基于改进BP神经网络的煤矿安全评价研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 基于改进BP神经网络的煤矿安全评价研究 姓名杜亚敏 申请学位级别硕士 专业管理科学与工程 指导教师杨力 20100529 摘要 摘要 我国既是产煤大国又是煤炭消费大国，煤炭生产行业的安全状况却非常严峻， 除交通行业外，煤炭行业事故最多、占国内工业死亡人数6 0 ％以上，煤矿安全问 题受到社会各界的普遍关注。及时、准确、有效的煤矿安全评价对煤炭行业的从 业人员、煤矿企业以及社会的稳定都有好处。本文阐述了国内外安全评价理论和 技术的研究情况，在分析了煤矿生产中常见的危险源之后，建立了一系列煤矿安 全评价指标，并利用实际数据得出了一个精度符合要求的评价模型。 本文综述了国内外煤矿安全评价理论和技术的研究现状，并分析了定性评价 和定量评价的优缺点，在论述了我国煤矿安全现状的基础之上，说明了煤矿安全 评价的重要性。 人工神经网络是对人脑的抽象和模拟，通过归纳学习的方式自适应修改各神 经元之间的连接权值，是反映人脑结构及功能的一种数学模型。具有良好的自适 应性、自组织性和强大的学习、联想能力。在人工神经网络的基础之上，详细介 绍采用了误差反向传播算法的B P 网络。 分析了传统B P 神经网络算法的缺陷，为了克服B P 网络收敛速度慢和学习过 程中容易达到局部极小值的缺点，本文运用了引入陡度因子、增加动量项和自适 应学习速率来解决这一问题。 最后，分析了煤矿生产过程中常见的危险源和主要影响煤矿安全的灾害因子， 建立了煤矿安全评价模型，针对传统煤矿安全评价中B P 算法的缺点提出了改进 型的B P 算法，利用M A T L A B 7 中的神经网络工具箱，建立了煤矿安全评价指标 百万吨死亡率 的三层B P 网络模型，借助全国煤矿行业百万吨死亡率的实际 数据完成了应用研究，最终的评价结果与实际数据基本一致。 图1 5 表1 1参9 1 关键词煤矿安全评价人工神经网络；B P 神经网络；M A T L A B 分类号T D 7 6 ；X 9 3 6 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t N o to n l yC h i n ap r o d u c e sah u g en u m b e ro fc o a l ；b u ta l s oi sab i gc o n s u m e ro f c o a l ．B u tt h es a f e t ys i t u a t i o ni sv e r ys e r i o u s ，i na d d i t i o nt ot h et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y , t h e r ea r et h em o s tn u m b e ro fa c c i d e n t so fc o a li n d u s t r y , a c c o u n t i n gf o rm o r et h a n6 0 ％ o fi n d u s t r i a lf a t a l i t i e s ．M o s tp e o p l ei no u rs o c i e t yk e e pe y e so nc o a lm i n es a f e t yi s s u e s ． T i m e l y , a c c u r a t e ，a n de f f e c t i v ec o a lm i n es a f e t ye v a l u a t i o nh a sb e n e f i t st os t a f f so fc o a l i n d u s t r y , c o a lm i n ee n t e r p r i s e ，鹊w e l l 嬲i sg o o df o rt h es t a b i l i t yo fs o c i e t y ．n l i sp a p e r i n t r o d u c e st h ei n t e r n a la n de x t e r n a lt h e o r yo fc o a l m i n es a f e t ye v a l u a t i o n ．