畢高涵,董憲偉,王福生,2,李國友,韓圣君

(1. 華北理工大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實驗室,河北 唐山 063210;3. 秦皇島博赫科技開發(fā)有限公司,河北 秦皇島 066000;4. 天津鋼鐵集團有限公司,天津 300301)

引言

鋼鐵制造企業(yè)每年都會發(fā)生多起重大安全事故,這些重大安全事故不僅會造成大量的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失,甚至?xí)?dǎo)致企業(yè)的生產(chǎn)關(guān)停。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國2022年冶金行業(yè)共發(fā)生22起生產(chǎn)安全事故,共造成49人死亡,25人不同程度受傷。這是因為鋼鐵制造具有生產(chǎn)工藝產(chǎn)業(yè)鏈長、連續(xù)性強、工藝設(shè)備復(fù)雜繁多,作業(yè)環(huán)境具有溫度高、勢能高、壓力大、有害氣體多等特點,有著很多不確定的風險,屬于事故頻發(fā)的企業(yè)。而日常安全管理工作習(xí)慣將事故歸結(jié)于人員失誤和設(shè)備故障或缺陷,研究分析多以層次分析,主成分分析法、LEC法為基礎(chǔ),雖然能夠一定程度上地解釋風險因素之間的相關(guān)性與重要性,但是缺少對事故致因的深層次探索,不能考慮系統(tǒng)中因素之間的復(fù)雜關(guān)系。

DEMATEL與ISM(Interpretive Structural Model)的提出使復(fù)雜系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)劃分變得清晰、合理。該方法由20世紀70年代的美國學(xué)者Fontela和Gabus創(chuàng)建,因為其較好地處理復(fù)雜系統(tǒng)因素分析的能力受到國內(nèi)外學(xué)者的推崇和關(guān)注,目前已經(jīng)應(yīng)用到商務(wù)管理[1-2]、工程實踐[3-5]、社會科學(xué)[6-7]、生產(chǎn)制造[8-9]、環(huán)境科學(xué)[10-11]、 醫(yī)療管理[12-13]等諸多領(lǐng)域?qū)W科和其他領(lǐng)域中[14-15]。段宇航應(yīng)用此方法對鋼廠安全影響因素進行了分析[16],但受限于模型結(jié)構(gòu),只能體現(xiàn)出因素之間的重要程度,未能厘清鋼鐵制造企業(yè)復(fù)雜龐大的生產(chǎn)過程中,風險因素之間的傳遞性和耦合關(guān)系。

近幾年許多學(xué)者對這個方法進行了改進與應(yīng)用,謝希霖通過TOPSIS-AISM對8個評價對象和19個維度的指標進行分析,最后使用4組層次拓撲圖來表示整個評價過程[17]。魏宏亮應(yīng)用AISM(Adversarial Interpretive Structural Model)構(gòu)建了預(yù)制構(gòu)件成本影響因素模型,分析了其影響因素及其作用路徑[18]。從ISM到AISM方法的應(yīng)用,通過加入對抗網(wǎng)絡(luò)中的博弈對抗思想來改進模型,雖然在不損失原模型功能的前提下,使用相反的抽取規(guī)則得到了新的層級拓撲圖,但通過結(jié)構(gòu)圖,只能看到指標因素的層次結(jié)構(gòu)和因素之間的相關(guān)性,而指標因素之間的相關(guān)程度表示不夠清晰,導(dǎo)致在分析的過程中缺少定量的參考依據(jù)。BIAN和Lan[19-20]等在AISM的基礎(chǔ)上進一步改進,將指標因素之間的綜合影響值與對抗層級的提取結(jié)果相結(jié)合,即TAISM法來有效地分析解決了這一問題。通過具有綜合影響值的有向拓撲層級圖,使得結(jié)構(gòu)圖不僅可以表明影響因素之間的層級關(guān)系,還能清晰地顯示因素之間地傳遞性和相關(guān)程度,便于對鋼廠雜糅的風險因素進行分析。

1 鋼廠風險因素指標體系

研究結(jié)合天津某鋼鐵集團,扎根鋼廠日常生產(chǎn)工作,通過對高線廠、棒材廠、動力廠、煉鋼廠、煉鐵廠、燒結(jié)廠、綜合加工廠的活動作業(yè)清單和設(shè)備設(shè)施風險分級管控清單進行統(tǒng)計和整理,結(jié)合多年負責鋼廠安全的專家和從事安全專業(yè)的學(xué)者,通過設(shè)計問卷的方式遴選風險因素。表1為問卷調(diào)查者的基本信息,其中問卷選取煉鋼作業(yè)區(qū)的全部員工,包括鋼廠員工信息和判斷作答部分,發(fā)放300份問卷,共回收255份,有效率為85%。

