基于投影尋蹤模型的煤礦掘進(jìn)工作面環(huán)境評價(jià)*

胡媛媛， 李樂樂

(1. 運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué) 礦山工程系， 山西 運(yùn)城 044000；2. 國家電網(wǎng) 新絳縣供電公司， 山西 新絳 043100)

0 引言

隨著煤炭開采機(jī)械化程度大幅提高，高效開采設(shè)備的應(yīng)用使掘進(jìn)工作面開采速度不斷加快，粉塵和有害氣體濃度超標(biāo)、高溫高濕等問題日益嚴(yán)重，因此，掘進(jìn)工作面環(huán)境安全評價(jià)對保障作業(yè)人員生命安全具有重要意義。我國多數(shù)煤礦已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)對采煤工作面環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，相關(guān)學(xué)者也對工作面污染物分布和過程環(huán)境安全等級評價(jià)方法進(jìn)行了大量研究。如龔曉燕[1-6]等利用動網(wǎng)格技術(shù)從粉塵、噪聲、有害氣體、熱環(huán)境等不同方面采用數(shù)值模擬法分析掘進(jìn)工作面三維空間內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的分布規(guī)律；邢媛媛[6-11]等采用可變模糊識別理論、灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)模型以及多維信息融合等多種方法對工作面環(huán)境狀況進(jìn)行分級探索。上述研究在理論方面對煤礦工作面環(huán)境安全狀況分析評價(jià)及改善提供了基礎(chǔ)，但評價(jià)過程沒有考慮各級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，指標(biāo)權(quán)重的確定由專家主觀給定因素，結(jié)論常為固定的、靜態(tài)的，因此評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性不高[12]。對此本課題提出了利用基于遺傳算法的投影尋蹤模型評價(jià)掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境安全狀況。首先根據(jù)被測點(diǎn)環(huán)境實(shí)際狀況構(gòu)建環(huán)境污染評價(jià)指標(biāo)體系，投影尋蹤法建模，采用安全等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值求解最優(yōu)投影方向確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重；然后對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，計(jì)算采樣點(diǎn)投影值到各級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)投影值間的距離，確定環(huán)境安全等級及發(fā)展趨勢。評價(jià)結(jié)果反映了評價(jià)因素多維、多指標(biāo)間的相互作用的結(jié)果和被評價(jià)環(huán)境安全等級的變化趨勢，為制定掘進(jìn)工作面環(huán)境改進(jìn)措施提供了參考依據(jù)，改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境。

1 煤礦掘進(jìn)工作面環(huán)境特性

掘進(jìn)工作面影響作業(yè)人員職業(yè)健康安全的環(huán)境因素主要包括粉塵、噪聲、有害氣體、熱環(huán)境、作業(yè)條件。其中有害氣體、熱環(huán)境、作業(yè)條件等均包含多個(gè)評價(jià)參數(shù)，因此對掘進(jìn)工作面的環(huán)境安全等級進(jìn)行評價(jià)需確定多層次影響因子的權(quán)重，是一個(gè)具有多維度復(fù)合指標(biāo)體系的復(fù)雜系統(tǒng)。掘進(jìn)面巷道一般采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒吊掛在巷道一側(cè)頂幫，風(fēng)機(jī)啟動后將風(fēng)流沿巷道壁吹向工作面最前端，經(jīng)煤壁反射改變風(fēng)向，含塵風(fēng)流沿巷道另一側(cè)流出，路線近似呈“U”型。根據(jù)風(fēng)流路線可將掘進(jìn)工作面分為射流區(qū)T1、沖擊區(qū)T2、回流區(qū)T3和渦流區(qū)T4四個(gè)特征區(qū)域。綜合考慮工作面風(fēng)流路線、機(jī)械設(shè)備及工作人員位置分布情況，分別在上述四個(gè)區(qū)域進(jìn)行評價(jià)樣本采集。

2 投影尋蹤算法建模

為避免主觀賦值，引入投影降維思想，構(gòu)建投影尋蹤模型，搜索最優(yōu)投影方向確定各指標(biāo)的最優(yōu)權(quán)重，對多級指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行投影合成，得到一個(gè)綜合評價(jià)值。

