
Analysis and evaluation of safety management capability in mine based on ISM and AHP and fuzzy evaluation method
ZHANG Shu, SHI Xiu-zhi, GU De-sheng, HUANG Gang-hai
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The analysis and evaluation of safety management capability was obtained by means of interpretative structural modeling(ISM), analytical hierarchy process (AHP) and fuzzy evaluation based on safety management capability system in mine. 16 influencing factors were established in safety management capability system, and a multi-level hierarchica model was transformed from indexes of safety management capability by means of ISM. On the basis of structural model, the weight matrix of influencing factors was established according to AHP, and the main factors affecting safety management capability were analyzed. According to the weight matrix and the matrix of membership between two qualitative elements by means of duality element relative comparison method, the superior degrees of the safety management capability was gained based on the fuzzy comprehensive evaluation. The primary analysis progress and the analytical results were validated. The results show that the evaluation results tally with the actual ones, and this model for analyzing and evaluating safety management capability can provide guidance and reference for the management of mines.
Key words: mine; safety management capability; interpretative structural modeling(ISM); analytical hierarchy process (AHP); fuzzy comprehensive evaluation
我国当前经济正处在快速发展时期，受经济与社会发展水平的制约，安全生产形势严峻，尤其以矿山安全生产的问题最为突出。矿山安全生产不仅是保证企业生产的现实需求，也是保证国计民生的社会需 求[1]。矿山企业安全生产已成为全国关注的重大生产问题，企业改善安全生产状况的任务日趋紧迫，安全管理的任务日渐艰巨。为提高矿山安全管理水平，企业需要密切关注影响安全管理能力的因素，通过评价安全管理能力，探索企业对其组织体系和安全生产系统的控制力，从而针对薄弱之处制订有针对性的改进措施，最终提高矿山企业的安全管理水平。目前，对企业安全管理能力的研究还没有形成一个成熟的理论体系[2]。有学者提出应用事故数据或体系认证等级来衡量或判断矿山的安全管理能力，或使用安全绩效评价的方法评估其安全管理能力等，这些都属于安全管理能力的外在表现，没有反映企业安全管理能力的实质特征，安全管理能力的本质特征、包含的要素、矿山安全管理能力的现状评估、构建矿山安全管理能力的方法等问题都还有待深入研究。