A f t e r a n a l y z i n gt h ec o m m o nh a z a r d i nc o a l p r o d u c t i o n , as e r i e s o fc o a lm i l l e s a f e t y e v a l u a t i o ni n d e x e sh a v eb e e nb u i l t ． T h i sp a p e rr e v i e w st h et h e o r yo fc o a lm i l l es a f e t ya th o m ea n da b r o a da n d t e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h a t p r e s e n t ；a l s oa n a l y s e s t h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so f q u a l i t a t i v ee v a l u a t i o na n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n ．O nt h eb a S eo fo u rc o u n t r y ’Sc o a l m i l l es a f e t ya lp r e s e n t , i l l u s t r a t e st h ei m p o r t a n c eo fc o a lm i l l es a f e t ya s s e s s m e n t ． A r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sa na b s t r a c t i o na n ds i m u l a t i o no ft h eh u m a nb r a i na n d c a nc h a n g et h ev a l u eb e t w e e nt h ed i f f e r e n tn e u r o n sa d a p t i v e l yv i ai n d u c t i v el e a r n i n g ．I t h a sg o o ds e l f - a d a p t a b i l i t y , s e l f - o r g a n i z e da n dp o w e r f u ls e l f - s t u d y , a S s o c i a t i o no fi d e a s a b i l i t y ．D e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h eB Pn e t w o r ku s i n g e r r o rb a c k - p r o p a g a t i o na l g o r i t h m b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ． T h es h o r t c o m i n g so fB Pn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mh a v e b e e na n a l y z e d ．I no r d e rt o o v e r c o m et h es l o wc o n v e r g e n c eo fB Pn e t w o r ka n dt h el e a r n i n gp r o c e s se a S i e rt o a c h i e v et h el o c a lm i n i r n u n lv a l u e ，t h i sp a p e ra d o p t st h eu s eo ft h es t e pf a c t o r , i n c r e a s e t h em o m e n t u mt e r ma n da d a p t i v el e a r n i n gr a t et or e s o l v et h i sp r o b l e m ． A tl a S t , a f t e ra n a l y z i n gc o m m o nh a z a r da n dm a i nf a c t o r se n d a n g e rt h es a f e t yo f c o a lm i n ep r o d u c t i o np r o c e s s ，c o a lm i n es a f e t ya S s e s s m e n tm o d e lW a se s t a b l i s h e d ．