基于可拓理論與信息融合的煤礦井下環(huán)境安全等級評判方法

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機電與信息工程學(xué)院， 北京 100083）

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摘要：提出了一種基于信息融合技術(shù)和可拓原理的煤礦井下環(huán)境安全等級評價新方法。依據(jù)煤炭生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，應(yīng)用可拓原理和基于多因素優(yōu)化融合的思想，建立了煤礦井下環(huán)境安全等級的物元評價模型。該模型能夠完整反映礦井環(huán)境的安全等級，實現(xiàn)了對礦井環(huán)境信息的定性與定量的集成描述。運用此方法對某礦井安全進行等級評判，得出的結(jié)論符合實際情況與工程實際，驗證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：信息融合； 可拓理論； 礦井環(huán)境； 安全等級評判

中圖分類號：TP391文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)11-3328-04

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Novel evaluation approach for mine environment safety levels

based on extension theory and information fusion

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ZHOU Yu， QIAN Xu， WANG Pei-chong， HU Xiao-hong

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（School of Mechanical Electronic Information Engineering， China University of Mining Technology， Beijing 100083 ， China）

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Abstract:On the basis of multi-sensor information fusion technique and extension theory， this paper presented a novel method about safety rank evaluation system for mine environment. According to the actual situation of coal production， based on the thought of multi-index fusion and extension theory， constructed a matter-element model that could completely indicate the mine environmental safe level. The information of mine environment could be described by qualitative and quantitative manners. As an example， the proposed method was used to assess a concrete application. The result shows that the method is feasible and effective， and the evaluation results are more reasonable.

Key words：information fusion; extension theory; mine environment; safety levels evaluation



0引言 

煤礦井下環(huán)境安全等級評判系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，是煤礦安全生產(chǎn)的根本保障之一，所以對煤礦井下環(huán)境安全作準確全面的評估預(yù)測非常重要。但由于礦井環(huán)境復(fù)雜、惡劣，環(huán)境參數(shù)多變、不確定，這給準確評估預(yù)測帶來了不利因素。針對現(xiàn)場情況，本文提出了一種基于信息融合的煤礦井下環(huán)境安全等級可拓評判分析方法，它主要從如何準確提取礦井環(huán)境參數(shù)特征向量和更好地對礦井環(huán)境安全等級進行評估預(yù)測兩方面進行研究。在提取礦井環(huán)境參數(shù)方面，為了獲取井下環(huán)境更全面、更準確、更客觀的信息，采用多傳感器信息融合技術(shù)；在環(huán)境安全等級評判預(yù)測方面，采用了基于可拓集合理論、物元理論和關(guān)聯(lián)函數(shù)的評判方法。

基于可拓學(xué)理論的可拓工程方法與各個領(lǐng)域的專業(yè)知識相結(jié)合，可以解決原有方法未能解決的問題，或提出比原有方法更好的解決方法。應(yīng)用可拓學(xué)理論進行礦井安全評價的方法與其他方法相比具有如下優(yōu)點：

a)定量與定性相結(jié)合。利用可拓學(xué)集合論，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)進行定量計算，可以使判別與評價方法更為精細化。這一特點尤其適合礦井安全評估中以定量為主、定性為輔的原則^[1]。

b)可以因地制宜地考慮所選取的因素，且所考慮的因素種類和數(shù)量不受限制，這與煤炭礦井環(huán)境實際相符合。

c)物元理論作為可拓學(xué)的核心部分，不僅刻畫了事物的某一性質(zhì)、特征及相應(yīng)的量值，而且使用多維物元可對復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程進行整體描述。它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、層次和聯(lián)系，可以得到包容性更大、使用范圍更廣的可拓集概念^[2]。

d)為解決矛盾問題提供了解決方法，能夠從全局方面給出更為客觀的評估，這一點在等級評判中顯得尤其重要。

e)實際事物的等級評價中，可拓分析方法根據(jù)長期積累的數(shù)據(jù)資料給出各指標(biāo)等級的數(shù)值范圍，再將待評事物指標(biāo)量值代入各等級集合中進行多指標(biāo)評定，并取代主觀權(quán)重的確定方法，得到更為合理的因素可拓權(quán)重值^[3]。

