基于数据挖掘的尾矿库风险预测预警方法研究.pdf

8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 6 ．0 5 ．0 1 9 基于数据挖掘的尾矿库风险预测预警方法研究 陈友良，李全明 中国安全生产科学研究院国家安全生产监督管理总局安全生产 重点实验室一矿山采空区灾害防冶实验室，北京1 0 0 0 1 2 摘要尾矿库作为企业安全生产过程中的一项重大危险源，其安全稳定的运行一直受到政府、企业和社会的密切关注。 总结目前尾矿库监测的现状，分析其存在不足，结合当前互联网技术和大数据发展的趋势，提出单独监测、集中管理的模式， 在收集到的大数据的基础上进行尾矿库风险预测预警分析，并以数据分类和回归分析的方法具体演示部分安全指标的分析 过程。结果表明，该方法对尾矿库安全运行风险有一定的预测预警功能，为政府部门和企业对尾矿库安全运行的监管和处置 提供重要参考数据。 关键词数据挖掘；尾矿库风险；预测预警 中图分类号T D 6 7 2 ；T D 9 2 8 ．9 ；T D 9 2 8 ．8文献标志码A文章编号1 6 7 l - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 5 J D 0 8 8 J D 4 R e s e a r c ho n 砌s kP r e d i c t i o na n dE a r l yW a r n i n gM e t h o do f T a i l i n gD a m b a s e do nD a t aM i n i n g C H E NY o u l 诡n g ，I 。IQ u t n r 仇i n g ‰ ，k 6 0 m ￡o r yQ 厂G o 矿D 如o s ￡e r sP 删e m 泌n ，S ￡n ￡eA d m i n 如n o 如nQ 厂％r 南S 咖￡，．，C h i n aA c 。d e w 妒S 咖沙 ．s c i e ，t c e 口，以死c n o f o g y ，B e 玎打曙J O D D J 2 ，C i n o A b s t r a c t A so n eo ft h em a j o rh a z a r d o u ss o u r c e si nt h ep r o c e s so fe n t e 印r i s es 如t yp r o d u c t i o n ，t a i l i n gd a mi s aw i d e s p r e a dc o n c e mo ft h eg o v e m m e n t ， e n t e 叩r i s e sa n ds o c i e t y ． T h i sp a p e rs u m m a “z e st h ec u H e n ts i t u a t i o no f t a i l i n g sd a mm o n i t o r i n g ，a n a l y s e si t se x i s t i n gp r o b l e m s ，c o m b i n e dw i t ht h ec u I T e n tt r e n do fI n t e m e tt e c h n o l o g ya n d b i gd a t ad e v e l o p m e n t ，p u tf o r w a r das e p a r a t em o n i t o r i n g ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tm o d e l ，p r e d i c t sa n de a d yw a m i n g a n a l y s i s e st h er i s k o ft a i l i n gd a mb a s e do nt h ec o l l e c t e dd a t a ，t h e nt h ea n a l y s i s p r o c e s so ft h es a f b