表1 被調(diào)查者基本信息

通過對選取的工人24個安全生產(chǎn)指標重要性打分進行整理計算,對結(jié)果進行整理和歸納將鋼廠安全事故致因因素分為人、機、環(huán)、管4個一級指標和16個二級指標,見表2。

表2 鋼廠安全影響因素

表3為專家評價語義標度,是對上述16個鋼廠風險因素指標體系中各因素之間的相互影響關(guān)系進行量化和評分的準則。為了清晰表述不同因素之間的相互影響,采用0,1,2,3,4五級標度。其中沒有影響用0表示,影響較弱用1表示,影響一般用2表示,影響較強用3表示,影響強用4表示。

表3 專家評價語義標度

表4 直接影響矩陣

2 DEMATEL-TAISM構(gòu)建與計算

2.1 理論基礎(chǔ)

由于鋼廠企業(yè)具有生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)鏈長等特點,導(dǎo)致鋼廠事故致因眾多、風險耦合性強,引起事故的因素具有傳遞性的特點。

DEMATEL的核心包括影響的傳遞性和有向網(wǎng)絡(luò)的度中心性,作為分析復(fù)雜有向網(wǎng)絡(luò)的一種方式,可以識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素,其本質(zhì)就是將所研究的系統(tǒng)構(gòu)建成一個帶權(quán)值的有向圖。通過DEMATEL計算,得到各因素的影響程度、被影響程度、原因程度和中心。結(jié)合因素因果關(guān)系圖,可以識別出影響鋼廠企業(yè)安全的關(guān)鍵因素。

TAISM同樣基于有向圖網(wǎng)絡(luò),是能夠與上述方法聯(lián)用的根本原因。采用DEMATEL方法計算的綜合影響矩陣可以直接計算出可達矩陣,根據(jù)可達矩陣和TAISM方法,得到一組具有綜合影響值的對抗性有向拓撲層級圖,能夠明確系統(tǒng)中要素的層次結(jié)構(gòu)。整體流程圖如圖1所示。

圖1 流程圖

圖2 影響因素的原因結(jié)果分布

2.2 DEMATEL法

2.2.1確定直接影響矩陣

根據(jù)專家評價語義標度,通過問卷調(diào)查,請10位專家(包括大學(xué)教授,副教授五人,鋼廠負責安全生產(chǎn)的高管四人和一名從事鋼廠工作的資深人員)對鋼廠風險因素指標體系中各因素之間的相互影響關(guān)系進行量化和評分,得到直接影響矩陣O。

2.2.2計算綜合影響矩陣

對直接影響矩陣O進行規(guī)范化處理,得到規(guī)范化影響矩陣,具體公式入(1)所示:

(1)

考慮因素之間的直接影響和間接影響,根據(jù)式(2),計算綜合影響矩陣T。

(2)

2.2.3計算各影響因素的影響度與被影響度

根據(jù)式(3)、式(4)計算各個因素的影響度Di、被影響度Ci,其中影響度Di為影響因素對應(yīng)行的和、被影響度Ci為影響因素對應(yīng)列的和。

(3)

(4)

2.2.4計算各影響因素的中心度與原因度

根據(jù)式(5)、式(6)計算各影響因素的中心度Mi為影響度Di、被影響度Ci之和,原因度Ri為影響度Di、被影響度Ci之差。依據(jù)原因度大于0為原因因素、小于0為結(jié)果因素的原則,對各安全影響因素的因果屬性進行判斷,并分別排序。

Mi=Di+Ci

(5)

Ri=Di-Ci

(6)

2.3 TAISM法

2.3.1計算關(guān)系鄰接矩陣

為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),引入閾值λ(λ∈[0,1]),根據(jù)式(7)基于綜合影響矩陣T計算關(guān)系鄰接矩陣A,aij為鄰接矩陣A中第i行第j列的值。

(7)

(8)

2.3.2計算相乘矩陣

進一步,考慮因素自身影響的作用,根據(jù)式(9)得出相乘矩陣B。

B=A+I

(9)

