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首都经济贸易大学 硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 姓名陈魏 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师李传贵 20100301 摘 要 摘 要 本文首先分析了我国煤矿安全现状，论述了开展煤矿安全综合评价的必要性，然 后在事故致因理论的基础上，结合煤矿生产系统复杂多样的特点，用事故树分析法、 人-机-环境分析法和层次分析法三种常用方法构建煤矿安全指标分析模型， 以此作为 分析煤矿安全综合评价指标的工具。 通过煤矿安全指标分析模型得到煤矿安全评价综合指标体系， 将其纵向分为目标 层、中间层和因素层三个层次，横向则划分为人员素质因素、生产装备因素、生产环 境因素和安全管理因素四个方面总共 34 个指标。 介绍了神经网络的结构、算法等内容，对 BP 神经网络的学习算法所存在的局部 最小问题，采用附加动量法进行了改进，利用改进后的 BP 神经网络建立煤矿安全综 合评价模型，确定了模型为三层（34-14-5）结构，采用 MATLAB 中的神经网络工具箱 进行编程，在计算机中实现了煤矿安全综合评价神经网络模型的建立。采用国内比较 具有代表性的 20 个实例样本对神经网络进行训练，对训练过程中误差函数存在收敛 慢的问题，在附加动量法的基础上采用自适应调整步长的方法进行改进，最后通过该 模型对义马煤业集团公司下属耿村、常村等矿进行评价，其结果与实际情况相符，说 明该模型成功建立起影响因素和煤矿安全状况之间复杂的非线性映射关系， 具有一定 的实用价值。 随着样本库的逐渐充实，该模型的评价结果会越来越精确，其应用价值也会越来 越高。 关键词关键词煤矿安全；影响因素；指标体系；神经网络；BP 算法；MATLAB 神经网 络工具箱；评价模型 Abstract Firstly, this paper analyzes the status quo of Chinese coal mine safety, and it is necessary to carry out a comprehensive uation for coal mine. Based on safety accident causation theory and the complexity of coal mine system, three s which commonly used in safety analysis, fault tree analysis, Human-Machine-Environment analysis and analytic hierarchy process, are synthesized to build the indicators analysis model of coal mine safety, by which we could get the factors that affect safety status of coal mine. Through the analysis model, indicators system is built, which is vertically divided into the target layer, middle layer and indicators layer. And in the indicators layer, there are 34 indicators horizontally ranging in four areas, the personnel quality part, equipment part, environmental factors and safety management part. Then make an introduction of the neural networks’ structure, algorithms and so on, for the existence of local minimum of the BP neural network learning algorithm, this paper adopt an additional