基于專(zhuān)家決策支持的煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧瑞翔，蘇賀濤，康 寧，石景冬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

煤自燃火災(zāi)是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中的重大災(zāi)害之一,會(huì)造成礦井設(shè)備和煤炭資源的巨大破壞和損失，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全,阻礙了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。在煤礦火災(zāi)防治技術(shù)的創(chuàng)新與機(jī)理研究方面，SHI等[2]在煤孔隙介質(zhì)中注入氮?dú)?，通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體溫度和氧氣含量，分析了液氮在煤礦生產(chǎn)中的防火機(jī)理；許紅英等[3]通過(guò)原位紅外光譜技術(shù)和指標(biāo)氣體測(cè)試方法，研究了阻化劑花青素抑制煤自燃的微觀(guān)機(jī)理；秦波濤等[4]對(duì)便于管道輸送和現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用的稠化劑懸砂的防滅火機(jī)理進(jìn)行研究和應(yīng)用；王德明[5]應(yīng)用粉煤灰或黃泥、水和氮?dú)饨M合形成的三相泡沫材料防治煤炭自燃，效果顯著。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)主要的煤礦火災(zāi)防治技術(shù)兼有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[6-8]，具體如表1所示。

表1 我國(guó)煤礦火災(zāi)防治技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

在煤礦事故應(yīng)急決策研究方面，王福生等[9]基于多指標(biāo)加權(quán)灰靶決策理論，提出了煤自燃程度多指標(biāo)融合判定方法；劉豐軍[10]提出了基于大數(shù)據(jù)的煤礦應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)，可為礦山救援指揮和調(diào)度提供決策依據(jù)；王學(xué)琛等[11]從移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)急救援決策系統(tǒng)出發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，可為管理層進(jìn)行管理決策和應(yīng)急救援決策提供依據(jù)。王娟等[12]提出了一種基于后悔理論和猶豫模糊集的煤礦事故應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)決策方法。當(dāng)前，專(zhuān)家決策支持系統(tǒng)(EDSS)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電力、商業(yè)等領(lǐng)域。EDSS是決策支持系統(tǒng)(DSS)和專(zhuān)家系統(tǒng)(ES)的集成系統(tǒng)，既發(fā)揮了專(zhuān)家系統(tǒng)以知識(shí)推理形式解決定性分析問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，又兼具決策支持系統(tǒng)依靠大量數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行定量分析輔助決策的特點(diǎn)，通過(guò)定性和定量的有機(jī)結(jié)合，提高了系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力，擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。專(zhuān)家決策支持系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中DSS是基于數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，支持半結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化決策活動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，可為決策者提供決策所需要的數(shù)據(jù)、信息和各種備選方案。

圖1 專(zhuān)家決策支持系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際工作中，決策者常常要在多方面利益沖突、信息不完備、資源有限及對(duì)復(fù)雜環(huán)境的分析能力不足的情況下做出決策，此時(shí)既需要大量的模型算法與分析，又需要一定的該領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)。因此，筆者將專(zhuān)家決策支持系統(tǒng)引入煤自燃火災(zāi)防治，針對(duì)不同煤礦條件，面向大量專(zhuān)家決策，擇選最優(yōu)集約化決策，提出了煤自燃火災(zāi)防治決策的新思路。

1 煤自燃預(yù)測(cè)專(zhuān)家系統(tǒng)建立與知識(shí)表示方法

1.1 煤自燃事故特征分析

(1)煤自燃傾向性。 煤自燃傾向性是煤層發(fā)生自燃的基本條件,受到煤巖成分、變質(zhì)程度、含硫量、瓦斯含量、煤粒度等的影響。

(2)易發(fā)地點(diǎn)。由于煤氧化表面積隨其破碎程度的增大而增大，且受壓會(huì)引起分子結(jié)構(gòu)的變化，所含游離基增加，自燃的可能性也相應(yīng)提高。因此，煤自燃經(jīng)常發(fā)生在有大量遺煤而未及時(shí)封閉或封閉不嚴(yán)的采空區(qū)(特別是采空區(qū)內(nèi)的聯(lián)絡(luò)巷附近及采空區(qū)處)、巷道兩側(cè)和遺留在采空區(qū)內(nèi)受壓破壞的煤柱、巷道內(nèi)堆積的浮煤或煤巷的冒頂跨幫處、與地面老窯通聯(lián)處。

