基于Agent的煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用仿真研究

李永峰，張明慧

（1.中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)急管理學(xué)院 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 江蘇 徐州 221116）

1 引言

通過具有智能化識別、定位、跟蹤等特點的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)煤礦危險源的實時、準(zhǔn)確感知與監(jiān)測，能夠極大地提高煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管的能力，提升煤礦的自動化、機械化、智能化水平，促進(jìn)煤礦的安全生產(chǎn)。因此，一些大型煤礦逐步開始引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但由于物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管中的應(yīng)用和推廣剛剛起步，在學(xué)術(shù)研究方面，對此的研究還嚴(yán)重不足。一方面，國外學(xué)者對物聯(lián)網(wǎng)的研究主要集中于物聯(lián)網(wǎng)的概念框架及其關(guān)鍵技術(shù)等方面[1-4]，鮮有對其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究。國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面，袁亮院士等[5]研究了礦山物聯(lián)網(wǎng)人-機-環(huán)狀態(tài)感知關(guān)鍵技術(shù)。錢建生等[6]從企業(yè)的角度研究構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有礦井安全生產(chǎn)實時監(jiān)測、人員跟蹤定位、礦井災(zāi)害預(yù)警、搶險救災(zāi)、信息管理等功能。胡青松等[7]針對煤礦生產(chǎn)環(huán)境負(fù)責(zé)，研究了礦井動目標(biāo)精準(zhǔn)定位算法和技術(shù)，指出了基于礦山物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的定位發(fā)展趨勢。孫繼平[8]基于我國煤炭開采井工開采率高、賦存條件差、信息化程度低等煤礦生產(chǎn)實際狀況提出了煤礦物聯(lián)網(wǎng)的特點和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。已有的相關(guān)研究主要集中于技術(shù)層面，缺乏對其在工業(yè)領(lǐng)域特別是煤礦生產(chǎn)方面的推廣應(yīng)用的研究。

基于Agent的建模與仿真是研究復(fù)雜系統(tǒng)問題的有效方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費者行為選擇、交通、軍事、能源等研究領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)作為一門較新的技術(shù)，其在我國煤礦的應(yīng)用和推廣缺乏大樣本進(jìn)行實證研究，因此，本文擬采取基于Agent 的仿真建模技術(shù)，對于物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管中的應(yīng)用進(jìn)行模擬仿真，較好地彌補已有研究的不足。一方面，研究物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對煤礦安全生產(chǎn)的影響；另一方面，將物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本、煤礦企業(yè)意識、煤礦生產(chǎn)規(guī)模、物聯(lián)網(wǎng)的普及等多方面因素作為模型的變量，研究影響物聯(lián)網(wǎng)在煤礦生產(chǎn)中推廣與普及的關(guān)鍵因素，并基于此提出政策建議。

2 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣模型

2.1 模型設(shè)定

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于提升煤礦的安全生產(chǎn)水平和煤礦安監(jiān)部門的安全監(jiān)管能力都是大有裨益的，但煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)又會受到物聯(lián)網(wǎng)的成本、煤礦企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識及新技術(shù)偏好、其他煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)、不嚴(yán)格執(zhí)行會引發(fā)安全事故的概率、監(jiān)管部門有效監(jiān)管的概率等多種因素的影響。因此，在煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用的Agent 模型中，煤礦和安監(jiān)部門可以看作兩大類主體（Agent）。他們的狀況、他們的行為及行為結(jié)果構(gòu)成了整個環(huán)境，Agent 具有智能，能夠感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境做出決策。

模型由煤礦是否使用物聯(lián)網(wǎng)決策子塊、煤礦是否嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程行為選擇子塊（簡稱行為選擇子塊）、政府監(jiān)管子塊、(煤礦)行為結(jié)果子塊四個子塊組成。模型的流程圖如圖1。