t yi n d e xi s d e m o n s t m t e db yt h em e t h o do fd a t ac l a s s i 6 c a t i o na n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dh a sa c e r t a i nf o r e c a s ta n de a r l yw a m i n gf u n c t i o nf o rt h es a f eo p e r a t i o no ft a i l i n g sd a m ，a n dp r o v i d e si m p o r t a n tr e f e r e n c e d a t af o rg o v e m m e n td e p a n m e n t sa n de n t e 印r i s e st os u p e r v i s ea n dd i s p o s eo ft h es a f eo p e r a t i o no ft a i l i n g sd a m ． K e y w o r d s d a t am i n i n g ；t a i l i n gd a mr i s k ；f o r e c a s ta n de a r l yw a m i n g 尾矿库是金属矿采选项目的重要工程建设内容 之一，是一个具有高势能的泥石流危险源‘1 。2 I 。我国 目前有大小尾矿上万座，具有分布广，数量多，稳定 性差等特点旧j 。目前，很多企业已经配备在线尾矿 库安全监测系统。41 ，主要是采用自动式全站仪结合 光纤光栅传感网络，对尾矿库主要部位进行可视化 监测，监测指标包括尾矿库浸润线、坝体位移、库水 位、干滩长度、降雨量等关键安全指标，这些为企业 提供尾矿库生产运行状况的真实数据，通过报表的 形式提供尾矿库安全隐患数据，并发送预警信息给 管理人员，对企业安全管理有一定的辅助作用。但 是，随着互联网技术和大数据的发展，目前的尾矿库 在线安全监测系统存在以下不足 1 监测系统大多都是安装在本地的应用且针对 单个尾矿库，此模式不利于各级安全监督机构访问， 且企业的投资大，每个企业需要重复计算机软硬件 投资，收集数据不利于汇总以便产生用来作数据挖 掘和预测分析的行业大数据。 2 目前监测系统的预测预警主要依赖传感器收 集的动态数据并局限于数据统计分析、报表查看等 基本功能。国内有相关研究使用数据样本的方式作 数据挖掘和预测分析。数据样本对比大数据，其预 测的精度和稳健性还有较大差距。 因此，有必要针对尾矿库风险监测的数据进行 收集整理，形成统一的大数据集合，然后进行预测预 警分析，为政府监管部门提供宏观决策支持，为企业 基金项目国家自然科学基金资助 7 1 3 7 3 2 4 5 收稿日期2 0 1 5 ．1 2 旬2修回日期2 0 1 6 加7 2 0 作者简介陈友良 1 9 7 7 一 ，男，湖南临湘人，硕士，高级工程师，主要从事安全生产信息化方面的工作。 万方数据 2 0 1 6 年第5 期陈友良等基于数据挖掘的尾矿库风险预测预警方法研究 8 9 提供风险预警服务。 1 数据采集方式 数据采集过程由传感器、数据采集仪、传输系统 等组成，最终汇集到软件平台。传感器用于采集尾 矿库浸润线、坝体位移、库水位、干滩长度、降雨量等 监测数据，监测设备可通过太阳能、蓄电池供电，也 可通过市电进行供电。传输系统主要通过G P R S 、北 斗卫星、交换机进行数据的传输，收集来自全国各地 的尾矿库监测数据∞J 。系统软件平台主要用于对采 集的大数据进行实时查看和接收，对监测数据进行 存储、管理、查询、统计、分析和预警，并能输出查询、 统计和分析的结果。具体的系统结构图如图l 所示。 一型一一一兰粤【- 一蔓} 竺竺‘二一 I I l 东省 i j 型竺一一兰竺兰一一 型一 福建省 一蔓旦兰一一婴竺L 一 竺竺一一 河北省 图1 尾矿库风险监测系统 F i g ．