(3)煤層地質(zhì)賦存條件。煤自燃火災(zāi)易發(fā)生于厚煤層、傾斜煤層、復(fù)雜構(gòu)造煤層、頂板堅(jiān)硬煤層等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的煤自燃火災(zāi)發(fā)生在厚煤層[13]，原因在于厚煤層開(kāi)采導(dǎo)致大量浮煤和殘柱遺留，采區(qū)回采時(shí)間長(zhǎng)，超出煤層的自然發(fā)火期，且煤層易受壓破裂而發(fā)生自燃，如鶴崗礦區(qū)86%的自燃火災(zāi)發(fā)生在5 m以上的厚煤層中[14]。急傾斜煤層易發(fā)生煤自燃則主要是因?yàn)椴擅悍椒ú徽?guī)，丟煤多，采后難以封閉，如俄羅斯庫(kù)茲涅茨礦區(qū)75%的自燃火災(zāi)發(fā)生在45°～90°傾角的煤層中。在斷層、褶曲發(fā)育地帶、巖漿入侵地帶等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地域，煤自燃頻繁，這是由于煤層受張力、擠壓作用，裂隙多，煤體破碎，煤層構(gòu)造復(fù)雜，進(jìn)而吸氧條件好所造成。煤層頂板堅(jiān)硬，煤柱最易受壓破碎，堅(jiān)硬頂板的采空區(qū)難以冒落充填密實(shí)，冒落后還會(huì)形成與相鄰近采區(qū)甚至是地面聯(lián)通的裂隙，漏風(fēng)難以解決，為煤自燃提供了條件。

(4)開(kāi)拓開(kāi)采條件。如切眼頂煤破碎極易發(fā)生自燃，可通過(guò)用石門(mén)、巖巷開(kāi)拓，少切割煤層，少留煤柱，以有效降低自燃的可能性[15]。

(5)通風(fēng)條件(漏風(fēng)情況)。氧氣充足是煤自燃的必要條件，通風(fēng)條件的改變會(huì)導(dǎo)致氧氣含量變化進(jìn)而引起自燃。漏風(fēng)大小的影響因素包括礦井/采區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)、采區(qū)和工作面的推進(jìn)方向、開(kāi)采和控頂方法等。在冒頂區(qū)，巷道變形、煤體破碎、噴漿質(zhì)量差，漏風(fēng)嚴(yán)重，極易發(fā)生煤體自燃。

1.2 子系統(tǒng)知識(shí)獲取與知識(shí)表示

將煤自燃的特征歸納為若干信息參量，通過(guò)各參量的知識(shí)推理評(píng)估煤炭狀況和自燃發(fā)火事故情況，進(jìn)而做出決策。礦井通過(guò)綜合監(jiān)測(cè)得到礦井氣候與指標(biāo)性氣體信息，同時(shí)依據(jù)地質(zhì)賦存條件、開(kāi)拓開(kāi)采條件、通風(fēng)條件等信息計(jì)算煤自燃的可能性，進(jìn)而實(shí)施防控。經(jīng)過(guò)分析概括，用5個(gè)參量來(lái)描述煤自燃防控信息，具體如表2所示。

1.3 專(zhuān)家系統(tǒng)確立

根據(jù)各參量的知識(shí)表示，由產(chǎn)生式系統(tǒng)表示法建立規(guī)則表達(dá)式：{E,F,G,H,I}→{J}。其中，J為各參量取值下專(zhuān)家系統(tǒng)選用的防滅火決策；{J}為專(zhuān)家系統(tǒng)提供的防滅火決策范圍。當(dāng)各參量取值滿(mǎn)足規(guī)則庫(kù)某條規(guī)則時(shí)，即產(chǎn)生式成立，表明專(zhuān)家系統(tǒng)確定當(dāng)前存在自燃危險(xiǎn)性，并將選定若干防滅火決策。