momentum to improve it’s efficiency. Then use the improved BP neural network model to build comprehensive uation model of coal mine safety with three layers of 34-14-5 structure, and program the model in the computer by the neural network toolbox of MATLAB. After that, train the neural network with 20 representative samples, we find out that it is slowly the training error function curve converges, then the of self-adaptively adjusting steps is obtained in the paper. Finally, five instances of Yima Coal Industry Group are used for simulation, and the result shows that the model has successfully established the complex nonlinear mapping relationship between safety indicators and the actual safety situation of the mines. With the abundance of the sample library in future, this model will get more accurate uation results, and its application value will be enhanced. Key words coal mine safety; factors; indicators system; neural networks; BP algorithm; MATLAB neural network toolbox; uation model 独 创 性 声 明 独 创 性 声 明 本人郑重声明今所呈交的基于神经网络的煤矿安全综合评价模 型研究 论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的科研成果。 尽我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的内容及科研成果，也不包含为获得首都经济贸易大 学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 作者签名 作者签名 日期日期 年年 月月 日日 关于论文使用授权的说明 关于论文使用授权的说明 本人完全了解首都经济贸易大学有关保留、使用学位论文的有关规 定，即学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅、借阅或网 络索引；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采取影印、缩印或 其它复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 作者签名 作者签名 导师签名 导师签名 日期 日期 年 年 月 月 日 日 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 1 页，共 65 页 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景及其意义 1.1 课题的研究背景及其意义 1.1.1 研究背景 1.1.1 研究背景 煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占 70左右， 是重要的基础能源和工业原 料。煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业，是高危险行业，其生产系统为半 封闭式结构，呈管网式布置，存在煤尘、瓦斯等多种易燃、易爆、有毒、有害因子， 事故一旦发生往往会引起其他灾害事故的伴生或耦合，使得应急处置、救援救助和自 救情况复杂、困难，易造成群死、群伤的重特大事故。由于煤炭工业的特殊性，我国 尚未对其灾害事故实现有效控制，重特大事故仍时有发生，安全生产形势相当严峻。 随着我国煤炭工业的发展，开采强度不断加大、开采深度逐步增加，煤矿开采条 件呈现逐渐恶化的趋势。我国煤矿开采深度平均每年增加 10-20m[1]，从而导致地应 力和瓦斯压力越来越高，煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶片帮等事故危险性也越来越 高。 6.16 4.65 5.21 4.78 5.155.03 4.67 5.1 5.02 5.3 5.86 5.06 4.94 3.71 3.056 2.811 2.041 1.485 1.182 0 1 2 3 4 5 6 7 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 年份 百万吨死亡率 图 1.1 我国煤矿百万吨死亡率趋势图1 近年来，我国加大了煤矿整治力度，百万吨死亡率逐年降低（见图 1.1我国煤 矿百万吨死亡率趋势图） ，但与美国、澳大利亚等其他主要产煤国相比还存在很大差 距[2][3]。加强煤矿安全生产工作，充分利用先进的科学技术逐步提高对煤矿整体安全 的控制水平，预防重大事故的发生，保障矿工生命安全。 1.1.2 研究意义 1.1.2 研究意义 煤矿是一个由人、机（物） 、环境三方面组成的、空间分布极其复杂的系统，存 在多种灾害形式。煤矿井下可能发生的灾害有瓦斯或煤尘爆炸、透水、自然发火、煤 1 数据来源于国家煤炭工业局编写的煤炭生产统计报告，及文献[2][3][4][5][6]中的统计。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 2 页，共 65 页 与瓦斯突出、机电事故、冒顶片帮、坍塌、高处坠落、放炮、物体打击、提升运输、 中毒与窒息、机械伤害、起重伤害、触电、火药爆炸、灼烫、火灾、淹溺等[7]。尽管 这些事故的发生并不相同，但致灾因素之间关系密切且相互牵连，在时间、空间上各 种灾害伴生或耦合，一起小事故的发生有可能引发其他致灾因素的多米诺骨牌效应， 产生危害更大、 范围更广的二次或多次重大甚至特大事故， 造成不可挽回的严重后果。 在煤矿现场实际中， 我国制定了很多技术措施用来防止某一类型事故或者局部事 故的扩大化，如巷道中隔一段距离会吊挂盛满水的水槽，这是为了减少煤尘或瓦斯爆 炸冲击波的传播距离，降低其温度，从而达到抑制灾害的目的。还有一些规章和措施 是为了达到预防的目的而制定和实施的，比如矿工在井下的工作服必须是棉质的，这 是为了预防静电产生电火花，在瓦斯浓度达到爆炸或燃烧集极限的时候，这小小的电 火花很容易引发瓦斯爆炸或瓦斯燃烧的事故灾害。但是，我们应该看到，仅仅着眼于 事故的预防和控制措施上是远远不够的， 我们需要对煤矿致灾因素的内在规律进行深 入的理论研究，揭示其相互之间的影响，从总体上为煤矿安全把关，从而为煤矿整体 安全的实现从全局上有一个清晰的认识和把握。 我们从理论上研究煤矿安全的影响因素及其内在关系， 通过安全理论和方法实现 综合安全评价，确定矿井所属安全等级，从而有针对性的加强煤矿安全管理，使煤矿 安全管理立足于科学、系统、完善的安全理论和方法的基础之上。通过揉和多种安全 分析方法对煤矿系统进行分析，建立起科学、合理、实用的煤矿安全评价指标体系， 结合现代人工智能技术， 利用神经网络的先进原理构建出比传统方法更具合理性的煤 矿安全综合评价神经网络模型，依此为依据可以进一步开发行之有效的安全评价软 件，对加强煤矿安全评价理论和技术的研究具有很重要的现实意义。 1.2 煤矿安全评价研究现状 1.2 煤矿安全评价研究现状 1.2.1 安全评价及其发展历程 1.2.1 安全评价及其发展历程 安全评价，在国外也叫“风险评价”（Risk Assessment，RA） 。安全评价是指运用 定量或定性的方法， 对建设项目或生产经营单位存在的职业危险因素和有害因素进行 识别、分析和评估，找出事故隐患，然后消除或减少危险性，使危险降低到人们可以 接受的水平[8]。 安全评价产生于 20 世纪 30 年代的保险业。