I n o r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g s ，t r a d i t i o n a lB Pa l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e d ．B P n e t w o r km o d e lo fa s s e s s m e n ti n d e x e s d e a t hr a t ep e rm i l l i o nt o n s h a sb e e nf o u n d e d b yn e u r a ln e t w o r kt o o l b o xo fM A T L A B 7 ．T h ep a p e rf i n i s h e dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h b yu s i n gt h ea c t u a ld a t ao fd e a t h r a t ep e rm i l l i o nt o n so fC h i n e s ec o a li n d u s t r y , a n dt h e f i n a le v a l u a t i o nr e s u l t sa r eb a S i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ld a t a ． 一I I - 摘要 F i g u r e15 t a b l e1 1r e f e r e n c e9 1 K e y W o r d c o a lm i n es a f e t ye v a l u a t i o n , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , B Pn e u r a ln e t w o r k , M A n ．A B C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 7 6 ；X 9 3 6 ．I U 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 中国是一个以煤炭为主要能源的国家。在我国能源生产和消费结构中，煤炭作为一 次能源，一直占到7 0 ％左右，预计在今后3 0 - - - 5 0 年，这一比例仍高达5 0 ％以上，煤炭 生产在社会经济发展中具有非常重要的地位【l 】。煤矿资源的开发和应用，促进了社会财 富的增长，为社会的发展提供了充足的动力基础。中国也是一个煤炭资源大国，煤炭探 明储量1 1 4 5 亿吨，世界排名第三；中国同样是一个煤炭生产和消费大国，能源生产和 消费居世界第二位1 2 1 。但在煤炭开采过程中并未实现对灾害事故的有效控制，煤矿安全 生产形势相当严峻。由于安全生产各环节控制的不够，严重威胁到矿工们的生命安全， 同样威胁到国家和集体的财产，也给社会带来了的沉重经济负担。 1 ．煤矿安全事故总量居高不下 由于我国经济的快速发展，整个社会对能源的需求也加速增长，市场和社会的需求 促使煤炭生产企业满负荷甚至超负荷运行，这给煤炭生产过程中的安全控制带来了巨大 的工作压力。根据国家煤矿安全监察局、国家安全生产监督管理总局的统计数据1 1 】 1 9 9 1 ．2 0 0 9 年1 9 年时间内全国煤矿企业共死亡1 0 7 0 4 1 人，平均每年死亡5 6 3 4 人，每 年全国煤矿发生的重特大事故数都在3 0 0 起上下。其中仅2 0 0 6 年一年，全国发生的各 类安全生产事故共6 2 7 1 5 8 起，死亡人数1 1 2 8 2 2 人；其中煤矿企业发生2 9 4 5 起，占 全国安全生产事故比为0 ．4 7 ％，煤矿事故死亡人数4 7 4 6 人，占全国安全事故死亡人数 比为4 ．