煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究

劉 波

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

近年來(lái)，我國(guó)煤礦事故發(fā)生率和百萬(wàn)噸死亡率雖然得到了有效降低，但仍然高于世界平均水平。當(dāng)前我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)預(yù)控系統(tǒng)存在如下缺陷：（1）評(píng)估方法相對(duì)單一，評(píng)估范圍也大多局限于瓦斯、水災(zāi)等單一災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，缺乏全面系統(tǒng)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段，處理的風(fēng)險(xiǎn)與數(shù)據(jù)類(lèi)型較少，無(wú)法保證評(píng)估的準(zhǔn)確度；（2）煤礦安全生產(chǎn)的信息來(lái)源種類(lèi)多、規(guī)模大、數(shù)據(jù)分析要求高，傳統(tǒng)方法無(wú)法及時(shí)有效地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和控制；（3）在風(fēng)險(xiǎn)處于產(chǎn)生的臨界點(diǎn)或已經(jīng)產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行報(bào)警，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。因此當(dāng)前在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警方面的研究無(wú)法滿(mǎn)足煤礦安全生產(chǎn)需求[1-2]。

1 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建思路

煤礦安全受到復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境、技術(shù)裝備、人員、管理水平等諸多因素的綜合影響，因此對(duì)煤礦安全態(tài)勢(shì)的評(píng)估、預(yù)測(cè)、預(yù)警需要綜合考慮各種因素。該項(xiàng)目依托基于物聯(lián)網(wǎng)煤礦安全大數(shù)據(jù)和“云交互數(shù)據(jù)管道”，及時(shí)獲取準(zhǔn)確全面的信息。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全信息的異構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性等特征，構(gòu)建與其特征相匹配的煤礦安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)模型，在分析各種煤礦安全隱患特征的基礎(chǔ)上，從單因素、單事故類(lèi)型、生產(chǎn)子系統(tǒng)、煤礦整體系統(tǒng)等幾個(gè)維度實(shí)現(xiàn)煤礦安全態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

該項(xiàng)目面向煤礦物聯(lián)網(wǎng)的深度應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全隱患超前感知目的，將安全態(tài)勢(shì)感知的概念引入到煤礦安全生產(chǎn)中，研發(fā)集智能感知、風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估與智能預(yù)警于一體的煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在興隆莊煤礦進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)來(lái)自煤礦物聯(lián)網(wǎng)云交互平臺(tái)的多源、海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BNs）與長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），構(gòu)建起基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全態(tài)勢(shì)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)的超前感知和識(shí)別。

2 煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建

系統(tǒng)以為煤礦提供全面、便捷的隱患及風(fēng)險(xiǎn)的管理服務(wù)為目標(biāo)，將事故預(yù)警、單指標(biāo)預(yù)警、預(yù)警工單管理、預(yù)警指標(biāo)管理、礦井作業(yè)管理、煤礦安全監(jiān)控等多個(gè)模塊集成于該系統(tǒng)當(dāng)中，為煤礦提供有效的安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)服務(wù)、及時(shí)的預(yù)警生成及通知服務(wù)、便捷的預(yù)警信息查詢(xún)及處理服務(wù)等。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)信息收集云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理、煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)模型、信息可視化平臺(tái)、預(yù)警通知四大部分組成，如圖1所示。

圖1 煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)煤礦安全大數(shù)據(jù)和“云交互數(shù)據(jù)管道”，可以及時(shí)獲取準(zhǔn)確全面的信息，依據(jù)安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)指標(biāo)體系構(gòu)建安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，進(jìn)而得出安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)論，通過(guò)可視化平臺(tái)將態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果可視化展現(xiàn)，并經(jīng)由預(yù)警通知模塊進(jìn)行通知。