2.3.3計算可達矩陣

根據(jù)式(10),對相乘矩陣B進行連乘,得到可達矩陣R。

R=Bk+1=Bk≠Bk-1

(10)

2.3.4計算一般骨架矩陣

當Zi與ZJ滿足kij=kji的關(guān)系時,對可達矩陣進行縮點處理,檢查可達矩陣R各層級中的強連接因素,將其縮點處理成為一個因素,得到縮點矩陣R'。通過計算刪除縮點矩陣R'中已具備鄰接二元關(guān)系因素間的越級二元關(guān)系,得到骨架矩陣S',如式(11)所示。最后,通過增點將骨架矩陣S'變?yōu)橐话阈怨羌芫仃嘢,關(guān)系如下。

S'=R'-(R'-I)2-I

(11)

2.3.5計算影響值骨架矩陣和回路標注矩陣

把一般性骨架矩陣S中為1的值替換成綜合影響矩陣中的綜合影響值,可以得到影響值骨架矩陣TS,然后將之前處于回路的要素用1標注,得到回路標注矩陣WS。

2.3.6UP型層級和DOWN型層及分布

對于可達矩陣R,得到可達集合R(ei)、先行集合Q(ei),共同集合T(ei)?？蛇_集合R是可達矩陣中行為1的要素的集合,先行集合Q是可達矩陣中列為1的要素的集合,共同集合T(ei)是可達集合與先行集合中共同包括的要素。

(12)

對于UP型拓撲圖,對結(jié)果進行優(yōu)先級劃分,提取規(guī)則如下:T(ei)=R(ei)。只要可達集與公共集相同,就提取相關(guān)元素。每次提取的特征都放在上面,提取的特征按照從上到下的順序排列。

對于DOWN型拓撲圖,將原因按優(yōu)先級進行分層劃分,提取規(guī)則如下:T(ei)=Q(ei)。每次提取的特征都放在下面,提取的特征按從下到上的順序排列。

如式(12)所示,可得結(jié)果優(yōu)先的層級抽取和原因優(yōu)先的層級抽取的UP型層級和DOWN型層級分布。

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)專家評估的各安全風險影響因素之間的影響程度結(jié)果,得出直接影響矩陣O。

根據(jù)式(2)采用行和最大值的方式進行歸一化處理,根據(jù)計算可得行和最大值為416。

根據(jù)式(3)可得綜合影響矩陣T,基于綜合影響矩陣T,按照式(3)、(4)、(5)、(6)求得各因素的影響度、被影響度、中心度、原因度得到表5。以中心度為橫坐標,原因度為縱坐標,繪制原因結(jié)果圖,見圖(2)。

表5 影響度、被影響度、原因度、中心度

通過式(7)、(8)、(9)、(10)計算得到可達矩陣R,基于抽取原則,得到表6。

表6 對抗層級提取結(jié)果

因為可達矩陣R本身是無回路矩陣,一般骨架矩陣S可直接通過可達矩陣R帶入上式(11)。根據(jù)對抗層級提取結(jié)果得出圖3。

圖3 具有對抗影響系數(shù)的層級結(jié)構(gòu)拓撲圖

3 鋼廠風險因素分析

3.1 回路分析

若系統(tǒng)中出現(xiàn)了回路,即層級結(jié)構(gòu)拓撲圖中的因素存在雙向箭線,則表明這些風險因素之間具有強聯(lián)通關(guān)系,并且因素之間互為因果,在后續(xù)分析時可將這部分視做一個子系統(tǒng)。

由計算結(jié)果得知沒有雙向箭頭的回路存在于此系統(tǒng),可能是影響因素指標構(gòu)建時進行的預(yù)處理消除了強連通的因素,導(dǎo)致根據(jù)人、機、環(huán)、管分類后的16個影響因素之間并不存在互為因果的關(guān)系。

3.2 活動因素與孤立因素分析

在拓撲結(jié)構(gòu)模型中,如果影響因素在UP型拓撲圖與DOWN型拓撲圖中處于不同的層級,那么可以把這些影響因素稱為活動因素。相反,如果影響因素只存在于同一層級,可以稱之為剛性因素,由這些剛性因素組成的是剛性系統(tǒng)。通過計算可得,活動因素有A3(職工知識水平不足)、B3(生產(chǎn)設(shè)備落后)、B5(救護設(shè)備和勞動防護用品不到位)、C1(人及信息交互受阻)、C2(設(shè)備能量交互受阻)、C3(作業(yè)環(huán)境艱苦)、D1(職工工種安排不合理)。實際上,這些因素對鋼廠安全的影響是多方面的,應(yīng)結(jié)合后續(xù)的結(jié)果從多方面進行考慮。