随着工业化进程的加快，特别是化学 工业毒物泄漏、爆炸等重大事故多发，1964 年美国道（Dow’s）化学公司开发了道化 学火灾爆炸指数评价方法，开创化工生产危险度量安全评价的历史。1976 年英国帝 国化学公司蒙德分公司对道化学方法进行了扩充，增加了毒物危险因素，日本劳动省 的“化学工厂六步骤安全评价法”和前苏联提出的俄罗斯化工过程危险性评价法对安 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 3 页，共 65 页 全评价技术的发展也提供了动力。 随着航天、航空和核工业等高技术的迅速发展，20 世纪 60 年代系统安全工程的 发展大大推动了安全技术的发展。到 60 年代中期，英国建立了故障数据库，并通过 咨询机构对企业提供风可靠性险评价服务。20 世纪 70 年代，麻省理工学院的研究小 组针对核反应堆的“堆芯熔化”事故进行了发生概率及后果严重程度的定量评价，所 采用的事故树分析法对科技界和工程界产生很大的影响，并得到广泛的应用。此后， 以概率论为基础的评价方法得到了很大的发展，我们现在比较常用的有可靠性分析 法、故障树分析法、事件树分析法、危险可操作性研究、初始危险分析法、管理实效 与风险分析法等。到 80 年代，相继几起重大事故使得人们对安全评价的重视程度更 加深入，安全评价作为独立的产业形式开始出现[8][9][11][17]。 很多行业的安全问题具有不确定性和模糊性，随着数学和计算机科学技术的发 展，以模糊数学和灰色理论为基础的评价方法得到了青睐，并和传统的方法进行了融 合， 扩展了其原有的应用范围， 而且逐步在计算机上得到了应用， 如计算机专家系统、 决策支持系统、 人工神经网络技术等， 这为安全评价的发展提供了强劲持久的动力[10]。 1.2.2 国外煤矿安全评价研究 1.2.2 国外煤矿安全评价研究 煤炭行业的安全评价研究工作起步稍晚，研究深度和广度与化工、核工业、航空 航天等行业相比还有一定差距。近年来，由于煤矿重大事故的频繁发生给社会造成巨 大经济损失和影响，国际社会已经加大了对煤矿危险源、重大事故预防和安全评价的 研究力度。 国外煤矿安全评价领域具体的研究和应用主要集中在以下几个方面 （1）以概率风险评价为基础的矿山安全评价法。该方法通过矿井生产系统中的 统计数据获得隐患发生的概率及其造成的损害， 把隐患导致事故的概率与隐患造成的 损害两者的乘积作为系统状态的危险度。 但该方法存在对隐患发生的概率和损害统计 不够细致的问题，缺乏实用性。 （2）以覆盖生产要素（环节）为基础的系统安全评价方法。如煤矿操作安全评 价法、日本的隧道安全评价法以及以人-机-环分析法为主的安全评价和灾害预测等。 在矿山安全评价方面，国外还没有到实用阶段，比不上在其他行业的应用和发展水平 [11]。 （3）煤矿安全评价和计算机技术的结合。人工智能等计算机技术和安全评价技 术的结合， 为煤矿安全评价中所存在的过程判断和边界条件确定等问题的解决创造了 有利条件，建立了新的煤矿安全评价方法体系[12]。 （4）其他方法和技术在安全评价中的研究和应用。煤矿安全评价借鉴了很多其 他领域的局部关键技术，如可靠性理论中的系统及元件失效概率估计方法等，这对状 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 4 页，共 65 页 态不明确的煤矿系统进行科学定量评价具有很大意义。 1.2.3 国内煤矿安全评价研究 1.2.3 国内煤矿安全评价研究 煤炭工业是我国安全问题最严重的行业之一， 但在安全管理和评价研究的规模和 深入程度上要落后于航空、 核工业以及冶金等行业[13]。 虽然煤矿工业部相继制定并颁 发了一系列的标准和法规，但没有形成独立、系统的安全评价理论和应用体系，其目 的主要是对煤矿进行质量管理来预防和控制事故的发生。 目前，煤矿安全评价方面的研究主要集中在煤炭系统科研院校和研究机构，如中 国矿业大学、 河南理工大学、 辽宁工程技术大学、 山东科技大学和煤炭科学研究院等。 在我国建立煤矿风险基准之前，还不能进行准确概率的煤矿概率风险评价。因此，以 模糊概率代替准确概率的方法得到了很大的发展， 如基于灰色理论的灰色关联度法和 灰色聚类评价法以及我国学者汪培庄提出的模糊综合评价法等[14][15]。无论灰色评价 法还是模糊综合评价法， 其白化函数和隶属函数等核心问题的求解以及权重的分配多 采用人工方法来确定，主观性太强，这在很大程度上限制了这几种方法解决实际问题 的能力。 