基于信息融合的煤礦開(kāi)采安全管理研究探討

安琴方

（畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

煤炭作為一種重要的能源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，與石油、天然氣并列為“能量石”。嚴(yán)格管控煤礦建設(shè)、提高煤礦開(kāi)采過(guò)程的安全管理要求一直是該領(lǐng)域的重中之重和長(zhǎng)期需要解決的難題之一。以往發(fā)生的煤礦開(kāi)采事故仍然歷歷在目，使社會(huì)關(guān)注度不斷提高，讓“安全”兩個(gè)字警鐘長(zhǎng)鳴[1]。

煤礦開(kāi)采涉及到人力、物力以及自然環(huán)境等多種因素，其安全性不可小視，需要從多方面綜合嚴(yán)控。國(guó)家安全監(jiān)管總局曾在2016年提出推廣使用智能化安全監(jiān)管設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警防控等資源互通、信息共享。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本文將就信息融合技術(shù)在煤礦開(kāi)采安全管理方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，利用新的信息化技術(shù)手段，切實(shí)落實(shí)好國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求，提高整個(gè)開(kāi)采過(guò)程的安全性。

1 煤礦開(kāi)采安全威脅

煤礦開(kāi)采屬于一項(xiàng)綜合工程，涉及多方面要素，通過(guò)對(duì)以往事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的分析，目前安全管理的威脅和隱患主要來(lái)自于兩個(gè)方面：設(shè)備因素、人為因素。

（1）設(shè)備因素

煤礦開(kāi)采需要借助許多大型的設(shè)備，其占據(jù)企業(yè)固定資產(chǎn)總額的半數(shù)以上，但是出于成本考慮，許多設(shè)備都是處于臨界或是超出壽命的狀態(tài)，甚至有些損壞或故障頻發(fā)的設(shè)備沒(méi)有經(jīng)過(guò)更換或是返廠維修就再次投入使用，再加之平時(shí)缺少對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，造成設(shè)備可靠性降低，這種行為不僅不利于生產(chǎn)，反而會(huì)大大增加安全隱患[2]。另一方面，開(kāi)采企業(yè)安全維護(hù)部門(mén)發(fā)揮作用不大，僅僅是例行性的將設(shè)備視為固定資產(chǎn)進(jìn)行登記造冊(cè)，而并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種可靠性要求的監(jiān)測(cè)和監(jiān)管。

（2）人為因素

煤礦開(kāi)采主要依靠的是人，無(wú)論是前期設(shè)計(jì)、實(shí)際開(kāi)采還是過(guò)程監(jiān)管，都不離開(kāi)人的干預(yù)。然而，以往的事故有很大一部分都是出自于職工自身的安全意識(shí)不到位，這主要有兩方面原因：一方面是部分煤礦企業(yè)為了節(jié)約成本，招收職工并沒(méi)有按照一崗一員的要求落實(shí)，無(wú)視國(guó)家的法律條文，沒(méi)有對(duì)工作人員進(jìn)行專業(yè)性的培訓(xùn)，造成職工缺少專業(yè)技能，工作過(guò)程多數(shù)憑借自己經(jīng)驗(yàn)，在遇到突發(fā)或是應(yīng)急事件時(shí)不會(huì)處理或是不科學(xué)處理，給實(shí)際施工過(guò)程埋下隱患；另一方面是工作人員自身缺少安全意識(shí)，總是抱有平時(shí)無(wú)事便永遠(yuǎn)無(wú)事的心態(tài)，違規(guī)操作，或是長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，大大提升了安全事故發(fā)生的幾率[3-4]。

2 煤礦開(kāi)采安全管理信息融合來(lái)源

從之前煤礦開(kāi)采過(guò)程的安全威脅可以發(fā)現(xiàn)，憑借經(jīng)驗(yàn)或是純?nèi)斯さ谋O(jiān)管手段已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化條件下煤礦開(kāi)采的安全管理需求，這就需要借助信息融合手段。信息融合是一種對(duì)多源不確定性信息進(jìn)行綜合利用的信息處理技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)分析可知，煤礦開(kāi)采實(shí)際過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各類各式的信息，其中包含有用信息，也包含一些無(wú)用信息，這些信息都是對(duì)各種要素的直觀體現(xiàn)，只有充分分析利用這些信息，才能挖掘出其中隱含的安全要素狀況，從而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控。目前，煤礦開(kāi)采安全管理的主要信息源包括：

