模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在礦山安全評(píng)價(jià)中的適應(yīng)性研究

1引言 礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的災(zāi)害系統(tǒng)。瓦斯、煤塵、水、火、頂板以及機(jī)電事故等是存在的主要災(zāi)害。雖然這些事故的發(fā)生機(jī)理各異，但引發(fā)事故的因素即相互關(guān)聯(lián)，相互影響。因此，根據(jù)礦山災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，尋求并建立科學(xué)、合理的礦山安全評(píng)價(jià)模型，是礦山安全管理與控制的關(guān)鍵問(wèn)題。 2 礦山安全評(píng)價(jià) 礦山安全評(píng)價(jià)是礦山安全管理工程的重要組成部分，它是按照科學(xué)的程序和方法，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法對(duì)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)因素、發(fā)生事故的可能性及損失與傷害程度進(jìn)行調(diào)查研究與分析論證，并以既定的指數(shù)、等級(jí)或概率值作出表示，再針對(duì)存在的問(wèn)題，根據(jù)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件，提出有效的安全措施，以便消除危險(xiǎn)或?qū)⑽ｋU(xiǎn)降低到最小的程序，以尋求最低事故率，最少的損失和最優(yōu)的安全投資效益，從而達(dá)到保證礦山安全的目的。作為現(xiàn)代礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，礦山安全評(píng)價(jià)在礦山安全管理的現(xiàn)代化、科學(xué)化中起著積極的推進(jìn)作用。 3 礦山安全評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及其它交叉學(xué)科的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外其它行業(yè)安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究和應(yīng)用的進(jìn)展，建立礦山安全評(píng)價(jià)模型及其它方法已有了理論和技術(shù)方面的基礎(chǔ)。 3.1 國(guó)外的研究和應(yīng)用背景 國(guó)外礦山企業(yè)的安全評(píng)價(jià)是隨著其它行業(yè)的安全評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展而逐步建立起來(lái)的，其研究、應(yīng)用的深度和廣度，都不如核工業(yè)、化工、航天以及航空等領(lǐng)域。礦山安全評(píng)價(jià)主要集中在以概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，把礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中隱患導(dǎo)致事故的概率與隱患造成的損害的乘積作為系統(tǒng)狀態(tài)的危險(xiǎn)度。隱患發(fā)生的概率和造成的損害經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得，但是對(duì)隱患發(fā)生的概率和損害統(tǒng)計(jì)不夠細(xì)致，缺乏實(shí)用性，且只討論了這些數(shù)據(jù)的模糊性問(wèn)題。其他的安全評(píng)價(jià)方法，如R.V.羅曼尼教授提出的以韋布爾分布確定事故平均周期、每天的危險(xiǎn)率、安全性指數(shù)法 澳大利亞的A.R.格材提出的煤礦操作安全評(píng)價(jià)法；波蘭M.費(fèi)利衛(wèi)皮提出的以人-機(jī)為主的安全評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)測(cè)方法以及日本的隧道安全評(píng)價(jià)方法等。國(guó)外的礦山安全評(píng)價(jià)尚停留在研究階段，既沒(méi)有達(dá)到實(shí)用階段，也比不上其他行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展水平。 3.2 國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用概況 我國(guó)的安全評(píng)價(jià)工作起步于20世紀(jì)80年代。1988年，原勞動(dòng)部首次對(duì)建設(shè)項(xiàng)目提出了進(jìn)行職業(yè)安全衛(wèi)生評(píng)價(jià)的要求，同年，原機(jī)械電子工業(yè)部頒布了《機(jī)械工廠安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，并在100多家機(jī)械工廠進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。1992年，廣東勞動(dòng)保護(hù)研究所主持完成了工廠危險(xiǎn)程度分級(jí)方法；1995年，原勞動(dòng)部、北京理工大學(xué)合作完成了《鶍然、易爆、有毒重大危險(xiǎn)源的安全評(píng)價(jià)技術(shù)》的課題。同時(shí)，一些高等院校、研究單位和企業(yè)等相繼開(kāi)展了安全評(píng)價(jià)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作。2002年6月29日《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》及《安全評(píng)價(jià)通則》（安監(jiān)管技裝字〔2003〕37號(hào)）的頒布，進(jìn)一步推動(dòng)了安全評(píng)價(jià)工作向更廣更遠(yuǎn)的方向發(fā)展。 礦山企業(yè)是我國(guó)安全問(wèn)題最嚴(yán)重的行業(yè)之一，安全問(wèn)題一直未得到根本性的解決，安全管理和評(píng)價(jià)研究與其它行業(yè)相比，雖然時(shí)間上幾乎同步，但研究的規(guī)模、深入程度要明顯落后。目前，礦山企業(yè)雖然在安全工作上采取了各種有效的技術(shù)和管理措施，應(yīng)用了已有的安全檢查表、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化檢查表以及安全系統(tǒng)工程的理論和方法，提高了安全管理和評(píng)價(jià)的科學(xué)技術(shù)水平，加強(qiáng)了安全住處的管理。但是，由于歷史的原因、政策環(huán)境以及礦山企業(yè)內(nèi)部存在問(wèn)題，礦山的管理過(guò)程技術(shù)含量不高，大多數(shù)礦山?jīng)]有應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)安全信息管理，而且缺乏有效、實(shí)用的評(píng)價(jià)軟件，使得安全評(píng)價(jià)方法在礦山安全管理過(guò)程中受到了較大的限制。 