煤矿生产物流系统安全与效率动态协同优化研究

高等学校博士学科点专项科研基金申请书(博导类)课题名称：煤矿生产物流系统安全与效率动态协同优化研究申请者：王金凤所在单位：郑州大学所在院系：管理工程系联系电话：[phone]是否博士导师：是博士点名称：公共安全与危机管理国家重点学科名称：国家重点实验室：申请日期：2012-03-18中华人民共和国教育部课题编号20124101110001学科代码330.17.45学科组管理科学版本号1101.02.002.6351101.02.002.635-１-简表一研究课题名称煤矿生产物流系统安全与效率动态协同优化研究学科名称管理系统工程学科代码3301745研究类别基础相关学科学科代码起始日期终止日期申请经费（万元人民币）2013-01-012015-12-3112申请者姓名王金凤出生日期1963-05-27性别女技术职称定职时间行政职务联系电话[phone]教授2005-09-01系主任电子邮件[e-mail]毕业学校天津大学毕业时间2005-06-20最终学位博士外语语种1：程度语种2：程度学术兼职（限45汉字）填写概括课题内容的六个关键词（主题词），关键词个数可少于六个，关键词之间用逗号隔开安全，效率，动态协同优化，煤矿生产物流课题摘要（300字以内）鉴于煤炭行业的特殊性及煤炭资源的有限性，如何在保障安全生产的前提下实现高效生产，对于政府、社会和煤矿企业具有重要的现实意义。本课题以分析安全与效率之间复杂且随时间变化的内在联系为切入点开展安全与效率动态协同优化研究。内容包括：（1）煤矿生产物流系统安全与效率影响因素及交互作用分析；（2）煤矿生产物流系统安全与效率协同评价；（3）煤矿生产物流系统安全与效率协同模型及有效性检验；（4）煤矿生产物流系统安全与效率协同模型的动态优化。研究成果将从理论上丰富煤矿生产物流系统安全与效率动态协同优化理论，从实践上为我国安全高效开发煤炭资源、改善日趋严峻的煤矿安全生产形势提供决策理论方法和应用技术支持。182227182227?xmlversion=1.0encoding=GB2312?XMMB_VERSION=JYBBSD-SB11-2.0T_XM_INFO1201241011100011101.02.002.635JYBBSD-SB11-2.01101.02.002.635-２-一、研究的目的、意义和成果的预计去向（包括本课题所要解决的科学问题、理论上的科学价值或预见在应用中对经济建设的影响等）。1.1问题提出煤炭生产是国民经济的命脉之一。统计公报显示，2011年我国一次能源消费总量34.8亿吨标准煤中煤炭占82.9％左右，而预计到2015年末我国煤炭年需求量将增至39亿吨。煤炭资源的广泛利用为推动我国国民经济建设进程、提高人民生活水平做出了并且仍将继续做出巨大贡献。近年来，鉴于煤炭行业事故多发，伤亡率持续居高的事实，各级政府及煤矿企业均加大了生产安全方面的投入，通过改善矿井通风、加强危险源监测、健全事故预防与应急处理机制来逐步扭转被动局面，取得了显著的成效。但是，又陷入另外的误区：不少煤矿生产企业均存在为保安全而不惜压缩额定生产能力的现象，即过分地追求安全的冗余，而忽视了生产效率的提高。数据显示，2011年美国煤炭行业的百万吨死亡率为0.009，我国为0.564，而另一方面，美国的煤炭生产人均工效却是我国的44倍！可见，在安全高效生产上，我国与发达国家相比差距巨大。如何平衡生产过程的安全与效率，在不牺牲安全的前提下提高效率，在不影响效率的前提下确保安全，实现安全高效生产，成为煤炭行业迫切需要解决的现实问题。煤炭生产和其他行业相比有其明显特质。煤炭生产过程主要是煤炭物理形态的变化（开采和破碎），以及煤炭空间位置的改变（井下和地面输送），这实质上是一种特殊的物流过程。此外，在煤炭生产过程中还存在着设备、材料、水流、风流等多种形式的物料与物质的流动，这些共同组成了煤矿的生产物流系统，是煤炭生产的主体部分。