我國煤礦安全領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

潘理虎,張佳宇，張英俊，謝建林

(1.太原科技大學 計算機科學與技術(shù)學院,太原 030024;2.太原科技大學 環(huán)境與安全學院,太原 030024)

煤炭行業(yè)是國家能源的主要來源之一,也是國家經(jīng)濟的重要支柱之一,是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ),在我國具有重要地位?！笆濉逼陂g,煤炭產(chǎn)量總體上不斷增加,煤礦事故次數(shù)、死亡人數(shù)、百萬噸死亡率也呈逐年降低趨勢[1],我國煤礦安全形勢逐年好轉(zhuǎn),但仍存在一些重特大事故。且隨煤炭開采深度化的發(fā)展趨勢,煤礦安全形勢越來越難以預測與控制[2,3]。目前,國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學者已對煤礦安全進行了大量的研究[4],并不斷為改善煤礦安全形勢提供新的思路和方法,但仍缺乏對煤礦安全研究知識結(jié)構(gòu)體系全面系統(tǒng)的分析。

科學知識圖譜是一種用于顯示科學知識發(fā)展脈絡與結(jié)構(gòu)的圖像,基于可視化的方法,能夠形象地揭示知識的發(fā)展進程和規(guī)律,提升用戶對于知識獲取的體驗[5]。面對海量數(shù)據(jù),只有通過科學的方法對其進行整理分析,才能更好地對該領(lǐng)域進行深入探究。為此,本文借助科學文獻計量法——可視化分析方法(CiteSpaceⅤ)[6],以量化的方式探究上述問題。

1 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

以Cnki期刊數(shù)據(jù)庫為來源數(shù)據(jù)庫進行檢索,主題=“煤礦安全”,時間跨度=“1998-2017”,檢索時間為2018年1月25日,經(jīng)人工篩選,去除與煤礦安全主題不相干文獻,最終得到相關(guān)核心文獻4 479篇,以此作為數(shù)據(jù)來源,并采用關(guān)鍵路徑算法(Pathfinder)對其進行機構(gòu)、作者及關(guān)鍵詞等方面的特征對比與分析。

圖1 文獻數(shù)量時間分布圖Fig.1 Time distribution map of quantity of literature

圖1為文獻數(shù)量時間分布圖。2006年前,發(fā)文量逐年增加,2006年后呈驟然下降趨勢,在2008年后發(fā)文量迅猛上升,并在2010年達到最高,表明當時煤礦安全的研究熱度高漲,之后又呈現(xiàn)出急劇下降,在2012年發(fā)文數(shù)量達到最低值,這也是煤礦安全領(lǐng)域研究的低谷期,直到2012年,先進計算技術(shù)被應用于煤礦安全領(lǐng)域,發(fā)文量開始回升,2014年,新能源突起,煤礦安全領(lǐng)域相關(guān)研究遞減。從整體看，煤礦安全研究熱度雖有起伏,但整體處于熱點狀態(tài)。

2 知識圖譜分析

2.1 煤礦安全領(lǐng)域的研究力量分析

2.1.1研究機構(gòu)分析

使用Cite SpaceⅤ對煤礦安全研究機構(gòu)進行知識圖譜分析[7],總結(jié)出煤礦安全研究機構(gòu)現(xiàn)狀及其合作強度(見圖2)。從圖2可知,煤礦安全領(lǐng)域的研究機構(gòu)主要集中在高校,除了涉及到工程方面的研究,還與管理學有著千絲萬縷的聯(lián)系。圖中共272個節(jié)點(節(jié)點大小代表該機構(gòu)發(fā)文情況),152條連線(節(jié)點之間的連線表示機構(gòu)間的合作發(fā)文情況),網(wǎng)絡密度為0.004 1,說明近二十年,中國煤礦安全領(lǐng)域的研究機構(gòu)較為分散,機構(gòu)間的合作交流有所欠缺。其中,中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院的發(fā)文量最多(如表1所示),達74篇;其次,西安科技大學能源學院51篇,中國礦業(yè)大學管理學院50篇,中煤科工集團重慶研究院有限公司33篇,太原理工大學礦業(yè)工程學院28篇。從中心性來看,中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院(0.19)最高。可見,無論是發(fā)文量還是中心性,中國礦業(yè)大學都居于首位,表明中國礦業(yè)大學在煤礦安全領(lǐng)域方面的研究最具影響力,其次為太原理工大學礦業(yè)工程學院(0.07)、中煤科工集團重慶研究院有限公司(0.06)。

