基于RS-ANN的煤矿瓦斯危险源评价及预警研究_图文.doc

西安科技大学 硕士学位论文 基于RS-ANN的煤矿瓦斯危险源评价及预警研究 姓名王莉 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师田水承 20070420 论文题目专业硕士生指导教师基于ＲＳ－ＡＮＮ的煤矿瓦斯危险源评价及预警研究 安全技术及工程 王莉 田水承摘要 （签名）曼鍪ｊ（签名 瓦斯灾害是威胁我国煤矿安全的头号杀手。全面系统地认识各种导致瓦斯事故的危险源、对其进行科学地评价、预警是目前煤矿安全生产工作中迫切需要解决的课题。本文首先在综述煤矿危险源理论与辨识的基础上，分析了煤矿三类危险源的系统结构和分类内容。根据集对分析（ＳＰＡ）理论将“安全事故”列为一对集对，确定其联系度表达式，分析指出危险源系统通常处于风险状态，而风险的程度取决于对具有不确定性的第二类危险源和第三类危险源的控制情况。因此煤矿要达到较好的安全状态，必须使设备可靠、组织合理、管理有效，提高全体员工的安全意识，营造浓厚的安全文化氛围。 其次，本文选取瓦斯事故发生最多的煤矿掘进工作面进行研究。建立基于人工神经网络（ＡＮＮ）方法的掘进工作面瓦斯危险源安全评价模型，运用集对分析模型计算联系度的方法，对十个具体掘进面瓦斯爆炸三类危险源分别确定了安全评价等级，作为ＢＰ神经网络的训练样本。设计了掘进面瓦斯爆炸危险源ＢＰ神经网络安全评价仿真程序，并对黄陵某矿掘进工作面进行了评价应用。 第三，构建了基于粗糙集．神经网络（ＲＳ．ＡＮＮ）的煤矿掘进面瓦斯危险源评价与预警模型。根据粗糙集理论强大的属性约简和模式识别功能，将ＲＳ方法预处理程序作为ＡＮＮ的前置系统，对ＢＰ网络结构进行简化，避免数据的泛化，提高ＡＮＮ的分类精度和收敛速度。对黄陵某矿同一掘进工作面瓦斯危险源状况进行实例应用，与单纯的ＡＮＮ方法相比较，简化了网络结构，大大缩短了相同样本的网络训练时间，取得较好的效果。 最后，对煤矿瓦斯危险源预警评估系统构架进行初步设计，以期对我国瓦斯灾害的控制、预警提供思路。 关键词安全评价；三类危险源；粗糙集；神经网络；集对分析；预警研究类型应用研究 ＳｕｂｊｅｅｔＲｅｓｅａｒｃｈＯＲＳａｆｅｔｙＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄＥａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇｏｆＧａｓ ＨａｚａｒｄｉｎＣｏａｉＭｉｎｅＢａｓｅｄｏｕＲｓ．ＡＮＮ ＳｐｅｃｉａｌｔｙＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮａｍｅＷａｎｇＬｉ ＩｎｓｔｒｕｃｔｏｒＴｉａｎＳｈｕｉｃｈｅｎｇ（ｓｉｇｎａｔｕｍ监争丛一（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｈｅｇａｓａｃｃｉｄｅｎｔｓａｌｅｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅａｔｌｓｅｏｆｄｅａｔｈｓｉｎＣｈｉｎａｃｏａｌｎｌｉｎｅｓ，ｓｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｈａｚａｒｄｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙａｎｄａｓｓｅｓｓｉｎｇｇａｓｈａｚａｒｄｓｆｏｒｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙｓｈｏｕｌｄｂｅｓｏｌｖｅｄ ａｓｓｏｏｎａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓａｆｅｔｙ．Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｈａｚａｒｄｓｔｈｅｏｒｙ ａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｆｉｒｓｔｅｘｐｌａｉｎｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｈａｚａｒｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｅａｃｈｔｙｐｅｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｅｔｐａｉｒａｎａｌｙｓｉｓ，“ｓａｆｅｔｙ－ａｃｃｉｄｅｎｔ＂ｃｏｕｌｄｂｅｃｈｏｓｅｎ ａｓａｓｅｔｐａｉｒ．Ｔｈｅｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｂｅｓｅｔｐａｉｒ’Ｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｗａｓ ｃｏｎｆｎ＇ｍｅｄａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔａｔｅｏｆｈａｚａｒｄｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＩｔｅｘｐｌａｉｎｅｄｔｈａｔｔｈｅｈａｚａｒｄｓｓｙｓｔｅｍｗｏｕｌｄａｌｗａｙｓｂｅｉｎａｒｉｓｋｙｓｔａｔｅｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｓｂｅｔｗｅｅｎｓａｆｅａｎｄｄａｎｇｅＴｏｕｓｓｔａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｉｓｋｄｅｇｒｅｅｗｏｕｌｄｂｅｄｅｃｉｄｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｎｄｔｈｅｔｌｌｉｒｄ ｔｙｐｅｓｏｆｈａｚａｒｄ．Ｉｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗｏｕｌｄｌｉｋｅｔｏｒｅａｃｈａｓａｆｅｌｅｖｅｌ，ｉｔｒｅｑｕｉｒｅｄ ｒｅｌｉａｂｌｅｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｙｏｒｇａｎｉｚｅｄ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｃｏｎｓｃｉｏｕｓｎｅｓｓｏｆｓｔａｌｆａｓｗｅｌｌａｓａｇｏｏｄｓａｆｅｔｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｃｈｏｓｅｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｔｏｓｔｕｄｙｗｈｅｒｅｇａｓａｃｃｉｄｅｎｔｓｏｔｔｏ／Ｔｅｄｍｏｓｔｉｎｃｏａｌａｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｎｔｈｅ ｐａｐｅｒｃｏｎｓ－ｔｉｍｅｄｔｈｅｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｉｎｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｂａｓｅｄｏｎＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ（ＡＮＮ）．，ｎ塘ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｓ ｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｌＩｓｉｌｌｇｔｈｅｓｅｔｐａｉｒａｎａｌｙｓｉｓｔｏｆｌｓｓｅ８８ｓａｆｅｔｙｄｅｇｒｅｅｓｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｈａｚａｒｄｓｉｎｔｅｎｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｗｅｒｅｍａｄｅａｓｔｒａｉｎｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｉｎＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｎｉｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｈａｚａｒｄｓｉｎｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｂａｓｅｄｏｎＢＰｉ＂ｕＦａｌｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｏｍｅｅｘａｍｐｌｅｓｉｎＨｕａｎｇｌｉｎｇｃｏａｌ ｍｉｌｌｅ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｃｏｌｌｓｔｒｕｃｔｅｄｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｈａｚａｒｄｓｉｎｈｅａｄｉＩｌｇｆａｃｅｂａｓｅｄｏｎＲＳ－ＡＮＮ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｐｒｏｐｅｒｔｙｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｐａｔｔｅｒｎｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＳｗａｓｕｓｅｄａｓＡＮＮ＇ｓｐｒｅｃｅｄｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＢＰｎｅｕｒ村ｎｅｔｗｏｒｋ，ＳＯ ａｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅＡＮＮ’Ｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｓｐｅｅｄ．ＥｘａｍｐｌｅｓｏｎｔｈｅｓａｍｅｓｐｏｔｐｒｏｖｅｄｔｈａｔａｆｔｅｒｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋＷａｉｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗａｓｉｎａｌｌａｃｃｅｐｔａｂｌｅｒａｎｇｅａｎｄｉｔｗａｓｆｅａｓｉｂｌｅ．ＴｈｅｗａｙｏｆＲＳ－ＡＮＮｇｏｔｂｅｔｔｅｒｅｆｆｅｃｔｃｏｍｐａｋｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗａｙｏｆＡＮＮｂｅｃａｕｓｅｏｆｓｈｎｐｌｉｃｒｎｅ细ｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｈｏｒｔｅｒｔｒａｉｎｉｎｇｔｉｍｅ． Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｐｒｉｎｌａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｓｓｅｓｓｉｎｇａｎｄｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇｇａｓｈａｚａｒｄｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏａｌｍｉｎｅ，ＳＯａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｗａｙｆｏｒｇａｓｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＳａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｈａｚａｒｄｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓｅｔｐａｉｒａｎａｌｙｓｉｓｍｕｇｈ ｓｅｔｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇＴｈｅｓｉｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｔｕｄｙ 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 Ｊ＾ 学位论文作者签名ｔ乔・１日期２口●、ｑ－－２Ｄ 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名五莉指导教师签名＼（秒俨≯彳乙一１／Ｕ ２妒／年牛月２ＤＥｔ １绪论 １．１前言 １绪论 我国是一个煤炭产销大国，煤矿安全关系着我国的经济发展、社会安定和国际声誉。近年来我国煤矿安全状况得到一定程度的改善，煤矿的百万吨死亡率从２００１年的５．８５降到２００５年的２．８ｌ，再到２００６年的２．０４１１１Ｊ；然而与先进采煤国家相比，我国煤矿的百万吨死亡率高出几十倍，２００２年美国煤矿百万吨死亡率只有Ｏ．０２５。我国煤矿安全生产形势依然严峻，事故总量依然偏大，重大事故起数和死亡人数有所增长，一些地区安全状况还不稳定，一些时段出现反弹。我国煤炭有９６％为地下开采ｆ２】，国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中４６％为高瓦斯矿井，煤矿的五大灾害中，瓦斯灾害是煤矿事故中的“第一杀手”。据国家安全监督管理总局统计，２００１年至２００７年２月，全国煤矿发生一次死亡３０人以上的事故４ｌ起，死亡２５３８人；其中，瓦斯事故３３起，死亡２１５８人，事故起数和死亡人数分别占８０．４９％和８５．０３％。新中国成立以来煤矿发生的死亡百人以上事故，９５％为瓦斯事故，瓦斯始终是我国煤矿安全的最大威胁。投入瓦斯灾害的防治费用每年高约２０亿元，给煤矿生产带来沉重的经济负担。在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理、预防的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一。 煤矿井下可能存在复杂的人．机．环．管理因素并存的危险源系统，并在时间、空间上交织，事故发生机理各异。而目前我国煤矿方面的安全评价工作在研究深度和规模上还较为传统，存在一定的局限性，对安全评价的理论和技术研究等不够深入，大多借用其他行业的现有技术［３１。因此有必要研究新的、有效的评价方法。