或者说，实现煤矿生产物流系统的安全高效，是实现煤炭生产安全高效的基础和关键。申请人在煤矿生产物流领域有着较为深入的研究，曾获国家自然科学基金资助“井工生产条件下煤矿物流模式及优化方法研究”（No.70740002，已于2010年1月结项），主要针对对煤矿生产物流流程进行了评价和设计。研究成果得到了国内外同行的关注和认可，部分成果的应用创造了可观的经济效益。在研究中课题组发现，在实现煤矿生产物流流程优化的基础上，改善煤炭生产现状的关键，即转化为对煤矿物流系统安全与效率的协同优化。具体来说，煤矿生产物流系统的多属性、环境随时间变化、模糊的复杂性工艺流程等特征严重掣肘着煤炭的安全高效生产，而且安全与效率之间相互联系、相互制约，两者之间的复杂关系还随时间动态变化。也就是说，从上述现实问题中可以提炼出如下的科学问题：即如何在煤矿生产物流系统复杂、动态的环境下，实现安全与效率的协同优化。1.2研究意义本课题的研究具有重要的理论意义和应用价值。在理论上，煤矿生产物流系统安全与效率作为一对相互制约、相互联系的矛盾体，一直是国内外学者关注的热点与前沿问题。虽然研究者对于安全与效率的评价、优化及应用研究取得了较多成果，现有研究或集中在安全或效率单一指标的评价优化，或集中在协同优化理论及方法的应用；对于煤矿生产物流系统，如何在安全与效率之间权衡，实现两者协同优化，有价值的成果还不多，本课题研究将丰富并拓展煤矿生产物流系统优化理论，为我国煤矿生产物流系统安全高效生产提供决策理论方法和技术支持。在应用上，本课题将结合典型煤矿，对煤矿生产中的多个物流子系统进行分析，研究影响煤矿生产物流系统安全与效率协同优化的关键因素，构建煤矿生产物流系统安全与效率协同优化模型并进行动态优化。在宏观层面，课题研究成果有利于安全高效开发我国煤炭资源，改善日趋严峻的煤矿安全生产形势，保证煤炭生产的可持续发展；在微观层面，课题研究成果对于保障煤矿企业安全生产，提高系统效率，实现安全与效率的动态协同优化具有重要现实意义。1101.02.002.635-３-二、研究课题所涉及的科学领域，国内外达到的水平，存在的主要问题；本课题的学术思想、理论根据、主攻关键及独到之处。2.1国内外研究现状现状综述及发展动态对于安全与效率这一相互联系、相互制约的矛盾体，如何在保障安全生产前提下实现高效生产，需要对煤矿生产物流系统安全与效率动态协同优化。首先，选择合适的数学模型，对煤矿生产物流系统安全与效率进行协同评价；其次，在评价基础上构建煤矿生产物流系统安全与效率协同优化模型，并进行模型有效性检验；第三，实现煤矿生产物流系统安全与效率协同模型的动态优化。对于上述三方面的研究现状综述如下。2.1.1煤矿生产物流系统安全与效率协同评价的研究现状（1）煤矿生产物流系统安全或效率评价研究煤矿生产物流系统安全评价多集中在安全评价方法的选择、应用和评价指标及模型构建等方面。如王大尉等[1]基于道琼斯指数法原理，确定了煤矿主要评价单元的危险系数和安全补偿系数，通过计算得到爆炸危险指数和安全措施补偿系数，最后给出了煤矿主要危险单元的危险性等级结论；ZhaiXQ等[2]应用BP神经网络方法评价了煤矿风流系统的安全；Swarup[3]提出人工神经网络模式识别法，并将其应用于电力系统的安全评价和分析，验证了该方法的适用性；Srivastava等[4]采用安全风险系数表（SRFT）和分步矩阵程序（SMP）等工具对石油和天然气工业以及其他化学工业的安全风险进行了评估；Aneziris等[5]提出一种故障概率动态评价方法，构建马尔科夫模型，并对该模型和事故树分析法进行对比分析；Leong等[6]综述了本质安全标准设计中可行的量化方法，指出现有方法中的不足，提出了本质安全综合指标。煤矿生产物流系统效率评价多集中煤矿生产效率影响因素分析、煤矿面板数据分析评价、煤矿综合效率测度等方面。