在拓撲層次結(jié)構(gòu)模型中,B3(生產(chǎn)設(shè)備落后)、C2(設(shè)備能量交互受阻)與系統(tǒng)中的其它因素沒有有向線段鏈接,為孤立因素,且B3中心度排名為第16位,原因度排名第8位置,C2中心度排名第14位,原因度排名第11位置,說明這2個因素對其他因素的相互影響作用弱,可以在后續(xù)的研究分析中將這2個孤立因素剔除以便于進行更深層次的研究。出現(xiàn)這種情況,原因是生產(chǎn)設(shè)備落后和設(shè)備能量交互受阻在一定程度上確實會對鋼廠安全造成隱患,但隨著我國基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展,我國目前的煉鋼生產(chǎn)環(huán)境相對擺脫了這種情況。

3.3 層級分析與對策

鋼廠安全影響因素體系中,形成了五級自上而下的有向遞階層次結(jié)構(gòu),有向箭線代表原因因素指向結(jié)果因素。從圖3可以看出,由于活動因素的存在,UP型拓撲層次結(jié)構(gòu)與DOWN型拓撲層次結(jié)構(gòu)不完全重合,這也是帶有活動因素系統(tǒng)的特征。然而,基本結(jié)構(gòu)總體上是相似的,例如A2(人的情緒)、A4(安全觀念薄弱)、B1(機械設(shè)備故障)、B2(設(shè)備維護不到位)、B4(設(shè)備超負荷運行)、D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、D3(安全管理落實不到位)、D4(企業(yè)安全文化薄弱)。通過進一步歸納與簡化,將鋼廠安全風險影響因素的5個層級分為三級:根本層(L4)、過渡層(L1、L2、L3)、結(jié)果層(L0)。

在拓撲圖中根本層因素只發(fā)出有向箭線,底層因素組合形成底層因素,A3(職工知識水平不足)、C3(作業(yè)環(huán)境艱苦)、D1(職工工種安排不合理)、D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、D4(企業(yè)安全管理文化薄弱)5個因素是底層因素。這些因素在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位,不受其他因素影響,且對鋼廠安全影響程度最大,需要重點考慮。在現(xiàn)實生產(chǎn)與安全工作中,應(yīng)多把工作重心放到安全管理上,注重管理規(guī)范化和制度健全化、加強職工安全培訓(xùn),因此,加強企業(yè)安全文化的建設(shè),改善職工工作環(huán)境是有效的手段。

結(jié)果層是由B1(機器設(shè)備故障)、B5(救護設(shè)備和勞動防護用品不到位)、C1(人機交互受阻)3個因素決定,是系統(tǒng)中的最上層因素,由其他因素導(dǎo)致。

中間層是由A1(人為失誤)、B2(設(shè)備維護不到位)、B4(設(shè)備超負荷運行)、A2(人的情緒)、A4(安全觀念薄弱)、D3(安全管理落實不到位)6個因素組成。它們處于整個系統(tǒng)的中間部分,起到安全隱患傳遞與連接的作用,可以說這6個因素是影響鋼廠安全的傳遞性因素,應(yīng)視為安全管理工作的重要組成部分,在日常工作中可以優(yōu)先考慮。A1(人為失誤)、B2(設(shè)備維護不到位)、B4(設(shè)備超負荷運行)與鋼廠安全風險相關(guān)性強,減少和避免此類事情的發(fā)生可以直接減少事故的發(fā)生。A2(人的情緒)、D3(安全管理落實不到位)處于中間層,是安全隱患傳遞與放大的關(guān)鍵因素,關(guān)注職工的工作情緒,確保安全管理落實到位是鋼廠安全管理的重要一環(huán),也是減少安全隱患防止事故發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。

3.4 中心度與原因度分析

中心性是分析網(wǎng)絡(luò)時的重要指標,中心度作為中心性度量的正向指標,在系統(tǒng)中數(shù)值越大表示該因素越重要。由表6可以看出,鋼廠安全風險影響因素中心度排名前五的是:D3(安全管理落實不到位)、D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、A1(人為失誤)、B1(機器設(shè)備故障)、D4(企業(yè)安全管理文化薄弱)。因此,上述因素是日常工作的管理重點。

