基于RS-SVM的瓦斯爆炸危险源评价及预警系统研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 基于RS-SVM的瓦斯爆炸危险源评价及预警系统研究 姓名赵华杰 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师田水承;范公勤 论文题目基于 RSSVM 的瓦斯爆炸危险源评价及预警系统研究 专 业安全技术及工程 硕 士 生赵华杰 （签名） 指导教师田水承 （签名） 范公勤 （签名） 摘 要 瓦斯爆炸事故是我国煤矿安全的“第一杀手” ，严重威胁煤矿职工的生命安全和煤 炭工业的可持续发展。为了对瓦斯爆炸事故进行有效的控制，本文在分析煤矿瓦斯爆炸 危险源的基础上， 提出并建立了基于 RSSVM 的瓦斯爆炸危险源评价模型， 同时结合矿 山具体情况进行瓦斯爆炸预警系统研究，对于加强瓦斯爆炸危险源管理，降低煤矿事故 发生率具有重要的现实意义。 本文首先综述了煤矿危险源理论、辨识方法及评价的一般程序，在此基础上，分析 了煤矿瓦斯爆炸危险源的特点，并从三类危险源的观点出发分析了影响瓦斯爆炸的五种 危险源因素，得出绝大部分瓦斯爆炸事故的发生是五个基本因素同时存在并相互作用的 结果，其中管理缺陷是导致瓦斯爆炸事故发生的最根本的原因。 其次，根据煤矿瓦斯爆炸三类危险源分析，针对煤矿掘进面建立了瓦斯爆炸危险源 评价指标体系；将粗糙集知识约简的特性和支持向量机多分类原理相结合，研究瓦斯爆 炸危险源评价方法，建立了煤矿掘进面瓦斯爆炸危险源安全评价模型。结合现场调查资 料，通过实际算例分析检验发现该模型的计算结果与实际情况基本吻合，表明该模型具 有较好的适用性和可行性。 最后，将上述成果应用于河南义马矿区瓦斯智能预警系统的子系统瓦斯爆炸预 警系统的开发中，进行瓦斯爆炸预警系统功能分析与系统架构设计，实现了系统开发并 得到初步应用，对提高煤矿日常安全管理效率，提高煤矿安全监控和管理水平具有现实 意义。 关 键 词粗糙集；支持向量机；瓦斯爆炸；三类危险源；安全评价；预警系统 研究类型应用研究 Subject Research on Safety Assessment and Earlywarning System of Gas Explosion Based on RSSVM Specialty Safety Technology and Engineering Name ZHAO Huajie Signature Instructor TIAN Shuicheng Signature FAN Gongqin Signature ABSTRACT Gas explosion accident is the first killer of mine safety in china, so it is a serious threat to the lives of the mine workers and the sustainable development of coal industry. In order to control gas explosion accident effectively, based on the analysis of the gas explosion hazard, proposed and constructed the safety assessment model of gas explosion hazard based on RSSVM. At the same time, combined with the mine situation, the gas explosion earlywarning system was studied. It has importantly practical significance to strengthen the management of gas explosion hazard and to reduce the incidence of coal mine accident. Firstly, based on the review of the theory of hazards, its of identification