基于这些问题，本文作者围绕企业安全管理能力的影响因素及其评价这一问题进行研究。虽然国内外很多学者的研究成果中体现了安全管理能力的思想，但到目前为止，安全管理能力并没有一个清晰的概念[2-5]。刘铁忠等[2, 5]运用综合归纳的方法，提出企业安全管理能力的概念框架，对企业的安全管理能力进行剖析。企业安全管理能力是企业对员工、设备、环境、制度构成的安全生产系统进行管理的过程中形成的累积专有知识与技能的集合，体现企业对组织体系及安全管理系统的控制力，形成于企业安全管理实践过程，是企业安全管理水平的决定力量。安全管理能力是诸多因素综合作用的结果，会随着各方面因素的变化而变化，具有动态性。安全管理能力的范畴具有模糊性和不确定性，其影响因素的选择是一个涉及多层次、多目标的决策过程。对安全管理能力的评价没有标准的尺度，具有随机性。基于以上理解，本文作者针对企业安全管理能力的特点，结合矿山安全管理的实际情况，采用解释结构模型法建立分析模型和指标体系，运用层次分析法和模糊综合评判法进行评价。
1 分析原理和方法
1.1 解释结构模型法(ISM)
ISM是华费尔于1973年作为分析复杂社会经济系统有关问题的一种方法而开发的[6-7]。其特点是把复杂的系统分解为若干子系统(要素)，利用人们的实践经验和知识以及电子计算机，最终将系统构成一个多级递阶模型。ISM属于概念模型，它可以把模糊不清的思想、看法转化为直观的具有良好结构关系的模型，特别适用于变量众多、关系复杂而结构不清晰的系统分析。该方法使得过去只凭人的经验、直觉或灵感对系统的评价、决策、规划、目标确定等进行定性分析，能够依靠结构模型进行定量分析。实施ISM的基本步骤如下。
第1步：设定问题S0。
第2步：选择构成系统的要素S1，S2，…，Sn。
第3步：建立反映要素关系的可达集(可达矩阵) R(Si)，其中主要有以下概念。
① 可达集R(Si)，即要素Si可以到达的要素集合定义为要素Si的可达集。表示为：
式中：R(Si)为由可达矩阵中的第Si行中所有矩阵元素为1的列对应的要素集合而成；N为所有节点的集合；mij为i节点到j节点的关联可达值，mij=1表示i关联j。
② 前因集A(Si)，为将要到达要素Si的要素集合定义为要素Si的前因集。表示为：
式中：A(Si)由矩阵中第Si列中所有矩阵元素为1的行对应的要素组成。
③ 最高要素集合，即一个多级递阶结构的最高级要素集合，是指没有比它再高级别的要素可以达到，其他可达集R(Si)中只包含它本身的要素，而前因集中，除包含要素R(Si)本身之外，还包括可以达到它的下一级要素。表示为：
第4步：对可达矩阵分解后建立结构模型。
得到可达矩阵之后，建立结构模型的主要步骤为级间划分。级间划分是将系统中的所有要素以可达矩阵为准则，划分不同级(层)次。首先可以利用最高集合的定义这一条件，确定出多级结构的最高级要素，将其从可达矩阵中划去相应的行和列。接着，从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素。依此类推，找出各级包含的最高级要素集合，若用L1，L2，…，Lk表示从上到下的级次，则有k个级次的系统，级间划分L(n)可以用下式来表示：
Ln=[L1，L2，…，Lk]
第5步：根据结构模型建立解释结构模型。
1.2 层次分析法(AHP)
层次分析法[8]提供了一种能够综合人们不同的主观判断并给出具有数量分析结果的方法，最终把非常复杂的系统简化为各种因素间的成对比较和简单计算。通过分析复杂问题包含的因素及相互联系，将问题分解为不同的要素，并将这些要素归并为不同的层次，从而形成多层次结构。在每一层次可按某一规定规则，对该层要素进行逐对比较，建立判断矩阵。通过计算判断矩阵的最大特征值和对应的正交化特征向量，得出该层要素对于该准则的权重，在这个基础上计算各层次要素对于总体目标的组合权重，从而得出不同设想方案的权值，为选择最优方案提供依据[9]。层次分析法分析的基本步骤如下。
第1步：建立多级递阶层次结构。根据对问题的了解和初步分析，将评价系统涉及的各要素按性质分层排列。本文根据解释结构模型建立多级递阶结构。
第2步：建立判断矩阵。判断矩阵以上一级的某一要素作为评价准则，对本级要素进行两两比较来确定矩阵元素值。判断矩阵元素值反映了人们对某个因素(指标)相对重要性(或优劣、偏好、态度等)的认识，一般采用1~9级或其倒数的标度方法，如表1所示。当相互比较因素的重要性可用具有实际意义的比值说明时，判断矩阵相应的元素值则可取对应的标准值。
表1 判断矩阵标度及其含义
