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基于階梯層次結(jié)構(gòu)法的煤礦通風(fēng)安全評(píng)估系統(tǒng)

文檔作者：劉宇文檔來(lái)源：大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月09日
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總第200期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2016．04．025
基于階梯層次結(jié)構(gòu)法的煤礦通風(fēng)安全評(píng)估系統(tǒng)
劉 宇
(大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西大同037003)
摘要：文章主要研究了指標(biāo)體系的建立標(biāo)準(zhǔn)和原則，并且參照國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，制定出
了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，給出了相應(yīng)安全等級(jí)的劃分辦法以及評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：BP網(wǎng)絡(luò)；層次結(jié)構(gòu)；礦井通風(fēng)；安全評(píng)估
中圖分類(lèi)號(hào)：TD72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005—2798(2016)04—0066—03
在煤礦開(kāi)采中，通風(fēng)系統(tǒng)的安全性往往和設(shè)備
上其他部件的工作情況息息相關(guān)，它的安全與否對(duì)
整個(gè)煤礦的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)效率有很重要的影響，
是大多數(shù)煤礦管理層高度重視的問(wèn)題。特別是最近
幾年來(lái)，整個(gè)社會(huì)對(duì)安全性的認(rèn)識(shí)逐步加深，開(kāi)始將
精力放到了這個(gè)問(wèn)題上，并且研究出來(lái)許多行之有
效的辦法，比如：安全監(jiān)測(cè)表法、層次研究法、灰色聚
類(lèi)法、數(shù)學(xué)綜合法以及其他的評(píng)價(jià)法等。
本次研究中我們較為全面地對(duì)礦井安全情況做
出了評(píng)估和考察，總結(jié)出所有小系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，然
后結(jié)合自身實(shí)際的情況，基于BP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)建出
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以此來(lái)對(duì)整個(gè)煤礦的安全情況做出
評(píng)價(jià)和分析。
1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立遵循原則
1．1 采用的原則
對(duì)于日常的生產(chǎn)來(lái)講，一套行之有效的評(píng)價(jià)因
素指標(biāo)體系是非常重要的，它不僅僅是煤礦實(shí)現(xiàn)安
全性能的保障，而且還可以將自己的功能發(fā)揮到最
大化，保證安全的開(kāi)采和運(yùn)營(yíng)。要想構(gòu)建行之有效、
安全可靠的評(píng)價(jià)體系，就一定要按照以下的原則執(zhí)
行：
1) 系統(tǒng)性原則。對(duì)于煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)講
是一個(gè)完整的整體，所以在實(shí)際構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，一定要
按照該項(xiàng)原則。一般體現(xiàn)在：①構(gòu)建指標(biāo)的唯一目
標(biāo)就是保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常高效運(yùn)營(yíng)；②所有構(gòu)建
的指標(biāo)之間必須保持一定的關(guān)聯(lián)性，不能單獨(dú)存在；
③所有的體系之問(wèn)必須層次分明，按照一定的結(jié)構(gòu)
來(lái)分布，所有的指標(biāo)之間必須擁有一定的上下級(jí)關(guān)
系。
2) 科學(xué)性原則。在發(fā)生事故時(shí)，事故的原因
和本身往往具有一定的規(guī)律性和確定性，所以說(shuō)在
構(gòu)建指標(biāo)時(shí)，必須保證所有的指標(biāo)都遵循一定的規(guī)
則，盡可能減少主觀性。不能單單憑借個(gè)人的喜好
或者經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定和制定。
3) 普遍性與特殊性原則。在實(shí)際的操作中，
整個(gè)體系不僅僅擁有普遍性，也具有一定的特殊性。
所以說(shuō)在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的時(shí)候要遵循普遍性的同時(shí)