此外，每次在瓦斯灾难发生后，从中央到地方紧急启动应急救援，对伤亡人员进行抢救，对受难家属进行补偿，对安全隐患进行整改，对相关责任人和相关领导进行处理。但这样做仅能治“标”，要想治“本”，必须做好危险源的全面辨识、控制和事故前的预防、预警工作。针对以上情况本论文综合采用集对理论、人工神经网络以及粗糙集方法开展对煤矿瓦斯危险源的评价与预警研究，并初步构架了煤矿瓦斯危险源预警评估系统，为瓦斯事故预防和预警提供新的思路。 １．２国内外研究现状 １．２．１风险评价的发展 （１）国外的研究现状安全评价起源于２０世纪三十年代美国的保险业【４】，２０世纪６０年代进入了全面、系 西安科技大学硕士学位论文 统地研究企业、装置和设旌的安全评价原理和方法的历史阶段。１９６１年美国Ｗａｔｓｏｎ在研究民兵式导弹发射控制系统之安全性评价时提出了ＶＩＡ（事故树分析）方法，对以后的安全评价发展推动很大。１９６４年美国（ＤＯｗ’Ｓ）化学公司首先开创了道化学公司的火灾爆炸指数法，开创了化工生产危险度（半）定量评价的历史。在第一版以后，经过不断修改改进，陆续发表至第七版。１９７６年英国帝国（ＩＣＩ）化学公司蒙德（Ｍ∞Ｄ）分公司推出蒙德评价法。同年，日本公布了化工企业六步骤安全评价法。俄罗斯提出化工过程危险性评价法等。这些评价方法均为指数法且针对化工企业，至今仍在发展中。 ２０世纪六十年代后期，随着航空、航天、核工业等高科技领域的发展，以概率风险（ＰＲＡ）为代表的系统安全评价技术得到了迅速发展。１９７５年麻省理工学院发表了商用核电站的风险评价报告（Ｗａｓｈ１４００ＴｈｅＲｅａｃｔｏｒＳａｆｅｔｙＳｔｕｄｙ））。１９７６年英国生产安全管理局（ＨＡｓ）对两地区的工业设旌进行了危险评价。１９７９年英国伦敦Ｃｒｅｍｅｒ＆Ｗａｍｅｒ公司和德国法兰克福Ｂａｔｔｌｅ公司对荷兰Ｒｉｊｎｍｕｎｅｌ地区工业设施进行了评价。美国ｋＪ．格雷尼姆和Ｇ．Ｆ．金妮提出“多因子评分法”，即ＬＥＣ法，用来评价人们在具有潜在危险性环境中作业时的危险性半定量评价方法。２０世纪８０年代后，数据库和计算机技术在生产系统安全评价工作中得到较大范围的推广和应用，例如１９８２年英国Ｔｅｃｌｍｉｅｌｔｄ公司开发完成易燃、易爆、毒性物质评价软件包；１９８５年，荷兰的应用科学研究院开发具有事故辨识和建模功能了ＥＦＦＥｃＴＳ定量风险分析软件包；１９８９年，意大利ＳＴＡＲ公司开发了ＳＴＡＲ安全风险评价软件包，适用于项目的前期评价。后来安全评价逐渐形成了较完善的体系，目前作为一种独立的产业形式在国外发达国家不断发展。最常用的评价方法有人的可靠性分析、故障树分析、事件树分析、危险可操作性研究【５】、危险性预先分析、故障模式及影响分析、管理失效与风险分析（ＭＯＲＴ）等。 国外煤矿的安全评价研究也是随着其它行业的安全评价发展而逐步建立的，但由于煤炭行业的安全评价研究工作起步较晚，在研究深度和广度远不如化工、核工业、航空、航天等领域。其研究和应用主要集中在①统计分析事故伤亡．分析统计了损失时间、职业病、死亡，重伤、轻伤以及与其它相关因素，并在此基础上建立了工伤事故数据库；②以概率风险评价为基础。就是把矿井生产系统中危险源导致事故的概率与发生事故所造成损害的乘积作为系统状态的危险度。事故发生的概率和造成的损害经过统计数据获得，但是对事故发生的概率和损害统计不够细致，缺乏适用性，且只讨论了这些数据的模糊性问题。其它的安全评价方法有Ｉ乙Ｖ．罗曼尼教授提出的以韦伯尔分布确定事故平均周期、每天的危险率的安全性指数法；澳大利亚的Ａ．＆格林提出的煤矿操作安全评价法；波兰Ｍ．费利卫皮提出的以人一机为主的安全评价和灾害预测以及日本的隧道安全评价方法等。国外矿山安全评价研究工作也还处于开发与发展阶段。 （２）国内的研究现状 １９８１年，我国原劳动部人事部首次组织有关的科研机构和大专院校的研究人员，开２ １绪论 展了对重大危险源安全评价的研究工作。之后安全评价工作在冶金、航空、机电、化工等行业系统内逐渐展开。１９８７年原机械电子工业部首先提出了在机械行业内开展机械工厂安全评价；１９８８年，原劳动部颁发了关于生产性建设工程项目职业安全卫生监察的暂行规定，首次规定了建设单位在初步设计会审前必须向劳动部门报送拟建项目的职业安全卫生评价报告（即预评价报告）；１９９１年由原劳动部劳动保护科学研究所等单位创造了具有我国特色的易燃、易爆、有毒重大危险源识别评价方法；２００２年１月２６日，“安全评价”这个名词首次在危险化学品安全管理条例中出现；２００２年６月２９日，＜安全生产法颁布，安全评价被写进了我国的法律中；２００３年３月３１日，国家安全生产监督管理局颁发了安全评价通则；２００４年１０月２０日，国家安全生产监督管理局颁布了＜安全评价机构管理规定。 煤矿安全评价的规模、深入程度要落后于上述行业。１９８２年，煤炭工业部制定并颁发了矿井通风质量标准及检查评定办法，作为矿井通风安全管理部门的检查标准；１９８６年，原煤炭工业部制定了生产矿井质量标准化标准作为行业标准，后于１９９４年进行了修订，其内容包括开采、通风、运输、瓦斯、掘进，是目前煤矿使用最多的评价标准。