綜上所述,中國礦業(yè)大學在煤礦安全領(lǐng)域的研究相對較多,同其他機構(gòu)之間的合作相對較廣,具有較高的影響力。除此之外,西安科技大學、中煤科工集團有限公司、太原理工大學都在不同程度的為煤礦安全領(lǐng)域的研究貢獻力量。

圖2 煤礦安全領(lǐng)域研究機構(gòu)知識圖譜Fig.2 Knowledge map of research institutions in the field of coal mine safety

表1 煤礦安全領(lǐng)域研究機構(gòu)頻次及中心性(前10位)Table 1 Frequency and centrality of research institutions in the field of coal mine safety (Top 10)

續(xù)表1

2.1.2研究人員分析

從個人發(fā)文量看,中國礦業(yè)大學的華鋼發(fā)文數(shù)量最多,共18篇;其次為西安科技大學的田水承(15篇)、太原理工大學的栗繼祖(13篇)、中國礦業(yè)大學的李新春(13篇)、安徽理工大學的孟祥瑞(12篇)、鄭州大學的王金鳳(12篇)、中國礦業(yè)大學的林柏泉(10篇)和太原科技大學的曾建潮(10篇)。這再次表明在煤礦安全研究領(lǐng)域,中國礦業(yè)大學和西安科技大學較為領(lǐng)先。

圖3 煤礦安全領(lǐng)域研究作者共現(xiàn)知識圖譜Fig.3 Knowledge map of research authors in the field of coal mine safety

從煤礦安全領(lǐng)域研究作者共現(xiàn)知識圖譜(圖3)可見,李亨英、曾建潮、陳兆波、李忠衛(wèi)等人有較為密切的合作關(guān)系,他們都來自太原科技大學,主要開展關(guān)于煤礦安全事故人因分析[8-9]、安全評價方面的研究,為煤礦安全事故的人因分析提供參考。

鄭州大學的王金鳳、馮立杰和翟雪琪圍繞煤礦安全工程及安全管理展開研究,通過構(gòu)建煤礦生產(chǎn)物流效率優(yōu)化模型為安全生產(chǎn)前提下實現(xiàn)資源優(yōu)化配置、提高煤礦生產(chǎn)物流效率提供了科學依據(jù)[10],并且為解決煤礦安全投入與安全績效的關(guān)系問題采用系統(tǒng)動力學進行煤礦安全投入與安全績效的仿真模擬,該成果為煤礦安全管理決策提供理論依據(jù)[11]。

中國礦業(yè)大學的華鋼、溫良和呂茂超團體主要研究煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系,并在美國NI公司的LabVIEW平臺上設(shè)計了風機故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)、采用最小二乘法編制風機特征曲線,實現(xiàn)風機性能曲線擬合的可視化[12-13]。此系統(tǒng)與方法已用于煤礦行業(yè),并取得了良好的檢測效果。

由此看來,煤礦安全領(lǐng)域研究人員間的合作研究并不明顯,為數(shù)不多的合作團隊也幾乎來自同一機構(gòu),跨機構(gòu)、跨學科的合作研究少之又少,且并未出現(xiàn)有突出影響力的作者。