規(guī)則庫(kù)中需建立元規(guī)則，元規(guī)則以大量防滅火成功案例為基礎(chǔ)，結(jié)合框架系統(tǒng)，建立若干個(gè)框架或子規(guī)則庫(kù)，每個(gè)框架包含若干個(gè)相似類(lèi)型的規(guī)則, 便于規(guī)則的管理和維護(hù)。

1.3.1 參量匹配

參量匹配依托于規(guī)則庫(kù)中對(duì)應(yīng)參量的相似度：

表2 信息參量及知識(shí)表示

(1)

式中：X為參量取值；X′為規(guī)則庫(kù)中對(duì)應(yīng)參量的取值。

對(duì)于定性參量E、I，可直接由式(1)計(jì)算參量匹配相似度；對(duì)于劃分了若干子參量的定性參量G、H， 則先由式(1)計(jì)算得到子參量的匹配相似度Sim(Xi,X′i) ，再計(jì)算所有子參量匹配相似度的均值，即為該參量的匹配相似度。由于條件限制或人為因素的影響，系統(tǒng)獲取知識(shí)不全面，需要匹配的參量中可能無(wú)法涵蓋所有子參量的取值情況，系統(tǒng)設(shè)定在忽略子參量未獲取值的情況下，計(jì)算參量的匹配相似度，如式(2)所示。

(2)

其中，m≤參量X的子參量數(shù)。

對(duì)于參量F，其子參量Fij為定量參量，在參量F的匹配過(guò)程中，先利用式(1)進(jìn)行匹配，當(dāng)Fi的匹配相似度為1時(shí)，再匹配Fij。則參量F與規(guī)則庫(kù)對(duì)應(yīng)參量F′的相似度為：

(3)

其中,n≤Fi的子參量數(shù)。

1.3.2 知識(shí)推理

由于各參量的性質(zhì)不同，在專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)推理中，當(dāng)各定性參量E、G、H、I與規(guī)則庫(kù)中的相應(yīng)參量的匹配相似度為1時(shí)，再進(jìn)行參量F的匹配，若其相似度達(dá)到0.8以上，則待測(cè)知識(shí)滿(mǎn)足該條產(chǎn)生式規(guī)則，有自然發(fā)火危險(xiǎn)，產(chǎn)生防滅火決策。匹配原則表達(dá)式為：

f=Sim(E,E′)·Sim(G,G′)·Sim(H,H′)·

Sim(I,I′)·Sim(F,F′)≥0.8

(4)

專(zhuān)家系統(tǒng)經(jīng)過(guò)知識(shí)推理提供了與待決策現(xiàn)場(chǎng)相似的成功防滅火案例的決策群，這些決策在現(xiàn)場(chǎng)防滅火應(yīng)用中具有一定的可參考性，同時(shí)為決策支持系統(tǒng)奠定了決策群基礎(chǔ)，成為決策支持的有力依據(jù)。

2 火災(zāi)防控系統(tǒng)的建立

2.1 基于TOPSIS方法的決策排序

TOPSIS方法常用于綜合分析評(píng)價(jià)含有多個(gè)指標(biāo)的單個(gè)對(duì)象，其核心思想是通過(guò)構(gòu)造N維空間對(duì)應(yīng)N個(gè)指標(biāo)，使待評(píng)價(jià)對(duì)象依照各項(xiàng)指標(biāo)值確定唯一的坐標(biāo)點(diǎn)。設(shè)有m個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)提供的煤自燃火災(zāi)防控決策，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以Xij表示第i個(gè)決策的第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n，則煤自燃火災(zāi)防控決策的指標(biāo)評(píng)價(jià)值矩陣為：

(5)

由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，為了便于比較，對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)值進(jìn)行歸一化處理。

(6)

采用信息熵的方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，一定程度上避免了主觀(guān)因素的影響。則各指標(biāo)的權(quán)重wj為：

(7)

在確定各指標(biāo)的權(quán)重wj后，可計(jì)算防滅火決策的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值矩陣為：

(8)

而最理想和最不理想的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值集合分別為：

(minvij|j∈J2),i=1,2，…,m}

(9)

(maxvij|j∈J2),i=1,2，…,m}

(10)