在煤矿危险源的安全评价技术中，常用的传统方法主要是安全检查表、专家现场询问观察法、事故树、事件树、预先危险性分析、瓦斯灾害指标评分法和作业区域瓦斯爆炸危险评价等［６１。研究人员还将概率统计方法、模糊数学、神经网络和灰理论等运用到安全评价中，建立了一系列的煤矿安全评价方法，如层次分析评价法、灰色聚类评价法、模糊综合评价法、人工神经网络评价法等，拓展了原有的方法和应用范围。 此外，福州大学的沈斐敏教授等对矿井安全评价中安全心理测试系统进行了研究；孙猛等对矿井风险评价基本模型进行了研究与探讨［７１；闫乐林等用未确知测度方法嗍、李凡修等采用集对评价模型【９】、作者采用联系熵模型【协１１】对煤矿安全预评价进行研究；许满贵等采用作业条件危险性评价法对采掘与顶板管理系统中的重大危险源进行研究｛１２１；张安元等运用Ｄｅｌｐｈｉ法确定井下两类重大危险源并进行评价【ｌ卅；吕贵春等采用单因素和多级模糊综合评价模型对瓦斯、冒顶和煤尘进行评价，用神经网络、灰色模型方法确定采空区自燃发火评价模型１４１等。但是我国现行的煤矿行业的安全评价法基本上没有系统的安全评价方法，研究适用予煤矿的安全评价方法是目前矿井各种安全评价有待解决的课题之一．目前尚没有综合危险源理论，粗糙集神经网络、集对分析方法开展的对煤矿瓦斯的综合风险评价研究。因此，本研究在评价方法方面是一种新的探索。１．２．２人工神经网络理论的发展 人工神经网络（ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ－ＡＮＮ）是用数学模型来对生物神经网络结构进行描述，并在一定的算法指导前提下，使其能在某种程度上模拟生物神经网络所具有的智能行为，解决用传统算法所不能胜任的智能信息处理问题。通过合理的样本训练，３ 西安科技大学硕士学位论文 学习专家的经验，模拟专家的行为，并通过引入非线性转换函数来求解各种复杂的非线性问题，从而使其具有很强的模式识别能力。 （１）国外的研究现状 对人工神经网络的研究始于１９４３年，由心理学家Ｗ．Ｓ．ＭｅＣｕｌｌｏｅｈ和数学家Ｗ．Ｐ证ｓ提出Ｍ．Ｐ模型；该时期的另一重要成果是由心理学家Ｄ．Ｏ．Ｈｅｂｂ所提出的神经元之间突触强度的调整规则假说，即有名的Ｈｅｂｂ规则；第一个具有完整意义上的神经网络模型是由ＥＲｏｓｅｎｂｌａｔｔ于２０世纪５０年代末所提出的感知器（Ｐｃｒｃｃｐｔｒｏｎ）模型；美国加州理工学院的生物物理学家ＪＪ．Ｈｏｐｆｉｅｌｄ于１９８２年所提出的一种新型ＨｏｐｆｉｅＭ神经网络模型求解联想记忆和优化计算问题，引起了全世界相关领域研究人员的广泛关注；２０世纪８０年代Ｄ．Ｅ．Ｒｕｍｅｌｈａｒｔ和ＪａｍｅｓＬ．ＭｃＣｅｌｌａｎｄ等人提出的ＢＰ（误差反向传播）学习算法，极大地推广了神经网络的应用。目前具有代表性的神经网络模型有感知器（Ｐｅｒｃｃｐｔｒｏｎ）、线性网络（ＬｉｎｅａｒＮｅｔｗｏｒｋ）、ＢＰ网络（ＢａｃｋＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＮＮ）、径向基ＲＢＦ网络、双向联想记忆（ＢＡＭ）、Ｈｏｐｆｉｅｌｄ模型、自组织网络以及回归网络（ＲｅｇｒｅｓｓｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ）等。 目前人工神经网络在信息、自动化、工程、医学和经济等领域取得一定的应用成果，在语音图像识别、计算机视觉、智能机器人、故障检测、实施语言翻译、企业管理、市场分析、决策优化、专家系统等方面得到了广泛的应用。 （２）国内的研究现状 我国的ＡＮＮ研究起于１９８８年前后，１９８９年召开了全国第一届神经网络．信号处理会议。１９９０年和１９９１年分别召开了中国第一、二届ＡＮＮ学术会议。我国的ＡＮＮ研究在国际商业占有一定的地位，１９９２年的国际神经网络学会和ＩＥＥＥ神经网络委员会联合学术会议在北京召开。近年来，国内许多学术会议和刊物上有关ＡＮＮ及其应用的文章大量涌现，从事此方面研究的人员日益增加。 目前，神经网络的基本理论正日趋完善，ＡＮＮ的应用己渗透到了许多领域，并在模式识别、机器视觉、信号处理、非线性优化ｆ”】、知识处理、传感器技术领域，特别是在智能控制方面【１６１取得了很大的进展。智能控制中的神经网络和模糊神经网络成为两个重要分支，在智能机器人方面得到了良好的应用。 人工神经网络方法对于解决多因素、多目标、非线性的矿业工程大系统课题有独到之处，并能够处理定量的、数值化的信息。２０世纪８０年代以来，在矿业工程中应用日益广泛，国内外在矿床建模、露天开采、地下开采、矿业工程压力、边坡稳定、安全技术及环境工程等方面已有相当多的研究成果。国内已有人开展了用神经网络、模糊评价等方法对矿井掘进面瓦斯爆炸危险源【１７１、矿井运输提升系统的评价研究”Ｓｌ，但将神经网络和粗糙集理论相结合对煤矿瓦斯危险源进行评价及预警还很少有人尝试。４ １绪论 １．２．