2 1 ％。全国共发生一次死亡3 0 人以上的特别重大事故7 起，死亡2 6 3 人，其中 煤矿企业就发生了6 起，死亡2 3 3 人1 3 棚。最近几年来在煤炭产量持续增长的前提下， 百万吨死亡率、全国煤矿死亡人数、特大事故起数等指标相对以往数据虽然有所下降， 但绝对数据仍居高不下，这些数据与与美国、俄罗斯、澳大利亚、印度等其它主要产煤 国家相比，存在着巨大的差距，反映出我国的煤矿安全生产情况不容乐观 见表1 ， 煤矿安全成为全国安全生产工作的重中之重。 安徽理工大学硕士学位论文 表12 0 0 0 - - 2 0 0 9 年全国矿难总人数 T a b l e lT h et o t a ln u m b e ro f c o a m i s h a p sf r o m1 9 9 1t o2 0 0 0 年份 1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 人数6 2 6 95 8 5 45 1 5 26 5 7 46 2 2 2 6 4 9 66 1 4 16 3 0 4 6 4 7 85 7 9 8 年份 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 人数 5 6 7 06 9 9 56 7 0 26 0 2 75 9 8 64 7 4 63 7 8 63 2 1 02 6 3 1 2 ．重特大恶性安全事故时有发生，死亡人数多 从2 0 0 1 年1 月到2 0 0 9 年1 2 月底，全国范围内煤矿共发生1 8 起一次死亡超过5 0 人的特别重大事故，其中有1 0 起一次死亡超过百人的特别重大事故，从表2 可以看出， 从2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年年末，在近一年多时间内接连发生了一次死亡人数超过5 0 人 的特别重大事故8 起，其中一次死亡人数超过百人的有6 起，如此严重和频度的矿难在 我国近4 0 年来实属少见。尤其是山西省襄汾县新塔矿业有限公司发生的尾库溃坝特别 重大事故，一次死亡人数竟达2 7 6 人，此次特大矿难是我国近几十年以来最严重的煤矿 安全事故1 3 】。这些数据均反映了我国煤矿安全生产基础工作仍然十分薄弱，安全管理的 规章制度还有待进一步健全，安全生产监督监察工作还相当困难和艰巨。 ．2 ． 绪论 表22 0 0 4 年1 月2 0 0 9 年1 2 月一次死亡5 0 人以上煤矿重特大事故‘3 】 T a b l e 2S e r i o u sc o a la c c i d e n t st h a tk i l l e dm o r et h a n5 0p e o p l eb e t w e e nt h ey e a ro f2 0 0 4a n d2 0 0 9 - 3 一 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．2 煤矿安全评价的意义 在经历了无数次事故和灾难教训之后，人类为了能够提前预知和有效地控制 各种危险、各种有害因素，创建了安全评价技术来保障人身健康和财产的安全。 根据安全评价通则 A Q S 0 0 1 ．2 0 0 7 第4 ．2 节定义如下安全评价是以实现工 程、系统安全为目的，应用安全系统工程原理和方法，对工程、系统中存在的危 险、有害因素进行辨识与分析，判断工程、系统发生事故和职业危害的可能性及 其严重程度，从而为制定防范措施和管理决策提供科学依据【9 d 1 1 。安全评价就是 对被评价对象系统的整体运转状态的危险状况和危险程度的评估，以此来确定人 类社会对该系统的认可程度和认可与否，并为系统安全水平的进一步改进和事故 的预防提供信息支持。煤矿安全是全国安全生产工作中非常重要的一个部分，理 论有效和现实可行的煤矿安全评价技术可以评价煤矿当前的安全状况，找出影响 煤矿安全的不稳定因素，提前加以整改和控制，从而达到防忠于未然的目的。煤 矿安全评价理论就是从煤矿开采和煤矿安全的因子出发，分析、评价由此产生的 损失及伤害的可能性、严重程度、影响范围，并提出相应的预防和防范等整改措 施。安全评价的主要作用有以下5 点 1 - 有助于加强煤炭企甚至是整个煤炭行业的防灾减灾工作，增强防患意识。