非煤矿山安全管理的生态系统理论研究

郭进平 张 星 李世伦

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

非煤矿山在我国经济发展中占有重要的地位，非煤矿山生产活动具有复杂性、动态性等特点，给其安全生产管理带来了很多不便之处。有文献指出非煤矿山行业每年事故的死亡人数位居第三，仅位于煤矿事故和交通事故之后[1]，因此我国的非煤矿山的安全生产依然面临严重的考验。朱龙杰[2]从儒、道、法、兵4家传统思想入手，结合我国非煤矿山安全管理的特点，形成了基于传统思想的非煤矿山安全管理模式。刘好等[3]从系统理论出发，将安全生产管理分解为5个因子，建立安全生产管理体系。贝塔朗菲[4]的《现代发展理论》等著作的发表为生态系统在管理科学中的应用提供了很好的思路，生物整体与环境因素关系可以通过数学模型进行研究，认为生命现象存在自组织性和有序性。随着社会发展程度的不断提高，生态系统理论已在工商业金融和知识管理中得到了一定的运用。胡斌[5]将耗散结构理论与企业的生态系统相结合，企业生态系统动态发展的根本原因就是系统自组织性和环境选择。黄国平[6]基于金融生态系统理论，对我国金融生态环境进行了评价。王兴元、张鹏[7]在品牌建设中引入生态系统理论，为品牌建设提供了新的思维模式、方法和角度。笔者查阅生态系统理论应用的文献，发现将生态系统理论运用到非煤矿山安全管理中的研究并不多，多数是以系统理论为指导思想，研究非煤矿山安全管理体系的演化机理，因此笔者尝试性地将生态系统基本理论运用到非煤矿山安全管理系统中，希望可以起到丰富非煤矿山安全管理工作思路的作用。

1 非煤矿山安全管理生态系统

1.1 非煤矿山安全管理生态系统内涵

英国的生物学家Arthur Roy Clapham最早提出“生态系统”，是指自然界中生物与环境构成的统一整体，生态系统中生物与环境相互影响、相互制约的过程中存在大量的物质循环和能量流动[8]。安全管理体系具有跟生态系统类似的特性，因此可以将生态系统理论运用到安全管理体系中。

基于自然生态系统理论，非煤矿山生产活动的直接参与者与生态系统中的生产者对应，前者作为生产系统中的主要组成部分；企业各级管理人员与生态系统中的消费者对应，管理人员对企业的生产活动承担直接责任；政府安全生产监督部门与生态系统中的分解者对应，对企业安全生产工作进行有效的监督，并解决生产活动中遇到的问题；安全文化、安全制度、安全投入与生态系统中非生物的物质和能量对应，对安全生产管理体系的复杂度、健康度和稳定性有重要的作用。

1.2 非煤矿山安全管理生态系统的特征

(1)整体性。非煤矿山安全生产生态系统中各个子系统都具有专有的功能，非煤矿山安全管理生态系统中各子系统之间要做到相互配合，共同发挥系统整体的功能。

(2)动态性。每个参与安全生产过程的安全主体对各类信息的掌握情况不一样，会导致管理相关信息在传输的过程中出现信息缺失、信息错误等情况，使得安全生产管理出现混乱。因此各参与主体要对安全管理信息进行不断的更新和协调，在信息运动的基础上运用先进的安全管理知识，使非煤矿山安全管理生态系统处于最佳的状态。

(3)耗散结构特性。系统内各因素的改变与系统运行结果无线性关系，比如安全投入并不能直观体现出系统正处于有序稳定的状态。矿山生产技术和安全管理的不断进步，人们对影响非煤矿山安全生产的因素进行有效控制，降低系统内熵的大小，从而维持系统处于一种动态平衡状态。

2 非煤矿山安全管理生态系统构成

类比自然生态系统的组成可以构建非煤矿山安全生产管理生态系统结构模型，该模型由2大部分组成，分别为非煤矿山企业安全管理主体生态系统和安全自然生态系统，这2部分可以视为自然生态系统中的生物要素和非生物要素。非煤矿山安全管理中存在大量安全管理信息资源的传递，包括流动的人力、技术、物力、法规制度、资金等资源的流动。安监局会将关于非煤矿山安全生产的有关法规、通知和批文等信息传达给每个非煤矿山企业，在此过程中，非煤矿山生产的主体也承担着信息的消费和传递的作用；非煤矿山安全管理工作涉及到的专业内容，安全管理主体在获取非煤矿山生产各方面的信息后，进行信息分析处理，通过安全管理链传达给其他的主体；安全生产管理人员对接收到的上级信息可以进行有效的反馈，他们可以结合非煤矿山的生产情况，针对相关的安全管理信息提出需要完善的方案。安全主体对信息的吸收与反馈共同组成了非煤矿山安全生产信息传递的生态链[9-10]。

系统中生物主体有企业监管人员、生产活动直接参与者、政府安全生产监督部门和企业管理组织，其将非生物资源通过一定的途径在系统中加工、配置、传递，主体间相互吸收有效资源，系统的资源传递结构如图1所示。

图1 非煤矿山安全管理资源传递结构

3 非煤矿山安全管理生态系统熵变含义

非煤矿山安全管理生态系统中任何一个因素偏向于消极的方向发展，均会对该系统造成不利的负面影响，甚至会引发安全事故，因此研究该系统的演化机理对在面临系统处于不同的状态时所采取的措施有重要的意义。马金山[11]从矿山安全系统的特征入手，应用熵理论对矿山安全系统演化机理进行探讨，并建立了相应的安全熵理论。非煤矿山安全生产管理生态系统内外无时无刻不在进行着能量交换，随着与外界环境的能量交换，系统又会处在新的平衡状态。