and the general procedure of safety assessment, analyzed the characteristics of gas explosion hazard, and analyzed five affected factors from the respects of three types of hazard of gas explosion in coal mine, The results show that most of gas explosion accidents owe to interaction and coexist of the five basic conditions, especially, management deficiencies is the fundamental reason of gas explosion accidents. Secondly, according to analysis of three types of hazards of gas explosion, constructed assessment index system of gas explosion hazard in coal mine heading face, and then combining the property of reduction of knowledge of rough set and multiclass principle of support vector machine to research the for safety assessment of gas explosion hazard, construct a safety assessment model of gas explosion hazard based on RSSVM in coal mine heading face. Through applying to the data from mine field in calculation analysis of samples, the model was verified that it has better applicability and feasibility because the result is consistent with the actual situation. Finally, those research achievements were applied in the research of the development of gas explosion earlywarning system, which is a subsystem of the gas earlywarning system in Yima mining area in Henan province. Through completing the function analysis and architecture design of the system, the development of system was achieved and obtained preliminary application. It can play a decision assistant role in the daily management of the coal mine, and have practical significance to improve the level of safety monitor and management in coal mine. Key words rough set support vector machine gas explosion three types of hazard safety assessment earlywarning system Thesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 我国煤炭产量占全世界煤炭总产量的 37左右， 但事故死亡人数却占全世界煤矿死 亡总人数的 70左右 [1] 。