对煤 炭企业的当前安全生产状态进行评价，如同做了一次安全大检查，既促使企业内 部的管理机构对安全管理工作的重视，从而促使企业中的管理者调动本企业内各 环节、各单位的力量针对不安全因子进行改革或改进；又增强了煤炭企业管理部 门改善安全生产工作的决心，更主要的是使企业内部职工对本企业的不安全程度 和灾害因子等有了一个清醒、全面、彻底的了解和认识。 2 ．进行煤矿安全评价时，从安全理论和安全技术的角度出发，分析、检查、测试 煤矿各生产系统、辅助系统及各子系统已经存在的或潜在的危险源和各种影响煤 矿安全因子的分布、可能导致事故的潜在危险源。同时安全评价可以使企业预先 识别煤矿的危险源，从而促使煤矿管理者统一安排、统筹计划，调动各部门、各 环节及各工种提前进行监测和检查，并采取预防和控制措施，确保煤矿企业安全 生产，从而提高经济效益和社会效益。 3 ．促使煤矿企业的生产和运营遵守国家相关的安全法律、法规的规定。通过煤矿 安全评价的结果和国家有关法律、法规、标准和规程相比较，帮助煤矿企业找出 当前存在的各种安全方面的问题和可以改进的地方，从而促使煤矿企业的生产过 程实现科学化和标准化，同时促进煤矿企业将安全生产工作逐步走入法制化和规 ．4 ． 绪论 范化的轨道上来。 4 ．能够帮助煤矿企业更加合理地确定本企业在安全领域方面的投资方向。在煤矿 安全评价过程中不仅可以明确煤矿生产系统中存在的不安全、有害因素，识别各 种危险源，而且还能够评价不安全、有害因素进一步发展为事故的可能性及事故 可能造成损失的程度，从而计算和评价事故造成的损失程度，从而达到合理地预 知危险存在的可能性，选择控制、消除事故发生的技术措施的目的，确定安全方 面的投资与可能减少损失效益的函数关系，促使煤矿企业安全方面的投入产出比 达到最大。 5 ．有助于综合、全面地提高煤矿企业的安全生产、管理水平。安全评价可以为煤 矿企业客观反映安全管理现状，分析出煤矿安全方面存在的问题，向煤矿管理者 和作业人员提出不合理的生产流程及不安全的装备、设施可能导致的事故及后果 的严重程度。煤矿安全评价促使企业从以往的凭经验的“事后处理“ 安全管理模 式向“事先预防”转变。通过对煤矿企业的安全评价，可以预先识别和发现煤矿 生产系统中存在的有害因子，全面地评价系统及各子系统的不安全程度和安全管 理状况，有针对性地提出相应的安全管理方面的预防措施，促使煤矿达到有关安 全规定的要求。 总而言之，煤矿安全评价可以有助于加强煤炭企业的防灾减灾工作，从而改 善煤矿企业的安全管理现状并促进企业安全管理水平的提升；为煤矿安全事故的 预防和控制提供科学、合理的安全对策；有助于更加合理地确定煤矿企业的安全 投资方向，促使煤矿企业安全的投入产出比达到最大；煤矿安全评价有助于提高 煤矿企业的安全管理水平，安全评价可以为煤矿企业客观反映安全管理现状，分 析出煤矿安全方面存在的问题，向煤矿管理者和作业人员提出不合理的生产流程 及不安全的装备、设施可能导致的事故及后果的严重程度；煤矿安全评价也可以 使安全管理模式从以往的凭经验的“事后处理“ 向“事先预防“ 转换。 所以，煤矿安全评价对煤矿企业的安全生产具有非常重要的意义，可以降低 煤矿企业因安全事故带来的人员伤亡和财产损失，并为煤矿安全生产带来较为明 显的经济效益和社会效益。 1 ．3 国内外研究现状 国内外应用于煤矿安全评价的方法目前主要分为定性评价和定量评价。定性 ．5 - 安徽理工大学硕士学位论文 评价主要是通过专家、学者来“估计“ 危险程度或安全状况，定量评价是通过一 定的指标体系或数学模型来“计算”出风险的大小。定性评价和定量评价各有优 缺点和使用限制条件，在现实应用中一般采用两种方法相结合的方式来评价煤矿 安全状况。 1 ．3 ．1 国内研究现状 1 ．国内安全评价政策规定的发展 国家安全生产监督管理局于2 0 0 2 年颁布了关于加强安全评价机构管理的意 见，该文件明确定义了安全评价的概念，并把以前规定的单一的预评价扩展为安 全预评价、安全验收评价、安全现状综合评价和专项安全评价等4 种类型，4 种 类型的评价覆盖了建设项目和工程的整个生命周期，符合安全生产工作的需求。 2 0 0 3 年，国家安全生产监督管理局先后颁布了安全评价导则、安全评价通则、 煤矿安全评价导则、安全验收评价导则等关于安全评价的相关规定，这些 规章制度放在一起便构成了安全评价技术体系。2 0 0 5 年，国家安全生产监督管理 局又陆续颁发了安全评价人员资格登记管理规则、安全评价过程控制文件编 写指南、安全评价人员考试申请表、安全评价机构考核管理规则等文件。 2 0 0 9 年1 0 月1 日起施行新修订的安全评价机构管理规定进一步细化了安全 评价的相关要求，促使安全评价工作和安全评价的管理更加合理、规划协1 5 1 。 