掘进工作面本体模型研究.pdf

第 4 1卷 第 9 期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t o ma t i on V01 ． 4 1 NO ． 9 Se p ． 2 0 1 5 文章 编 号 I 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 9 0 0 9 3 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 2 5 药慧婷 ， 陈立潮 ， 潘理虎． 掘进工作面本体模 型研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 9 3 ～ 9 6 ． 掘进工作面本体模型研究 药慧婷 ， 陈立 潮 ， 潘 理虎 1 ． 太原科技大学 计算机科学与技术学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 中 国科 学 院 地理 科学 与 资源研 究 所 ，北京 1 0 0 1 0 1 摘要 在深入分析掘进工作 面生产模式的基础上 ， 指 出了构建掘进工作面本体模型是实现智能决策 系统 建设 的重要 步 骤 。通过 分 析 井下安 全 生产 的影 响 因素 ， 得 出 了井 下掘进 工作 面 的工作人 员、 设备 和周 围环境 之 间的关系， 并构建 了掘进 工作面安全生产的本体模型 。以危险工作地点为例 ， 简单验证 了掘进工作 面本体 模 型 构建 方 法的有 效性 。 关键 词 煤矿 ；智 慧矿 山 ； 掘 进 工作 面 ； 本 体模 型 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 5 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 5 3 ． 0 2 5 ． h t ml Re s e a r c h o f o nt o l o g y mo d e l o f he a d i n g f a c e YAO Hui t i ng ， CHEN Li c ha o ，PAN Li hu ， 1 ． S c h o o l o f Co mp u t e r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ta i yu a n 03 0 0 2 4，Chi na；2． I ns t i t u t e o f Ge o gr a p hi c S c i e nc e a n d Na t u r a l Re s o ur c e Re s e a r c h， Ch i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e ，Be i j i n g 1 0 0 1 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t The pa p e r po i nt e d o ut t ha t bu i l di n g o nt o l o g y mod e l o f he a d i ng f a c e wa s a n i m p or t a nt s t e p t o wa r d s t h e c o n s t r u c t i o n o f i n t e l l i g e n t d e c i s i o n ma k i n g s y s t e m b a s e d o n d e e p a n a l y s i s o f p r o d u c t i o n mo d e l o f t h e h e a d i n g f a c e ， o b t a i n e d r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s t a f f ，d e v i c e s a n d e n v i r o n me n t o f u n d e r g r o u n d he a d i ng f a c e by a na l y z i ng f a c t or s o f m i n e pr o duc t i o n s a f e t y，a nd b ui l t s a f e t y p r od uc t i o n o nt o l o gy m o d e l of t he he a di n g f a c e ． Ha z a r do us wo r kpl a c e wa s t a ke n a s a n e x a mpl e t o s i m p l y ve r i f y t he v a l i di t y of c o ns t r u c t i on me t h od o f t he o nt o l o gy mod e l of he a d i ng f a c e ． Ke y wo r d s c o a l mi n e；i n t e l l i g e n t mi n e ；h e a d i n g f a c e ；o n t o l o g y mo d e l 0 引言 煤 炭工 业 是 我 国的基 础 产 业 ， 在 国 民经 济 发展 中占着极重要 的地位 。