Stoker[7]将美国的煤炭产区分类，构建了影响美国煤炭行业生产效率因素的非平衡面板数据模型，通过广义矩阵方法求解，将影响煤矿生产效率因素分解为规模效应、行业固定效应、价格效应和时间效应；Sharma等[8]应用随机生产前沿模型分析了美国伊利诺斯州12个地下开采煤矿的效率问题，指出影响因素主要在劳工数量、资本利用率、煤层深度、灾害频率和煤层赋存条件，该研究为提高煤矿生产效率提供了很好的借鉴；Quariguasi等[9]对生态物流效率评价进行了研究，主要在算法上解决了多目标线性规划问题以降低废弃逆向物流成本；王金凤等[10]采用Malmquist指数方法对煤矿生产物流系统动态效率进行评价，通过实证分析了矿区的煤矿生产物流系统动态效率及变化趋势，研究结果表明该矿区煤矿生产物流系统效率的增长趋势主要来源于技术效率的提高而非技术前沿变动；Asmild等[11]提出运用DEA测量综合效率框架，描述了如何运用该框架评估目标的有效性。（2）安全与效率协同评价理论研究安全与效率协同评价理论研究多集中在评价指标体系、评价模型上。程晓娟[12]运用数据包络分析方法，从综合技术效率、纯技术效率和规模效率等方面对煤炭企业安全效率进行评价，并提出提高企业安全效率的方向和对策；姚有利[13]应用协同学原理分析煤矿安全状况和经济发展的特性，构建煤矿安全与经济共同发展的协调度评价指标体系；张翠华等[14]从信息流、业务流、资金流三方面建立协同绩效评价指标体系，运用模糊综合分析法对供应链进行协同评价；杜健邦等[15]对具有时序性要求的确定性DEA模型进行1101.02.002.635-４-了改进，引入熵和可靠度指标，综合集成出熵-随机DEA的供应链协同评价模型；胡林凤等[16]构建港口物流系统协同竞争机制效应模型，运用层次分析法（AHP）对港口物流系统协同竞争效应进行评价；宁方华等[17]提出了协同物流网络结构熵与运行熵的综合分析方法，有效改善协同物流网络的有序性和整体效率。从上述文献可以看出，煤矿生产物流系统安全与效率协同评价研究或集中在对煤矿生产物流系统安全或效率某一单方面的评价指标体系、评价方法选择上，或集中在安全与效率协同评价理论研究方面，这些研究对煤矿生产物流系统安全与效率协同评价研究提供了基础理论支持。2.1.2煤矿生产物流系统安全与效率协同优化的研究现状（1）安全与效率协同优化定性研究目前有关安全与效率协同优化定性研究集中在银行、金融、生产系统等领域的体制、模式、政策建议等方面。胡炳志[18]从金融监管、存款保险和市场惩戒方面构建三维维系机制，有效地维护金融安全与效率；陈志龙[19]指出我国超额外汇储备的潜在风险，提出保持外汇储备适度规模及优化其结构，并从安全与效率方面分析提高外汇储备的政策建议；刘志峰[20]从网络运行安全与运行效率的关系进行分析，结合集团公司网络实际，提出合理的配置策略，在保障网络安全的同时实现网络适应效率最大化；周小梅等[21]引入收益成本模型分析食品安全管制效率问题，从收益成本角度分析中国食品安全管制的效率，提出提高中国食品安全管制效率的对策建议；何树梅[22]在安全管理中应用群体动力学，提出利用群体环境因素促进安全管理，从而提高安全管理效率；李代超[23]指出国库现金管理模式分为安全模式和效率模式，并分析构建和谐的安全及效率模式的必要性；王志勤[24]指出银行破产过程中安全和效率是一对矛盾，必须在安全和效率之间寻求平衡，在提高银行破产效率的同时实现更高层次的安全。（2）安全与效率协同优化定量研究目前，关于安全与效率协同优化定量研究可归纳为应用研究和优化方法研究。在协同优化应用研究层面，多集中在供应链、参数控制、生产系统的优化等领域。如张华等[25]运用面向投入的C2R模型和超效率DEA模型，分析我国2008年18家煤炭企业的安全效率，结果显示55.56%的煤炭企业投入资源未得到有效利用，并对无效的煤炭企业分别从技术有效和规模有效两个方面讨论无效的原因，并提出改进方法，为煤炭企业的经营决策提供良好的参考依据；曹黄金等[26]在定义影响度的