圖1 基于Agent的煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣流程圖

2.1.1 煤礦Agent的特征與行為

（1）煤礦Agent的基本信息

煤礦Agent的基本信息包括煤礦Agent的數(shù)量N、規(guī)模、各種規(guī)模煤礦占比（p-iot-l，p-iot-m，p-iot-s）、噸煤成本perc、物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本（installcost）、煤礦安全運營成本。

表1 煤礦Agent的基本信息

煤礦的安全運營成本受煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、是否嚴(yán)格執(zhí)行兩類安全規(guī)程的影響。煤礦為了追求當(dāng)期利益最大化，有不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程的傾向。調(diào)查表明煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程的成本為嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程成本的80%，各種條件下煤礦的噸煤安全運營成本占噸煤成本的比例如表2所示。

表2 煤礦安全運營成本占噸煤成本的比例

（2）煤礦Agent的狀態(tài)信息

在煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣的Agent 模型中，煤礦Agent 具有是否采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IOT?）、是否嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程（SAFE-A?和SAFE-B？）、是否發(fā)生事故（ACCIDENT-A?和ACCIDENT-B?）、是否被有效監(jiān)管（EFF-REG?）五類狀態(tài)信息。

初始狀態(tài)下，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程A 的概率為p-unsafe-a，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程B的概率為punsafe-b。

2.1.2 煤礦Agent：物聯(lián)網(wǎng)決策子塊

未采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦決定其是否采用物聯(lián)網(wǎng)，取決于三個方面：第一，物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本。第二，煤礦領(lǐng)導(dǎo)對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識和先進(jìn)工具偏好。第三，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用后給煤礦帶來的預(yù)期收益和預(yù)期成本的比較，其中預(yù)期收益包括嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程成本的減少和事故期望損失的減少。預(yù)期成本是指煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程更容易被發(fā)現(xiàn)所帶來的期望罰金的增加。煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)決策的流程如圖2。

圖2 煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)決策流程圖

圖2 中，R1、C1、R2、C2、R3、C3、R4、C4 分別表示在安全規(guī)程A和B的不同執(zhí)行狀況下的預(yù)期收益和預(yù)期成本。

2.1.3 煤礦Agent：行為選擇子塊

煤礦Agent的行為選擇是指煤礦是否嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程，包括A 類安全規(guī)程和B 類安全規(guī)程。A 類為瓦斯、礦井通風(fēng)系統(tǒng)、自燃煤層開采方面的對煤礦安全生產(chǎn)影響重大的生產(chǎn)系統(tǒng)方面的安全規(guī)程；B 類為除A類外的其他規(guī)程，如嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯檢查制度、煤礦井下風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)、風(fēng)速和作業(yè)環(huán)境的氣候等方面的安全規(guī)程。煤礦執(zhí)行兩類安全規(guī)程的成本、不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程發(fā)生事故的概率以及發(fā)生事故所帶來的損失的不同。

對于A類規(guī)程的執(zhí)行和煤礦的設(shè)計、建設(shè)有關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行A類規(guī)程的煤礦，一般還會嚴(yán)格執(zhí)行，除非遇到特殊的地質(zhì)條件，而產(chǎn)量的任務(wù)又不能減少時可能發(fā)生，因此，其不嚴(yán)格執(zhí)行的概率會大幅下降為P-ana。不嚴(yán)格執(zhí)行A類規(guī)程的煤礦如沒查到，繼續(xù)不嚴(yán)格執(zhí)行A類規(guī)程，如果被查到整改后，其發(fā)生不嚴(yán)格執(zhí)行的概率也會有所下降為P-nana。

對于B 類規(guī)程的執(zhí)行情況和煤礦的安全文化、煤礦員工的安全素養(yǎng)、行為習(xí)慣、領(lǐng)導(dǎo)的安全意識有關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行B 類規(guī)程的煤礦，其不嚴(yán)格執(zhí)行的概率會有較大幅度的下降為P-bnb，而不嚴(yán)格執(zhí)行B類規(guī)程的企業(yè)，其不嚴(yán)格執(zhí)行B類規(guī)程若沒有被查到，其不嚴(yán)格執(zhí)行B 類規(guī)程的概率會大于總體的概率為P-nbnb，若被查到，則其概率會有所下降為P-nbnbe。煤礦是否嚴(yán)格執(zhí)行兩類安全規(guī)程的行為選擇流程圖如圖3。