2 ．国内安全评价研究现状 我国是从二十世纪8 0 年代后期开始推行安全评价的，和发达国家相比较则起 步较晚，但随着科技的发展和国家相关部门的重视，安全评价理论、方法和技术 的研究有了快速的发展，许多部门和行业管理单位都制定了部门或行业的安全评 价方法和标准，在全国范围内广泛开展了企业的安全评价工作。煤炭行业安全评 价与其它行业相比，时间上几乎同步，但研究的规模、深入程度相对化工、航空、 航天等行业要落后[ 1 6 1 5 1 。 1 定性安全评价方法 定性的安全评价方法主要是安全评价人员根据相关工作经验和直观判断对生 产系统的环境、管理、工艺、设备、人员等方面进行定性分析与评价，评价的结 果是一些定性的指标，操作简易可行，应用起来比较方便，并且便于掌握，但科 ．6 ． 绪论 学性和针对性不强，技术含量不高，融入了较多的主观感情因素，易受评价人员 的专业背景、经历和经验等因素的影响，易造成评价结果和真实情况之间的偏差。 主要有专家评议法、专家现场询问观察法、因素图分析法、安全检查表分析法、 预先危险分析法、作业条件危险性评价法、故障假设分析法、危险可操作性分析 等定性评价方法用于煤矿安全评价。 2 定量安全评价方法 定量安全评价是运用基于大量的事故资料和充足的实验结果统计分析获得的 指标，对生产系统中影响安全性能的环境、设备、工艺、管理和人员等因子进行 计算，‘评价结果是获得一些可以评价安全状况的定量指标。定量评价方法可分为 概率法、熵值法、灰色关联度法、指数法、主成分分析法、模糊评价法和神经网 络评价法。 定量评价方法的主要优点是尽可能减少人的感情因素的影响，评价技术科学 合理，依据安全评价指标体系计算出的结果与实际较为吻合，评价结果对安全生 产有一定的指导作用。煤矿安全评价不提倡“绝对安全”，而是在综合考量经济 发展程度与企业经济能力、科技的发展和成本等因素的同时，强调“相对安全’’。 在改善煤矿企业的安全状况时考虑到企业本身实际的生产能力和经济实力，安全 条件的要要求或改进对企业来说要具有可操作性，在决策过程中适当地分配与优 化企业有限人、财、物资源，提高煤矿企业的安全性，减少各类安全生产事故， 从而达到经济效益和社会效益的最大化。 由于近年来我国煤矿安全事故频发，国家投入了大量的人力、物力、财力进 行安全评价理论和方法的研究，并在煤矿安全评价指标权值确定方法方面也做了 深入的探讨和研究。我国学者在煤矿安全评价定性方面的贡献有层次分析法、 安全检查表分析法、德尔菲法、综合法等；在定量安全评价方面的主要成果有 模糊评价法、神经网络评价法、灰色关联度法、煤矿动态安全评价方法、熵值法、 主成分分析等。施式亮等人研究了非线性动力学系统和神经网络理论在煤矿安全 评价中的应用；王莉等人利用联系熵的方法建立起煤矿安全评价的联系熵模型，利 用该模型可以得出煤矿自然条件的安全状况；程卫民、宋子岭等人把组合赋权法、 欧氏距离法等理论方法应用于煤矿安全评价。 ．7 - 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．3 ．2 国外研究现状 安全评价最早起源于2 0 世纪3 0 年代的保险业。保险公司在衡量风险程度的 过程中产生了风险评价，风险评价的发展为保险公司提供了收取费用的依据，也 促使国家政府和公司集团加强了对安全评价理论和技术的重视，开展风险评价理 论和方法的研究。 2 0 世界6 0 年代，系统安全工程的发展极大推动了安全评价技术的发展，开 始了全面、系统地研究企业、装置和设施的安全评价原理和方法的历史阶段。1 9 6 1 年美国的W a t s o n 在研究导弹发射控制系统的安全性评价时提出了事故树分析法， 极大地推动了安全评价方法的发展。1 9 6 4 年美国D O W 化学公司开创了化工生产危 险度量安全评价的历史，该公司根据化工企业使用的原料的物理、化学性质、生 产中的特殊危险性，考虑到具体工艺处理过程中的一般性和特殊性之间的差别以 及物量等因素的影响，以火灾、爆炸指数形式定量的评价化工生产系统的危险程 度，形成了经典性的D O W 火灾爆炸指数评价方法。经过多年的发展，该评价方法 已经趋于成熟。1 9 7 2 年美国原子能委员会委托麻省理工学院的专家组对商用核电 站进行安全评价。1 9 7 4 年发表了“W A S H 一1 4 0 0 “ 评价报告书，采用事故树分析方 法，对“核反应堆堆芯熔化“ 事故的概率、危险后果进行了定量评价，引用了各 国的关注和重视。