近年来我国煤矿事故起数和 死亡率均大幅下降 ， 煤炭安全生产形势大有好转， 但 与国际先进采煤 国家相比却不容乐观 。统计所有的 煤矿事故伤亡情况发现 ， 发生在掘进工作面的事故 所 占比例较高 。煤层未开采前 ， 原始的煤层 、 围岩与 瓦斯 组成 的系统 处 于 均 衡 状 态 。在 开 采 过 程 中 ， 周 围煤 层 中的 瓦斯压 力 平 衡状 态遭 到破 坏 ， 不 当的操 作或疏忽会造成瓦斯爆炸的可能性加大甚至作业人 员 瓦斯 中毒 窒息 的后果 ； 掘进 工作 面 的顶板 事故 、 水 害事故 、 运输提升事故等的发生率也较高。同时， 掘 进工 作 面 的作 业 人 员工 种 多 ， 包 括 打 眼 工 、 爆 破 工 、 支护工、 掘进机司机 、 装载机司机等， 工种 和作业时 使用的器械都是进行掘进工作面安全建模时需要考 虑的因素。事故 的发生不仅 与复杂 的环境 因素有 关 ， 而且与作业人员的综合素质 以及设备 的状态也 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 1 4 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 7 - 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 “ 十 二 五 ”山西 科 技 重 大 专 项 项 目 2 0 1 2 1 1 0 1 0 0 1 ； 山西 省 留学 人 员科 研 资 助项 目 2 0 1 3 0 9 7 ； 山西 省 自然 科 学 基 金 项 目 2 0 1 2 0 1 1 0 1 1 - 5 ； 山西省科技攻关项 目 2 0 1 4 1 0 3 9 。 作者简 介 药慧婷 1 9 9 O 一 ， 女 ， 山西晋中人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为软件体系结构与软件 服务， E - ma i l 9 1 6 3 0 7 8 2 6 q q ． c o rn。 9 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 有很 大关 系 。本 文 针对 当前 煤矿信 息 化建设 的 发展 现状 ， 提出了为煤矿掘进工作面本体建模的思路 ， 并 对相关概念及安全生产方针进行分析研究 ， 为最终 实现智慧矿山的智能决策提供了必要支撑[ 1 ] 。 1 智慧 矿 山与本 体 的研 究 现状 物联 网的提 出为建 立煤 矿安 全生 产与 预警 救援 体 系提 出 了 新 思 路 。智 慧 矿 山 是 对 现 有 互 联 网技 术 、 智能信息处理技术和传感器技术等的高度集成 ， 是实时定位技术与实体基础设 施、 信息基础设施 的 有效 集合 。智 慧矿 山建 立 在 数 字 矿 山基 础 上 ， 可 以 完成 矿 山企业 管理 所需 要 的所有 信息 的精 准实 时采 集 、 网络化传输、 可视化展现 、 规范化集成 、 自动化操 作和智能化服务。智慧矿山正在构建一种新 的矿山 企业 管理 模式 『 2 ] 。智慧矿 山建 设 涉及 的 内容 包 括数 据采 集 、 安全 生产 和经 营管 理等 多个 领域 ， 主要 包括 以下 6个 方 面 ① 对 整 个 矿 山 的 整 体 规 划 建 设 ； ② 数据 采 集 建 设 ； ③ 物 联 网建 设 ； ④ 监 控 网络 建 设 ； ⑤ 办 公 与 控 制 系 统 建 设 ； ⑥ 智 能 决 策 系 统 建 设。其中智能决策系统要求能够根据获得的数据信 息 主动判 断并 作 出决 策 ， 因此 ， 需 要 能够依 据 已有 知 识 进行推 理 的 技术 支 撑 [ 3 ] 。 目前 ， 智 慧矿 山 的 建设 已取得 了一 定 的成 就 ， 然而 ， 缺 乏对智 慧矿 山建 设 中 智 能决 策 系统 的研 究 。人 为地识 别井 下危 险存 在 时 间滞后 、 信 息不准 确 、 判断不 完全 等 问题 ， 因此 ， 智 能 决策系统对于智慧矿山的建设至关重要 ， 而构建煤 矿本体模 型是实现智能决策系统的基础 。 被广泛引用的本体定义是 由Gr u b e r 提出的 ， 即 本 体是 该模 型 的明确 的规 范说 明 。