1安全等級可拓評判系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)2005年《煤礦安全規(guī)程》^[4]的標(biāo)準以及參考文獻[5，6]，并參考專家意見選取與礦井安全密切的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，這五個環(huán)境參數(shù)分別是瓦斯質(zhì)量分數(shù)、一氧化碳、風(fēng)速、粉塵以及溫度。它們作為系統(tǒng)融合處理的基本數(shù)據(jù)。采用專業(yè)工業(yè)傳感器采集環(huán)境參數(shù)輸送到井下分站，經(jīng)過相應(yīng)處理再送到地面監(jiān)測中心。由于環(huán)境監(jiān)測參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，采用多傳感器采集數(shù)據(jù)融合的方式來獲得更全面、豐富和準確的數(shù)據(jù)。為了使最終的評價結(jié)果更加客觀，采用可拓評判分析方法。礦井環(huán)境安全等級可拓評判系統(tǒng)的信息融合功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體過程如下：

a)通過多同質(zhì)傳感器采集井下環(huán)境信息。由于對環(huán)境中的參數(shù)進行測量時，系統(tǒng)存在過度疲勞、現(xiàn)場的突發(fā)性強干擾和測量設(shè)備本身的故障等不確定性的影響，不可避免地要產(chǎn)生疏忽誤差，影響測量數(shù)據(jù)的一致性，需要對采集的數(shù)據(jù)進行一致性處理。在這里采用格羅貝斯判據(jù)準則進行數(shù)據(jù)的一致性處理。該過程實質(zhì)上也是除去噪聲數(shù)據(jù)的過程。

b)多同質(zhì)數(shù)據(jù)源進行Bayes融合。融合的目的是為了得到同質(zhì)最優(yōu)數(shù)據(jù)。

c)產(chǎn)生礦井環(huán)境特征向量。

d)利用可拓評判系統(tǒng)對融合后的異質(zhì)數(shù)據(jù)進行評估預(yù)測，得到該礦井安全等級。該過程實際上是對總體串行數(shù)據(jù)的進一步融合。

這里需要注意一點，如采集的某一環(huán)境參數(shù)大于該安全范圍的最大上限值，則不再進行可拓評判，直接得出該礦井環(huán)境安全等級最高，即最不安全，應(yīng)該立即采取相應(yīng)措施。

2礦井環(huán)境參數(shù)信息的融合

21測量數(shù)據(jù)一致性處理

采用格羅貝斯判據(jù)準則進行數(shù)據(jù)的一致性處理。該準則對于次數(shù)少的測量數(shù)據(jù)能有效地剔除疏忽誤差，可用在數(shù)據(jù)要求嚴格的場合。具體步驟如下：

a)對同質(zhì)數(shù)據(jù)進行多次測量，得到一組測量值；對該測量值按從小到大的順序進行排列，得到Y(jié)1，Y2，Y3，…，Yr。

b)根據(jù)順序統(tǒng)計原理，找到格羅貝斯統(tǒng)計量g=(Yr-Y)/σ的確切分布。這里，由于測量值Ym(m=1，2，…，r)服從正態(tài)分布，故Y=（1/r）∑rm=1Ym，vm=Ym-Y，σ=∑rm=1v2r /（r-1） 。

c)給定顯著水平β（這里取0.05）后，查表找出格羅貝斯統(tǒng)計量的臨界值g0(r，β)。

d)測量端值Ym(m=1或r)所對應(yīng)的格羅貝斯統(tǒng)計量gm。若滿足gm≥g0(r，β)，則認為統(tǒng)計量gm的分布存在顯著差異，剔除對應(yīng)的Ym；反之，保留該值。

22基于Bayes估計的數(shù)據(jù)融合

采用格羅貝斯優(yōu)化后的數(shù)據(jù)經(jīng)過Bayes估計進行融合，融合后的數(shù)據(jù)可以得到較為準確、完備的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)，進而可以獲得較為客觀的反映礦井環(huán)境的特征向量。具體方法可以參看文獻[6，7]，由于篇幅這里不再詳述。

3礦井安全等級評判物元模型

礦井安全等級評判的核心是安全等級可拓域的確定，關(guān)鍵是關(guān)聯(lián)函數(shù)的正確選擇，實現(xiàn)手段是可拓域中元素的物元變換。首先劃分集合P的若干子集，構(gòu)造出相應(yīng)的經(jīng)典域和節(jié)域，然后確定待測物元，根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值確定待測物元的等級。有關(guān)可拓方面的基礎(chǔ)理論知識這里不再詳述，可以參看文獻[8~11]。

