基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的研究

劉豐軍

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

1 問題的提出

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全的重視，各煤礦紛紛建設(shè)和完善煤礦應(yīng)急救援機(jī)制，開發(fā)了應(yīng)急預(yù)案管理信息系統(tǒng)、應(yīng)急救援輔助決策支持系統(tǒng)及應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)，促進(jìn)了國(guó)家、地方和部門之間的協(xié)調(diào)工作以及信息共享。

綜合分析當(dāng)前煤礦數(shù)字化應(yīng)急救援機(jī)制和系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）現(xiàn)有的煤礦應(yīng)急系統(tǒng)雖然包含了數(shù)字預(yù)案、模擬分析、輔助決策等子系統(tǒng)，但功能較為簡(jiǎn)單，缺乏可擴(kuò)充性、兼容性，不能滿足煤礦應(yīng)急救援綜合研判、輔助決策等需求；（2）很少有專家學(xué)者將危險(xiǎn)因素辨識(shí)、致災(zāi)機(jī)理和救災(zāi)準(zhǔn)則統(tǒng)一到應(yīng)急救援中，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)急處置過程中的事態(tài)信息匯聚、指令發(fā)布與反饋不及時(shí)，救援系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，智能響應(yīng)機(jī)制薄弱；（3）可視化、遠(yuǎn)程救援指揮功能不足，缺少大數(shù)據(jù)挖掘分析功能，難以為應(yīng)急指揮人員提供準(zhǔn)確有效的輔助決策。

基于以上因素，山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)煤業(yè)公司與華北科技學(xué)院合作開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)。在事故、災(zāi)害發(fā)生時(shí)，利用大數(shù)據(jù)綜合分析各類信息，結(jié)合災(zāi)害演化規(guī)律及反演分析、災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)模型、危險(xiǎn)性辨識(shí)模型、逃生疏散模型和遇難遇險(xiǎn)人員分布等信息動(dòng)態(tài)生成救援行動(dòng)方案，并為決策提供輔助決策系統(tǒng)，從而大大縮短應(yīng)急救援準(zhǔn)備時(shí)間，提高應(yīng)急救援效率，提升應(yīng)急救援輔助決策能力，對(duì)于陽(yáng)泰集團(tuán)煤業(yè)公司的救援工作有著重要的實(shí)踐意義。

2 大數(shù)據(jù)的概念及特點(diǎn)分析

大數(shù)據(jù)不僅是指數(shù)據(jù)體量非常大（一般10TB規(guī)模）、類別非常多（半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化）的數(shù)據(jù)集，還包括采集數(shù)據(jù)的工具、平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量巨大、類型多樣化、時(shí)效性高和真實(shí)性低的特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)工具難以對(duì)其進(jìn)行抓取、分析和處理。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是指從巨量數(shù)據(jù)中快速挖掘提取出有價(jià)值信息的技術(shù)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集與存取、基礎(chǔ)架構(gòu)、數(shù)部處理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘等，主要分為以下四部分。

（1）數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。主要是對(duì)巨量外界結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗等。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。是指將采集的巨量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)系，便于后期數(shù)據(jù)分析的調(diào)取。

（3）數(shù)據(jù)分析與挖掘。是指利用多種算法對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，提取出有益的信息。

（4）數(shù)據(jù)展現(xiàn)與應(yīng)用。是指將數(shù)據(jù)分析和挖掘結(jié)果進(jìn)行展示，以供應(yīng)用。大數(shù)據(jù)分析與挖掘是大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心，其分析方法直接決定最終信息是否有價(jià)值，可以分為5個(gè)方面：數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理、語(yǔ)意引擎、可視化分析、數(shù)據(jù)挖握算法以及預(yù)測(cè)性分析能力。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建

目前應(yīng)急救援響應(yīng)前期無(wú)法有效快速整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，不能有效分析當(dāng)前救援準(zhǔn)備情況，無(wú)法準(zhǔn)確將應(yīng)急預(yù)案的參數(shù)調(diào)優(yōu)為合理的救援方案。為了進(jìn)一步完善該礦應(yīng)急救援決策體系，對(duì)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)建研究。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策的關(guān)鍵技術(shù)（圖1）包含以下四個(gè)方面：

（1）救援大數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究。研究礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、災(zāi)區(qū)偵測(cè)數(shù)據(jù)、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)等多方、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，對(duì)多源、多空間和交互動(dòng)態(tài)性的大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)多方數(shù)據(jù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的去偽存真，最終達(dá)到對(duì)真實(shí)信息的提取和分類存儲(chǔ)的目的，建立煤礦應(yīng)急救援大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的礦山應(yīng)急救援輔助決策的關(guān)鍵技術(shù)