F e n s e l 对 这个 定 义进行 分 析后认 为 本 体 的概 念 包 括 4个 主要 方 面 概 念模 型 C o n c e p t u a 1 i z a t i o n 、 明确 E x p l i c i t 、 形 式 化 F o r ma 1 、 共 享 S h a r e 。2 0世 纪 8 O年 代 末 至 9 O 年代初本体开始被应用于人工智能领域 ， 后来 国 外研究人员将本体引入知识工程领域。本体概念层 次结构清晰， 可以清晰地 、 形式化地描述 目标领域 的 概念和关系， 并且支持逻辑推理 ， 能实现知识共享和 复用 。基于本体的知识系统可以为人与计算机之间 架起一座沟通的桥梁 ， 与其他知识系统相 比具有较 高的可靠性和重用性 ， 同时可增强知识 管理和获取 能力 。就知识表示而言 ， 本体语言作为描述逻辑语 言 ， 兼顾表示能力与推理能力 ， 被学术界认为是较好 的知 识表 示方 法 。对 于本体 在知 识管 理领 域 的理论 及 应用 ， 研 究人 员 已经进行 了深入 和广 泛研究 ， 在 煤 矿领域， 采用本体构建知识能很好地表达隐性知识、 清除 因相 关人 员对 知 识 的 不 同 理解 而 形 成 的 异 构 ， 达到信息共享与业务协同的目的。 为煤矿构建本体模型能够为智慧矿山智能决策 系统的构建提供 坚实 的理论依 据和推理基 础。首 先 ， 本体作为描述领域概念的建模工具 ， 可以提供相 关领域的知识 ， 并通过使用形式化方法描述概念及 相关 的属 性来 实现 对 领 域 知识 的共 同理 解 ， 克 服 人 们对同一煤矿相关信息描述不同的缺陷； 其次 ， 本体 模型为异构煤矿数据 的集成和互操作 、 减少集成过 程 中的语 义 冲突提 供 了一 个 统一 的语 义规格 ； 最 后 ， 通过应用煤矿本体模型及本体推理机能够实现事故 推理 ， 从 而实现 智 能决策 系统 的建设 。 本文针对煤矿掘进工作面 ， 引入本体方法 ， 通过 对该领域 中的相关概念及其所对应 的属性等进行规 范描述 ， 构建煤矿掘进工作面的知识体系 ， 进而实现 煤矿掘进工作面的知识建模 。 2掘进 工作 面相 关知 识 煤矿 的掘进工 作在 煤矿 建设 和生 产 中具有 重要 的地位。井巷掘进 为采煤创造生产条件 ， 掘进工作 服务于采煤 ， 二者相互依存 ， 必须并重， 若采 掘 比例 失调 将会 严重 影 响煤炭 的正 常生 产和 发展 『 4 ] 。虽然 经 过 了几 十 年 的发 展 ， 井 巷 掘 进 技 术 有 了很 大 的进 步 ， 但是 ， 井巷掘进施工是具有相 当危险性的采掘作 业 。 目前 ， 巷 道 的掘 进 方 法大 致 分 为 钻 爆 法 和 机 掘 法 ， 钻爆 法应 用得 较 多 。使用 钻 爆 法 需 要 的 主 要 器 材有雷管、 炸药等 ， 这些器材都是易燃易爆 的， 具有 一 定 的危 险性 。在炸药 爆 炸 的很 短 时 间内释放 出的 大量能量会破碎炮 孔周 围的介质 ， 其 中有部分能量 会通过介质 以冲击波 、 地震波等形式 向外传播 ， 一旦 爆破设计不合理 ， 这部分能量 可能会危及周围人员 和建筑 的安 全 。在 实 施爆 破 时 ， 如果 不 注 意 检 查 瓦 斯 浓度 ， 可 能会 导致 瓦斯爆 炸 。据统 计 ， 发生 在爆 破 时的瓦斯爆 炸事故 占瓦斯爆炸事故总数 的 3 5 以 上 。有 的人 工开 挖 的 硐 室 时 间较 长 ， 有 的开 挖 断 面 小且通 风 不 良 ， 这会 危 害工人 健康 。 掘进工作面的空间狭窄且多变 ， 设备繁多， 噪声 大 ， 人员 集 中 ， 不 安 全 因素 多 ， 因此 事 故多 发 。煤 矿 瓦斯爆炸事故 、 煤与瓦斯 突出事故 、 顶板事故、 透水 事故 、 矿井火灾事故 、 机电运输事故以及职业病在掘 2 0 1 5 年 第 9期 药 慧婷等 掘进 工作 面本 体模 型研 究 9 5 进工作面发生的概率相 当大 。因此 ， 辨识煤矿掘进 工作面的危害并对其进行安全推理对提高掘进工作 面安 全 生产 水平 具有 一 定 的意义 。 3掘 进工 作面 本体 建模 3 ． 1 掘 进 工作 面本 体 定 义 目前 已构建的本体大多是面向特定领域的， 需 要获得公认 的、 权威的领域知识 ， 因此 ， 在搜集煤矿 掘进工作面相关领域知识及相关 的规程和法律法规 后 ， 借鉴 Gr u b e r等嘲对本体构建方法的研究 ， 将现 有相关 的煤矿知识抽象成本体模 型中的类、 属性 、 实 例等 ， 进 而构 建 完整 的掘 进 工作 面本 体 D r i v i n g Wo r k i n g F a c e On t o l o g y ， DWF O 模 型 。