３粗糙集的发展 粗糙集（Ｒｏｕｇｈｓｅｔｓ．ＲＳ）理论是由波兰数学家Ｚ．Ｐａｗｌａｋ在１９８２年提出的，该理论是一种刻画不完整性和不确定性的数学工具ｆ１９－２０ｌ，能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等各种不完备信息，还可以对数据进行分析和推理，从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律。因此粗糙集在机器学习、知识获取、决策分析、数据库中知识发现、专家系统、决策支持系统、归纳推理、模式识别、智能控制等领域中都有广泛的应用前景。 （１）国外的研究现状 Ｒｓ研究应用于模式识别文献［２１１应用Ｒｓ方法研究了手写字符识别问题，提取出了特征属性；知识发现提取的知识表示为概念、规则、规律、模式等形式；专家系统；决策分析等［２２１。希腊发展银行ＥＴＥＶＡ应用粗糙集理论协助制订信贷政策，是粗糙集理论多准则决策方法的一个成功范例；美国肯萨斯大学开发了一套基于粗糙集的经验学习系统，名为ＬＥＲＳ（ＬｅａｒｎｉｎｇｆｒｏｍＥｘａｍｐｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＲｏｕｇｈＳｅｔｓ），它能从大量经验数据中抽取出规则，作为专家系统开发工具，为“自由号”空问站上的医疗决策服务；苏丹卡同大学、马来西亚大学和普恰大学的Ｍ．Ｅ．Ｙａｈｉａ、１ＬＭａｈｍｏｄ等研制的粗糙神经专家系统中提出将神经网络作为专家知识库吲；波兰波兹南工业大学开发了软件ＲｏｕｇｈＤＡＳ加拿大Ｒｅｇｉｎａ大学开发了基于变精度粗糙集模型（ＶａｉｌａｂｌｅＰｒｅｃｉｓｉｏｎＲｏｕｇｈＳｅｔ，ＶＰＲｓ），通过改变粗糙程度使数据中隐含的模式更清楚的显示出来。 （２）国内的研究现状 我国在粗糙集领域的研究起步较晚，目前很多研究所和高校都己经加入到这个领域中，并取得了一定的成果。目前粗糙集这一新的数学理论已经成为信息科学领域的研究热点之一，它在机器学习、知识获取、决策分析、过程控制等许多领域得到了广泛的应用１２４１。许多学者将粗集理论与神经网络技术相结合，如王荣杰、胡清利用粗糙集对神经网络进行训练，提出了一种粗糙集．神经网络故障诊断技术１２５］；江志农、吕晓、张进明将粗糙集．神经网络应用到机械振动中进行模糊诊断［２６１；刘庆珍、蔡金锭、王少芳提出基于粗糙集理论与ＢＰ神经网络系统的电力电子电路故障诊断的方法伫刀；俞晓冬，孙莹，臧宏志将基于粗糙集理论的模糊神经网络应用于变压器故障的诊断［２８１；朱押红、胡寿松将粗糙集神经网络系统应用到歼击机结构故障的诊断中四。 粗糙集理论虽然在矿业工程领域的应用尚处于探索和开发阶段，但其特有的对不确定数据中隐含信息的挖掘功能，正逐渐被一些矿业工程方面的专家学者所认识。如利用粗糙集理论给出矿井通风经验公式的确定方法刚；对矿井通风系统可靠性进行分析研究Ⅲｌ等。总之，粗糙集理论同模糊集、神经网络、证据理论等一起，成为不确定性计算理论的一个重要分支，在大型复杂系统领域具有广阔的发展空间。５ 西安科技大学硕士学住论文 １．２．４采用ＲｐＡＮＮ方法进行安全评价的可行性 影响煤矿瓦斯爆炸安全性的因素众多，各因素关系不明确且随机性强，各因素动态变化数据受干扰性大，因素的可测度差，这些特征正是人工神经网络研究对象所具有的特点；而且，安全评价过程实际上是在确定了安全标准后，将待评价的样本与标准进行比较、分析、判断其是否符合该标准，故安全评价属于模式识别问题。利用人工神经网络的自学习、自组织、容错性、非线性动态处理和大规模并行处理特性进行安全评价，能克服传统安全评价的片面性，可以全面评价系统的安全状况和多因素共同作用下的安全状态，为解决安全评价中的不确定性、模糊性和动态复杂性、指标多、数据多的问题开辟一条崭新的道路。但是ＡＮＮ也存在缺点，如随着网络训练维数的增加，使得学习时间剧增，且易陷入局部最小点等，导致评价结果存在很大偏差，可将ＲＳ与ＡＮＮ结合起来【３２】，增强ＡＮＮ的信息处理能力。 粗糙集中的约简操作可以找出数据集中的有用属性并删除多余属性。在神经网络中使用粗糙集可以减少训练集的大小，同时又不损失原数据集中包含的有用信息，它一方面提高了数据的代表性，减少了噪声的干扰；另一方面减少了训练数据，使训练时间得以减少，提高了效率和网络的收敛速度。粗糙集与神经网络相结合可以同时发挥ＡＮＮ和ＲＳ的优势，目前已经在故障诊断、模式识别、系统可靠性评价、智能控制等方面得到初步应用，而在煤矿危险源评价领域的应用上还少有人探索。因此本文采用粗糙集一神经网络方法是对评价方法的新的尝试。 １．２．５预警管理的发展 预警理论最早来源于战争。二战后美国将预警理论应用于经济领域，形成了经济预警理论，在以后的几十年中，宏观经济预警理论的研究和应用都取得了重大进展。我国学者于２０世纪８０年代中期开始，运用西方的经济发展理论和经济波动的周期理论来研究我国经济循环波动问题，从１９８８年开始进行我国经济波动预警理论与实证研究。 