虽然近年来煤矿事故起数和死亡人数持续下降，但事故的总量 依然偏大。煤矿瓦斯、水灾、火、粉尘以及顶底板等都是危险源，给煤矿安全生产带来 很大的安全隐患， 严重威胁矿工的人身安全和国家财产安全， 造成重大经济损失。 从 1994 年至今，我国煤矿事故死亡人数统计情况见表 1.1。 表表 1.1 1994～～2009 年间煤矿事故死亡人数统计年间煤矿事故死亡人数统计 年份 死亡人数（人） 年份 死亡人数（人） 1994 9384 2002 6995 1995 9659 2003 6437 1996 8036 2004 6027 1997 9512 2005 5986 1998 7508 2006 4746 1999 6536 2007 3786 2000 5798 2008 3210 2001 5670 2009 2700 煤矿瓦斯是煤矿重大危险源之一，煤矿瓦斯事故危害性大，一次事故往往造成很大 的人员伤亡。新中国成立以来发生的 24 起煤矿一次死亡百人以上的特别重大事故中， 瓦斯煤尘事故有 21 起，事故起数和死亡人数分别占 88和 90。瓦斯对矿井安全的威 胁主要有爆炸、突出、窒息三种形式，其中瓦斯爆炸给煤矿带来的危害极大，严重威胁 着井下人员的生命和矿井设备、设施的安全 [2] 。 在我国矿井中，瓦斯爆炸在瓦斯灾害中占很大比例；瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波 和高温火焰，往往导致群死群伤，不仅造成大量人员伤亡。而且扬起的煤尘又会参与爆 炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井。2009 年 9 月 8 日 1 时 0 分，河南平顶山 市新华区新华四矿井下发生瓦斯爆炸事故，遇难 54 人。2009 年 2 月 22 日 2 时 17 分， 山西西山煤电集团屯兰煤矿南四盘区发生瓦斯爆炸事故，78 人遇难。2007 年 12 月 5 日 23 时 15 分，山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司井下发生瓦斯爆炸事故，105 人 遇难。2005 年 2 月 14 日 15 时 03 分，辽宁阜新矿业集团公司孙家湾煤矿发生特大瓦斯 事故，遇难人数达 214 人，是近年来全国最严重的煤矿瓦斯爆炸事故。这些事故暴露出 我国煤矿安全生产基础仍很薄弱，所以，煤矿安全工作者所面临的严重挑战就是加强对 西安科技大学硕士学位论文 2 瓦斯危险性的研究， 确定煤矿瓦斯爆炸的危险性， 开发有效的瓦斯爆炸危险性评价技术， 客观、 科学地对瓦斯爆炸危险性进行评价。 并且根据评价结果实现分类管理， 重点控制， 以确保矿井的安全生产。 煤矿井下可能存在复杂的人、机、环、管理因素并存的危险源系统，并在时间、空 间上交织，事故发生机理各异。而目前我国煤矿方面的安全评价工作在研究深度和规模 上还较为传统，存在一定的局限性，对安全评价的理论和技术研究等不够深入，大多借 用其它行业的现有技术。因此有必要研究新的、有效的评价方法，做好危险源的全面辨 识、控制和事故前的预防、预警工作。针对以上情况本文全面分析造成煤矿瓦斯爆炸的 各种因素，采用粗糙集与支持向量机结合的方法开展对煤矿瓦斯爆炸危险源的评价的研 究，并结合计算机技术，尝试开展煤矿瓦斯爆炸预警系统的研究。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 风险评价的研究现状与发展 （1）国外研究现状与发展 风险评价始于 20 世纪 30 年代保险业 [3] ，在国内常称安全评价或危险评价。国外安 全评价工作起步较早，20 世纪 40 年代，Zuckerman 教授领导的研究小组首先将系统思 想引入安全评价领域。1961 年美国 Watson 在研究民兵式导弹发射控制系统之安全评价 时提出了 FTA 方法。1964 年美国 DOW 化学公司开发了火灾与爆炸指数危险性评价方 法，开创了化工生产危险度（半）定量评价的历史，后经过不断修改完善，至 1994 年 形成第七版。1975 年，J.Rusmusen 利用概率危险评价（PRA）方法，对核电站安全性进 行了危险评价，取得了令人非常满意的结果。