（1）設(shè)備監(jiān)測(cè)信息

煤礦開(kāi)采設(shè)備直接關(guān)系到開(kāi)采過(guò)程的安全與否以及工作人員的切身安全，因此，其產(chǎn)生的各類信息是不容忽視的。通過(guò)分析可知，其主要信息包括兩大類：一類是靜態(tài)信息，即設(shè)備的型號(hào)、屬性、工作參數(shù)、累計(jì)工作時(shí)間、當(dāng)前工作狀態(tài)、既往故障史、保養(yǎng)維修史等，這類靜態(tài)信息主要是對(duì)設(shè)備當(dāng)前工作條件以及可靠性的預(yù)估；另一類是動(dòng)態(tài)信息，即設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)測(cè)信息，主要有工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)、振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)等。以振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)信息為例，設(shè)備在開(kāi)采過(guò)程中，其內(nèi)部機(jī)械和液壓組件都會(huì)由摩擦后的相互作用而形成振動(dòng)信號(hào)，正常狀態(tài)下的信號(hào)是有一定時(shí)頻域參數(shù)范圍的，當(dāng)設(shè)備臨界故障或是開(kāi)采遇到其他問(wèn)題時(shí)，一些信號(hào)參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)的出現(xiàn)變化，有時(shí)會(huì)形成警告信息?？梢?jiàn)，動(dòng)態(tài)信息是對(duì)設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài)的直接反饋。

（2）人員監(jiān)測(cè)信息

人員監(jiān)測(cè)信息主要包含兩大類：一個(gè)是人員基本信息，即人員的身高、體重、受教育程度、家庭情況、培訓(xùn)情況，這類信息是對(duì)人員素質(zhì)以及身體情況的一個(gè)大致評(píng)估基礎(chǔ)；另一個(gè)就是人員動(dòng)態(tài)信息，主要包括每日人員上崗前的身體參數(shù)（體溫、血壓、心率）、不定時(shí)的問(wèn)卷調(diào)查或心理測(cè)試結(jié)果、人員累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)等，這些信息是對(duì)工作人員實(shí)際工作過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋，涉及生理和心理情況。以不定時(shí)問(wèn)卷調(diào)查為例，內(nèi)容可能包括對(duì)當(dāng)前企業(yè)安全管理存在的問(wèn)題意見(jiàn)、近期伙食情況以及員工家庭情況或是心情等，旨在通過(guò)小問(wèn)卷或是簡(jiǎn)單幾個(gè)選項(xiàng)對(duì)員工心理進(jìn)行評(píng)測(cè)，保證每日工作人員能夠健康、按規(guī)操作。

（3）企業(yè)監(jiān)控信息

企業(yè)監(jiān)控信息，顧名思義，是對(duì)一些現(xiàn)代化信息采集手段的統(tǒng)稱。這里面不僅包含傳統(tǒng)意義上的視頻監(jiān)控，還包括各類信號(hào)監(jiān)測(cè)或是環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集傳送的信息。這些信息是屬于系統(tǒng)級(jí)的高層信息，同時(shí)也是反映內(nèi)容比較多的信息。但是由于其中部分信息數(shù)據(jù)量過(guò)大，比如監(jiān)控設(shè)備信息，往往會(huì)被循環(huán)覆蓋，如果沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行信息處理，很有可能會(huì)將一些隱患信息丟失，造成一些管理問(wèn)題的出現(xiàn)。

3 安全管理信息融合流程

依據(jù)需要融合的信息來(lái)源，結(jié)合信息融合的基本思路，煤礦開(kāi)采安全管理信息融合的流程大致分為三個(gè)層級(jí)，即數(shù)據(jù)層、特征層和決策層，具體內(nèi)容如下：

（1）數(shù)據(jù)層融合

數(shù)據(jù)層是信息融合的最底層來(lái)源，同時(shí)也是最關(guān)鍵的部分，因?yàn)楸緦蛹?jí)的信息都是各類監(jiān)測(cè)信息，是最原始最直觀的信息。在本層級(jí)融合過(guò)程中，可以借助的手段是數(shù)據(jù)層融合算法，目前比較流行的是智能知識(shí)庫(kù)，根據(jù)煤礦開(kāi)采安全管理要求，設(shè)定合適的庫(kù)規(guī)則，以設(shè)備監(jiān)測(cè)信息為例，在此處所進(jìn)入的庫(kù)是設(shè)備監(jiān)測(cè)信息庫(kù)，其中包含若干字庫(kù)，比如工作參數(shù)庫(kù)、累計(jì)工作時(shí)間庫(kù)、當(dāng)前工作狀態(tài)、既往故障史庫(kù)、保養(yǎng)維修史庫(kù)以及運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)庫(kù)和信號(hào)采集庫(kù)等，這里面包含了前面所分析的設(shè)備靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，這些信息在進(jìn)入字庫(kù)后，要經(jīng)過(guò)智能知識(shí)庫(kù)的篩選才能完成數(shù)據(jù)層的融合。舉例來(lái)講，以累計(jì)工作時(shí)間庫(kù)為例，其知識(shí)庫(kù)規(guī)則可設(shè)定理論壽命為閾值，若設(shè)備累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到理論壽命的85%，篩選后該字庫(kù)信息會(huì)對(duì)安全威脅形成一定比例的貢獻(xiàn)值，以信號(hào)采集庫(kù)為例，其知識(shí)庫(kù)規(guī)則可設(shè)定頻域能量值為篩選依據(jù)，若超過(guò)正常工作的頻域能量值，則認(rèn)為該設(shè)備故障，經(jīng)融合后形成對(duì)安全管理的威脅報(bào)警。