1 9 7 4 年英国帝国化学公司 I C I 蒙德 M o n d 部在道化学公 司评价方法的基础上提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性危险指标评价法’’。日本劳动 省在1 9 7 6 年提出了“化学工厂六步骤安全评价法“ 。1 9 7 6 年，荷兰劳动安全总局 根据道化学公司火灾爆炸指数法第四版也提了化学工厂危险评价、法1 1 9 1 。 2 0 世纪7 0 年代以后，世界范围内发生了多次震惊世人的爆炸、火灾、毒气 和核电站泄漏等事故，造成严重的人员伤亡和财产损失，也给环境带来了巨大的 破坏，促使各国政府、议会立法或颁布规定，规定工程项目、技术开发项目都必 须进行安全评价，并明确规定了对安全设计的要求。 国外煤矿安全评价目前主要是以概率风险为基础，把煤矿安全系统中隐患导 致事故的概率与隐患造成的损害的乘积作为系统状态的危险度。这种方法对隐患 发生的概率和损害统计不够细致，缺乏实用性，且只讨论了这些数据的模糊性问 题。其他的安全评价方法，如波兰M ．费利卫皮提出的以人一机为主的安全评价法、 澳大利亚的A ．R ．．格林提出的煤矿操作安全评价法以及日本的隧道安全评价法等， 尚停留在研究阶段，没有达到实用阶段，比不上其它行业的应用和发展水平。 F l l i p e k 提出了矿山工程安全评价方法，该法是对各主要危险源分别给出不同的评 ．8 一 绪论 价函数，根据情况确定评价函数中评价因子的取值，然后计算评价函数的函数值， 最后根据函数值的大小进行危险分级，并采取适当的防范措施。该方法把煤矿中 瓦斯、水、火和顶板作为评价指标，建立瓦斯爆炸评价函数、水灾评价函数、火 灾评价函数和冒项评价函数，根据四个评价函数的得分，并对照危险性分级表确 定矿井的危险等级。H o l l n a g a l 提出了以人一机交互为主的安全评价和灾害预测方 法，该方法对煤矿人机致灾因素进行了认真分析，较好地应用于矿山安全评价 1 2 0 - 2 3 ] o 总之，近年来安全评价技术在世界范围内的得了极大的发展，安全评价方法 有近百种之多，最常见的煤矿安全评价结构模型如下图所示 图1 。 图l 煤矿安全评价结构模型图 F i g1S t r u c t u r a lm o d e lo f c o a lm i n es a f e t ye v a l u a t i o n ．9 ． 安徽理工大学硕士学位论文 2 人工神经网络理论 2 ．1 人工神经网络的基本原理 人工神经网络 简称为A N N ，A r t i f i c i a lN e t w o r k 是对人脑若干基本特性的抽象和 模拟，并试图通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理，它是由人工 建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，并通过归纳学习的方式自适应修改各神经元之 间的连接权值，是反映人脑结构及功能的一种数学模型【2 训。人工神经网络具有自适应和 自学习的能力，可以通过提供一组相对应的输入、输出数据 学习样本 ，分析、学习 数据之间潜在的规律，最终根据这些规律，推算出新的输入数据 测试样本 。 2 ．1 ．1 人工神经网络模型 人工神经网络是参照生物神经网络发展起来的，人工神经元是对生物神经元的简化 和模拟。神经元是由细胞体、树突和轴突三部分组成，树突是细胞的输入端，轴突是细 胞的输出端，细胞体是由细胞核、细胞质、细胞膜等组成f 2 5 】。 按照生物神经元的结构和工作原理，构造一个人工神经元如下图所示 图2 。 p l p 2 p R 图2 人工神经元模型图 F i g2D i a g r a mo fa r t i f i c i a ln e u r a lm o d e l 人工神经元是人工神经网络的基本单元，从图中可以看出，它相当于一个多输入单 输出的非线性阈值器件。定义P - - - 【p l ，p 2 , ⋯，弘】1 表示其他神经元的轴突输出，亦即该 神经元的输入向量W 【w l ，W 2 ，⋯，W R 】表示其他神经元与该神经元R 个突触的连接 强度，亦即权值向量，其每个元素的值可正可负，分别表示为兴奋性突触和抑制性突触； 土 0 为神经元的阈值，如果神经元输入向量的权值的权值和芝w i p i 大于口，则该神经元 百 被激活，所以输入向量的加权和也称为激活值；．