3.1 非煤矿山安全生产管理生态系统熵变数学模型

根据耗散结构基本原理，得出非煤矿山安全生产管理生态系统熵的定义为：系统内部各种不可逆过程伴随着熵的增加，其物理意义是系统混乱程度的度量。

非煤矿山安全生产管理生态系统正熵流是导致系统处于无序状态的一个度量，其数学表达式为

Si=-Ka∑P(xj)lgP(xj) (j=1,2,…,n) ，

(1)

式中，Si为系统总正熵；Ka为待定系数，为安全系统所处的行业、阶段时对系统产生正熵值时各因素的权重值；j为非煤矿山安全生产系统中产生正熵的安全因素；P(xj)为子因素影响系统产生正熵值变化的概率。

非煤矿山安全生产管理生态系统负熵流是导致系统处于有序状态的一个度量，其数学表达式为

Se=Kb∑P(xj)lgP(xj) (j=1,2,…,n) ，

(2)

式中，Se为系统总负熵；Kb为待定系数，为系统所处的行业、阶段时对系统产生负熵值时各因素的权重值；j为系统中产生负熵的安全因素；P(xj)为子因素影响系统产生负熵值变化的概率。

系统总熵ST表达式为

ST=Si+Se=-Ka∑P(xj)lgP(xj)+

Kb∑P(xj)lgP(xj)，

(3)

式中，当Se>Si,即ST>0时，系统处于无序状态；当Se

3.2 非煤矿山安全管理生态系统熵变分析

通过调研非煤矿山安全管理的资料文案，并征求相关专家意见，得出影响非煤矿山安全生产的指标要素，如表1所示。

对指标体系中一级指标的重要性进行分析，确定每个指标相应的权重；请专家对每个指标产生的熵流影响进行打分为S，并对指标因素在企业中施行的实际情况进行打分为E，将每个因素的2个分值相乘得出子因素影响系统产生熵流变化的概率P(xj)；确定待定系数Ka、Kb；由式(1)和式(2)分别计算系统的正熵值和负熵值，最后由式(3)计算系统的总熵值，由总熵值的大小确定系统所处的状态。

4 实证分析

本次选取陕西省某非煤矿山为研究对象，选取该非煤矿山近10 a的安全管理生态系统熵变指标要素评分为研究数据，以2016年安全管理生态系统熵变指标要素评分为例，对该模型的有效性和实用性进行了验证；然后对该矿山近10 a来安全管理生态系统的运行熵进行分析，计算并绘出了系统运行熵的变化图， 通过行业和安全专家打分得出安全管理生态系统熵变指标评分表，如表2所示。

从表2的计算结果可知，根据式(1)～式(3)计算系统总正熵Si=0.352 9，系统总负熵Se= -0.515 5，系统总熵ST=-0.162 6<0，可以判断出，该非煤矿山安全管理生态处于不断健康发展的趋势，从安全管理视角来看系统处于积极稳定的状态。同理可以求解出2007—2016年的信息熵累计数值，通过以上的计算求得该矿山生态安全总熵ST自2014年起开始由正到负。根据前文对信息熵概念的阐述，说明该矿山的安全状况自2014年起开始好转。2007—2013其累计信息熵是正的，分别为 0.427 853、0.338 659、0.218 359、0.118 359、0.128 359、0.068 359、0.048 359，说明该矿山的生态环境并未达到安全水平。利用Matlab多项式拟合对趋势线进行二阶、三阶、四阶多项式拟合并后推得其年份—熵累计函数关系为

y=0.002 45x2-9.994x+10 117,

y=-0.000 46x3+2.788x2-5 613.5x+3.767 3,

y=0.000 46x4-3.665x3+11 060x2-1.483 3x+7.96，

表2 非煤矿山安全管理生态系统耗散结构分析指标评分

式中，x为年份数，以2005年为“1”起点；y为熵累值。趋势图如图2所示。

图2 安全管理生态系统累计信息熵变趋势

残差分析如图3所示，可以分析出四阶的残差系数拟合数=0.110 98，说明函数拟合良好。

从图3可以看出:该矿山安全管理生态系统总熵从2011年开始系统总熵值为正值但趋于稳定，但系统仍处于不可接受的安全水平；从2014年开始系统总熵值变为负值，可以理解为新《安全生产法》颁布后起到了积极有效的作用；随着新《安全生产法》施行力度的不断加大，当地政府及相关部门采取了更加有效的调节和相应措施，共同推动矿山安全管理生态系统向稳定有序的方向发展，结果与企业的安全生产

图3 安全管理生态系统累计信息熵变趋势残差

5 结 论

(1)由生态系统理论启发，提出了非煤矿山安全管理生态系统的概念，并建立了非煤矿山安全管理生态系统结构图，基于耗散结构基本理论，分析非煤矿山安全管理生态系统中的熵变机理，得出系统的3个状态：有序状态、无序状态和临界状态。

(2)通过熵权法赋权模型获得的评价结果相对合理,为有关部门的监测和有针对性的治理提供了重要依据。

(3)以陕西省某矿山2007—2016年评价指标评分为基础，并计算出了系统历年的总熵值，对结果进行可视化分析，结果与企业安全管理实际情况相符合。

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