湖南科技大学的施式亮等人对神经网络在煤矿安全评价方面的适用性和可行性 做了深入研究[16]，并发表了多篇神经网络在安全评价中应用的专著。 1.3 课题研究内容和技术路线 1.3 课题研究内容和技术路线 通过以上分析，本课题在事故致因理论的基础上利用事故树分析法、层次分析法 和人-机-环分类法建立煤矿安全指标分析模型，结合事故统计历史数据对煤矿生产过 程中存在的大量影响矿井安全状态的因素进行分析， 提炼出反映煤矿安全状况的评价 指标体系，利用人工神经网络设计出煤矿综合安全评价模型，从而为煤矿安全评价提 供可操作的方法，并结合现场数据进行了验证。 1.3.1 研究内容 1.3.1 研究内容 本课题研究的主要内容有以下四个方面 （1）构建煤矿安全指标分析模型 以事故因果理论为基础，结合煤矿事故历史数据，用事故树分析法、人-机-环境 分析法和层次分析法构建煤矿安全指标分析模型。 首先利用事故树分析法辨识出对煤 矿事故有重要影响的因素，揭示出煤矿安全和影响因素之间的本质关系；然后通过人 -机-环境分析法进行横向分类；最后通过层次分析法进行纵向分层，进一步反映指标 体系的层次和逻辑关系。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 5 页，共 65 页 （2）构建煤矿安全评价综合指标体系 在煤矿安全指标分析模型的基础上， 最终建立一个能够反映对煤矿安全状况有重 要影响的指标体系， 不仅具有一定的层次结构， 而且所有定性和定量指标最终可量化。 （3）构建煤矿安全综合评价模型 在改进的 BP 神经网络的基础上建立煤矿安全综合评价模型，通过对 20 个具有 代表性训练样本的学习， 建立起从影响因素到煤矿安全状况之间复杂的非线性映射关 系，从而使模型具备分析当前矿井总体安全状况的能力。 （4）煤矿安全综合评价模型的实际应用 通过建立好的煤矿综合安全评价模型对义马煤业集团有限公司下属的耿村、 杨村 等 5 个矿井的安全状况进行评价，并和其实际情况进行比较。 1.3.2 技术路线 1.3.2 技术路线 本课题的目的是希望寻找一种简单、实用的评价方法，避免专家打分等主观性较 强的方法采用人工来确定指标权重的缺陷，从理论分析到计算机编程，从指标体系的 建立到数据的采集和处理，再从模型的建立到逐步完善，最后通过对实例样本的实际 应用验证模型的可行性和实用性。其技术路线如图 1.2 所示 文献综述、现有理论和方法分析 适应本课题的数学理论和 计算机应用技术研究 建立煤矿安全指标分析模型 确定煤矿安全评价指标体系 建立煤矿安全综合评价神经网络模型 对神经网络模型进行训练 对神经网络模型存在的问题进行改善 模型应用 结论 图 1.2 本课题的技术路线图 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 6 页，共 65 页 2 煤矿安全指标分析模型 2.1 煤矿生产安全概述 2 煤矿安全指标分析模型 2.1 煤矿生产安全概述 2.1.1 煤矿生产系统的特点 2.1.1 煤矿生产系统的特点 煤矿生产系统，在地表以下呈管网状布置的立体受限空间内进行，其生产活动随 时间和空间的变化而变化。因此，煤矿生产系统的状态及运行过程具有其特殊性 （1）动态性 随着煤矿生产活动的进行（如巷道的掘进、工作面的推进、采区的接替等） ，煤 矿井下生产系统中的人、机、环境和管理等因素的状态及其相互关系也在动态变化， 同时，系统中致灾因子的种类和结构也呈现动态变化的特性。 （2）随机性和模糊性 煤矿生产过程是一个动态、模糊的随机过程[7]。系统中的致灾因子的状态及变化 具有随机性，各系统、各系统之间以及系统与其组成因素之间的关系和相互影响上具 有模糊性的特点。 （3）相关性 煤矿井下生产系统的管网式空间结构及多种灾害共存的特点决定某一事故的发 生不止是本区域致灾因素影响的结果，相邻区域甚至整个系统都可能是事故的帮凶。 同时，该地点发生的事故也可能导致其他区域的其他类型灾害事故发生。 （4）依赖性 煤矿生产系统中的致灾因子对其所处环境具有依赖性， 环境条件的变化会对致灾 因子的危险值产生影响。如，工人的实效频率因工作环境中温度、粉尘浓度、噪声和 劳动强度等条件的不同而不同。 （5）局部偶然性 煤矿危险物质在井下受通风、采掘活动、生产工艺和作业环境等因素综合作用的 影响下，其状态在可接受的范围内波动[7]，当某一突发性因素变化时，则可能导致局 部危险物质的急剧量变如瓦斯积聚，然后受其他偶然因素的作用如电火花，发生瓦斯 爆炸。