又要考慮特殊性，也就是說(shuō)在處理問(wèn)題時(shí)，既要建立
共性的指標(biāo)，也要考慮個(gè)性的指標(biāo)。
1．2 層次結(jié)構(gòu)的模型
建立模型過(guò)程中，首先要詳細(xì)了解整個(gè)通風(fēng)系
統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后研究清楚子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性以及
從屬關(guān)系，最后將所有的結(jié)構(gòu)分門(mén)別類(lèi)，研究出它們
之間的遞進(jìn)式關(guān)系。具體的結(jié)構(gòu)模型圖如圖l所
不n
圈 量圓
目標(biāo)層 準(zhǔn)則層 指標(biāo)層 方案層
圖1 具體的結(jié)構(gòu)模型
基于層次結(jié)構(gòu)的分析法將井下通風(fēng)安全評(píng)價(jià)指
標(biāo)分解為1個(gè)整體目標(biāo)，4個(gè)評(píng)價(jià)因素(一級(jí)指標(biāo))
以及19個(gè)二級(jí)指標(biāo)。同時(shí)每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)又分為
五個(gè)組成方案，具體包括了95個(gè)考核點(diǎn)。分析法中
的一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)如圖2所示。
對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)中，一般情況下是不會(huì)
考慮定性指標(biāo)的，它往往作為輔助性指標(biāo)。所以說(shuō)
通常的做法就是將定性量化后，變成定量性指標(biāo)，并
且保證對(duì)最終的結(jié)果沒(méi)有干擾。本次研究中，選擇
的是分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量化法。它具體的方法是將所有指標(biāo)
劃分為五個(gè)等級(jí)，也就是常見(jiàn)的I級(jí)(安全)、Ⅱ級(jí)
(較安全)、IU級(jí)(正常情況下安全)、IV級(jí)(不安
全)、V級(jí)(非常不安全)，并且保證每一個(gè)等級(jí)都有
收稿日期-2016-03-15
作者簡(jiǎn)介：劉宇(1986一)，男，山西大同人，技術(shù)員，從事礦井通風(fēng)安全工作。
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劉 宇：基于階梯層次結(jié)構(gòu)法的煤礦通風(fēng)安全評(píng)估系統(tǒng) 第25卷第4期
具體的標(biāo)準(zhǔn)和參考依據(jù)。在煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指
標(biāo)中，定量指標(biāo)的分級(jí)依據(jù)往往較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有定性
指標(biāo)那么麻煩，只要隨意的將其劃分為五個(gè)區(qū)間段
即可。通常的分級(jí)方法為：
V=< 1， 2， 3， 4， 5> (1)
其中：／3 代表安全， 代表比較安全，V，代表
一般安全， 是不安全， 為特不安全。
礦井通風(fēng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)
通風(fēng)系統(tǒng)x l I通風(fēng)設(shè)施 I 陋風(fēng)質(zhì)量x I 旦 童里
罔
圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)因素體系
2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理
董
測(cè)
風(fēng)
管
理
』1 9
誤差反向傳遞算法的原理是把學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程分
成兩個(gè)步驟：步驟一屬于輸入信號(hào)正向傳遞階段，將
給定的輸入信息從輸入層經(jīng)過(guò)隱層單元處理，計(jì)算
并輸出各個(gè)單元的訓(xùn)練值；步驟二屬于反饋信號(hào)的
逆向傳遞階段，如果在輸出層沒(méi)有達(dá)到期望值，自動(dòng)
逐層遞歸地對(duì)實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)行差值計(jì)算，
依據(jù)這樣的差值誤差對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行調(diào)整。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
不僅有輸入節(jié)點(diǎn)、輸出節(jié)點(diǎn)、而且有一層或多層隱節(jié)
點(diǎn)。各個(gè)層次的神經(jīng)元之間是完全互聯(lián)的，而同一
層次的神經(jīng)元是沒(méi)有連接的。
輸出層
隱層
輸入層
圖3 BP神經(jīng)I網(wǎng)絡(luò)模型
2．1 BP網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型的建立
充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的特征，然后將相關(guān)的
學(xué)習(xí)樣本加人進(jìn)去，這樣就可以將理論知識(shí)和實(shí)際
情況充分結(jié)合，基于整個(gè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程來(lái)研究安全性和
安全系數(shù)。充分發(fā)揮神經(jīng)理論的容錯(cuò)優(yōu)勢(shì)，利用相
關(guān)的函數(shù)模型以及數(shù)據(jù)模型，進(jìn)一步處理各種數(shù)據(jù)
和信息，大體對(duì)系統(tǒng)安全作出評(píng)價(jià)。另外，對(duì)于煤礦
來(lái)講，存在大量的形形色色的安全隱患，按照規(guī)章制
度不斷地進(jìn)行完善和學(xué)習(xí)，尤其是對(duì)未知的安全隱
患，更要在13常工作中不斷地了解。
本次研究的對(duì)象是大斗溝煤礦，著重研究了其
礦井的通風(fēng)系統(tǒng)，然后選擇典型的代表作為模型的
試驗(yàn)對(duì)象。通常情況下，我們可以將安全評(píng)價(jià)的制
約因素劃分為四大模塊：通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)
效率以及通風(fēng)管理，下面我們又劃分了l9個(gè)子模
塊：整個(gè)系統(tǒng)的適用性、子系統(tǒng)的適用性、礦井通風(fēng)、
等積孔的尺寸、密閉墻的合格率、風(fēng)門(mén)的可靠性、風(fēng)
橋的可靠性、測(cè)風(fēng)站的可靠性、防爆系統(tǒng)的可靠性、
礦井巷道可靠性、煤礦有效風(fēng)速率、整個(gè)圖紙的設(shè)
計(jì)、相關(guān)演習(xí)的安排、風(fēng)速阻力的計(jì)算、整個(gè)系統(tǒng)的
失修率以及系統(tǒng)側(cè)風(fēng)的處理，具體分類(lèi)見(jiàn)圖2。上
述的19個(gè)子模塊實(shí)質(zhì)上就是對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾
的因素，所以說(shuō)我們?cè)谠O(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)就
默認(rèn)設(shè)計(jì)為19個(gè)。按照前面我們所介紹的分級(jí)標(biāo)
準(zhǔn)和具體分級(jí)情況來(lái)講，通常就是五大等級(jí)：安全、
較安全、一般安全、不安全、很不安全。所以說(shuō)我們
將輸出的節(jié)點(diǎn)定為5個(gè)。
按照第一章中我們所研究的模型而言，將所有
的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，最終得到了30個(gè)比較
有代表性的樣本做相關(guān)的訓(xùn)練，另外隨機(jī)選擇3個(gè)
樣本最檢驗(yàn)。本次研究中采用的是MATLAB編制
的BP相關(guān)程序，整個(gè)編程流程見(jiàn)圖4。
圖4 I網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)流程
1) 輸入正信號(hào)進(jìn)入輸入層，然后經(jīng)隱層過(guò)渡
到輸出層單元，產(chǎn)生輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正向傳
輸。關(guān)于信號(hào)的正向傳遞進(jìn)程中，該BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)
值是保持不變的，神經(jīng)元在每一層的狀態(tài)只會(huì)對(duì)下
一層的神經(jīng)元產(chǎn)生影響。倘若經(jīng)輸出層后沒(méi)有達(dá)到
期望輸出，程序設(shè)置進(jìn)入誤差反饋傳遞。
2) 將實(shí)際輸出信號(hào)和期望輸出間的差值作
為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)從輸出端起始逐層的向前傳
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劉 字：基于階梯層次結(jié)構(gòu)法的煤礦通風(fēng)安全評(píng)估系統(tǒng) 第25卷第4期
遞，該環(huán)節(jié)為誤差信號(hào)的逆向反饋傳送。當(dāng)誤差信
號(hào)反向傳遞時(shí)，BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值依靠誤差反饋來(lái)改
變。在權(quán)值不斷修正基礎(chǔ)上，使得實(shí)際輸出更加接
近期望值。
2．2 測(cè)試驗(yàn)證
基于本文提出的評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)大斗溝煤礦進(jìn)行
實(shí)際調(diào)研，將給出的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于該礦的安全性評(píng)估
測(cè)驗(yàn)。在實(shí)地考察基礎(chǔ)上，邀請(qǐng)同煤通風(fēng)集團(tuán)技術(shù)
人員參與測(cè)試評(píng)估，給出了下述測(cè)驗(yàn)評(píng)估體系，見(jiàn)表