Table 1 Meaning of judge matrix standard
第3步：计算相对重要度。对判断矩阵求出最大特征根λmax，然后，求其相对应的特征向量W，即AW=λW。其中，W的分量(W1，W2，…，Wn)就是对应于n个要素的相对重要性，即权重系数。
第4步：一致性检验。对判断矩阵进行一致性检验，以确定权重分配是否合理。检验公式为CR=CI/RI，CI=(λmax-n)/(n-1)。其中：CI为一致性检验指标；n为判断矩阵的阶数；RI为平均随机一致性指标，取值见表2。当CR＜0.10时，认为判断矩阵有可接受的不一致性，否则，就认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的，需要重新赋值，认真修正，直至通过一致性检验为止。
第5步：综合重要度计算。在计算了各级要素的相对重要度以后，便可从最上级开始，自上而下地求出各级要素关于系统总体的综合重要度(也称系统总体权重)，即进行层次总排序。
表2 平均随机一致性指标RI
Table 2 Values of average stochastic coincidence indicators
1.3 模糊综合评判法
模糊综合评判法应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑评价系统的各个相关因素[10-12]，主要涉及4个因素：因素集X、方案集A、隶属矩阵R和权重分配向量W。应用的具体步骤为如下。
第1步：建立因素集X和方案集A。
假设因素集X={X1，X2，…，Xm}，备选方案集A={A1，A2，…，An}对给定的备选方案Aj(j=1，2，…，n)，可表示成m维“向量”形式：Aj={Xj1，Xj2，…，Xjm}，其中Xjk(k=1，2，…，m)是方案Aj在因素Xk上的反映。Xjk可以是数量(当Xk是数量化指标时)，也可以是一种自然语言的定性描述(当Xk是定性化指标时)，Aj为集合中的方案且为X上的模糊子集。
第2步：建立因素集X的权重集W。本文采用上述层次分析法确定因素的权重集W。因素权重集W=(W1，W2，…，Wm)，是指各因素对于拟选定方法而言的重要性及影响程度，且满足：
0＜Wk＜1，
第3步：确定隶属矩阵。定量指标的隶属度由隶属函数确定，非定量指标采用二元对比定权法确 定[13]。本文主要介绍确定非定量指标的隶属矩阵。
假设系统有待进行重要性比较的目标因素集为：X={X1，X2，…，Xm}，对目标因素集X中因素的重要性进行二元对比的定性排列。若目标集中，则对目标Xk与Xl作二元对比：若Xk比Xl重要，则令排序标度ekl=1，elk=0；若Xk与Xl同样重要，则令ekl=0.5，elk=0.5；若Xl比Xk重要，则令排序标度ekl=0，elk=1(k，l=1，2，…，m)。根据比较结果，建立目标因素集二元对比重要性定性排序标度矩阵E：
指标重要性排序一致性定理：当0≤eij≤1，eij+eji=1，eij=eji=0.5(i=j)时，称矩阵E为关于重要性的有序二元比较矩阵；eij为目标i对j关于重要性作二元比较时，目标i对于j的重要性模糊标度；eji为目标j对于i的重要性模糊标度。将排序一致性标度矩阵E
其各行和数由大到小排列顺序，则
(i≠j，i=1，
2，…，m)，根据排序查语气算子与定量标度相对隶属度关系表(见表3)，可得非定量指标的相对隶属度。
表3 语气算子与定量标度相对隶属度关系表
Table 3 Membership degrees between particle operator and ration mark
第4步：综合评判。由评价矩阵R (隶属度矩阵)以及因素权重集W，可以得出方案集A的综合评价为：
式中：
，表示方案集Aj的综合满意度或综合优越度。
2 安全管理能力影响因素分析
企业安全管理能力影响因素基本属于主观指标，难以获取现成的客观资料。根据本文引用的企业安全管理能力的概念可知，安全知识是企业安全管理能力的构成要素，包括员工安全知识、设备与防护安全知识、环境安全知识和安全制度知识等。刘铁忠等[2, 14-19]探寻企业安全管理能力的影响因素包括职工层次、班组层次、企业层次和环境层次的因素，如职工的安全素质、班组的安全建设、领导班子的重视、安全信息沟通等因素。罗云等[15]提出企业安全管理是运用有效的人力和物质资源，发挥全体员工的智慧，通过共同努力，实现生产过程中人与机器设备、工艺、环境条件的和谐，达到安全生产的目标，因而要求企业有完善的安全管理组织机构、系统化的管理手段和方法、各级人员有责任心等。国内外先进的企业安全管理模式或体系关注企业领导对安全的态度、安全管理组织机构及其职责、安全管理制度、安全检查等方面。Bottani等[19]提出企业安全管理的地位、安全信息沟通、人员培训等对企业安全管理绩效的重要性。综合前人的研究内容，提出安全管理能力的影响因素，如表4所示。