这类事件的发生具有极大的偶然性和空间局限性。 2.1.2 煤矿的主要灾害 2.1.2 煤矿的主要灾害 我国主要煤田的地质构造复杂程度远远超过北美、澳大利亚、印度、俄罗斯等地 的轻微变形煤田。 复杂的煤田地质条件给煤矿安全生产带来了严重的瓦斯、 高地应力、 高地温等自然灾害[1][7]。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 7 页，共 65 页 我国煤矿主要灾害有 （1）瓦斯灾害 瓦斯是指在采掘和生产过程中从煤层、岩层、采空区释放出的各种有害气体的总 称，由于甲烷比重占 80以上，故习惯上单指甲烷。当甲烷浓度达到 5-16，氧气浓 度不小于 12且引火温度高于 650时，会发生爆炸。瓦斯爆炸事故不仅造成大量人 员伤亡，还会摧毁井巷设施，甚至引起煤尘爆炸、火灾、井巷垮塌等二次灾害[3]。 （2）煤与瓦斯突出灾害 煤与瓦斯突出是煤矿生产中危害极大的动力现象。在采掘生产过程中，在极短的 时间内突然从煤（岩）体中喷出大量煤与瓦斯，并伴随强烈的动力现象。煤与瓦斯突 出可造成煤矿重大人身伤亡和财产损失。 （3）尘害 煤炭采掘、装载、运输过程中的破碎、摩擦、撞击会产生大量煤尘。煤尘不仅会 引发尘肺病危及职工健康，还可能引发煤尘爆炸，造成恶性事故，我国绝大多数煤矿 的煤尘具有爆炸危险性。 （4）自然发火灾害 煤炭在一定条件下经过一定时间氧化生热，可以自燃并导致火灾。我国煤矿自然 发火灾害严重，具有自然发火危险的煤矿分布范围较广，几乎在所有产煤区都存在， 尤其是重点产煤区尤为严重。 （5）水害 我国煤矿水文地质条件比较复杂，生产过程中地下水或地表水涌入矿井，超过矿 井排水能力时即可能形成水灾，如处置不当则可能造成重大人身伤亡和财产损失。 （6）冲击地压灾害 冲击地压是一种以煤岩体急剧猛烈破坏为特征的动力现象， 可引起煤岩体突然坍 塌、冒落，同时伴随气体或液体喷出，从而造成人员伤亡。 （7）其他灾害 2.2 事故致因理论 2.2 事故致因理论 事故致因理论是从大量典型事故的本质原因的分析中所提炼出的事故机理和事 故模型[17]， 避开了危险源的具体特点和事故的具体内容与形式， 而只是抽象概括地考 虑构成系统的人、机、物、环境，因此它更本质、更具普遍意义。这些机理和模型反 映了事故发生的规律性，能够为事故的定性定量分析，为事故的预测预防和安全管理 工作的改进，从理论上提供科学、完整的依据。 目前为止， 人们已经提出十多种事故致因理论模型， 这里只介绍其中常用的几种 （1）因果论 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 8 页，共 65 页 事故具有随机性，构成“机”的多个因素之间存在相互依存、相互促进或制约的关 系，其中之一就是因果关系。因果关系有继承性，即前一过程的结果往往是引发后一 过程的原因。例如某一事故的发生，最初是由于发生了事件 1，这是“因”；然后导致 了事件 2，这便是“果”。事件 2 包含着事件 1，同时又作为“因”引发了下一过程及结 果 3。如此传递下去，导致了最后的“果”该事故及其损失。 属于这种因果论的事故模型有线性多因素连锁型、非线性多因素连锁型，线性 －非线性复合型，海因里希的多米诺（Domino）骨牌理论[19]等等。 基于因果论的事故致因理论，可以得到以下几点重要的启示 ① 为了防止灾害的发生，在事故链中，解决好任一个环节，都可以达到效果。 ② 为建立预防灾害的四大原则提供了依据。即预防可能的原则、损失偶然的原 则、原因继起的原则和选定对策的原则。 ③ 基于因果论，对一个系统进行安全分析和评价时，就产生了两种重要而有效 的逻辑方法。即演绎法（据结果推理原因，如故障树分析）和归纳法（据原因推论结 果，如事件树分析） 。 （2）能量转移论 能量转移论认为异常的能量转移是伤亡事故的致因，即事故是能量的不正常或 不期望的释放，也可说成是“失控的能量释放或转移”、“能量的逆流（于人体或设备） 或逸散”。在一定条件下，某种形式的能量能否造成伤害及事故，主要取决于人所 接触的能量的大小，接触的时间长短和频率、力的集中程度，受伤害的部位及屏障设 置的早晚等。对安全问题的认识和管理，除人以外就是对能量的认识和管理。 