原因度主要反應(yīng)了風險因素在系統(tǒng)中的因果屬性,原因度的計算結(jié)果通常包括正值和負值2個部分,正值代表因素具有原因?qū)傩?且數(shù)值越大原因?qū)傩栽綇?負值代表因素具有結(jié)果屬性,且數(shù)值越小結(jié)果屬性越強。從表6可以看出鋼廠安全風險影響因素原因?qū)傩耘琶拔宓氖?D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、A3(職工知識水平不足)、D4(企業(yè)安全管理文化薄弱)、D3(安全管理落實不到位)、A4(個人安全觀念薄弱)。具有高原因?qū)傩缘囊蛩貙ο到y(tǒng)中其他因素影響程度高,因此在鋼廠日常安全管理工作中應(yīng)加以重視。

鋼廠安全風險影響因素結(jié)果屬性排名前五的排序依次為:B1(機器設(shè)備故障)、B5(救護設(shè)備和勞動防護用品不到位)、B4(設(shè)備超負荷運行)、B2(設(shè)備維護不到位)、C1(人機信息交互受阻)。結(jié)果屬性高的因素在系統(tǒng)中容易受到其他因素影響,要想控制這類因素需要注意與之對應(yīng)鏈接的上層因素的控制。

3.5 風險因素傳遞性分析

整體上看系統(tǒng)具有風險因素結(jié)果屬性越強,因素層級越靠上,風險因素原因?qū)傩栽綇?因素層級越靠下的特點,這是由因素自身的特性決定的。D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、D3(安全管理落實不到位)原因度較高,具有很高的原因?qū)傩?且處于相對靠下的層級;B1(機器設(shè)備故障)結(jié)果屬性較高,且處于拓撲圖的最上層。這些因素在具有很高的因果屬性的同時也印證了方法聯(lián)用的合理性。

風險因素的中心度排序與層級劃分之間不存在明顯的特征。這可能是因為因素的影響度和被影響度相加之后淡化了這兩種屬性,導(dǎo)致其影響作用的傳遞關(guān)系不能在層級劃分中體現(xiàn)出來。但可以看出A3(職工知識水平不足)、A4(安全觀念薄弱)、D2(安全管理規(guī)范不健全制度不完善)、D4(企業(yè)安全文化薄弱)發(fā)出的有向箭線上的綜合影響值較高,這些因素具有的中心度較高的同時,帶有高綜合影響值的箭線所指向的因素中心度同樣排名高的趨勢(A3作為四者中唯一的活動因素,中心度排名相對靠后,但仍然具有高綜合影響值的箭線指向高中心度因素的趨勢)。由于風險因素的傳遞性,應(yīng)該特別注意控制鏈中上述因素,而這一信息要素是AISM所不具備的,同時進一步印證了DEMATEL與TAISM兩種方法得出的結(jié)果可以更加充分地相互解釋。

4 結(jié)論

研究以天津某鋼鐵集團為工程實例,從人機環(huán)管4個方向確定了16個影響因素。運用DEMATEL和TAISM構(gòu)建聯(lián)合模型,為鋼廠安全管理提供理論支持。與傳統(tǒng)的ISM模型相比,DEMATEL-TAISM模型能夠生成逆向提取的層級拓撲圖,系統(tǒng)模型包含綜合影響值,解決了ISM方法只能體現(xiàn)出因素之間的重要程度,未能厘清鋼鐵制造企業(yè)復(fù)雜龐大的生產(chǎn)過程中,風險因素之間的傳遞性和耦合關(guān)系的問題。同時一定程度上解決了DEMATEL與AISM聯(lián)用時中心度與層級拓撲圖聯(lián)系模糊的問題,更直觀全面地說明了要素之間的影響,進一步明確了鋼廠安全風險影響因素之間的層次關(guān)系和傳遞性,對安全管理人員日常工作所遇到的問題進行了詳細分析,具有重要的研究意義。

計算結(jié)果表明:安全管理落實不到位、安全管理規(guī)范不健全制度不完善、人為失誤、機器設(shè)備故障、企業(yè)安全管理文化薄弱中心度高;職工知識水平不足、安全觀念薄弱、安全管理規(guī)范不健全制度不完善、企業(yè)安全文化薄弱在系統(tǒng)中具有較強的傳遞性。因此應(yīng)重點把控上述因素在可控制安全隱患傳遞的同時,從根本上影響事故的發(fā)生。