1T a i l i n gd a mr i s km o n i t o r i n gs y s t e m 2 数据预处理 系统采集来自全国各地的尾矿库监测数据之 后，由于监测设备的厂家不同、数据格式不同等诸多 原因，可能产生一些不完整数据、错误数据、重复数 据，在进行大数据风险预测预警之前，需要对数据进 行预处理，形成统一、规范的数据格式M 1J 。具体的 数据预处理方式如下 1 数据清洗 数据清洗主要是除去数据中的由于传感器故 障、数据传输问题等原因出现的“噪声”，妥善解决 遗失数据问题，帮助有效减少分析过程可能出现前 后数据不一致、相互冲突的情况。 2 样本数据相关性比较 尾矿库风险监测收集数据中，许多属性与挖掘 分析的目标本身可能无关，有些属性可能冗余，这些 数据可能减缓甚至误导整个分析预测过程，因此有 必要对数据进行相关性分析，也称属性选择。 3 数据转换 数据转换是将数据表达方式转换或归并成适合 数据分析挖掘的形式。目前，通用的方式是利用概 念层次树，把数据转换成更高的层次。举例来说样 本数据属性“尾矿库等级”的值就可以转换成多个离 散的区间，诸如一级、二级、三级、四级和五级。由 于数据转换过程压缩原来数据集，因此可以很好地 降低学习过程中数据的输入、输出操作。 万方数据 9 0 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第5 期 3 数据分类分析 数据分类分析方法用于提取描述尾矿库基础数 据和监测数据种类的模型，或者对尾矿库风险等级 进行鉴定，具体操作过程是，在现有数据的基础上构 造一个分类模型或构建一个分类函数，该模型或函 数把数据库中相应的数据信息映射到指定类别中的 某一项记录中，从而应用于数据预测分析⋯。常用 的数据分类分析方法有神经网络分类、决策树分类、 关联规则分类、贝叶斯分类等。本文以决策树为代 表，阐述数据分类的过程。 决策树分类方法是建立在信息论的基础上，对 样本数据进行分类分析的一种方法。第一步，如图2 所示，通过对数据库中各数据行内容分析，建立一个 描述现有数据集类别或概念的模型，模型可以通过 提取数据库中各数据项的内容获得，通过分类算法， 得出分类规则。 第二步，生成决策树，决策树的建立过程也是数 据规则的生成过程，其中，树的每个内部节点表示对 一个属性或者取值的测试，其分支就是每个具体的 测试结果，树的每个叶节点代表一个具体的类别。 根据该原理，生成的决策树如图3 所示。 尾矿库名称库龄安全许可证尾矿库安全等级 河北省一A 库 5 有正常库 山东省一B 廊 1 0七病库 福建省一C 库 5 一I O 有诈常摩 ，河北省叫 麾 l O 有限常库 I 福建省E 痒 5允难常摩 | l l l 西省一F 本 5 一1 0 允痫库 卜 岔 训练数据 l ，i f 库龄 1 0 卸d 安全许可证 无。则鹾矿I 笨安全等级 绢库； 3 ⋯。 图2 学习建模 F i g ．2L e a m i n gm o d e l i n g 圈 图3 决策树示意描述 F i g ．3 S c h e m a t i cd e s c r i p t i o no fd e c i s i o nt r e e 第三步，根据决策树，可以生成具体的分类规 则。根据这些规则，数据分类方法把全国收集过来 的尾矿库数据处理后，得出不同安全等级的尾矿库， 然后针对不同安全等级的尾矿库，采取相应的预测 预警方法。 4 预测预警方法 数据分类方法已经把尾矿库信息按照安全等级 进行分类，预测是根据其具体的浸润线、坝体位移、 库水位等监测数据，对尾矿库的具体风险进行更加 万方数据 2 0 1 6 年第5 期陈友良等基于数据挖掘的尾矿库风险预测预警方法研究 9 1 ‘ 深入、具体的分析。对于一个连续数值的预测可以本，公式 2 计算出相应的回归系数。 利用统计回归方法所建模型来实现，主要包括线性、 ，， i 嚣。 戈i 一万 ，i 一歹 ， 、 多变量和非线性回归等建模方法一J 。本文以线性回 ’ 嚣， x i 万 2 、7 归方法为例，阐述预测方法的具体过程。其中，i 为石，z ，⋯，戈。的均值；歹为y ，， ，，⋯，儿 线性回归理论上是用一条直线描述具体的数据的均值。 