2.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理

掘進(jìn)工作面環(huán)境評價(jià)指標(biāo)較多且各參數(shù)濃度值在數(shù)量級上有明顯不同，為了簡化計(jì)算和消除數(shù)據(jù)處理時(shí)各指標(biāo)的量綱效應(yīng)，使用歸一化方法對樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理。采樣數(shù)據(jù)歸一化處理后處于同一數(shù)量級，數(shù)值大小在[0,1]之間，簡化計(jì)算過程方便數(shù)據(jù)融合評價(jià)。設(shè)樣本集為{x*(i,j)|i=1～n,j=1～p}，其中n為待評價(jià)樣本數(shù)量，p為指標(biāo)個(gè)數(shù)[13-15]。采用下式對各指標(biāo)值預(yù)處理：

x(i,j)=[x*(i,j)-xmin(j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(1)

x(i,j)=[xmax(j)-x*(i,j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(2)

式中：xmin(j)、xmax(j)分別為樣本中第j個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值。預(yù)處理公式根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)在評價(jià)模型中對環(huán)境安全等級的作用方向進(jìn)行選擇，對于數(shù)值越大環(huán)境越好的數(shù)據(jù)采用式(1)進(jìn)行歸一化，否則用式(2)處理。對于溫度、濕度為區(qū)間性指標(biāo)，無論數(shù)值是越大還是越小都會使環(huán)境變差，則用區(qū)間上的相對位置來歸一化，即選擇環(huán)境最優(yōu)值為參考點(diǎn)，小值用式(1)歸一化，大值則用式(2)。

2.2 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)

參與掘進(jìn)工作面環(huán)境安全等級評定的指標(biāo)有p個(gè)，投影方向定義為單位相量a=[a(1)，a(2)，…，a(p)]，把樣本集x(i,j)利用公式(3)投影到a上得到一維投影值z(i)，a(j)即為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(3)

在對各指標(biāo)樣本進(jìn)行投影計(jì)算的過程中，為更好地反映樣本數(shù)據(jù)的差異特性，要求投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差Sz盡可能地取大，同時(shí)使表示z(i)局部密度的數(shù)值Dz取最大，基于這兩種約束，可將投影目標(biāo)函數(shù)f(a)構(gòu)造為：

f(a)=SzDz

(4)

(5)

(6)

式中：Ez為z(i)的平均值；R為密度窗寬；rij為兩個(gè)樣本間的距離。其中R值是由樣本間的距離來確定的，局部密度窗口中投影點(diǎn)數(shù)量適中，太少或太多都會使降低計(jì)算的精確度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)常把R定義為rmax+p/2≤R≤2p，其中rmax=max(rij)，-p≤z(i)≤p。U為單位階躍函數(shù)，當(dāng)R-rij≥0時(shí)其函數(shù)值為1，否則為0。

2.3 遺傳算法搜尋最佳投影方向a

投影目標(biāo)函數(shù)f(a)的值隨著投影方向a的變化而變化，評價(jià)指標(biāo)在a的非線性約束下取最大值時(shí)能最優(yōu)地反映多維樣本數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。因此對式(7)進(jìn)行優(yōu)化求解，可得到最優(yōu)投影方向即評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

maxf(a)=SzDz

(7)

-1.0≤a(j)≤1.0

求解樣本數(shù)據(jù)在多維空間投影方向的最優(yōu)值是非線性向量空間的優(yōu)化問題，用普通方法較難計(jì)算。利用模擬種群內(nèi)生物優(yōu)勝劣汰進(jìn)化和染色體信息交換機(jī)制的遺傳算法對非線性數(shù)據(jù)優(yōu)化問題進(jìn)行搜索尋優(yōu)，能夠簡化計(jì)算過程較快得到最優(yōu)解。

2.4 評價(jià)分析

分析掘進(jìn)工作面環(huán)境安全等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建立環(huán)境評價(jià)模型，通過上述步驟計(jì)算各指標(biāo)的最優(yōu)投影方向a，將最優(yōu)投影方向帶入到式(3)中分析掘進(jìn)工作面環(huán)境安全等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)的投影值，計(jì)算工作面采樣點(diǎn)環(huán)境指標(biāo)投影值到各級標(biāo)準(zhǔn)投影值間的距離，距離大小反映環(huán)境等級變化趨勢，距離最小的為最終監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境安全評價(jià)等級。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 樣本指標(biāo)建立