掘 进 工 作 面涉及打眼工作、 爆破工作 、 支护工作、 掘进机操作、 装载机操作等各类活动， 包含炮眼布置 、 钻眼机具的 选 用 、 起爆 材料 的选 择 、 支 架 类 型 的选 择 等 知 识 ， 本 体能够将这些繁多、 复杂、 零碎的信息片段按照语义 关 系 和分 层关 系 联 系在 一 起 ， 确 定煤 矿 掘进 工 作 面 领 域 内共 同认 可 的词 汇 ， 为 以后 的知识 检索 、 推 理奠 定 基 础 J 。 掘进工作面本体是指与煤矿掘进工作面相关的 一 种概念化的规范说明。本文采用五元组描述方法 表达掘进工作面本体 DWFO 一 { C， P， R， I ， S 1 式中 DWF O表示掘进工作面本体 ； C表示本体 中 概念 C o n c e p t 的 集 合 ； P 表 示 概 念 对 应 属 性 P r o p e r t y 的集 合 ； R 表示 概 念 之 间关 系 R e l a t i o n 的集合 ； I表示概念 的实例 I n s t a n c e 集合 ； S表示 掘进工作面领域知识本体 中概念或者实例对应 的外 部资源 S o u r c e 的集合 ， 包括视频、 图像 、 文档等 。 3 ． 2 掘 进 工作 面本 体构 建 流程 掘进工作 面本体的构建流程如图 1 所示 。 I 搜 集 煤 矿 领 域 知 识1 ． 定义类的 属性 确定 本 体 领 域 范 围 为 煤 矿 掘 进 工 作 面 l 列 出 文 献 中 涉 及 的 重 要 概 念 术 语 l l一 ● I 建 立 本 体 框 架I I 描 述 类 和 类 层 次 结 构l l 生成本体文档 图 1 掘进 工作面本体构建流程 本体构建步骤 搜集煤矿领域知识 ； 确定本体领 域 范 围为煤 矿掘 进 工作 面 ； 列 出文 献 中涉 及 的重 要 概 念术 语 ； 建 立本 体 框 架 ； 描 述 类 和类 层 次 结 构 ； 定 义类的属性 ； 定义类之间与属性之 间的约束并创建 对象 ； 评价和形式化掘进工作面本体 。 本文采用具有开放性和一定扩展性的本体编辑 工具 P r o t 6 g 6 4 ． 3 来构建煤矿掘进工作面本体 ， 以树 的形式来描述本体。掘进工作面本体包括 的概念有 工作人 员 、 设备 、 环境 、 操 作类 型 、 工 作位置 和煤 矿灾 害等。以设备为例 ， 由于掘进工作面包含了打眼工、 爆破 工 、 支 护工 、 掘进 机 司机 和装载 机 司机 等 多个工 种 ， 所 以设 备 的概念 必 须 含 有 以 上工 种 参 加 工作 时 使用的设备种类 ， 如钻岩工具、 爆破工具、 巷道支架 、 掘进机和装载机等 。其中钻岩工具通常有凿岩机和 电钻 2个大类 ， 凿岩机又分为手持式、 气腿式 、 导轨 式和向上式 4个子类 ， 通过定义其基本属性即眼深 、 所需 体力 劳动 量 、 与水平 方 向所 成 角度等 ， 从 不 同方 面描 述 了这些 概念所 具 有 的属 性 。通过 定义 概念属 性 ， 将 各个 概念 之 间 的关 系形 成一 个 网状 的结 构 ， 从 而表达掘进工作面领域知识 的组 成和知识 问的联 系 ， 进 而快 速准 确 地 检 索 到所 需 要 的知 识 。为 了 能 够保证后续完善本体及实现推理的兼容性 ， 掘进工 作面本体模型概念使用英文命名 ， 见表 1 。 表 1 煤矿掘进 工作 面本体模 型概念 部分 英文名 中文名 英文名 中文名 C u t h o l e 掏槽 眼 P a r a l l e l c u t 直 眼掏槽 An g l e d c u t 斜 眼掏槽 S a t e l l i t e h o l e 扩槽 眼 B r u k u p b o r e h 0 l e 崩落 眼 P e r i p h e r y h o l e 周边 眼 Ro c k d r i l l 凿岩机 B l a s t i n g ma t e r i a l 起爆材料 C o a l mi n e e x p l o d e r s 矿用爆发器 R o a d wa y s u p p o r t 巷道支护 T u n n e l B o r i n g Ma c h i n e 掘进机 B o o mr o a d h e a d e r悬臂式掘进初 为煤矿掘进工作面构建本体时， 充分挖掘井下 掘进 工作 面 的理 论 知识 和 经 验 知识 ， 按 概念 、 属性 、 实例等方式进行分类 ， 并且采用本体的组合式知识 表示方法进行表示 ， 能够提高掘进工作 面领域知识 表示的灵活性 、 全面性以及逻辑性 。 3 ． 3 掘 进 工作 面本体 构建 实例 本文选用基于传统描述逻辑 的 F a C T推理 机实现推理 ， F a C T是基于传统 T a b l e a u算法的 优化技术设 计并实 现 的本 体推 理机 ， 它支 持通 过 P r o t 6 g 6 4 ． 3本体编辑 工具产 生的 O WL语言 的推 理 ， 并且推理效率较高 ， 使用方便 。假定危险工作地