后来预警理论从经济领域扩展到其他许多领域企业的金融、财务风险的防范和预警；疾病预警系统水利部门的洪水预警系统；农业部门的中国粮食生产预警系统；房地产预警系统；地质灾害监测预警系统；铁路安全预警系统哪；重大危险源安全预警系统［３４１；安全生产预警管理研究【３５】等。 煤矿方面有孙立峰等通过分析煤矿企业事故的致因模型，构建安全预警管理指标体系【３６】；熊廷伟等提出基于Ｕ９０综合监测系统和ＡｒｃＧＩＳ的煤矿井下瓦斯爆炸预警系统即；芮雪琴等构建了高产高效矿井建设预警评估指标体系，对矿井生产能力子系统进行预掣弼】。韩宁等提出建立矿井瓦斯远程多级监控监管网络系统平台口９１；刘琦等对工矿事故趋势异常预警模块进行系统分析【钟Ｊ；武卫东，王光兴开展煤矿瓦斯监测与语音综合 １绪论 业务网络系统体系结构研究】等。但现有预警系统大多是关于某方面预警技术的研究，或侧重于技术、装备，或侧重于预警管理；若结合预警技术与危险源预警管理进行全面构架，则将更加科学、全面，有利于“防患于未然”，将各类事故隐患扼杀在萌芽状态，有利于提高各领域的安全水平。 １．３研究目的、意义 瓦斯事故被称为煤矿“第一杀手”，始终是煤矿安全生产的大敌。瓦斯危险源是煤矿危险源中危险性最大的一种危险源，因而很有必要对瓦斯危险源进行全面辨识、评价及预警。然而，煤矿企业往往只注意到对技术、安全装备等的控制，对管理、决策、安全文化、教育方面的关注欠缺，对危险源的分布、分类及动态情况还不够清楚、对灾害事故的监管力度不够，需要对瓦斯事故致因机理、危险源的分类及其评价的体系指标等进行研究。因此对开展本研究的目的是为了掌握瓦斯事故发生的深层次原因，在事故发生之前对潜在的危险源进行全面、科学地辨识、评价和预警，以更有效地预防煤矿瓦斯爆炸事故的发生。 煤矿瓦斯爆炸事故危害巨大，必须把瓦斯爆炸危险源的辨识、评价与管理提到煤矿安全管理的首要位置。通过对掘进面瓦斯危险源辨识与评价方法的研究，对煤矿瓦斯危险源预警评估系统的初步构架，把安全论证、安全系统防灾能力的科学评估预警以及建立系统安全保障体系等方面紧密联系起来，促使煤矿企业坚持“安全第一，预防为主”方针，有利于优化安全管理结构、科学制定决策，为煤矿企业进行安全生产管理和决策提供参考依据和建议；有利于煤矿企业变事后处理为事前预测预防，变纵向单一管理为综合管理，为煤矿现代化、信息化、管控一体化的进一步深入研究作一些有益的探索和尝试，对提高矿井安全管理水平和防灾抗灾能力具有非常重要的现实意义。 １．４研究内容和技术路线 本文采用危险源理论、集对分析方法、人工神经网络和粗糙集等方法开展对煤矿掘进面瓦斯危险源的评价及预警研究，具体内容归纳如下 （１）在综述煤矿危险源理论与辨识方法基础上，分析了煤矿三类危险源的系统结构和分类内容。根据集对理论分析方法（ＳＰＡ）将“安全事故”列为一对集对，确定其集对的联系度表达式，并对危险源的系统状态进行分析。 （２）选取瓦斯事故发生最多的煤矿掘进工作面作为研究对象，建立了基于人工神经网络（ＡＮＮ）方法的掘进工作面瓦斯危险源安全评价模型。设计了ＢＰ神经网络掘进面瓦斯爆炸危险源安全评价程序。通过集对分析模型中联系度的计算获得煤矿掘进面瓦斯爆炸三类危险源的风险等级样本，作为ＢＰ神经网络训练样本；设计了掘进面瓦斯爆炸危险源ＢＰ神经网络安全评价仿真程序，并对黄陵某矿掘进工作面进行了评价应用。 西安科技大学硕士学位论文 （３）构建了基于粗糙集．神经网络（Ｒｓ．ＡＮＮ）的煤矿掘进面瓦斯危险源评价与预警模型。将ＲＳ方法预处理程序作为ＡＮＮ的前置系统，对ＢＰ网络结构进行简化，通过属性约简来简化信息处理，提高ＡＮＮ的分类精度和收敛速度。对黄陵某矿同一掘进工作面瓦斯危险源状况进行分析、评价及预警。 （４）初步对煤矿瓦斯危险源预警评估系统进行构架，分为综合评价预警子系统；瓦斯及火源预警子系统；设备可靠性预警子系统；风险管理预警子系统。根据ＫＪＸ监控系统各传感器监测实时数据和历史数据，每个子系统根据不同模型进行分析和判断，分别给出预警等级并相应采用工程技术或组织管理措施，降低或控制危险。 本文研究的技术路线程序如图１．１所示。 图１．１论文研究的技术路线图 ２基于三类危险源理论的煤矿危险源辨识与评价 ２基于三类危险源理论的煤矿危险源辨识与评价 危险源的辨识能够客观、科学的分析系统危险因素，特别是确定复杂系统的多个难以确定的危险因素，是系统安全的关键和基础，也是对系统进行安全评价的第一步。本章将综述危险源概念，分析研究煤矿危险源系统结构组成以及致灾因素特点；引入集对理论，构建联系度的数学模型具体阐述煤矿危险源的系统状态，并由此指出改进方向；针对煤矿危险源的特点，对其进行分类；简要阐述了煤矿危险源辨识方法和安全评价的一般程序；最后分析了瓦斯爆炸事故致因。 ２．１危险源理论及其系统结构 ２．１．１危险源的基本概念 到目前为止“危险源”、“重大危险源”等概念尚无理论上确切的界定。因此，有必要将危险源加以区分，从系统科学角度理解危险源，为安全管理提供正确的理论指导。 