1。經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)處理，得出的預(yù)測(cè)結(jié)果表明收斂性較
好，1、2、3三個(gè)樣本的輸出節(jié)點(diǎn)(預(yù)測(cè)結(jié)果)值都在
[一1，1]之間，達(dá)到了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的理
想狀態(tài)，同時(shí)評(píng)估精度較高，所以這次的研究和評(píng)價(jià)
工作基本上達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
3 結(jié)語(yǔ)
本次研究中，我們將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體落實(shí)到
礦井的通風(fēng)系統(tǒng)管理中，優(yōu)點(diǎn)非常明顯，比如：全面
性、自我調(diào)整性、容錯(cuò)特點(diǎn)以及變權(quán)處理，尤其是在
比較復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)中更能體現(xiàn)出它的作用。
表1 礦井通風(fēng)安全評(píng)估指標(biāo)賦值表
[責(zé)任編輯：常麗芳]
：；；； ：：：； ；；； ；；； ：；；；； ；；；：： ：：；； ；；：：：： ； ；； ；；；； Z；；； ；；； ：： ；；；； ； ：：：； ； ；；；； ： ；；； ：：；； ；；
(上接第53頁(yè)) 如更換后仍不正常，查看線路是否有虛接現(xiàn)象。
故障顯示狀況，如電控箱正常，則應(yīng)檢查上一級(jí)負(fù)荷 6) 搖臂不能升降：檢查升降按鈕能不能按到
開(kāi)關(guān)自保繼電器是否在吸合狀態(tài)，自保接點(diǎn)應(yīng)接觸 位，升降信號(hào)執(zhí)行模塊直流24 V電壓是否正常，電
良好，測(cè)量操作線有無(wú)斷路、信號(hào)電纜接線端子是不 磁閥線圈是否燒毀或操作線有無(wú)虛接松動(dòng)現(xiàn)象，泵
是有松動(dòng)虛接現(xiàn)象。 站輸出壓力是否低于標(biāo)準(zhǔn)壓力20 MPa。
3) 按下采煤機(jī)2啟時(shí)真空接觸器“打槍”的 7) 漏電閉鎖、顯示漏電：用相應(yīng)電壓等級(jí)的
故障：重點(diǎn)檢查測(cè)量真空接觸器啟動(dòng)是否正常，電網(wǎng) 兆歐表測(cè)量各個(gè)電機(jī)及電纜線的對(duì)地絕緣阻值，若
電壓波動(dòng)較大，測(cè)量真空接觸器維持電壓是否欠壓， 對(duì)地絕緣阻值小于20 kn時(shí)，漏電閉鎖裝置立即向
查看真空接觸器電磁鐵與吸力線圈之間有無(wú)異物， 程序控制器(PLC)發(fā)送一個(gè)漏電閉鎖信號(hào)，將先導(dǎo)
電磁鐵反力彈簧過(guò)緊或過(guò)松，動(dòng)磁鐵與靜磁鐵問(wèn)隙 回路閉鎖，上一級(jí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)不能送電。此時(shí)要檢查
不平或過(guò)大。處理方法，調(diào)整真空接觸器反力彈簧 電機(jī)是否進(jìn)水進(jìn)油受潮，負(fù)荷電纜有無(wú)破損情況。
力度，調(diào)整電磁鐵吸合間隙，清理電磁鐵之間的雜 若電纜或電機(jī)絕緣損壞不能修復(fù)，就必須更換電纜
物，把維持電壓調(diào)整到正常值。 和電機(jī)。
4) 采煤機(jī)不牽引：先檢查牽引按鈕是否按到 ． 、
位或接觸不良，接線端子有無(wú)松動(dòng)虛接現(xiàn)象，再測(cè)量 。
可編程序控制器(即工業(yè)PLC)輸入、輸出指令信號(hào)
是否正常。若指令信號(hào)正常，下一步就要測(cè)量控制
中 t2,的主控器是否在正常工作狀態(tài)。檢查三相交流
電有無(wú)缺相，電機(jī)、負(fù)荷電纜有無(wú)接地漏電現(xiàn)象。行
走抱閘是否在完全打開(kāi)狀態(tài)，機(jī)械部件有無(wú)卡堵現(xiàn)
象。
5) 端頭站、遙控器不動(dòng)作：測(cè)量端頭站l2 V
電源是否正常，遙控器電池電壓是否正常，檢查端頭
站電纜的接線端子有無(wú)松動(dòng)，檢查執(zhí)行繼電器回路
有無(wú)斷路現(xiàn)象，檢查輸出輸入信號(hào)線路是否斷線。
檢查內(nèi)部接點(diǎn)是否有粘連，是否需更換遙控器電池，
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電控系統(tǒng)是電牽引采煤機(jī)的重要組成部分，因
其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高，必須熟練掌握電控系統(tǒng)工
作原理。在處理事故時(shí)，要根據(jù)電路圖及技術(shù)參數(shù)
仔細(xì)分析發(fā)生故障的原因，確定故障的具體位置，采
用行之有效的故障處理手段，以最快速度及時(shí)排除
故障。在使用過(guò)程中要正確操作、定期檢修、合理維
護(hù)，才能提高采煤機(jī)的可靠性，降低事故率，使采煤
機(jī)產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益。
[責(zé)任編輯：常麗芳]

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