（2）救援大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)研究。用聚類算法對(duì)多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析和降維處理，建立數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)則；構(gòu)建相關(guān)數(shù)據(jù)的快速、深度挖掘機(jī)制和理論方法，建立基于D-S證據(jù)融合理論的異源信息融合方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息特征的快速深度分析、挖掘和整合，為救援指揮和決策提供數(shù)據(jù)分析支持。

（3）煤礦災(zāi)害救援輔助決策技術(shù)。結(jié)合災(zāi)害演變模型、災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)模型、危險(xiǎn)性辨識(shí)模型、逃生疏散模型和遇難遇險(xiǎn)人員分布，完成災(zāi)情分析、逃生分析、處置分析，為救援指揮和決策提供理論分析支持。

（4）開發(fā)煤礦重大災(zāi)害救援輔助決策系統(tǒng)。在煤礦災(zāi)害救援大數(shù)據(jù)采集、分析和挖掘的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦災(zāi)害理論分析技術(shù)，開發(fā)煤礦重大災(zāi)害救援輔助決策系統(tǒng)。

3.2 模塊設(shè)置

總體而言，基于大數(shù)據(jù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)應(yīng)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心手段，借助大數(shù)據(jù)特點(diǎn)構(gòu)建三大核心技術(shù)模塊（圖2）。

（1）危險(xiǎn)性智能辨識(shí)與災(zāi)情評(píng)估模塊。結(jié)合災(zāi)害演變模型、災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)模型、危險(xiǎn)性辨識(shí)模型、逃生疏散模型和遇難遇險(xiǎn)人員分布，完成災(zāi)情分析、逃生分析、處置分析，為救援指揮和決策提供理論支持。

圖2 輔助決策系統(tǒng)體系架構(gòu)

（2）仿真推演與應(yīng)急預(yù)案生成模塊。通過建立完備的應(yīng)急知識(shí)、應(yīng)急案例數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)急專家?guī)?，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)知識(shí)，采用數(shù)字化預(yù)案技術(shù)，構(gòu)建智能化煤礦應(yīng)急救援預(yù)案編制系統(tǒng)。

（3）基于大數(shù)據(jù)的應(yīng)急救援輔助決策模塊。構(gòu)建包括應(yīng)急組織體系、應(yīng)急工作流程、應(yīng)急資源調(diào)配，應(yīng)急處置方法等相關(guān)內(nèi)容的智能化應(yīng)急救援管理信息系統(tǒng)，并建立涵蓋信息集成、分析、處理、評(píng)估的綜合應(yīng)急平臺(tái)。預(yù)案啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)急平臺(tái)和應(yīng)急系統(tǒng)將自動(dòng)通知預(yù)案中規(guī)定的相關(guān)人員與部門，自動(dòng)按照規(guī)定將相關(guān)信息，如組織體系、處置流程、資源調(diào)配、周邊環(huán)境、事件發(fā)展等情況直觀地顯示出來(lái)。

利用計(jì)算機(jī)、GFS技術(shù)、GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代化定位跟蹤技術(shù)，綜合展現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)周圍的資源和環(huán)境信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，讓決策人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有全方位的了解，以便對(duì)下一步的救援行動(dòng)做出科學(xué)研判。運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，創(chuàng)新應(yīng)急救援輔助決策，提高應(yīng)急效率效果，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援管理信息系統(tǒng)的智能化和實(shí)時(shí)化。

4 結(jié)論

（1）礦山災(zāi)害具有“未知、突發(fā)、混亂”的特點(diǎn)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)具有“全計(jì)算、高效率、重相關(guān)”的特性，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援領(lǐng)域，對(duì)指揮決策起到了降低風(fēng)險(xiǎn)、爭(zhēng)取時(shí)間、抓住關(guān)鍵的作用。

（2）基于大數(shù)據(jù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的建立，有效地提高了山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)煤礦應(yīng)急救援技術(shù)水平，能夠顯著提高災(zāi)害預(yù)測(cè)和控制能力，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并能降低煤礦災(zāi)害的社會(huì)影響。此外，該項(xiàng)技術(shù)還可以推廣到石化、公共衛(wèi)生、化工等領(lǐng)域，提高應(yīng)急救援的整體水平。