晋城矿区顶板事故预报集成系统开发

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王占雄
(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司王台铺矿赵庄井，山西晋城。48006)

摘要:介绍晋城矿区安全信息管理与事故预报智能集成系统结构与功能。该系统包括安全信息管理、事故分析与隐患预报3个子系统。安全信息管理涉及伤亡事故信息和影响采矿生产安全的地质、采矿和设计信息;事故预报分别采用基于知识推理的常规推理专家系统和基于实例的神经网络专家系统;事故分析采用事故树分析方法。开发的系统能够进行采矿安全管理、事故分析与隐患预报，是一集“安全信息管理、事故分析与隐患预报”于一体的智能集成系统。
关键词:事故预报;集成系统;研究开发
中图分类号: TD327 文献标识码:B
文章编号:0253一2336 (2004) 06一0056一03
Development of roof accident prediction integratedsystem in Jincheng Mining Area
WANG Zhan- xiong
(Zhaozhuang Shaft, Wangtaipu从ne, Jincheng Anthracite Coal Mining Group Corp.Ltd .Jincheng 048006, China)
    晋城矿区是我国特大型现代化煤炭生产基地。随着工作面产量的逐年增加，巷道断面也越来越大。与岩石巷道相比，煤层巷道围岩比较松软、破碎，破坏范围较大，煤层中锚杆的锚固力较小等[1]。这些不利因素在高地应力和破碎煤层中表现得尤为突出，给矿山安全生产带来隐患。为此，针对晋城矿区地质、采矿等条件，研究、开发一个集安全信息管理、事故分析与隐患预报于一体的地下采矿智能集成系统。
1系统结构、作用与功能
    该研究基于系统工程的观点，将采煤生产涉及的掘进、支护、回采、运输和机电等工序视为一大系统。构成系统的各生产环节之间既相互依存，又相互影响。影响安全的因素可分为2类:其一，自然因素和工程因素:包括地质构造、矿岩性质、工程地质和水文地质条件、采场空间、采矿顺序、支护型式和支护参数等;其二，管理因素和经济因素，包括采矿生产组织、作业管理、安全措施、设备费用、生产经营费用以及维修费用等。基于信息学观点，采煤安全管理和事故预报包括2项工作:获取信息和使用信息。及时获取影响采煤生产的地质、采掘与管理信息是事故预测的基础[2]。通过现场观察、仪器测量等手段获取反映采矿生产安全状态的某种属性的原始信息，如矿岩条件、断层节理发育程度以及采煤条件和方法等，然而，基于获取的原始信息进行提炼、加工处理，获取揭示事故隐患发生发展规律的深层次知识是至关重要的。
基于上述思想，研究开发的晋城矿区安全信息管理与事故预报系统具有信息管理、事故分析和事故隐患预报的作用和功能，集“安全信息管理系统，事故树分析系统与事故隐患预报系统”于一体的智能集成软件系统。该系统结构如图1所示。

图1晋城矿区安全管理与事故预报智能集成系统结构
2安全信息管理系统
    安全信息系统是晋城矿区安全信息管理与事故预报智能集成系统的重要组成部分。为矿区的信息储存、管理和使用提供必要的管理工具。
    晋城矿区几十年来，已经积累了大量的地质、采矿、支护、及事故记录与事故分析等资料。同时，针对晋城矿区复杂的采矿条件，国内外多家高等院校、科研院所进行了掘进、支护以及采煤工艺等科研工作，获得了大量的研究成果。这些研究不仅解决了采煤生产中的难题，而且也为矿区安全管理和事故预报提供了宝贵的资料。
    因此，晋城矿区安全信息系统包括两方面信息:直接安全信息和间接安全信息。直接安全信息是指已经发生事故或未遂事件，包括轻伤、重伤和死亡事故。为此，建立了职工伤亡事故数据库以及数据库管理系统(图2)。信息管理系统能够对事故数据库管理:数据追加、删除与修改，数据查询和统计分析，图形显示、事故宏观预测以及统计报表的输出打印等。
间接信息是指影响采矿安全生产的地质、采矿和支护设计资料、数据和经验等。该信息管理系统涉及岩体稳定信息、岩体强度信息、岩石强度信息和岩石物性信息(图2)。为此，该信息管理系统包括上述5类信息的数据库及数据库管理系统，能够实现对上述信息的管理和使用。

图2晋城矿区安全信息管理系统结构
3事故隐患预报专家系统
    信息不仅反映过去的情况，而且可以帮助预测未来。然而根据已经获取的信息，总结出经验性规律，加以外推，必带有一定的风险性。其风险程度既取决于获取信息的数量与质量以及基于当前信息的预测知识的总结，更重要的还在于使用者的理论水平和工程经验。
    煤矿环境复杂多变，准确地进行生产事故隐患预报十分困难。提高采煤事故隐患的预报能力，是晋城矿区安全管理与事故预报的核心。它必须建立在信息管理系统之上，并基于动态获取采煤生产信息，借助于人机界面进行事故隐患的动态预报。
    研究开发的事故隐患预报系统包括2个子系统:基于知识的常规推理专家系统和基于实例的神经网络专家系统(图3)。