表4 安全管理能力的影响因素
Table 4 Influencing factors of safety management capability
3 工程实例分析
现以广东省某铅锌矿为例，采用解释结构模型法(ISM)、层次分析法(AHP)和模糊综合评判法对企业的安全管理能力进行分析与评价。该矿建矿已有50余a，是中国大型的地下铅锌矿山，下属采矿车间、选矿车间、运输车间、水电车间、修建车间、机修车间等26个主要二级生产和管理单位。该矿的生产条件复杂，组织机构庞大，安全管理难度大，且存在传统的安全管理弊端，亟须提高自身的安全管理能力，以实现其安全生产目标。
3.1 安全管理能力分析
3.1.1 建立影响因素关系表
经过深入分析矿山安全管理工作的实际情况，确定关键问题为安全管理能力达不到安全目标的要求。选择表4所列的影响因素，经过与企业上下各级各岗位、人员进行交流与讨论，找出各因素的两两关系，列出因素关系表，如表5所示。
最后根据表5所示的各因素的两两关系写出影响因素直接和间接关系的可达矩阵R。表5中：“1”表示
表5 因素相互关系表
Table 5 Relationship between factors
两因素直接或间接相关，“0”表示两因素相关程度较低或基本不相关。
3.1.2 级间划分
根据可达矩阵进行区域划分、级间划分和强连通块划分。级间划分的目的是将各因素分为不同等级，明确评价系统的层次结构。级间划分的求解过程以表6和表7为例说明。
由表6可知：最高要素集合H1={S17}。由表7可知：二级要素集合H2={S1，S3，S4，S16}。
同理可得：三级要素集合H3={S2，S7，S11，S15}；四级要素集合为H4={S5，S10，S12，S14}；五级要素集合H5={S8，S13}；六级要素集合H6={S6，S9}。
表6 一级因素划分数据表
Table 6 Division of data for primary factors
表7 二级因素划分数据表
Table 7 Division of data for secondary factors
3.1.3 建立结构模型和解释结构模型
根据级间排列的可达矩阵建立结构模型，如图1所示。依照结构模型，建立图2所示的解释结构模型。
3.1.4 建立判断矩阵，确定各因素的优先级权重
首先，建立各级判断矩阵并计算各因素权重，如表8所示。然后，根据表8所示数据，计算总体综合权重，如表9所示。
综上可得各级因素综合权重，如表10所示。
3.1.5 安全管理能力影响因素分析
根据表9和表10所示的各层次要素总体优先级权重可知：影响企业安全管理能力的主要因素包括管理人员安全素质跟不上工作发展的需要，领导班子重视不够以及安全管理体系不健全、综合管理职能受影响。其中安全管理体系不健全、综合管理职能受影响的主要原因如下：(1) 安全主管机构工作落后，管理中心作用不突出；(2) 管理部门检查监督监控力度不够；(3) 安全信息沟通、传递不畅；(4) 人员责任心差；(5) 各相关管理部门职责不明确，协调配合差。
通过以上分析可知：在矿山安全管理过程中，尽管有许多因素左右着安全管理能力，但总有几个主要因素起着举足轻重的作用。可以概括为：企业的管理人员具备良好的安全素质，企业各级人员对安全管理的地位认识明确，同时安全管理体系健全、科学，才能确保矿山的安全管理能力得到提升。而要达到这3个目标，还需要扎扎实实做好许多其他的基础工作，例如设置合理的安全管理组织机构，配置合理的人员，做好培训工作等。
图1 结构模型
Fig.1 Structural model
图2 解释结构模型
Fig.2 Interpretative structural model
表8 因素权重数据表
Table 8 Weight data of factors
表9 因素综合权重数据表
Table 9 Comprehensive weight data of factors
表10 因素权重排序表
Table 10 Ranking of weight data for factors
3.2 安全管理能力评价