4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本理論 模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近年來(lái)人工智能研究較為活躍的兩個(gè)領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦結(jié)構(gòu)的思維功能，具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和聯(lián)想功能，人工干預(yù)少，精度較高，對(duì)專(zhuān)家知識(shí)的利用也較少。但缺點(diǎn)是它不能處理和描述模糊信息，不能很好利用已有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，特別是學(xué)習(xí)及問(wèn)題的求解具有黑箱特性，其工作不具有可解釋性，同時(shí)它對(duì)樣本的要求較高；模糊系統(tǒng)相對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，具有推理過(guò)程容易理解、專(zhuān)家知識(shí)利用較好、對(duì)樣本的要求較低等優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)又存在人工干預(yù)多、推理速度慢、精度較低等缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的功能，而且如何自動(dòng)生成和調(diào)整隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則，也是一個(gè)棘手的問(wèn)題。如果將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以起到互補(bǔ)的效果。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Fuzzy network-FNN）就是模糊理論同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物，它匯集了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊理論的優(yōu)點(diǎn)，集學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識(shí)別、自適應(yīng)及模糊信息處理于一體。 5 可行性分析 礦山災(zāi)害系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性和模糊性，各參數(shù)之間相互制約，許多問(wèn)題都表現(xiàn)出極為明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。其主要特點(diǎn)是： （1）災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)部涉及到相當(dāng)多的狀態(tài)變量，很多狀態(tài)變量很難精確確定或者根本無(wú)法確定。 （2）災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)部各狀態(tài)變量之間的關(guān)系也相當(dāng)復(fù)雜，往往保持一種動(dòng)態(tài)關(guān)系，利用微分議程很難求解或者根本無(wú)解。 （3）災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間的關(guān)系也相當(dāng)復(fù)雜，很難定量描述。 上述各種特點(diǎn)給研究者帶來(lái)極大的困難。 5.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)分析方法存在的問(wèn)題 礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中的許多問(wèn)題都是非線(xiàn)性問(wèn)題，變量之間的關(guān)系十分復(fù)雜，目標(biāo)難以用確切的數(shù)學(xué)議程來(lái)描述。在傳統(tǒng)的礦山災(zāi)害（安全）現(xiàn)象研究中，通常采用的是“線(xiàn)性的”、“局部的”和“確定型的”分析和研究方法，其存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）由于歷史發(fā)展的局限性，在定量分析礦山事故系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和狀態(tài)時(shí)，通常將非線(xiàn)性關(guān)系簡(jiǎn)化為線(xiàn)性關(guān)系。由于非線(xiàn)性系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性化系統(tǒng)的動(dòng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一定同胚，因此，這種簡(jiǎn)化可能會(huì)對(duì)礦山災(zāi)害過(guò)程規(guī)律的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生重要的不利的影響。 （2）礦山事故系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能具有多態(tài)性，在系統(tǒng)控制參量的變化作用下，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)從一種動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)向另一種動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這樣，采用傳統(tǒng)的研究分析方法得到的僅僅只是系統(tǒng)的局部性質(zhì)。然而，對(duì)礦山災(zāi)害系統(tǒng)在相空間中可達(dá)范圍以至全局性動(dòng)力學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及不同動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)化機(jī)制的認(rèn)識(shí)，在礦山災(zāi)害系統(tǒng)的特征和狀態(tài)的分析研究中有著重要意義。 （3）礦山事故系統(tǒng)是一個(gè)具有確定性和非確定性的矛盾的統(tǒng)一體，從傳統(tǒng)的礦山災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)方法出發(fā)，不容易提示礦山災(zāi)害系統(tǒng)（安全因素）之間的非確定性性質(zhì)，采用傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法（如多元線(xiàn)性方程的求解等）所得到的結(jié)果與真實(shí)事故系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)，而且可能完全相反。因此，傳統(tǒng)的分析方法對(duì)礦山災(zāi)害系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程和特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是不全面的。 5.