1976 年英国 ICI 公司 MOND 工厂提出了 蒙德评价法。各国随后相继开展了危险评价的进一步研究工作，荷兰应用科学研究院， 英国生产安全管理局、日本安全工学学会等机构相继开展了危险评价的研究并提出了各 自的危险评价方法。美国 K.J.格雷尼姆和 C.F.金妮提出“多因子评分法” ，即 LEC 法， 用来评价人们在具有潜在危险性环境中作业时的危险性半定量评价方法。美国化工化学 工程师协会下属的化工安全中心于 1985 年出版了安全评价指南一书，其中介绍了 11 种常用安全评价方法 [4] 。后来安全评价逐渐形成了较完善的体系，目前作为一种独立 的产业形式在国外发达国家不断发展。最常用的评价方法有故障树分析、事件树分析、 危险可操作性研究 [5] 、危险性预先分析、故障模式及影响分析、管理失效与风险分析等。 国外煤矿的安全评价研究也是随着其它行业的安全评价发展而逐步建立的，但由于 煤炭行业的安全评价研究工作起步较晚，研究深度和广度远不如化工、核工业、航空、 航天等领域。其研究和应用主要集中在以下几个方面①以概率风险评价方法为基础的 矿山安全评价法。如 R.V.罗曼尼教授提出的以韦布尔分布确定事故平均周期、每天的危 1 绪论 3 险率、安全性指数法；澳大利亚的 A.R.格林提出的煤矿操作安全评价法；波兰 M.费利 卫皮提出的以人机为主的安全评价和灾害预测以及日本的隧道安全评价方法等 [6] ； ②数据库和计算机技术在生产系统安全评价工作中得到较大范围的推广和应用。人工智 能技术与安全评价技术的很多国家都开发出了安全评价软件。 1989 年， 荷兰的科学家咨 询公司研究开发了 SAVEⅡ安全评价软件包， 到 1990 年建立了 15 类事故评价模拟模型。 1989 年美国 TMS 公司开发 Safe Mode 安全评价软件包，该软件包除建立了危险物质据 库外，还建立了化学物质泄漏、扩散、火灾以及爆炸等模型。1989 年，意大利 STA 公 司开发了 STAR 安全风险评价软件包，适用于项目的前期评价；③安全评价过程中的局 部关键技术得到了较快发展。在安全评价的系统理论和方法发展的同时，局部关键技术 开发得到了足够的重视。如在可靠性理论研究过程中研究了系统及元件失效概率的估计 问题，以及可供系统安全性评价借鉴的概率估计方法。把贝叶斯概率理论应用于评价化 工装置灾变概率的估计，充分利用了人类积累的知识经验与系统的客观过程 [7] 。这对状 态不明确系统的科学、定量安全评价研究的贡献是有历史意义的。 （2）国内研究现状与应用 20 世纪 70 年代以来，有关安全评价，安全系统工程的文献资料引入我国，受到了 有关部门重视，开展了研究、开发和应用工作。首先在机械、冶金、化工等行业和部门 进行了开发、研究和应用。后来发展到航空、交通运输、水电、汽车、核电等行业和部 门。 煤炭工业的安全管理和评价研究与其它行业相比， 时间上几乎同步， 但研究的规模、 深度要落后于原机械电子工业部、建设部与劳动部门。1982 年，煤炭工业部制定颁发了 矿井通风质量标准及检查评定办法 ，作为矿井通风安全管理部门的检查标准；1986 年，原煤炭工业部制定了生产矿井质量标准化标准 ，作为行业标准实行。并于 1994 年进行了修订。其内容包括开采、掘进、通风、运输、瓦斯，是目前煤矿使用最多的评 价标准。 研究人员还将概率统计方法、 模糊数学、 神经网络和灰色理论等运用到安全评价中， 拓展了原有的方法和应用范围， 建立了一系列的煤矿安全评价方法， 如层次分析评价法、 灰色聚类评价法、模糊综合评价法、人工神经网络评价法等。 此外，福州大学的沈斐敏教授等对矿井安全评价中安全心理测试系统进行了研究； 中国矿业大学邓海洲（2008）应用模糊综合评价方法对煤矿生产系统进行评价 [8] ；孙斌 （2005） 应用灰色关联分析法进行瓦斯爆炸事故危险源评价研究 [9] ； 田水承教授等 （2006） 提出了基于 SPA 模型的煤矿瓦斯危险源风险评价方法 [10] ；东北大学张士昌（2006）应 用 BP 神经网络与小波神经网络进行事故隐患危险性评价研究 [11] ；张安元（2004）等运 用 Delphi 法确定井下两类重大危险源并进行评价 [12] ；武汉理工大学李远远（2009）将 粗糙集理论引入安全评价研究中，利用粗糙集原理确定指标权重并结合模糊综合评判法 西安科技大学硕士学位论文 4 进行综合评价 [13] 。 