圖3 煤礦是否嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程行為選擇子塊

2.1.4 政府Agent：政府監(jiān)管子塊

假設(shè)代表政府的安監(jiān)部門有實施有效監(jiān)管和監(jiān)管不力兩種行為：在煤礦采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的條件下，安監(jiān)部門實施有效監(jiān)管的概率p-ireg 為70%；在煤礦沒有采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的條件下，安監(jiān)部門實施有效監(jiān)管的概率p-nreg為50%。

如果煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程被政府安監(jiān)部門發(fā)現(xiàn)，罰金整改費用水平為：煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行A類安全規(guī)程的罰金和整改費用100 萬元～400 萬元；煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行B類安全規(guī)程罰金和整改費用20萬元～60萬元。

政府監(jiān)管的流程圖如圖4。圖中，punish為煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程被查到的罰金。

圖4 政府監(jiān)管子塊

2.1.5 煤礦Agent：行為結(jié)果子塊

煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程會導(dǎo)致事故的發(fā)生，在不采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行兩類安全規(guī)程，發(fā)生事故的概率p-iacc 均為5%；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行兩類安全規(guī)程發(fā)生事故的概率p-nacc均為2%。行為結(jié)果流程圖如圖5。

圖5 行為結(jié)果子塊

當(dāng)煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程發(fā)生事故會造成損失loss。煤礦不采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行A 類規(guī)程時發(fā)生事故的損失為1 000 萬元～2 000 萬元，不嚴(yán)格執(zhí)行B類安全規(guī)程發(fā)生事故的損失為30萬元～100萬元。煤礦采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行A類規(guī)程時發(fā)生事故的損失為500萬元～1 500萬元，煤礦不嚴(yán)格執(zhí)行B 類安全規(guī)程發(fā)生事故的損失為30萬元～70萬元。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

在模型中，包含了固定參數(shù)和可變參數(shù)兩類參數(shù)，其中，固定參數(shù)為模型運行時固定的參數(shù)，經(jīng)過檢驗，模型的結(jié)果對這些固定參數(shù)不敏感，可變參數(shù)為影響模型結(jié)果的關(guān)鍵性參數(shù)，模型固定參數(shù)含義及設(shè)定見表3，可變參數(shù)含義見表4，情景設(shè)定見表4。

表3 模型固定參數(shù)值設(shè)定

表4 模型可變參數(shù)含義

3 仿真模擬結(jié)果與分析

運用上一節(jié)構(gòu)建的模型進(jìn)行模擬仿真，仿真的內(nèi)容主要包括兩部分：一是研究了初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦所占比例、物聯(lián)網(wǎng)的初始成本、事故發(fā)生概率等影響因素對物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響；二是研究了物聯(lián)網(wǎng)推廣對煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管的影響。由于仿真模型的運行結(jié)果具有隨機性特征，為保證結(jié)果穩(wěn)定可靠，對每組參數(shù)根據(jù)運行結(jié)果的穩(wěn)定程度均運行15次，取計算結(jié)果的平均值作為分析的依據(jù)。

3.1 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用的影響因素分析

3.1.1 仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例對煤礦安全監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響分析

設(shè)定1 000 萬t 以上的煤礦都采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，1 000 萬 t 以下的煤礦分為 A1、BASE、A2 三種情景。運用模擬結(jié)果見圖6、圖7。