厂表示神经元的输入输出关系函数，即 传输函数。因为激活值越大，表示神经元的膜电位总和越大，该神经元兴奋所发放的脉 ．．1 0 ．． 人工神经网络理论 冲数越多，所以传输函数一般为单调升函数。但它又是一个有限值函数，因为神经元发 放的脉冲数是有限的渊。这样，神经元的输出可以表示为 尺 a S E w 弘一秒 2 ．1 i 1 m ∽ 协髦 l 1 ， n e t ≥1 m 叫_ { 半，一1 n e t 1 1 0 ， n e t ≤- 1 m 专 m i e x 一≯e - X S 型函数反映了神经元的饱和特性，由于其函数连续、可微，调节曲线的参数可以 得到类似阈值函数的功能，因此它得到了广泛的应用，在一些典型的网络模型，如B P 网络中就采用了这种类型的传输函数。 安徽理工大学硕士学位论文 2 ．1 ．2 人工神经网络的特点 心理学家W ．M c C u l l o c h 和数学家W ．P i t t s 合作，于1 9 4 3 年从数理逻辑的角度，提 出了神经元和神经网络最早的数学模型 M c C u l l o c h P i t t s ，M P 模型 ，其神经元的输入 输出关系为 肜 s ig n ∑W j , X ，一秒J 2 ．2 f 其中，输入输出均为二值量，W i j 为固定的权值。利用这样一个简单网络可以实现 一些逻辑关系，为神经网络的进一步发展打下了基础。但由于受当时研究条件的限制， 很多工作不能模拟，在一定程度上影响了M P 模型的发展。从8 0 年代开始，由于条件 的成熟和科研工作者的重视，人工神经网络理论发展迅速。 人工神经网络有以下几个突出的特点[ 2 6 - 3 0 ] 1 分布式存储信息。其信息的存储分布在不同的位置，神经网络是用大量神经元 之间的连接及对各连接权值的分布来表示特定的信息，从而使网络在局部网络受损或输 入信号因各种原因发生部分畸变时，仍然能够保证网络的正确输出，提高网络的容错性 和鲁棒性。 2 并行协同处理信息。神经网络中的每个神经元都可根据接收到的信息进行独 立的运算和处理，并输出结果，同一层中的各个神经元的输出结果可被同时计算出来， 然后传输给下一层做进一步处理，这体现了神经网络并行运算的特点，使网络具有非 常强的实时性。虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络 系统所能实现的行为是极其丰富多彩的。 3 信息处理与存储合二为一。神经网络的每个神经元都兼有信息处理和存储功 能，神经元之间连接强度的变化，既反映了对信息的记忆，同时又与神经元对激励的响 应一起反映了对信息的处理。 4 良好的容错性与联想记忆功能。 5 对信息的处理具有自组织、自学习的特点，便于联想、综合和推广。神经网 络的神经元之间的连接强度用权值大小来表示，这种权值可以通过对训练样本的学习而 不断变化，而且随着训练样本量的增加和反复学习，这些神经元之间的连接强度会不断 增加，从而提高神经元对这些样本特征的反映灵敏度。 ．1 2 ． 人工神经网络理论 2 ．1 ．3 人工神经网络学习的分类 人工神经网络与生物神经网络一样，必须经过学习，才具有智能特性。人工神经网 络的学习过程，实际上就是不断调节权值和阈值的过程。模仿人的学习过程，人们提出 了多种神经网络的学习方法，其中主要有三种形式有教师学习、无教师学习和强化学 习【3 l 删。 1 有监督学习 教师学习 有教师学习是在有“教师“ 指导和考察的情况下进行学习的方式，如下图所示 图 3 。 期望输出 图3 有监督 教师 学习方式 F i g3L e a r n i n gs t y l eu n d e rs u r v e i l l a n c e 2 无教师学习 无监督学习 无教师学习不存在“教师“ 的指导和考察，是靠神经网络本身完成的，如下图所示 图4 。 p 输入 图4 无监督 教师 学习方式 F i g4U n s u p e r v i s e dl e a r n i n gs t y l e ．1 3 ． 安徽理工大学硕士学位论文 由于没有现成的信息作为响应的校正，学习则是根据输入的信息，根据其特有的网 络结构和学习规则来调节自身的参数或结构 这是一种自学习、自组织过程 ，从而使 网络的输出反映输入的某种固有特性 如聚类或某种统计上的分布特征 。 3 强化学习 再励学习 强化学习介于上述两种学习方式之间，如下图所示 图5 。 口 出 图5 强化