文献［４２】认为“危险源是对人类自身，财产，环境有损害潜能的固有的物理、化学属性及危险物质，操作环境及意外的致灾事件等”，此定义没有全面考虑到致使各类危险发生的全部因素，只考虑了外部物质影响。文献【４３】定义危险源为‘‘存在于生产系统中，并能产生和释放能量的各种物质，在一定的触发条件下，足以导致人员伤亡，职业危害和财产损失事故发生的潜在的各种不安全因素”。忽视人的因素对生产系统的影响。ＷｉｌｌｉｅＨａｍｍｅｒ定义危险源为可导致人员伤亡或物质损失事故的，潜在不安全因素。王广亮认为，重大危险源的重点在“源”，即导致事故发生的最基本的因素危险物质。何学秋教授提出危险源是产生和强化负效应的核心，危险能量爆发点【４】。 ２０世纪９０年代初，东北大学陈宝智教授等提出了两类危险源观点。把系统中存在的可能发生意外释放的能量或危险物质称为第一类危险源；导致限制能量措施失衡或破坏的各种不安全因素称为第二类危险源。该理论认为，第一类危险源的存在是事故发生的前提，决定着事故后果的严重程度。第二类危险源的出现是第一类危险源导致事故的必要条件，决定着事故发生的可能性大小。两类危险源相互依存、相辅相成，共同决定危险源的危险性。此外，还提出事故预防工作的重点是第二类危险源的控制问题。 西安科技大学田水承教授在两类危险源理论的基础上提出第三类危险源的概念洲。第一类危险源是指能量载体或危险物质；第二类危险源包括物的故障、物理性环境因素，个体人失误（侧重安全设施等物的故障、物理性环境因素）；第三类危险源是指组织因素不符合安全的组织因素（组织程序、组织文化、规则、制度等），包含组织人（不同于个体人）不安全行为、失误等。对危险源的理解不仅涵盖了上述重大事故隐患／重大 西安科技大学硕士学位论文 危险源的范畴，而且把“灾变信息”纳入了危险源的范畴。 还有的学者把生产系统中客观存在的各种能量的物质称为固有型危险源【４卯，它们是系统危险和事故的内因，是造成灾害的物质决定因素。把固有型危险源正常存在的条件遭到破坏的各种硬件和软件保障系统故障称为触发型危险源。固有型危险源涉及到本质安全化问题，其控制更多地依赖于技术、工艺水平。触发型危险源是诱发固有型危险源能量失控的外在因素，是危险源预防管理的主要对象。 国家经贸委安全科学研究中心吴宗之教授提出重大危险源嗍，指长期地或临时地生产、加工、搬运、使用或储存危险物质，且危险物质的数量等于或超过临界量的单元。２．１．２危险源的系统结构 危险源本身具有系统性，即所谓系统性危险。安全措施及事故预防也应是系统性的。从系统论的角度看，危险源系统的结构涉及４个方面（１）危险物质和危险状态（结构）；（２）安全硬支撑（技术及装备）；（３）安全软支撑（组织因素）和（４）环境因素。在环境因素稳定的情况下，可认为危险源系统的结构仅涉及前３个方面。其结构图如图２．１所示ｗｒｌ。 危险物质、危险结构与系统的安全保障体系是共存于一个客观系统之中，是相互对立、相互制约的矛盾着的两个对立面。正是“矛与盾”在客观上的有机组合构成了一个动态变化的危险源系统结构。在系统的运行过程中，这一矛盾着的双方相互作用的结果决定了系统的危险性程度。 圈２．１危险源系统结构示意图 正像安全的硬支撑存在风险需要控制一样，安全的软支撑钼织因素方面也存在风险需要辨识、控制和管理。人的不安全行为、失误是人与物相互作用的结果，对这些因素控制的研究要坚持系统观点。要实现安全，不仅要依靠第一双手一安全技术、装备、新材料等硬件，更要依靠第二双手一安全管理、规章制度、立法等软件，以及第 ２基于三类危险源理论的煤矿危险源辩识与评价 三双手一安全文化、哲学、约定俗成的理念等氛围㈣。根据三类危险源理论，得出事故致因机理模型见图２．２１４９１，形象地表示了三类危险源与事故的关系。 图２．２事故致因机理模型 一方面，随着科技的发展，设备的可靠性不断提高，安全生产硬支撑总体上得到了较大的改善；另一方面，由于现代工业生产和组织的复杂性，以及人在生理、心理、社会和精神等方面的特点，存在较大的可塑性、不可靠性（与机器相比）和难控性，更重要的是企业没有建立起完善的有效的安全生产自我约束机制１５０ｌ。因而需要分类区别繁杂多样的事故原因因素，则有利于更加准确迅速地进行危险辨识，更加科学有效地进行危险控制。本文以三类危险源思想为核心，分析瓦斯事故与危险源的关系。 三类危险源之中，第一类危险源是事故发生的（物质性）前提，影响事故发生的后果严重程度；第二类危险源是事故发生的触发条件；第三类危险源是事故发生的本质根源，是前两类，尤其是第二类危险源的深层原因，是事故发生的组织性前提。第三类危险源之所以重要，一是容易被忽视，二是直接能导致防御失效，三是仅依靠企业组织本身力量难以确保其有能力或有主动性去积极辨识、控制和消除危险源。第三类危险源在一定条件下，甚至决定着第一、第二类危险源的危险等级和风险程度。 ２．２煤矿危险源系统结构组成 ２．２．１煤矿危险源系统结构 煤矿生产中存在三类危险源的系统结构如图２．４所示。 煤矿生产中的设备和设施，人员及管理因素，环境等，它们的一个共性是在系统运行的整个过程中，各自完成自己