能量转移论与其他的事故致因理论相比，具有两个主要优点一是把各种能量对 人体的伤害归结为伤亡事故的直接原因， 从而决定了以对能量源及能量输送装置加以 控制作为防止或减少伤害发生的最佳手段这一原则； 二是依照该理论建立的对伤亡事 故的统计分类，是一种可以全面概括、阐明伤亡事故类型和性质的统计分类方法。不 足之处是由于机械能（动能和势能）是工业伤害的主要能量形式，因而使得按能量 转移的观点对伤亡事故进行统计分类的方法尽管具有理论上的优越性， 在实际应用上 却存在困难。它的实际应用尚有待于对机械能的分类作吏为深人细致的研究，以便对 机械能造成的伤害进行分类。 （3）轨迹交叉论 轨迹交叉的事故致因理论认为， 该系统内事故的发生是由于人的不安全行为与物 （机或环境）的不安全状态在同一时空相遇（或逆流能量轨迹交叉）所造成的，有时 环境也是造成人的不安全行为与物（机的）不安全状态及它们相遇的条件。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 9 页，共 65 页 图 2.1 轨迹交叉论事故模型 这种理论基于这样的事实，即人、机、物、环境各自的不安全（危险）因素的存 在，并不立即或直接造成事故，而是需要其他不安全因素的激发。统计数字表明，80 ％以上的事故既与人不安全行为有关[20]， 也与物的不安全状态有关， 因而从这个角度 来看、如果我们采取相应措施，控制人的不安全行为或物的不安全状态二者之一，避 免二者在某个时间、空间上的交叉，就会在相当大的程度上控制事故的发生。 2.3 安全分析中的常用方法 2.3 安全分析中的常用方法 2.2.1 事故树分析法 2.2.1 事故树分析法 事故树分析法（Fault Tree Analysis，FTA） ，亦称故障树分析法 [18]。该方法按工 艺流程、 先后次序和因果关系通过树形图来表示某种事故与可能导致该事故发生的各 种原因之间的逻辑关系， 并且可以通过定性和定量分析推理出导致该事故发生的主要 原因，从而为预防和控制该事故的发生所应采取的措施提供科学依据。 事故树分析法具有以下特点 （1）能够围绕特定事故深入分析事故原因及其相互之间的逻辑关系； （2）可以对人或环境等特殊原因进行深入分析，便于挖掘潜在的危险因素或状 态； （3）通过分析，能够找出控制事故的要素和不安全状态的关键环节； （4）便于进行逻辑运算和定量分析，而且可以实现分析过程的计算机化。 2.2.2 层次分析法 2.2.2 层次分析法 层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，简记 AHP） ，是一种建立在系统理 论基础上无结构的多准则决策方法，它将定性分析和定量分析相结合，把人们的思维 过程层次化和数量化，对一些较为复杂、较为模糊的问题做出决策的简易方法，在目 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 10 页，共 65 页 标（因素）结构复杂且缺乏必要的数据情况下尤为实用。 根据人们的思维规律，往往将复杂的选择问题分解为多个组成因素，再按递阶层 次结构来对这些因素进行分组，两两比较得到各因素的相对重要度，然后综合决策者 的判断来对决策方案相对重要性进行总的排序，从而做出选择和判断。这一思维过程 的关键是层次的划分，权重的确定和排序的合并规则。 2.2.3 人-机-环境分析法 2.2.3 人-机-环境分析法 20 世纪 40 年代初期，T．P．Wright 提出用“人的不安全行为、机的不安全状态、 环境的不安全条件、 管理缺陷及其相互交叉”来说明事故的发生， 人-机-环境分析法是 事故分析、安全分析和事故预防机理的理性模型[21]。 人-机-环境分析法的内涵可用图 2.2 来描述 人人的 不安全 行为 物物的 不安全 状态 环境环境的 不安全条件 事故 缺 管 理 管 理 陷 环境 外部 条件 图 2.2 人-机-环境分析法模型 这种分析方法全面反映了事故发生的现象与本质。 事故的发生是由人的不安全行 为、物的不安全状态和环境的不安全条件直接引起的，是三者共同作用的现象，而深 层次的原因则是管理失效。 