该矿采矿车间、选矿车间和运输车间的生产工艺、技术、设备、作业性质等完全不同，车间的安全管理模式也不尽相同，各具特色，因而各车间的安全管理能力各不相同。本文选用采矿车间、选矿车间和运输车间作为评价对象，评价其安全管理能力。通过评价二级单位的安全管理能力，可以反映企业的安全管理能力状况。
3.2.1 建立因素集和方案集
根据得出的解释结构模型和综合权重，选取影响安全管理体系健全程度的4个三级因素作为评价指标。由于因素没有统一的度量标尺，选用“优、良、中、差”的评语集。单项指标“优”的程度越强，表示其对应的能力越高。评价指标取值如表11所示。
3.2.2 确立指标权重
根据层次分析法得出的要素综合权重，由表9可知，三级指标的权重集如下：
3.2.3 建立隶属矩阵
采用二元对比定权法，对以上所有非定量指标确定隶属度。以管理人员安全素质(X1)为例，可得特征向量矩阵e1：
表11 三级评价指标取值表
Table 11 Value of 3rd evaluation indexs
其重要性排序为③①②，按重要性排序，以排序为①的A2与排序为②的A3和排序为③A1相比，其优越性程度的二元比较如下：A2与A3相比，稍微重要；A2与A1相比，明显重要。由表4得隶属度矩阵为R1=[0.429 1 0.818]。同理可得其他3个指标的隶属度矩阵为：R2=[0.429 1 0.818]；R3=[0.667 1 1]；R4=[0.667 1 1]。
综合以上可得隶属度矩阵为：
3.2.4 综合评判
根据以上确定的权重向量及指标隶属度矩阵，可得评价对象A的综合评判向量为：
根据模糊评判向量，各车间的安全管理能力优越度分别为28.8%，61.4%和52.1%，从大至小排序结果为：A2，A3和A1。可见：选矿车间的安全管理能力最高，运输车间次之，采矿车间排最后。该企业各二级单位的安全管理能力不均衡，因而评价企业的综合安全管理能力不能以点代面、以偏概全，而应综合考虑企业各个生产单元或部门的安全管理能力。
该矿的安全管理实践证明，采用以上研究方法得出的评价结果与实际相符合。经过统计分析3个车间近10 a的事故资料，参考其安全绩效考核资料，选矿车间的安全管理水平最高。
4 结论
(1) 引入企业安全管理能力的概念，构建矿山安全管理能力的影响因素体系，包括16个影响因素，如：领导班子的重视程度，管理人员的安全素质，对安全管理地位的认识和思想，系统化全过程综合管理的思想，管理手段、方法，安全管理组织机构的设置，安全主管机构的工作效率，各相关管理部门职责的明确性和协调性，管理者参与高层管理的力度，管理部门检查监督监控的力度，人员配置的合理程度，培训，人员责任心，安全信息沟通与传递以及安全管理体系的健全程度。
(2) 针对安全管理能力的影响因素变量众多、关系复杂而结构不清晰的特点，采用解释结构模型法(ISM)构建多级递阶层次模型。定性分析要素之间的关系，通过矩阵形式定量描述，使得定性分析和定量分析有效结合，从而为安全管理能力的分析提供依据。
(3) 在结构模型的基础上，应用层次分析法(AHP)分析形成的递阶层次结构，通过两两比较确定层次中复杂因素的相对重要性，经过综合判断，得出权重的总排序。采用该方法，能够较好地衡量相互关联的影响因素之间的优劣关系，提高分析的可靠性和有效性，从而为安全管理能力的评价提供依据。采用模糊综合评判法进行评判，最后得到待评价单位安全管理能力的综合评判向量，确定安全管理能力的实际状况。
(4) 将研究方法运用于工程实例分析，得出影响该矿山安全管理能力的主要因素是管理人员安全素质跟不上工作发展的需要(影响权重为42.7%)、领导班子重视不够(影响权重为38.5%)以及安全管理体系不健全，综合管理职能受影响(影响权重为38.5%)。该矿山选矿车间的安全管理能力最高(优越度为61.4%)，运输车间次之(优越度为52.0%)，采矿车间的安全管理能力较低(优越度为28.8%)。评判结果表明企业各二级单位的安全管理能力差异较大，水平不一。企业的实际资料表明分析与评价结果是正确、合理的，与该企业的安全管理现状相符合。研究表明：该方法具有一定的实用价值，为矿山的安全管理能力分析评价提供了一条新途径，可以推广应用于其他类型的企业。
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收稿日期：2010-08-15；修回日期：2010-10-28
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB02A02)
通信作者：张舒(1985-)，女，湖南娄底人，博士研究生，从事安全管理及技术方面的研究；电话：13973110343；E-mail：shuzhang2009@126.com