2.2 煤礦安全領(lǐng)域研究熱點分析

關(guān)于煤礦安全領(lǐng)域的研究,緊緊圍繞“安全生產(chǎn)(193次)”“安全管理(179次)”“監(jiān)控系統(tǒng)(84)”“對策(53)”等核心概念(見圖4),表明研究熱點主要集中在煤礦事故的防治。

圖4 煤礦安全領(lǐng)域研究熱點圖Fig.4 Knowledge map of research hotspot in the field of coal mine safety

圖5 煤礦安全領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞聚類圖Fig.5 Cluster diagram of keyword in the field of coal mine safety

且從圖5可見,煤礦安全領(lǐng)域的研究熱點可以歸納為以下七大類:

1)安全監(jiān)察。煤礦安全監(jiān)察執(zhí)法是我國具有相應煤礦監(jiān)管權(quán)力的職能部門。負責對煤礦進行安全管理,在預防事故發(fā)生和保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)方面都具有舉足輕重的作用。然而,在實際執(zhí)法過程中,監(jiān)察技術(shù)落后,監(jiān)察人員執(zhí)法意識薄弱、專業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務能力不足,以至于執(zhí)法效果力不從心[14]。趙志剛和劉建等人分別從物聯(lián)網(wǎng)和云數(shù)據(jù)的角度對其進行了研究探討,不僅提高了煤礦監(jiān)察工作效能,而且遏制了煤礦事故的不斷發(fā)生[15]。因此,安全監(jiān)管執(zhí)法的信息化建設(shè)是必要的。

2)一通三防?！耙煌ㄈ馈惫芾聿簧贫l(fā)的重大災害事故影響著煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的穩(wěn)定運營。將安全監(jiān)控技術(shù)與“一通三防”相結(jié)合,實現(xiàn)對煤礦井下不安全行為、瓦斯?jié)舛鹊刃畔⑦M行動態(tài)監(jiān)測,能夠減少事故發(fā)生的可能性,以加強“一通三防”管理,如管理信息系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等。

3)監(jiān)控系統(tǒng)。智慧礦山的核心技術(shù)即為智能監(jiān)控,結(jié)合現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡、以太網(wǎng)等先進技術(shù),對礦山生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進行主動感知、自動分析及快速處理[16-17],解決目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的通信實時性差、可靠性不高、易受電磁波干擾等問題[18]。

4)安全生產(chǎn)。煤礦在實施信息化管理與生產(chǎn)的同時,也帶來了隱私風險。大量煤礦安全數(shù)據(jù)和礦工信息在此過程中被收集、傳輸和存儲,那么,在這個數(shù)據(jù)共享的過程中是否能有效地保障數(shù)據(jù)安全,保護礦工隱私是大數(shù)據(jù)時代急需解決的問題[19]。

5)層次分析法(AHP)。將復雜的決策系統(tǒng)層次化有助于保障礦井的安全生產(chǎn)與管理。層次分析法能夠?qū)τ绊懨旱V安全生產(chǎn)的因素進行分析,從而為煤礦制定合理的安全措施提供理論依據(jù)。目前,主要與模糊綜合評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合,應用于安全評價、安全預測。

6)煤與瓦斯突出。采用先進技術(shù)減少煤與瓦斯突出事故發(fā)生率,如數(shù)值模擬、遠程智能監(jiān)測預警系統(tǒng),將信息監(jiān)測技術(shù)與瓦斯涌出量等事故發(fā)生邊界值相結(jié)合,實現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)地數(shù)據(jù)監(jiān)測。

7)安全第一。安全保障是煤礦領(lǐng)域研究的重點問題。在考慮煤礦經(jīng)濟的同時,安全投入必須引起重視,以預防為主,目前很多煤礦實施關(guān)井壓產(chǎn),采取培訓、責任制等管理方式提高員工專業(yè)素質(zhì)與能力[20],且使用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)設(shè)計研發(fā)了許多智能監(jiān)測預警系統(tǒng)[21],有效地降低百萬噸死亡率。