2.4 煤矿安全指标分析模型 2.4 煤矿安全指标分析模型 以上各种安全分析方法各有其优势所在[22]， 故综合以上三种方法， 利用事故树分 析法、层次分析法和人-机-环境分析法建立煤矿安全指标分析模型，见下图 2.3 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 11 页，共 65 页 煤矿事故 影响因素 事故树分析 人-机-环境分析法层次分析法 煤矿安全综合评价指标 图 2.3 煤矿安全指标分析模型 对煤矿事故利用事故树分析可以得到对事故产生影响的所有因素集合，通过人- 机-环境分析法对这些因素进行横向分类，然后利用层次分析法对其相对重要性进行 排序，实现指标的筛选及分层，最终形成综合评价指标体系。 通过该方法可以分析引发煤矿事故的底层因素及其相互关系， 从而建立煤矿安全 评价综合指标体系，为煤矿安全评价奠定基础，第三章内容对煤矿安全指标分析模型 的内部操作过程进行了详细描述和深入探讨。 2.5 本章小结 2.5 本章小结 （1）分析了煤矿生产系统的主要特点，动态性、随机性和模糊性、相关性、依 托性和局部偶然性；对煤矿生产中存在的主要灾害进行了说明，为评价指标体系的建 立奠定基础。 （2）对事故致因理论和本课题的研究中用到的事故树分析法、层次分析法及人- 机-环境分析法三种方法进行了阐述， 为煤矿安全指标分析模型的建立提供理论基础。 （3）在事故致因理论的基础上用上述三种方法建立煤矿安全指标分析模型，综 合了这三种方法各自的独特优势， 为下章煤矿安全评价综合指标体系的研究提供了分 析工具。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 12 页，共 65 页 3 煤矿安全评价综合指标体系研究 3 煤矿安全评价综合指标体系研究 通过上一章所建立的煤矿安全指标分析模型， 我们可以逐步建立起煤矿安全评价 综合指标体系。 煤矿安全评价综合指标体系的建立是辨识系统中对安全有重要影响的 因素并对其进行分析和处理的过程[23]，是对煤矿进行安全评价的基础。 3.1 煤矿安全评价综合指标体系建立的原则 3.1 煤矿安全评价综合指标体系建立的原则 建立煤矿安全评价综合指标体系必须要遵循科学、系统、可操作、突出和方向性 等原则[30] （l）科学性原则。指标的选取和指标体系结构的确定必须依据安全评价理论， 且结合煤矿生产系统的实际及其特点， 这样建立起来的指标体系才更具有客观性和科 学性。数据的收集、处理、计算方法等都需要有一定的科学依据，这样得出来的评价 结果才可信。 （2）系统性原则。煤矿生产系统结构复杂，各子系统之间相互制约和影响，因 此，所建立的指标体系要全面、简洁且层次分明，涵盖煤矿安全涉及到的各个方面， 这样才能得到准确的评价结果。 （3）可操作性原则。在建立煤矿安全评价综合指标体系时，要考虑到指标的可 操作性，方便数据的采集和处理，符合我国的实际情况和当前的技术水平要求，且指 标概念明确、表达简洁。 （4）方向性原则。煤矿安全评价综合指标体系的建立应符合我国煤矿安全管理 的方针和政策，体现出煤矿安全管理的目标和方向。 （5）突出性原则。煤矿安全评价综合指标体系中指标的选取要突出重点、区分 主次，重视直接引发事故的人、机、环境等指标和决定三者安全状态的管理指标等突 出影响因素的作用。 3.2 煤矿安全评价综合指标体系建立过程 3.2 煤矿安全评价综合指标体系建立过程 煤矿生产系统结构复杂、作业环境恶劣，且生产工艺环节繁多，因此，在建立煤 矿安全评价综合指标体系时，要突出重点、区分主次、合理取舍影响因素，严格遵循 建立指标体系的科学、系统、可操作性强等原则，从而构造出结构合理、层次分明的 指标体系。 在第二章内容中，我们已经构建出煤矿安全指标分析模型，下面详细介绍一下用 该模型对煤矿灾害进行分析从而得到指标体系的整个过程 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 13 页，共 65 页 3.2.1 根据事故树分析法对煤矿安全影响因素进行辨识 3.2.1 根据事故树分析法对煤矿安全影响因素进行辨识 煤矿安全的评价结果建立在评价指标体系的基础之上，指标不同则结果不同。而 指标体系则是通过对煤矿安全影响因素的分析和处理得到的， 本课题主要采用事故树 分析法来分析煤矿的主要灾害事故，从而实现煤矿安全影响因素的辨识。 对煤矿事故进行事故树分析， 从而揭示事故与影响因素之间的逻辑关系[14]， 以瓦 斯爆炸事故为例（如图 3.1 所示为瓦斯爆炸事故树分析图） ，辨识出所有基本事件后， 根据其不同属性和特点进行分类合并处理为具有代表性的安全评价指标。 图 3.1 瓦斯