根據(jù)山西宏源煤業(yè)集團(tuán)鳳凰臺礦1236軌道順槽掘進(jìn)工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，選取環(huán)境安全一級評價(jià)指標(biāo)為粉塵、有害氣體、熱環(huán)境3個(gè)，對應(yīng)的二級指標(biāo)有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)和硫化氫(H2S)、溫度、濕度和風(fēng)速共10個(gè)構(gòu)成工作面環(huán)境安全評價(jià)的指標(biāo)體系，其中粉塵和有害氣體濃度越小越好，均取最小值為0，溫度的最優(yōu)值取中間值26 ℃，濕度的最優(yōu)值取中間值55%，風(fēng)速的最優(yōu)值取中間值1.5 m/s。待評價(jià)樣本參照工作面風(fēng)流特性分別在T1、T2、T3和T4特征區(qū)域采集。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及現(xiàn)場環(huán)境因素分析，綜合已有研究優(yōu)點(diǎn)，將評價(jià)等級分為Ⅰ(安全，環(huán)境優(yōu))、Ⅱ(較安全，環(huán)境良)、Ⅲ(危險(xiǎn)，及時(shí)整改)、Ⅳ(較危險(xiǎn)，立即整改)和Ⅴ(重度危險(xiǎn)，停產(chǎn)整頓)。5級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的環(huán)境評價(jià)指標(biāo)濃度值如表1所示，實(shí)測待評價(jià)工作面4個(gè)位置處的樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 掘進(jìn)工作面環(huán)境評價(jià)指標(biāo)安全等級分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 待評價(jià)樣本指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)

3.2 模型求解

把表1中安全等級分級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)代入投影指標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法的matlab程序代碼計(jì)算最佳投影方向，確定10個(gè)評價(jià)指標(biāo)的相對重要程度，即權(quán)重a=(0.275 5，0.216 1，0.261 5，0.206 6，0.209 8，0.237 3，0.405 0，0.322 5，0.327 1，0.539 4)。將單位投影方向a代入到式(3)得出各等級標(biāo)準(zhǔn)和采樣數(shù)據(jù)的歸一化值及投影，如表3和表4所示，進(jìn)一步求解樣本點(diǎn)環(huán)境實(shí)測數(shù)據(jù)投影值與標(biāo)準(zhǔn)等級投影值的差值，分析評價(jià)等級如表5所示。

表3 掘進(jìn)工作面環(huán)境評價(jià)指標(biāo)安全等級分級標(biāo)準(zhǔn)歸一化值及投影

表5 采樣數(shù)據(jù)與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)投影值的差值及評價(jià)結(jié)果

3.3 評價(jià)結(jié)果分析

表3列出工作面環(huán)境5個(gè)等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對應(yīng)投影值，數(shù)值反映了環(huán)境安全等級越高投影值越大。表4中4個(gè)待測點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)的投影值為Z(1)>Z(2)>Z(3)>Z(4)，表明待測點(diǎn)1處環(huán)境最好，區(qū)域2處相對較好、3處相對差、4處環(huán)境最差，與實(shí)際情況一致。分析表5可以看出樣本1、2的投影值到等級Ⅰ的距離最短，距離數(shù)值為負(fù)，表明該監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)投影值大小在Ⅰ級和Ⅱ級之間，因此評定為Ⅰ級偏Ⅱ級。樣本3的投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)距離稍近，距離數(shù)值為負(fù)，所以該監(jiān)測點(diǎn)作業(yè)環(huán)境目前等級評定為Ⅱ級偏Ⅲ級。樣本4指標(biāo)數(shù)據(jù)投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅲ級接近，距離數(shù)值為正，表明環(huán)境暫時(shí)評定為Ⅲ級偏Ⅱ級，需要及時(shí)改進(jìn)通風(fēng)除濕抽瓦斯等措施，否則將威脅作業(yè)人員的生命安全。

4 結(jié)論

1) 對掘進(jìn)工作面環(huán)境等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和4個(gè)區(qū)域樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行投影降維評價(jià)分析，環(huán)境安全等級與實(shí)際危險(xiǎn)物質(zhì)分布情況一致，說明將投影尋蹤模型用于掘進(jìn)工作面進(jìn)行環(huán)境安全等級評價(jià)是可行的。

2) 通過構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)確定樣本數(shù)據(jù)的指標(biāo)權(quán)重和投影值，分別計(jì)算與各環(huán)境等級投影值的最小差值，能夠直觀有效地反映被測樣本點(diǎn)的環(huán)境情況及發(fā)展趨勢。

3) 粉塵、溫度、風(fēng)速和濕度是影響被測掘進(jìn)工作面環(huán)境安全等級的主要因素，結(jié)合樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)際分析可以得出利用投影尋蹤模型對掘進(jìn)工作面環(huán)境等級評價(jià)的準(zhǔn)確率較高，可為作業(yè)環(huán)境治理提供更為可靠的決策信息。