（2）特征層融合

特征層融合屬于整個(gè)信息融合的中間層次，主要任務(wù)是依據(jù)特征參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)層融合后的信息進(jìn)行再次融合。由于數(shù)據(jù)層融合僅是對(duì)原始信息的初步處理和轉(zhuǎn)化，其中包含著許多無(wú)用或冗余的信息，需要在特征層進(jìn)行過(guò)濾。特征層級(jí)融合依靠的智能算法為降維算法，主要目的就是縮減可用信息量，防止決策層出現(xiàn)維數(shù)爆炸，減少?zèng)Q策層計(jì)算量，提高決策的實(shí)時(shí)性和快速性。以數(shù)據(jù)層融合后的設(shè)備信息為例，各類子庫(kù)信息依然是以子庫(kù)形式進(jìn)入特征層級(jí)，但是通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，如累計(jì)工作時(shí)間庫(kù)、既往故障史庫(kù)、保養(yǎng)維修史這些字庫(kù)信息在數(shù)據(jù)層的融合結(jié)果均是對(duì)設(shè)備歷史狀態(tài)的一個(gè)評(píng)估值，因此在本層級(jí)就會(huì)對(duì)這三類字庫(kù)進(jìn)行融合，形成設(shè)備歷史信息子庫(kù)，表示設(shè)備歷史工作條件對(duì)當(dāng)前設(shè)備工作安全管理存在的威脅。各類信息在經(jīng)過(guò)特征層級(jí)融合后，基本只存在典型類別的字庫(kù)信息，便于更高層級(jí)的融合處理。

（3）決策層融合

決策層融合位于整個(gè)安全管理信息融合的最高層級(jí)，其主要作用就是根據(jù)特征層融合結(jié)果，計(jì)算分析出安全管理存在的威脅指數(shù)，找出威脅信息源，根據(jù)各威脅源貢獻(xiàn)要素給出有針對(duì)性的安全管理措施。本層級(jí)所采用的智能算法為決策樹(shù)，具體來(lái)講，來(lái)自于設(shè)備字庫(kù)、人為字庫(kù)、企業(yè)字庫(kù)的信息在進(jìn)入決策層后，會(huì)形成決策樹(shù)，各信源分支都有對(duì)最終結(jié)果的貢獻(xiàn)數(shù)值，經(jīng)過(guò)累加計(jì)算最終得到當(dāng)前開(kāi)采條件下的安全威脅指數(shù)，通常可設(shè)定為幾個(gè)等級(jí)，0.25以下為輕度，0.25～0.5為中度，0.5以上為重度。在輕度威脅下，決策措施一般為加強(qiáng)對(duì)老舊設(shè)備的監(jiān)控，保證人員修整輪換，加強(qiáng)安全警示教育，監(jiān)控重點(diǎn)工作人員的監(jiān)控等；在中度威脅下，決策樹(shù)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的威脅貢獻(xiàn)值，按照由頂至根的順序，形成一條威脅最高的路徑，顯示給工作人員，并根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)給出具體的管理措施手段，如建議某名工作人員強(qiáng)制輪換、要求某臺(tái)設(shè)備返廠維修或是更換某個(gè)組件等等；在重度威脅下，決策樹(shù)會(huì)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的威脅貢獻(xiàn)值一一列出，并根據(jù)國(guó)家安全監(jiān)管委員會(huì)的要求報(bào)批整改，這樣才能有效防止安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息化時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，為了切實(shí)提高煤礦開(kāi)采的安全性，本文引入信息融合技術(shù)，探討其在煤礦開(kāi)采安全管理方面的應(yīng)用，旨在綜合利用多方位信息，提高生產(chǎn)安全性，降低事故發(fā)生率，使企業(yè)管理更上一個(gè)臺(tái)階。