2.2 系統(tǒng)功能模塊分析

2.2.1 系統(tǒng)主頁(yè)展示

系統(tǒng)主界面包含預(yù)警統(tǒng)計(jì)、態(tài)勢(shì)分析、預(yù)警工單統(tǒng)計(jì)、部門(mén)預(yù)警統(tǒng)計(jì)、最新預(yù)警信息等內(nèi)容。預(yù)警統(tǒng)計(jì)模塊集中展示礦山整體尚未消警的預(yù)警信息；綜合態(tài)勢(shì)分析模塊是對(duì)各態(tài)勢(shì)分析數(shù)據(jù)的綜合展示，獲取當(dāng)前各種事故風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分析的最大值作為當(dāng)前綜合態(tài)勢(shì)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示；瓦斯態(tài)勢(shì)分析模塊基于對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果采集然后以數(shù)據(jù)折線圖的方式進(jìn)行展示；運(yùn)輸態(tài)勢(shì)分析模塊基于對(duì)運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果采集然后以數(shù)據(jù)折線圖的方式進(jìn)行展示；預(yù)警工單統(tǒng)計(jì)對(duì)處于不同狀態(tài)的預(yù)警工單數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于使用者訊速了解煤礦中已處理、待處理等各類(lèi)預(yù)警的數(shù)量；部門(mén)預(yù)警統(tǒng)計(jì)模塊按發(fā)生部門(mén)對(duì)未處理預(yù)警進(jìn)行分類(lèi)，為礦山有針對(duì)整改提供便利；最新預(yù)警模塊提供最新預(yù)警詳細(xì)信息的查看功能。

2.2.2 預(yù)警信息查看

預(yù)警信息查看模塊提供預(yù)警信息的詳情查看功能，具體包括三類(lèi)預(yù)警：?jiǎn)沃笜?biāo)預(yù)警、事故預(yù)測(cè)預(yù)警、態(tài)勢(shì)分析預(yù)警。

2.2.3 安全事故預(yù)測(cè)

安全事故預(yù)測(cè)模塊基于對(duì)云平臺(tái)數(shù)據(jù)的分析挖掘，通過(guò)BNs與LSTM的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山安全事故的預(yù)測(cè)。對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果中的危險(xiǎn)項(xiàng)，將作為預(yù)警信息發(fā)送至預(yù)警模塊。安全事故預(yù)測(cè)的查看功能，是查看事故預(yù)測(cè)記錄折線圖，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)2 h的安全事故狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中紅色曲線代表歷史數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線代表預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.2.4 安全態(tài)勢(shì)分析

本系統(tǒng)中，安全態(tài)勢(shì)分析分為：瓦斯事故、運(yùn)輸事故、機(jī)械事故、水災(zāi)事故四種風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型態(tài)勢(shì)分析。安全態(tài)勢(shì)分析同樣基于BNs與LSTM的結(jié)合應(yīng)用。由于每種風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型的安全態(tài)勢(shì)分析解面結(jié)構(gòu)相同，以瓦斯事故態(tài)勢(shì)分析。

在安全態(tài)勢(shì)分析模塊中，根據(jù)態(tài)勢(shì)分析實(shí)時(shí)計(jì)算出事故發(fā)生概率數(shù)據(jù)，并生成態(tài)勢(shì)分析折線圖。系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，生成貝葉斯關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖。在瓦斯風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)列表中，詳細(xì)展示了各節(jié)點(diǎn)礦山整體的瓦斯安全態(tài)勢(shì)值，同時(shí)也展示了此時(shí)間節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)影響參數(shù)的取值，方便使用者分析異常數(shù)據(jù)。

2.2.5 預(yù)警工單列表

預(yù)警工單展示了各條預(yù)警的負(fù)責(zé)人、發(fā)生位置、處理狀態(tài)等信息，作為預(yù)警信息的補(bǔ)充的同時(shí)，也是預(yù)警處理的操作界面。通常情況下，產(chǎn)生的預(yù)警包括三種狀態(tài)：已處理、未處理、自動(dòng)恢復(fù)。預(yù)警狀態(tài)的更改需由管理員進(jìn)行操作。

2.2.6 綜合管理

綜合管理模塊用于更改系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，使之適用于特定煤礦。具體包括：預(yù)警指標(biāo)管理、作業(yè)管理、貝葉斯指標(biāo)管理、貝葉斯指標(biāo)管理管理、安全態(tài)勢(shì)預(yù)警配置等。