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)模型所解決的問(wèn)題 前面已講到，礦山安全系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，礦山災(zāi)害涉及許多不確定因素，且各個(gè)因素之間的相關(guān)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。無(wú)論是傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，還是模糊等的綜合方法，都沒(méi)有很多的解決以下問(wèn)題： （1）因素和結(jié)果的固定映射關(guān)系 傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，基本上以線(xiàn)性等固定關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定了事故因素和結(jié)果的映射關(guān)系；模糊綜合評(píng)價(jià)方法則在隸屬函數(shù)構(gòu)造問(wèn)題上事先設(shè)定了映射關(guān)系，盡管函數(shù)是分段、不連續(xù)的，但同樣存在線(xiàn)性關(guān)系。這明顯不能清晰反映事故系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、隨機(jī)和模糊特點(diǎn)的本構(gòu)關(guān)系。 （2）定權(quán)和變權(quán)問(wèn)題 評(píng)價(jià)因素中各指標(biāo)在評(píng)價(jià)過(guò)程中權(quán)重的確定，是安全評(píng)價(jià)的核心，權(quán)重確定正確與否，直接影響到安全評(píng)價(jià)結(jié)果的置信度。傳統(tǒng)方法大多不管系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，采用定權(quán)的方式進(jìn)行，由于因素及因素之間的作用也是變化的，因而在變權(quán)問(wèn)題上沒(méi)有提供完善的解決方案。 （3）隨機(jī)性和模糊性問(wèn)題 在對(duì)礦山進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的過(guò)程中，涉及的因素是復(fù)雜的。這些因素自身表現(xiàn)為隨機(jī)性，與災(zāi)害的關(guān)系又表現(xiàn)為模糊性，而且因素間又相互關(guān)聯(lián)，相互作用。一方面，有些因素不能用精確的數(shù)量進(jìn)行描述，而只能是模糊概念；另一方面，各種因素的變化與災(zāi)害之間不存在一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，不可能建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)求解，而模糊理論在處理這些問(wèn)題上卻有著獨(dú)到的效果。 礦山災(zāi)害的隨機(jī)性、模糊性和不確定性決定了礦山安全狀態(tài)的變化不會(huì)按照某一特殊的規(guī)律或函數(shù)變化。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)模型完全可以解決傳統(tǒng)方法所不能解決的幾個(gè)問(wèn)題。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的非線(xiàn)性函數(shù)逼近能力，可以根據(jù)樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到輸入輸出變量之間的函數(shù)關(guān)系，即可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，確定各神經(jīng)元之間的耦合權(quán)值，從而使得網(wǎng)絡(luò)整體具有近似函數(shù)的功能。同時(shí)，模糊神經(jīng)根據(jù)需要給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加入規(guī)則，這樣就可以避免“黑箱”問(wèn)題。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的缺點(diǎn)，因而完全可以應(yīng)用于礦山安全評(píng)價(jià)的研究中。 6 結(jié)論 傳統(tǒng)的、事先設(shè)定變化規(guī)律和特性的評(píng)價(jià)方法鑒于其局限性，難以很好地解決礦山災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜多變的問(wèn)題。因此，建立科學(xué)的礦山安全評(píng)價(jià)模型，開(kāi)發(fā)行之有效的安全評(píng)價(jià)軟件包，加強(qiáng)礦山安全評(píng)價(jià)理論和技術(shù)的研究既有現(xiàn)實(shí)意義，又有長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史意義。 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在求解這類(lèi)不確定性知識(shí)方面具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，它可以模擬人類(lèi)的思維習(xí)慣進(jìn)行定性描述。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于礦山安全評(píng)價(jià)中的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為： （1）利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行結(jié)構(gòu)和并行處理的特征，通過(guò)適當(dāng)選擇評(píng)價(jià)項(xiàng)目克服安全評(píng)價(jià)的片面性，可以全面評(píng)價(jià)礦山災(zāi)害系統(tǒng)的安全狀況和多因素共同作用下的安全狀態(tài)。 （2）運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)存儲(chǔ)和自適應(yīng)性特征，通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充學(xué)習(xí)樣本，可以實(shí)現(xiàn)歷史經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)完美結(jié)合，在發(fā)展過(guò)程中動(dòng)態(tài)地評(píng)價(jià)礦山災(zāi)害系統(tǒng)的安全狀態(tài)。 （3）利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的容錯(cuò)特征，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)淖饔煤瘮?shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以處理各種非數(shù)值性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山系統(tǒng)安全狀態(tài)的模糊評(píng)價(jià)。