图3晋城矿区事故隐患预报系统结构
3.1事故预报常规推理专家系统
    在分析、研究国内外已经开发的专家系统开发工具的基础上，并考虑到基层矿山人员的使用。因此，采用中国科学院数学研究所和浙江大学等6家科研单位开发的“天马”专家系统开发环境(中国科学院数学所等，1991)，开发了事故预报常规推理专家系统。“天马”开发环境已经成功地应用于天气预报，煤矿瓦斯预报等专家系统的开发。通过实际应用专家系统的开发，表明该工具功能强、可靠性高，容量大，已成为国内较好的汉化商业软件。同时，该开发环境是汉字平台，窗口菜单显示，使系统使用简单，操作方便。
    该系统的知识表达方式采用的是“框架+规则”形式，克服一般开发工具单一的规则知识表达方法，适合于复杂的采矿系统的知识描述。
    借助于“天马”开发工具，分别建立晋城矿区采煤生产涉及到的6个生产环节的知识库(图3)。为了获取可靠的知识，不仅走访采矿专家、工程技术人员，而且还对采矿生产的事故隐患进行分析，为知识库的建立奠定基础。
3. 2事故预报神经网络专家系统
考虑到采矿与巷道掘进系统的事故隐患多，危害严重，该预报系统还借助于人工神经网络的学习能力，开发了晋城矿区采煤、掘进、支护和通风4个生产环节的神经网络专家系统。
    与常规推理专家系统不同，基于神经网络专家系统的事故预测是基于从工程实例中学习所获取的知识。系统采用神经网络的BP学习算法，基于晋城矿区已经发生的事故实例，建立供神经网络学习的实例库。为了便于实例的修改、扩充和知识更新，开发的神经网络专家系统具备人机交互界面，十分方便于矿山人员使用。
4事故树分析与辅助分析系统
    事故分析目的是为了揭示事故发生的内在规律和影响因素，以便以更经济的代价，更有效的手段，及时采取安全措施，预防事故的发生。
    事故树分析方法是目前众多事故分析方法的重要和有效的方法之一。基于此方法，不仅能够定性分析，找出发生顶上事件所有基本事件的组合(最小割集)以及顶上事件不发生基本事件的所有组合(最小径集)，而且还能够进行定量分析，确定基本事件的重要度和顶上事件发生的概率，以便采取预防措施，降低或减小事故发生的概率。
基于晋城矿区的采矿生产工序，分别研究不同生产环节潜在的事故类型来确定顶上事件，由此绘制事故树以及事故树的定性与定量分析。为了便于使用和新建数据库，该研究开发了事故树辅助分析系统。该系统包含5个子系统，即运输系统、通风系统、掘进支护系统、采煤系统和新建事故树系统(图4)。基于此系统，可以对晋城矿区生产系统潜在的21种事故隐患进行分析，求解事故树的最小割、径集以及顶上事件发生概率。同时，该系统还提供重新或增加新的事故树子系统。该子系统能够自动绘制事故树图，求解最小割径集以及顶上事件发生的概率。

图4晋城矿区事故树辅助分析系统
5结论
    晋城矿区安全管理与事故预报智能集成系统的研究，采用系统工程学的观念与方法，将采矿生产视为一大系统;不仅注重信息管理，更注重信息的使用，开发了一个集安全信息管理，事故分析与隐患预报于一体的集成软件系统。
    任何软件开发不可能一次就能完善，需要在使用过程中得到修改和扩充。同样，作者正在从事以下研究工作，逐步完善软件系统。
    (1)基于常规推理专家系统的知识库的完善。常规推理专家系统采用的是“天马”开发环境，知识库采用的是框架库+规则库。框架库是借助于事故树分析的与或图建造，规则库是采用的专家经验和事故树分析结果。因此，规则库的知识需要在使用中不断修改与扩充。同时，在知识获取方面，研究从事故案例中提取知识的技术和方法，完善常规推理专家系统知识库。
    (2)预测模型研究与应用研究。对于危及矿山安全生产的最严重的片冒事故，应重视预测模型的研究，即不仅依赖于专家的经验和事故案例，而且还要利用工程地质、岩石力学的理论与分析方法，进行辅助分析，获取更深层次的预报知识，才可能从根本上解决矿山安全生产这一难题。因此，作者对此也进行初步研究工作。
    (3)智能决策支持系统的研究与开发。对于复杂的采矿环境和多变的地质条件，必须从采矿设计，生产管理和事故分析等3个方面进行综合分析、动态预测。为实现这一目的，作者正在研究、开发晋城矿区采矿设计与安全管理智能决策支持系统。基于该系统，能够提高采矿设计、生产管理与事故预测的能力。
参考文献:
[1]康红普.煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用[J]煤矿开采，2002 (1)
[2]刘同有，高谦，赵千里.地下采矿系统分析与集成管理[M]北京:地质出版社，1998
作者简介:王占雄(1968－)，男，山西河曲人，现任晋城无烟煤矿业集团有限责任公司王台铺矿赵庄井建设办主任。

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