由圖6可見，采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例不同，即在初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量不同對物聯(lián)網(wǎng)的推廣的速度有顯著的影響，初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例越高，煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣速度越快，系統(tǒng)達(dá)到均衡的時間步越少。從系統(tǒng)達(dá)到均衡的時間步t的極差和標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出，當(dāng)初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例較低時，煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時間將有更大的不確定性。由圖7 可見，采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例對達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦的數(shù)量沒有顯著影響。

圖6 初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦所占的比例對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣速度影響

圖7 初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦所占的比例對系統(tǒng)穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)影響

3.1.2 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)的初始成本對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響分析

煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)的初始成本是煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的重要影響因素，結(jié)合仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例的設(shè)定，在研究成本的影響時，設(shè)定1 000萬t以上的煤礦都已經(jīng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于1 000萬t以下的煤礦，物聯(lián)網(wǎng)的初始成本，根據(jù)目前的實際狀況，設(shè)定了B1、B2兩種情境。

在仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例的下，分別在B1、B0、B2情景下進(jìn)行了模擬，結(jié)果見圖8。

由圖8 可見，煤礦物聯(lián)網(wǎng)的初始成本對系統(tǒng)穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)有顯著的影響，物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本越低，系統(tǒng)穩(wěn)定后使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量越多。而初始安裝成本的變化對系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間步t影響較小。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的初始成本對煤礦監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響

3.1.3 煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成（Installcost/output）對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響

煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本反映著煤礦愿意為采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所支付的成本，是對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣重要的影響因素之一。對情景C1、BASE和C2運行的結(jié)果如圖9、圖10所示。

由圖9 可見煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本（ACPC）對系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間和達(dá)到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)均有影響。對于系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間步情景C1與BASE情景相比較影響是顯著的，而情景C2和BASE情景相比較，影響是不顯著的。也就是當(dāng)可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本大于15 元/t 后，這一因素對系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間步影響就不顯著了。由圖10 可見隨著煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)成本的增加，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量呈上升的趨勢，由情景C1 的平均1 136 個上升到情景C2 的1 721 個。可見煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本越高，達(dá)到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)越多。

圖9 ACPC 對物聯(lián)網(wǎng)推廣速度的影響

圖10 ACPC對采用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量的影響

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的使用對煤礦安全生產(chǎn)的影響

煤礦安全事故發(fā)生的次數(shù)和事故總損失和使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦的數(shù)量是密切相關(guān)的。據(jù)前面的分析可知，初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比重對物聯(lián)網(wǎng)推廣的速度影響顯著，物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本和煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本對物聯(lián)網(wǎng)推廣后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量影響顯著，對系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間影響較小。因此，選擇情景B 和情景C 來分析物聯(lián)網(wǎng)推廣后對安全事故發(fā)生的次數(shù)和事故總損失的影響。

分別在B1、BASE、B2 情景和C1、BASE、C2 情景下，取系統(tǒng)穩(wěn)定后十個時間步的事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的平均數(shù)，作為與該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)使用煤礦數(shù)量相對應(yīng)的事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失，來分析不同情景下兩者之間的關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果見圖11和圖12。

圖11 B1、BASE、B2情景下采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)對事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的影響

圖12 C1、BASE、C2情景下采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)對事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的影響

由圖11和圖12可見隨著采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)量的增加煤礦發(fā)生事故的次數(shù)和事故的總損失都呈下降的趨勢。

4 結(jié)論

本文運用Agent建模仿真方法對不同情境下煤礦物聯(lián)網(wǎng)的推廣運用情況進(jìn)行了模擬分析，得出如下結(jié)論：

（1）初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例越高，即初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦越多，煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣擴(kuò)散速度越快。

（2）煤礦物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本越低，系統(tǒng)穩(wěn)定后使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量越多。

（3）煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本（ACPC）煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本越高，煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣擴(kuò)散速度越快，達(dá)到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)越多。

因此為了促進(jìn)煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)鼓勵更多的礦山應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、降低物聯(lián)網(wǎng)的成本，提升煤礦的盈利能力，以保障煤礦安全高效生產(chǎn)。