1.2.2 粗糙集的研究现状与发展 粗糙集（Rough Set，RS）理论是由波兰数学家 Z.Pawlak 于 1982 年提出的一种研究 不完全数据、不确定知识的表达、学习、归纳的新型数学工具 [1415] 。它能有效地分析不 精确、不一致、不完整等各种不完备的信息，还可以对数据进行分析和推理，从中发现 隐含的知识，揭示潜在的规律和推理。粗糙集理论的重要特点是具有很强的定性分析能 力，仅利用数据本身提供的信息，无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信 息，所以对问题的不确定性描述或处理是比较客观的。近几年来，粗糙集已在很多领域 得到了广泛应用。 （1）国外研究现状与发展 目前，RS 理论已应用于模式识别、股票数据分析、地震预报、冲突分析、知识发 现、专家系统及决策分析 [16] 等研究领域。Nejman（1994）应用粗糙集方法研究了手写字 符识别问题，提取了特征属性 [17] ；Golan（1995）等运用粗糙集方法分析了股票的历史 数据，研究了股票价格与经济指数之间的依赖关系，获得的预测规则得到了华尔街证券 交易专家的认可 [18] ；Teghen（1992）研究了地震前的地质和气象资料与里氏地震级别的 依赖关系 [19] ；Deja（2000）应用粗糙集方法建立了反映以色列、巴基斯坦、约旦、埃及、 叙利亚和沙特阿拉伯等六国关于中东和平问题各自的谈判模型 [20] 等等。另外，希腊发展 银行 ETEVA 应用粗糙集理论协助制订信贷政策是粗糙集理论多准则决策方法的一个成 功范例； 加拿大 Reduct System Inc 公司开发了用于数据库知识发现的软件 Data Logic R， 可为科研领域和工业界服务；美国肯萨斯大学开发了一套名为 LERS（Learning from Examples Based on Rough Sets）的基于粗糙集的经验学习系统，它能从大量经验数据中 抽取出规则，被美国国家航空航天管理局（NASA）的约翰逊（John son）空间中心采用， 为“自由号” （Freedom）空间站上的医疗决策服务；波兰波兹南工业大学（Poznan University of Technology）开发了软件 Rough DAS；加拿大 Regina 大学开发的 KDDR 是基于变精度粗糙集模型（Variable Precision Rough Set，VPRS） ，通过改变粗糙程度而 使数据中隐含的模式更清楚的显示出来。 （2）国内研究现状与应用 我国在粗糙集领域的研究起步较晚，2001 年 5 月在重庆召开了中国第一届 Rough 集与软计算学术研讨会 [21] ，以后每年举办一次与粗糙集有关的国家级学术会议，到目前 为此，先后在重庆、苏州、重庆、舟山、鞍山、金华和太原等地召开；目前，很多研究 所和高校己经加入到这个领域中，对粗糙集理论有了较为深入的研究，有些高校，已经 形成了从硕士、博士到博士后的一支研究梯队。从研究水平来看，我国学者在粗糙集理 论某些方面的研究己经接近国际同行的先进水平。 1 绪论 5 粗糙集理论在矿业工程领域的应用尚处于探索和开发阶段，正逐渐被一些矿业工程 方面的专家学者所认识。如黄光球等（2003）利用粗糙集理论给出矿井通风经验公式的 确定方法 [21] ；王洪德等（2003）利用粗糙集对矿井通风系统可靠性进行分析研究等 [22] ； 龚晓燕等（2006）建立了面向粗糙集理论的矿井局部通风设备故障决策信息系统 [23] 。总 之，粗糙集理论作为不确定性计算理论的一个重要分支，在大型复杂系统领域具有广阔 的发展和应用空间。 1.2.3 支持向量机的研究现状与发展 1995 年， Vapnik 出版的 统计学习理论 [24] 专著中提出了支持向量机 （Support Vector Machine，SVM）方法，并在其统计学理论专著 [25] 中详细地介绍了基于支待向量机的回 归方法和信号处理方法。支持向量机是一种在统计学习理论的基础上发展起来的新的通 用学习方法，能非常成功地处理回归问题（时间序列分析）和模式识别（分类问题、判 别分析）等诸多问题，并可推广于预测和综合评价等领域。 （1）国外研究现状与发展 随着对支持向量机的深入研究， Schlkopf提出了vSVM [26] ， Suykens提出了LSSVM （Least Squares SVM） [27] ，Osuna提出的分块（Chunking）算法，Platt提出了序贯最小 优化（Sequential Minimal Optimization，SMO）算法，Chen等通过对SMO的分析提出了 SMO的分解算法， 从而使算法更合理、 运算速度更快。 随着支持向量机的理论不断完善， 其应用方面的研究也越来越多， 主要集中在模式识别、 回归分析和概率密度估计等领域。 在模式识别方面最突出的应用研究是贝尔实验室对美国邮政手写数字库进行的实验， 用 SVM方法得到的识别结果明显优于决策树和多层神经网络。SVM在时间序列分析和回 归分析等领域的应用属于现阶段比较前沿的应用研究，例如混沌时间序列的支持向量 机预测模型；利用SVM来解决非线性系统的控制问题；SVM识别单一视觉的三维物体 问题等。与其它技术进行比较，线性SVM表现出了可喜的效果，此外，SVM在概率密 度估计的应用领域中也表现了良好的性能。 （2）国内研究现状与应用 国内诸多学者积极支持向量机的研究和推广。如张学工、许建华、李国正等人翻译 出版了 Vapnik 的关于统计学习理论和支持向量机的经典著作 [2829] ；邓乃扬、田英杰出 版了数据挖掘中的新方法支持向量机 [30] ；李建民、张钹（2003）等提出了序贯最小 优化的改进算法 [31] ；周水生等（2004）提出了训练支持向量机的低维 Newton 算法 [32] ； 王玲等（2005）人在隐空间中采用最小二乘损失函数，提出了最小二乘隐空间支持向量 机 [33] ； 张翔等 （2006） 基于样本之间紧密度提出了模糊支持向量机 [34] ； 杨绪兵等 （20007） 提出了基于广义特征值的最接近支持向量机（GEPSVM） [35] 等。 许多学者也将支持向量机应用到矿业工程领域。如杨凌霄，沈鹰等（2006）进行了 西安科技大学硕士学位论文 6 基于支持向量机的煤与瓦斯突出预测研究 [36] ；梅灿华、李明（2007）提出了基于支持向 量机的瓦斯传感器资料验证方法 [37] ；闫志刚、白海波等（2008）提出了一种新型矿井突 水分析与预测的支持向量机模型 [38] ；师旭超、韩阳（2009）提出了煤与瓦斯预测的支持 向量机模型 [39] ；崔邯龙、李海涛、孟文靖（2009）提出了综掘工作面瓦斯涌出量的支持 向量机预测模型 [40] 等。 1.2.4 预警技术的研究现状与发展 预警是对不利于人们的意外事件进行合理评估，了解该类事件引发的危机及影响， 以便作应变的准备及预案，更进一步则是了解、描述该类事件的发生发展规律，从而控 制或利用该类事件。 预警一词是从军事预警仿照来的。关于预警的研究首先是从经济预警发展起来的， 经济预警最早产生于二次世界大战后的美国。上世纪 30 年代，经济预警系统不断发展， 在以后的几十年里，宏观经济预警取得重大发展，世界上很多国家都相继建立了监测预 警系统。我国预警理论研究起始于 20 世纪 80 年代中期，从经济循环波动问题入手，后 来，预警理论不断的延伸，在行业企业预警方面主要集中在银行企业、林业企业、煤炭 企业、 风险投资企业等； 在企业职能预警方面主要集中在财务风险预警、 营销风险预警、 组织管理风险预警、战略预警、安全生产预警、研发预警、投资预警等。国防科学技术 大学研究生院裴晋泽 （2004） 作的 基于 IDS 的网络安全预警系统关键技术研究与实现 ； 空军工程大学导弹学院研究生李为民 （2005） 做的 反巡航导弹中的红外探测预警分析 ； 南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室、江苏省环境科学研究院的夏晶、吴海 锁、尹大强、李冰等（2006）进行长江江苏段沿江开发水质监控预警系统建设的研 究 ；贵州省进行了关于引水源安全预警的研究等应用预警技术，防范事故发生的研 究 。 近年来，随着预警技术的发展，在煤矿方面的应用，已经有许多学者做了大量研究 和探索。