式中：J1為效益型指標(biāo)的集合；J2為成本型指標(biāo)的集合。

防滅火決策的評(píng)價(jià)值與最理想評(píng)價(jià)值和最不理想評(píng)價(jià)值之間的距離分別為：

(11)

(12)

各專(zhuān)家系統(tǒng)輸出煤自燃火災(zāi)防控決策的TOPSIS評(píng)價(jià)值的計(jì)算式如式(13)所示。TOPSIS評(píng)價(jià)值越大，代表評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)，根據(jù)TOPSIS評(píng)價(jià)值大小可以對(duì)決策進(jìn)行排序選優(yōu)。

(13)

2.2 實(shí)例分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有防滅火技術(shù)的分析，總結(jié)出影響決策排序的7個(gè)指標(biāo)：堵漏、降溫、惰化、水平擴(kuò)散、垂直擴(kuò)散、環(huán)境影響和成本。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及礦上需求，對(duì)部分指標(biāo)的表現(xiàn)效果有時(shí)不作要求，決策各指標(biāo)所要達(dá)到的效果由用戶(hù)根據(jù)需要自適應(yīng)確定。以某礦井為例進(jìn)行分析，該礦井現(xiàn)場(chǎng)存在漏風(fēng)、區(qū)域溫度高、需要考慮環(huán)境影響和成本，綜合評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮各防滅火技術(shù)在堵漏、降溫、惰化、環(huán)境影響和成本5個(gè)指標(biāo)的效果，不需要考慮水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散的表現(xiàn)效果。將防滅火技術(shù)在單個(gè)指標(biāo)上的表現(xiàn)情況分為5個(gè)等級(jí)(1為差；2為較差；3為一般；4為較好；5為好)，得到該礦井現(xiàn)有防滅火技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的指標(biāo)等級(jí)表，如表3所示。

表3 現(xiàn)有防滅火技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的指標(biāo)等級(jí)表

由表3可得煤自燃火災(zāi)防控決策的指標(biāo)評(píng)價(jià)值矩陣為：

(14)

通過(guò)歸一化處理后，確定各指標(biāo)權(quán)重為w=(0.392 4,0.403 8,0.418 5,0.387 5,0.406 6)。再由式(8)計(jì)算防滅火決策的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值矩陣為：

(15)

最理想和最不理想的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值集合分別為：A+={0.115 4,0.106 3,0.087 2,0.107 6,0.088 4}，A-={0.023 1,0.021 3,0.017 4,0.021 5,0.017 7}。進(jìn)而計(jì)算得到煤自燃火災(zāi)防控決策的TOPSIS評(píng)價(jià)值為：B=(0.397 6,0.477 5,0.330 9,0.499 9,0.510 0,0.574 2,0.510 1)，則煤自燃火災(zāi)防控決策排序結(jié)果為：S6>S7>S5>S4>S2>S1>S3。因此，該礦井應(yīng)優(yōu)選三相泡沫技術(shù)，堵漏、降溫、惰化效果好，雖然成本較高，但是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)、高溫等情況較為適合。惰性氣體、灌漿、注水和阻化劑防滅火技術(shù)無(wú)法達(dá)到堵漏的效果，不宜采用。

3 煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)由專(zhuān)家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)組成，具備信息管理功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。①專(zhuān)家系統(tǒng)。輸入現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)賦存條件、礦井開(kāi)采條件、礦井環(huán)境等方面對(duì)應(yīng)參量值，系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)推理，將參量值與專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)內(nèi)對(duì)應(yīng)參量值逐個(gè)匹配，推理煤層自燃發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，并產(chǎn)生自燃火災(zāi)防控決策群。②決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)對(duì)自燃火災(zāi)決策群進(jìn)行優(yōu)劣排序，通過(guò)TOPSIS綜合評(píng)價(jià)，系統(tǒng)優(yōu)選并輸出評(píng)價(jià)值較高的決策。③信息管理。系統(tǒng)設(shè)置參量信息管理、指標(biāo)信息管理和防滅火技術(shù)管理3個(gè)模塊?？紤]到煤自燃火災(zāi)因素、決策評(píng)價(jià)指標(biāo)、防滅火技術(shù)或決策具有多樣性，并且持續(xù)更新，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行編輯完善。