3 系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

興隆莊煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目通過(guò)集成瓦斯監(jiān)控、頂板監(jiān)控、水文監(jiān)控、設(shè)備健康監(jiān)控等煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)與預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)采集與管理，生成煤礦企業(yè)實(shí)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)狀況及未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)，對(duì)評(píng)估出的煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行可視化展示，實(shí)現(xiàn)煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)和預(yù)警，為煤礦安全管理提供信息和輔助決策支撐，提升安全管理的效率和針對(duì)性。

系統(tǒng)從2020年5月1日啟動(dòng)建設(shè)，于2020年8月6日進(jìn)駐興隆莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。當(dāng)前煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)已完成建設(shè)內(nèi)容，主要包括：（1）建立了煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的管理，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠有效反映礦井安全的主要特征及基本狀況，綜合反映礦井所處的安全狀態(tài)，并進(jìn)行評(píng)估和分級(jí)。（2）開(kāi)發(fā)煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面集成與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)采集與管理，生成煤礦企業(yè)實(shí)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)狀況及未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)，對(duì)評(píng)估出的煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行可視化展示，實(shí)現(xiàn)煤礦綜合風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)和預(yù)警。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與效益分析

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)分析

兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、預(yù)警體系。該預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)依托基于物聯(lián)網(wǎng)煤礦安全大數(shù)據(jù)和“云交互數(shù)據(jù)管道”，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和事故致因理論，依據(jù)“人、機(jī)、環(huán)”統(tǒng)一描述方法和安全判識(shí)準(zhǔn)則，開(kāi)展針對(duì)煤礦重大危險(xiǎn)源的感知、監(jiān)控、分析研究，從人、機(jī)、環(huán)、管幾個(gè)方面構(gòu)建多維度的煤礦安全評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系和方法體系，為基于物聯(lián)網(wǎng)煤礦安全大數(shù)據(jù)背景下，對(duì)煤礦安全態(tài)勢(shì)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)預(yù)警提供理論和方法支持。

（2）研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。在基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、預(yù)警方法研究的基礎(chǔ)上，以大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為手段，研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦安全的及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了多源安全信息的全面集成；實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)和綜合、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦安全評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)信息的多維可視化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)安全信息的提前預(yù)警和實(shí)時(shí)提醒。

4.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其在煤礦企業(yè)的推廣和應(yīng)用，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)手段和信息采集、傳輸方式發(fā)生了巨大的變化，煤礦安全生產(chǎn)的環(huán)境非常復(fù)雜，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，可以及時(shí)采集到全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全大數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目依托基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全大數(shù)據(jù)和“云交互數(shù)據(jù)管道”，進(jìn)行煤礦安全評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)預(yù)警研究，構(gòu)建煤礦安全評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)和方法體系，為煤礦安全態(tài)勢(shì)的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、安全狀況的預(yù)警提供理論和方法支撐。

以大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為手段，研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦安全的及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警，對(duì)于減少煤礦安全事故的發(fā)生具有積極的理論和實(shí)踐意義。

5 結(jié)論

當(dāng)前興隆莊煤礦安全態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)已完成建設(shè)，系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)順利運(yùn)行，效果理想，主要內(nèi)容如下：

（1）煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行情況總體良好，系統(tǒng)功能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。

（2）煤礦安全態(tài)勢(shì)分析及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全的及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警，預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到了95%以上，既有數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的集成應(yīng)用，亦有創(chuàng)造的突破，對(duì)于減少煤礦安全事故的發(fā)生具有積極的理論和實(shí)踐意義，起到了示范的目的。

（3）該系統(tǒng)的實(shí)施為興隆莊煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障，能有效地預(yù)防和及時(shí)處理各種突發(fā)事故和礦井災(zāi)害，使生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理、決策指揮網(wǎng)絡(luò)化、信息化、科學(xué)化，達(dá)到減人增效和提高礦井安全管理水平的目的。