31礦井安全等級評判物元的確定

1)評判信息物元的確定

根據(jù)現(xiàn)場要求選擇影響評判等級的指標(biāo)，設(shè)有n個指標(biāo)。根據(jù)可拓學(xué)原理，評判可用下面的n維物元來描述：

R=(N，cj，xj)=N，c1，x1c2，x2c3，x3…，…cn，xn(j=1，2，…，n)(1)

其中：N為待評判單元；cj為待評價單元N的主要指標(biāo)，共n個；xj為cj的量值域。

2)評判信息物元的確定

依據(jù)國內(nèi)外專家經(jīng)驗和常用分級標(biāo)準，根據(jù)評估指標(biāo)的取值范圍和取值原則（數(shù)值越小對安全越有利），設(shè)定評估等級為m，這里分別為很安全（Ⅰ級）、安全（Ⅱ級）、比較安全（Ⅲ級）、較不安全（Ⅳ級）和不安全（Ⅴ級）。Np={N1，N2，N3，N4，N5}。

3）經(jīng)典域的確定

假設(shè)Ni(i=1，2，…，m)是集合P的m個子集，對于任何待評判的對象，P0∈P。為了判斷P0屬于哪個等級，首先建立經(jīng)典域和節(jié)域。根據(jù)物元模型的基本概念得到經(jīng)典域物元：

Ri=(Ni，cj，xij)=Ni，c1，xi1c2，xi2c3，xi3…，…cn，xin=

Ni，c1，〈ai1，bi1〉c2，〈ai2，bi2〉c3，〈ai3，bi3〉…，…cn，〈ain，bin〉(2)

其中:Ni為所劃分的某個等級；xij為Ni關(guān)于相應(yīng)指標(biāo)cj的量值范圍，這個范圍稱為經(jīng)典域。

4）節(jié)域的確定

在確定經(jīng)典域之后，還要確定各項指標(biāo)所對應(yīng)的節(jié)域，即各指標(biāo)所對應(yīng)的取值范圍。一般可以將節(jié)域定義為相應(yīng)經(jīng)典域的并集，即定義cj(j=1，2，…，n)的節(jié)域為∪mi=1〈aij，bij〉。這里〈apj，bpj〉=∪mi=1〈aij，bij〉，故可以得到節(jié)域物元如下：

Rp=(P，cj，xpj)=P，c1，xp1c2，xp2c3，xp3…，…cn，xpn=

P，c1，〈ap1，bp1〉c2，〈ap2，bp2〉c3，〈ap3，bp3〉…，…cn，〈apn，bpn〉(3)

其中：xp1，xp2，…，xpn分別是集合P關(guān)于指標(biāo)c1，c2，…，cn的量值范圍，該范圍稱為節(jié)域。

5）待評判對象物元的確定

下面建立待評判對象的物元，即確定待評價對象各項指標(biāo)及其所對應(yīng)的量值。待評價對象物元表示如下：

R0=(P0，cj，xj)=P0，c1，x1c2，x2c3，x3…，…cn，xn(4)

其中：P0為待評判對象；xj為P0關(guān)于指標(biāo)cj的量值，即對該評判對象分析所得到的具體數(shù)據(jù)。

32關(guān)聯(lián)度的確定

1)關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定

在可拓學(xué)中，用關(guān)聯(lián)函數(shù)來刻畫論域中的元素具有某種性質(zhì)的程度。通過關(guān)聯(lián)函數(shù)能夠定量地、客觀地表達某指標(biāo)具有某種性質(zhì)的程度以及量變與質(zhì)變的過程。將待評判物元的第j個指標(biāo)關(guān)于第i安全等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)記為kij(xj)；i=1，2，…，m;j=1，2，…，n，則計算如下：

kij(xj)=ρ(xj，xij)/D(xj，xij，xpj);xjxij-ρl(xj，x0，xij)/｜xij｜；xj∈xij(5)

其中：

ρ(xj，xij)=｜xj-(aij+bij)/2｜-(bij-aij)/2

(6)

表示xj到區(qū)間xij=〈aij，bij〉的距離；

D(xj，xij，xpj)=ρ(xj，xpj)-ρ(xj，xij)(7)

表示點xj關(guān)于區(qū)間xpj=〈apj，bpj〉和區(qū)間xij=〈aij，bij〉的位置；

ρl(xj，x0，xij)=aij-xjxj≤aij

[(bij-x0)/(aij-x0)](xj-aij)x∈〈aij，x0〉

xj-bijx≥x0(8)