牛强、周勇等（2006）将自组织神经网络原理应用于煤矿安全预警问题中，提 出了多指标综合评价的安全预警系统 [41] ；王莉等（2007）结合三类危险源理论开展了瓦 斯智能预警系统的构建研究 [42] ； 熊廷伟等 （2005） 提出基于 KJ90 综合监测系统和 ArcGIS 的煤矿井下瓦斯爆炸预警系统 [43] ；韩宁等（2006）提出建立矿井瓦斯远程多级监控监管 网络系统平台 [44] ；刘琦等（2006）对工矿事故趋势异常预警模块进行系统分析 [45] 等。目 前很多研究所和高校己经加入到这个领域中，并取得了一定的成果。但是这些预警系统 都存在各种不足，在实际中的广泛应用还存在很大困难，所以煤矿瓦斯爆炸预警系统的 研究还有待煤矿安全研究人员的进一步研究。在总结前人研究成果的基础上，作者尝试 结合粗糙集和支持向量机进行煤矿瓦斯爆炸危险源评价与预警系统研究，以求能寻求一 种更有效的方法来预防和控制煤矿瓦斯爆炸事故、将事故扼杀在萌芽状态，提高煤矿安 1 绪论 7 全管理水平。 1.3 研究目的和意义 瓦斯爆炸危险源是煤矿危险源中危险性最大的一种危险源，始终是煤矿安全生产的 大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因而很有必要对瓦斯爆炸危险源进行 全面的辨识、评价和预警。然而，煤矿企业往往只对技术、安全装备等关注，欠缺对管 理、决策、安全文化、教育方面的关注，对危险源的分布、分类及其动态情况不够清楚、 对灾害事故的监管力度不够，需要对瓦斯爆炸事故机理、危险源的分类及其评价指标体 系等进行研究。因此开展本研究的目的是为了掌握瓦斯爆炸事故发生的深层次原因，在 事故发生之前对潜在的危险源进行全面、科学地辨识、评价和预警，以求获知系统状态 的真实水平，辨明系统安全的薄弱环节，尝试建立瓦斯爆炸风险预警系统，以更有效地 预防煤矿瓦斯爆炸事故的发生。 瓦斯爆炸危险源是一个动态复杂大系统，由于井下生产系统错综复杂，涉及到人机 环境各个动态子系统，每一个子系统的研究涉及因素都非常多，通过对瓦斯爆炸危险源 的风险评价及预警系统的构建，把安全论证、安全系统防灾能力的科学评估以及建立系 统安全保障体系等方面紧密联系起来，促使煤矿企业落实“安全第一、预防为主、综合 治理”的方针，坚持以科技为先导、科技兴煤。有利于煤矿企业变事后处理为事前预测 预防，变纵向单一管理为综合管理，变盲目管理为目标管理，实现全员、全方位的系统 化管理，有利于煤矿企业早日实现现代化、信息化、管控一体化，对提高矿井安全管理 水平和防灾抗灾能力具有非常重要的现实意义。 1.4 研究内容和技术路线 本文运用三类危险源理论、粗糙集和支持向量机等方法开展对煤矿瓦斯爆炸危险源 的评价及预警系统研究，具体内容归纳如下 （1）从三类危险源理论出发，在综述危险源理论及煤矿爆炸危险源的基础上，研 究了瓦斯爆炸的基本条件、矿井的组织管理因素、井下容易发生瓦斯爆炸的地点；研究 煤矿危险源辨识的基本方法及安全评价程序； 在研究煤矿瓦斯爆炸危险源及其特点的基 础上，对瓦斯爆炸三类危险源进行分析。 （2）本文选取瓦斯事故发生最多的煤矿掘进工作面作为研究对象，根据对瓦斯爆 炸三类危险源分析，确定掘进面瓦斯爆炸危险源评价指标体系。在此基础上，建立基于 粗糙集支持向量机（RSSVM）的煤矿瓦斯爆炸危险源评价模型，并通过实际算例 进行计算分析验证。 （3）在研究煤矿瓦斯爆炸危险源评价方法的基础上，运用安全评价模型、预警技 术进行适用于煤矿现行信息管理体制的、以在线评价和实时预警为主导的煤矿瓦斯爆炸 西安科技大学硕士学位论文 8 预警系统构建研究，结合矿井实际情况，进行系统功能分析与系统结构设计并实现系统 开发。 本文研究的技术路线如图1.1所示。 结论与展望 调研分析 瓦斯爆炸预警系统研究 现场资料收集 基于 RSSVM 的评价模型建立 瓦斯爆炸危险源分析 评价指标体系确定 设计改进方案 系统实现与应用 图 1.1 技术路线图 2 煤矿瓦斯爆炸危险源辨识理论与方法 9 2 煤矿瓦斯爆炸危险源辨识理论与方法 危险源的存在和不断产生以及未得到及时辨识和控制是事故不断发生的根源。因 此， 客观、 科学的分析系统危险因素， 特别是确定复杂系统的多个难以确定的危险因素， 确保系统安全至关重要。 2.1 煤矿危险源概述 2.1.1 危险源理论及其系统结构 顾名思义，危险源就是导致事故的根源，但迄今为止， “危险源”的定义在理论上 尚还没有确切的界限。