模型，利用自变量x 为因变量y 建立模型，具体回归监测尾矿库坝体位移、浸润线、库水位、干滩长 模型是度、降雨量等监测数据是衡量尾矿库安全运行的主 y 仅 肘 1 要技术参数，本文以尾矿库坝体位移为代表进行描 d 和口为回归模型的回归系数，分别表示因变量述。尾矿库坝体位移有侧向位移、下游向位移、垂直 y 的截距和直线的斜率。利用最小二乘法可以方便沉降三种0 I ，从历史的监测数据看，前二者监测数 获得此二回归系数的值，同时也能保证实际数据与据值极为微小，下面以山东省某尾矿库2 0 1 4 年8 月 线性回归的预测结果差距最小。指定n 个数据样起1 0 个月的平均垂直沉降的数据进行分析。 表1垂直沉降样本数据表 T a b l e1T a b l eo fv e r t i c a ls e t t l e m e n td a t a y 毫米 2 ．5 22 ．4 52 ．4 62 ．4 42 ．5 02 ．4 82 ．4 62 ．4 72 ．4 92 ．4 9 根据表所示数据，计算出万 5 ．5 ；歹 2 ．4 7 6 ，然后再利用这些值及公式得出以下结果 8 坠血二掣丝堑篓羔坐譬至型l ／1 6 5 p 一 嚣。 戈。一i 2 一 姥， x 。一5 ．5 2 一“～ a 2 ．4 7 6 5 ．5 ／1 6 5 2 ．4 4 3 因此，基于最小而成的回归模型就是y 2 ．4 4 3 x ／1 6 5 。利用这一模型，预测1 年后垂直 沉降为2 ．5 2m m ，对照前面的数据，可以得知该尾矿 库坝体位移数据中，垂直沉降值小且非常稳定。同 样，根据类似的算法，可以预测浸润线、库水位、干滩 长度、降雨量的变化情况，综合这些数据，分析得出 尾矿库运行的安全状况。对于异常数据，采用手机 短信提醒、系统信息推送、邮件通知等方式进行通 知，达到预测预警的目的。 5结论 1 利用感知技术和智能装置对尾矿库运行状况 进行感知识别，通过互联网、移动通信网等网络进行 传输，这种单独监测、集中管理的思路一方面可以减 少企业对部分软硬件的投入，又方便监管部门从宏观 上了解管辖范围内尾矿库各项指标的安全运行状况。 2 数据分类方法对尾矿库的基本数据进行处 理，得出不同安全等级的尾矿库，从而对采取相应的 预测预警方法和监管措施提出建议。 3 预测预警方法能针对尾矿库安全运行的具体 指标，根据现有积累的监测数据，进行发展趋势的预 测，及时预警有风险趋势的尾矿库管理企业，并以多 种形式通知到监管部门和责任企业监管、处置相关 风险。 参考文献 [ 1 ] 柴建设，王姝，门永生．尾矿库事故案例分析与事故预 测[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 1 0 8 0 - 9 0 ． [ 2 ] 于广明，宋传旺，吴艳霞，等．国外尾矿坝安全研究新进展 及我国尾矿坝安全研究发展态势[ J ] ．岩石力学与工程 学报，2 0 1 4 ，3 3 1 5 - 9 ． [ 3 ] 李道明，余国平，沈楼燕，等．尾矿库于滩自动化监测预警 系统应用研究[ J ] ．现代矿业，2 0 1 4 4 4 2 掣． [ 4 ] 罗志雄．安全在线监测系统在官地铁矿尾矿库的应用 [ J ] ．矿业工程，2 0 1 4 ，1 2 2 5 0 5 3 ． [ 5 ] 于继武，邢远秀．基于物联网技术的矿山井筒安全监测 系统设计[ J ] ．金属矿山，2 0 1 5 ，4 4 7 1 0 7 1 1 0 ． [ 6 ] 孙集平．我国尾矿库环境问题及对策建议[ J ] ．环境科学 导刊，2 0 1 4 ，3 3 3 3 0 3 2 ． [ 7 ] M A R T I NTE ，D A v I E SMP ，R I C ES ．S t e w a r d s h i po f T a i l i n g sF a c i l i t i e s [ J ] ．M i n i n g ， M i n e r a l sa n ds u s t a i n a b l e D e v e l 叩m e n t ，2 0 0 2 ，2 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