綜上所述,在煤礦安全領(lǐng)域的研究中,安全生產(chǎn)和安全管理一直為科研人員的研究熱點,其中瓦斯類事故的相關(guān)研究一直是領(lǐng)域內(nèi)研究的重點問題。由于煤礦的安全數(shù)據(jù)種類多、規(guī)模大,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)難以滿足日漸增加的數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)存儲,因而基于大數(shù)據(jù)、云計算等信息化技術(shù)的應用逐漸成為煤礦安全領(lǐng)域研究的重點、熱點,其中,監(jiān)測預警系統(tǒng)最具代表性。與此同時,研究者越來越重視安監(jiān)人員的專業(yè)素質(zhì)與能力,且采取安全培訓、制度約束等方式來提高。

2.3 煤礦安全研究趨勢前沿分析

對已有煤礦安全研究的相關(guān)數(shù)據(jù)進行突發(fā)性檢測,探索煤礦安全領(lǐng)域研究的關(guān)鍵詞突變情況?！鞍踩O(jiān)察”“數(shù)值模擬”“鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦”的突變強度較大(如表2所示),其中“安全監(jiān)察”的突變值和詞頻均較高,表明在1998-2005年期間,安全監(jiān)察成為研究熱點。與此同時,“鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦”也引起安全監(jiān)察機構(gòu)的重視,加強行政執(zhí)法,保障煤礦安全。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,在2010年,有關(guān)安全監(jiān)控的研究驟增,從理論探討逐漸轉(zhuǎn)為實踐研究,安全監(jiān)控系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)于各個煤礦,能夠有效地降低煤礦事故發(fā)生率?！皵?shù)值模擬”有通用性強、方便靈活的優(yōu)點,能夠有效地模擬煤礦環(huán)境[22-23],為研究者做實驗提供必要的數(shù)據(jù)?！拔锫?lián)網(wǎng)”和“云計算”于2012年快速發(fā)展,研究熱度持續(xù)較高,基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進計算機技術(shù)的煤礦安全智能系統(tǒng)的研究也隨之成為研究熱點。同時,煤礦安全影響因素研究也成為研究者所關(guān)注問題,尤其是不安全行為。從圖6可見,大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)、應急救援和安全工程是目前煤礦安全領(lǐng)域研究的熱點趨勢。如利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實時分析煤礦遇難緊急逃生路線,并提供緊急救援。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入煤礦安全工程,可以有效地提高礦工在施工過程中的安全性等。

結(jié)合表2和圖6可知,在煤礦安全領(lǐng)域的應用與相關(guān)理論研究中,基于大數(shù)據(jù)、云計算及物聯(lián)網(wǎng)等先進計算機技術(shù)的研究和煤礦事故發(fā)生的影響因素及應急救援將會是未來的研究趨勢。

圖6 煤礦安全領(lǐng)域研究時區(qū)圖Fig.6 Time zone map in the field of coal mine safety

表2 煤礦安全領(lǐng)域研究突現(xiàn)詞排序(部分)Table 2 Sudden word sorting in the field of coal mine safety(part)

續(xù)表2

3 結(jié)束語

運用科學知識圖譜分析煤礦領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢對煤礦領(lǐng)域發(fā)展有一定的理論意義。通過分析可知有關(guān)煤礦安全領(lǐng)域的研究相對較少,大多數(shù)研究只停留在理論層面,實用性不足,研究深度不夠,還有很大的發(fā)展空間。并且,煤礦安全領(lǐng)域的研究力量主要集中在高校,研究機構(gòu)也較為分散,缺乏合作交流,不利于推動學術(shù)成果的創(chuàng)新。先進計算機技術(shù)的引人,將有助于煤炭生產(chǎn),降低人員傷亡率,實現(xiàn)多渠道防治煤礦事故,特別是在影響因素及應急救援方面,使煤礦安全領(lǐng)域有一個良好的生產(chǎn)環(huán)境。