Willie Hanmer 定义危险源为可导致人员伤亡或物质损失事故的、 潜在不安全因素。王广亮则认为，重大危险源的重点在“源” ，即导致事故发生的最基 本的因素危险物质。何学秋认为危险源是认识主体中产生和强化负效应的核心，是 危险能量的爆发点 [4] 。 危险源本身具有系统性，即系统性危险，安全措施及事故预防也应是系统性的。从 系统论的角度看，危险源系统涉及 4 个方而危险物质和危险状态（结构） 、安全硬支 撑（技术及装备） 、安全软支撑（组织因素）和环境因素。在环境因素稳定的情况下， 可认为危险源系统的结构仅涉及前 3 个方面。其结构如图 2.1 所示 [46] 外部环境 安全硬支撑技术及 装备（第一双手） 系统安全保障系统 安全软支撑组织因 素 （第二、 第三双手） 危险物质 危险状态（结构） 图 2.1 危险源构成 危险物质、危险结构与系统的安全保障体系是共存于一个客观系统之中的，是相互 对立、相互制约的矛盾着的两个对立面。正是“矛与盾”在客观上的有机组合构成了一 个动态变化的危险源系统结构。在系统的运行过程中，这一矛盾着的双方相互作用的结 果决定了系统的危险性程度，如安全的硬支撑存在风险需要控制一样，安全的软支撑 西安科技大学硕士学位论文 10 组织因素方面也存在风险需要辨识、控制和管理。人的不安全行为、失误是组织人与 物相互作用的结果，对这些因素控制的研究要坚持系统观点。要实现安全，不仅要依靠 第一双手安全技术、装备、新材料等硬件，更要依靠第二双手安全管理、规章 制度、立法等软件，尤其要重视运用第三双手安全文化、哲学、氛围、约定俗成的 准则、信念 [47] 等。 20 世纪 90 年代初，东北大学陈宝智教授根据危险源在事故发生、发展中的作用， 提出了两类危险源理论，即第一类危险源和第二类危险源。第一类危险源根据能量释 放论，事故是能量或危险物质的意外释放，作用于人体的过量的能量或干扰人体与外界 能量交换的物质是造成人身伤害的直接原因。于是根据能量意外论，把系统中存在的、 可能发生意外释放的能量或危险物质称为第一类危险源。在实际工作中，也往往把产生 意外释放的能量或拥有能量的能量载体看作是第一类危险源来处理。第二类危险源在 生产、生活中，为利用能量，让能量按照人们的意图在系统中流动、转换和做功，必须 采取措施约束、限制能量。防止能量的意外释放导致限制能量措施失衡或破坏的各种不 安全因素称为第二类危险源。实际上，绝对可靠的控制措施并不存在。在许多因素的复 杂作用下，约束、限制能量的控制措施可能失效，能量屏障可能被破坏而发生事故。 两类危险源理论认为，任何事故的发生可归结于第一类危险源与第二类危险源共同 作用的结果。第一类危险源在事故中释放出的能量是导致人员伤害或财物损坏的能量主 体，决定事故后果的严重度，它的存在是事故发生和第二类危险源出现的前提。另一方 面，如果没有第二类危险源破坏对第一类危险源的控制，也不会发生能量意外释放。第 二类危险源的出现是第一类危险源导致事故的必要条件，其出现的难易决定事故发生的 可能性的大小。两类危险源相互依存、相辅相成，共同决定危险源的危险性，事故预防 工作的重点是第二类危险源的控制问题。 西安科技大学田水承教授在两类危险源理论的基础上提出第三类危险源 [48] ， 第三类 危险源是由于人的安全管理决策失误等造成系统失衡的危险源组织失误（组织程序、组 织文化、规则） 、不安全行为、失误等造成系统失衡的危险源。结合前面的两类危险源 来看， 第三类危险源是潜在于第一类危险源、 第二类危险源背后的神秘杀手， 不易辨识， 第三类危险源的出现为危险源辨识戴上新的辨识眼镜。因此第三类危险源与第一、二类 危险源息息相关的，不可分割的。而且还把“灾变信息”纳入了危险源的范畴。 根据三类危险源理论，得出事故致因机理模型如图 2.2，形象地描述了三类危险源 与事故的关系。 第一类危险源是事故发生的（物质性）前提，影响事故发生后果的严重程度；第二 类危险源是事故发生的触发条件；第三类危险源是事故发生的本质根源，是前两类，尤 其是第二类危险源的深层原因，是事故发生的组织性前提。 还有的学者把生产系统中客观存在的各种能量的物质称为固有型危险源，它们是系 2 煤矿瓦斯爆炸危险源辨识理论与方法 11 第三类危险源 （组织失 误、人不安全行为） 第二类危险源 （物的故 障、物理环境因素） 第一类危险源 （能