圖2 煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)

該軟件的主要特點(diǎn)與功能：①具有友好的人機(jī)交互界面，知識(shí)的獲取由易于操作的窗口人工輸入。②能夠通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)的管理和運(yùn)用，完成專(zhuān)家系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作，利用專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)和防控；③對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)選擇的煤自燃火災(zāi)防控決策群進(jìn)行優(yōu)劣排序，提供適合現(xiàn)場(chǎng)情況的決策支持。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)存儲(chǔ)了有記錄的火災(zāi)事故案例及成功解決辦法，組成火災(zāi)防控知識(shí)庫(kù)，在煤層開(kāi)采進(jìn)程中，一方面為專(zhuān)家預(yù)測(cè)未知的火災(zāi)事故提供基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面為將要發(fā)生的火災(zāi)事故提供防控策略，全面預(yù)防和控制煤自燃的發(fā)生和擴(kuò)大。以河南義馬礦區(qū)千秋煤礦為例，煤層自然發(fā)火期一般為15～30天，最短為7天，屬容易自燃煤層。2008年9月21日4時(shí)，21102工作面下巷閉墻及附近巷道風(fēng)流中出現(xiàn)煤油味，閉墻內(nèi)CO濃度逐漸增大，最大達(dá)到0.3%。由于21102工作面下巷閉墻處老巷多，巷道立體交錯(cuò)，受采動(dòng)影響，巷道煤體破碎，老巷內(nèi)存在漏風(fēng)通道，煤體氧化升溫自然發(fā)火。通過(guò)采取注漿，噴漿，充填凝膠、粉煤灰和黃土等措施，成功滅火。將千秋煤礦21102工作面狀況參量輸入，專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)自燃風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并產(chǎn)生自燃火災(zāi)防控決策群。在對(duì)自然發(fā)火區(qū)進(jìn)行密閉的基礎(chǔ)上，要求防滅火技術(shù)能夠起到堵漏、降溫、惰化、三維擴(kuò)散、環(huán)保的效果，且成本合適，最終系統(tǒng)優(yōu)劣排序結(jié)果為：液氮技術(shù)>三相泡沫技術(shù)>凝膠技術(shù)>惰性氣體>注水技術(shù)>阻化劑技術(shù)>灌漿技術(shù)，決策結(jié)果優(yōu)化了礦區(qū)防滅火技術(shù)體系。系統(tǒng)界面示例如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面示例

應(yīng)用結(jié)果表明，基于專(zhuān)家決策支持的煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)可以按照發(fā)火地點(diǎn)的實(shí)際狀況，有效利用火災(zāi)知識(shí)庫(kù)內(nèi)的信息儲(chǔ)備，通過(guò)TOPSIS評(píng)價(jià)方法對(duì)防滅火技術(shù)進(jìn)行優(yōu)劣排序，提高決策者的信息查詢(xún)和使用效率，使決策有效集約化。

4 結(jié)論

(1)將專(zhuān)家系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)進(jìn)行整合，將引起煤自然發(fā)火的相關(guān)條件作為信息參量，通過(guò)參量匹配和知識(shí)推理，初步得出若干防控決策，根據(jù)TOPSIS方法評(píng)價(jià)值優(yōu)劣對(duì)不同火災(zāi)防控決策進(jìn)行排序，從而獲得最優(yōu)煤自燃火災(zāi)防控決策。結(jié)果表明，基于專(zhuān)家決策的煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤自燃火災(zāi)防控決策的集約化。

(2)該研究延伸了專(zhuān)家決策支持在煤火災(zāi)防治領(lǐng)域的應(yīng)用；通過(guò)對(duì)不同決策排序獲取最優(yōu)決策，避免了決策的盲目性，使決策有效集約化。

(3)設(shè)計(jì)了面向用戶(hù)的評(píng)測(cè)軟件，使安全監(jiān)督部門(mén)和廠(chǎng)礦能夠?qū)ΦV井的自燃風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀(guān)有效的評(píng)測(cè)和管理，并依據(jù)軟件的反饋信息采取有效集約化的防范措施，對(duì)煤自燃火災(zāi)防治決策具有指導(dǎo)意義。