表示點與xj與區(qū)間xij=〈aij，bij〉關(guān)于x0的左側(cè)距。這里，x0=aij。

｜xij｜=bij-aij(9)

表示區(qū)間xij=〈aij，bij〉的模。

由以上關(guān)聯(lián)函數(shù)可以看出，在xjxij、kij(xj)∈〈-1，0〉，xj∈xij、kij(xj)∈〈0，1〉，當(dāng)xj位于區(qū)間〈aij，bij〉最左端時，即xj=aij時，kij(xj)最大，為1；當(dāng)xj位于區(qū)間〈aij，bij〉最右端時，即xj=bij時，kij(xj)=0。

2）物元特征值權(quán)系數(shù)的確定

建立關(guān)聯(lián)函數(shù)后，需要計算其各自對應(yīng)的權(quán)系數(shù)，將每個因子的權(quán)系數(shù)定義如下：

αij=(xj/bij)/∑nj=1(xj/bij)

(10)

其中：i(i=1，2，…，m)是與P的子集Ni相對應(yīng)的m個安全等級；j(j=1，2，…，n)是與待評價物元各項指標(biāo)對應(yīng)的n個因子。

3）關(guān)聯(lián)度計算

待評判對象P0對各安全等級i的關(guān)聯(lián)度為

Ki(P0)=∑nj=1αijkij(xj)(11)

33安全等級評判

根據(jù)上面所求出的Ki取其最大值，即令

Ki=max Ki(P0) (12)

其所對應(yīng)的安全等級i就是該評判對象所屬的類別。

4應(yīng)用實例

41多傳感器數(shù)據(jù)融合

對某礦井環(huán)境參數(shù)進行測量^[6]，進行融合處理。例如，瓦斯質(zhì)量百分數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1多瓦斯傳感器數(shù)據(jù)及剩余誤差

Yi/%viYi/%vi

0.58-0.101 30.68-0.001 2

0.65-0.031 30.690.008 7

0.65-0.031 30.700.018 7

0.68-0.001 20.820.138 7

利用格羅貝斯判據(jù)準則進行數(shù)據(jù)的一致性處理后，剔除數(shù)據(jù)0.82%、0.58%，得到瓦斯質(zhì)量百分數(shù)的一致性數(shù)據(jù)，依次是0.65、0.65、0.68、0.68、0.69、0.70。利用Bayes估計理論計算優(yōu)化后的一致性數(shù)據(jù)得到0.675%。同理可得到粉塵、CO、溫度和風(fēng)速的最佳融合值，分別為6.1mg/m3、0.002%、23℃、1.2m/s。礦井環(huán)境狀況劃分^[4，12]如表2所示。

表2礦井環(huán)境安全等級劃分

安全等級瓦斯質(zhì)量分數(shù)/%粉塵/mg/m-3一氧化氮/%溫度/℃風(fēng)速

m/s相應(yīng)措施

Ⅰ0.2~0.42~40~0.000 618~223.5~2.5繼續(xù)保持

Ⅱ0.4~0.64~60.000 6~0.001 222~242.5~2.0注意安全

Ⅲ0.6~0.86~80.001 2~0.001 824~262.0~1.5及時整改

Ⅳ0.8~1.0-8~100.001 8~0.002 426~280.5~1.0立即整改

Ⅴ1.0~1.210~120.001 4~0.003 028~301.0~0停產(chǎn)整改

將數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，處理方法如下：

X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)對于越大越有利的指標(biāo)

(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)對于越小越有利的指標(biāo)

（13）

對表2進行無量綱化處理后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3無量綱處理后的礦井環(huán)境安全等級劃分

安全等級瓦斯質(zhì)量分數(shù)/%粉塵/mg/m-一氧化氮/%溫度/℃風(fēng)速

m/s相應(yīng)措施

Ⅰ0~0.20~0.20~0.20~0.330~0.286繼續(xù)保持

Ⅱ0.2~0.40.2~0.40.2~0.40.33~0.500.286~0.429注意安全

Ⅲ0.4~0.60.4~0.60.4~0.60.50~0.670.429~0.571及時整改

Ⅳ0.6~0.80.6~0.80.6~0.80.67~0.830.571~0.714立即整改

Ⅴ0.8~1.00.8~1.00.8~1.00.83~1.00.714~1.0停產(chǎn)整改

對最佳融合值進行無量綱化處理后分別為0.475%、0.41%、0.67%、0.42%、0.657%，分別代表瓦斯、粉塵、CO、溫度、風(fēng)速。可以看到，如果憑借單一監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得的井下環(huán)境的等級是矛盾的，如通過這五種傳感器獲得的環(huán)境評估等級分別是一般安全、一般安全、較不安全、安全、較不安全。下面所做的目的就是通過可拓理論進行進一步融合處理來解決矛盾，從而得出更客觀的安全等級的一致性數(shù)據(jù)。

42評價系統(tǒng)的物元模型構(gòu)造

1)評價物元

根據(jù)評價對象與評價指標(biāo)，構(gòu)造的物元如下：

R=(N，C，X)=

環(huán)境瓦斯質(zhì)量分數(shù)c1，規(guī)格化值x1安全粉塵c2，規(guī)格化值x2

等級一氧化碳c3，規(guī)格化值x3評價溫度c4，規(guī)格化值x4N風(fēng)速c5，

規(guī)格化值x5

2)確定各等級經(jīng)典域

經(jīng)典域物元矩陣為

3)確定節(jié)域物元

節(jié)域物元為

Rp=Np， c1， 〈0.0，1.0〉c2， 〈0.0，1.0〉c3， 〈0.0，1.0〉c4， 〈0.0，1.0〉c5， 〈0.0，1.0〉

4)確定待評價物元

待評價物元為

R0=N0， c1， 0.475c2， 0.41c3， 0.67c4， 0.42c5， 0.657

43評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)式(5)~(9)，計算得到的關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表4所示。

表4關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

安全等級kij(xi)

c1c2c3c4c5

Ⅰ-0.367-0.367-0.588-0.176-0.522

Ⅱ-0.136-0.019 6-0.450.471-0.399

Ⅲ0.6250.95-0.175-0.16-0.233

Ⅳ-0.208-0.3170.65-0.3730.40

Ⅴ-0.406-0.487 5-0.283-0.493-0.102

根據(jù)式(10) 確定權(quán)系數(shù)矩陣如下：

αij=(xj/bij)/∑nj=1(xj/bij)=

0.2030.1820.2980.1130.2040.1900.1640.2680.1340.2450.1810.1560.2560.1430.2630.1700.1520.2490.1500.2730.1800.1560.2550.1600.250

44安全等級綜合評價

根據(jù)式(11)~（12）得k3(N)=0.132 4=max{kt(N)｜t=1~5}，可以得到該環(huán)境的安全等級是Ⅲ級，所以要及時整改。

5結(jié)束語

由于礦井環(huán)境復(fù)雜、惡劣，環(huán)境參數(shù)多變、不確定，這給準確評估預(yù)測帶來了不利因素。針對實際情況，本文提出了一種基于信息融合的煤礦井下環(huán)境安全等級可拓評價分析方法。

a）在提取礦井環(huán)境參數(shù)方面，為了獲取井下環(huán)境更全面、更準確信息，采用多傳感器信息融合技術(shù)。

b）采用可拓評判技術(shù)對礦井環(huán)境參數(shù)進行評判。以物元表述的物元關(guān)系式建立煤礦環(huán)境安全等級評估物元模型，該模型利用物元的基本性質(zhì)對煤礦環(huán)境進行定性描述，利用可拓集合論，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)進行定量計算。

c）在確定關(guān)聯(lián)函數(shù)的過程中，一定要注意應(yīng)用環(huán)境的實際情況進行選擇，尤其要注意量值最優(yōu)點是在區(qū)間的中點還是在中點的左側(cè)或右側(cè)。根據(jù)實際情況，本文選擇的是最優(yōu)點在左側(cè)的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

d）由于基元模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫有密切的關(guān)系，可以利用可拓方法對應(yīng)于可直接操作的計算機技術(shù)，實現(xiàn)利用SQL進行知識的提取與策略的生成。從技術(shù)的實現(xiàn)層面來說，該方法通過計算機編程實現(xiàn)簡單、方便。有關(guān)數(shù)據(jù)處理的可拓方法可以參看文獻[13]。

e）實例表明，利用可拓理論對礦井環(huán)境安全等級進行評判的方法是合理的、有效的、可行的，該方法豐富和改進了礦井環(huán)境安全等級評判的方法。

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