地下采矿生产事故预报专家系统.pdf
第】 9 卷第 6 期 2 0 0 0 年 1 1 月 岩石力学与工程学报 1 8 e J o u r n a l Ro c k Me c h a n i c s a n d H F 抽e 竹抽F 1 9 6 7 3 6 ~ 7 I N 0 “.。20 0 0 地下采矿生产事故预报专家系统 ‘ / 塑查 壁 赵 千里 J I I 有色金属公司盘昌7 3 7 1 0 4 丁 3 了 r憎2 高 谦 j 晾科 技大 学蛹 事 北 京 1 0 0 0 8 3 摘要采矿生产事故预报专家系统是金川二矿区安全管理与事故预报智能集成系统中的一个子系统 。介绍专家系统 的结构, 功能与研究开发技术路线。 关键词 分娄号 垫 王 墨 妻 室 墨 塾 竺 望 塑 塑 竺 曼 堑 墨 笙 T D 8 5 3 , T P 1 8 2 文献标识码A 文章编号i 0 0 0 . 6 9 1 5 2 0 0 0 0 5 . 0 7 3 6 . 0 6 1 采矿专家系统研究与进展 采矿工程是一个极其复杂 的大系统 。其中许多 问题属于不良结构。 问题求解无法用简单的数据流 或精确的逻辑判断作确定的解答。 采矿设计和生产既 需要研究、 利用采矿科学技术,最大限度地提高采矿 的经济效益 。还必须考虑 采矿生 产环境、 生 产安全、 对 环境的影响以及矿产资源 的开发和综合利用等社 会问题 。 专家系统技术为解决这类 问题提供了有力的 工具。 近十几年来采矿方面专家系统的研究取得了很 大的进展 , 从地质勘探 矿床勘查到采矿设计等各个 方面研制 出许多专家系统 。 8 0 年代 ,美国矿业 局匹兹堡研究中心、科 罗拉 多矿业学 院、佛吉尼亚技术大 学等研 究单位相继研 制一批采矿专家系统如美 国矿业 局匹兹堡研究 中 心开发用于煤矿长壁开采法预防底鼓的专家系统_ 1 } 宾夕法尼亚州立大学开发的采矿通风、 围岩分类、 围 岩 自稳预测等专 家系统[ 2 }亚里桑那大学开 发的用 于地下煤矿巷道顶板锚杆设计的专家系统啪。 英 国煤 炭公司技 术部和诺丁汉大学也开展了采 矿专家系统的研制 , 如英国煤炭公司技术部于1 9 8 4 年 研制开发了瓦斯 危害性预报 专家系统 UF E L、滚筒 采煤机故障诊断系统S HE AR E R、 巷道支护设计专家 系统和煤层自燃监控专家系统 H E ATI NG S等 。 近 1 0多年来 。 我国在采矿专家系统方面进行 了 大量的研究工作。研究主要集中在采矿方法选择 、 巷 道围岩分类、 巷道锚杆支护设计、 煤矿瓦斯监测以及 设备选择等方面 ~- 。 尽管 目前 采矿专家 系统研 究发展十分迅速 ,但 在实际工程 中的现状不容乐观。 部分专家系统在实际 应用中不够理想, 有的难以实地应用。目 前采矿专家 系统研 究与开发似乎存在“ 研 究开发热情高 。 而实际 应用程度低 的局面 。导致采矿专家系统研究与应用 状况的原因是 多方面的,诸如 知识获取的“ 瓶颈 ” 问 题 }知识表达过于简单 ;以及采矿专家系统开发研究 在指导思想和技术路线方面存在的问题。 例如 专家 系统开发多侧重于理论研究和软件 开发 。 注重 知 识获取 } 开发的专家系统多强调通用性 }不结合具体 矿山开发和只注重系统开发 } 不注重后续完善等。 考虑到采 矿专家 系统开发研究的现状及存在的 问题, 作者针对金川二矿区地质、 采矿条件与生产管 理水平 。 研究开发了集“ 安全信 息管理与采矿事故 预 报” 于一体的智能集成系统r ⋯。采矿生产事故 隐患预 报专家系统是该集成系统中的一个子系统 。 本文仅介 绍采矿事故预报专家系统的开发过 程以及 系统结 构 与功能。 2 采矿事故预报专家系统结构与功能 专家系统是为求解不良结构 阿题发展起来的。 与 求解结构化问题 不同 ,专家系统是基 于知识库 的知 识推理。因此, 开发的专家系统成功与否。 不仅取决 于求解问题 的性质 ,而且在很大程度上 依赖于知识 的数量和质量。因此 , 针对求解 问题特性 , 研究开发 本领域专家系统是必要的。 但是构造一个专家系统, 需要花费很多的人年 。 软件开发周期长, 所需经费 1 9 9 9 年 9月3 0日收到初稿. 1 9 9 9 年 u 月 2日收到修黼. 作者 杨栅简介 男, 4 2 岁. 1 9 8 2 年毕业于京北工学院 理京北大学 采矿系. 理任白银甚司经理, 主要从事采矿工艺与岩石力学等方面的研究 工作。 维普资讯 第 1 9 卷第 6期 f, _ 扬志强等.地下采矿生产事故预报专家系统 7 3 7 多,故对于金川二矿区采矿事故 隐患预报专家 系统 从头开发,无论是时 问还是 经费都是不可 能的。因 此,采矿事故预报专家 系统 的开发 的指导 思想是 1 借助于专家系统开发环境进行开发; 2 研究专 家知识 的获取方法 } 3 研究从 事故 实例 中获取知 识的方法 。 基于上述研究思想,在 国内外众多的专家系统 工具 中, 选 择一个适合 于二矿 区安全专家系统的开 发工具 , 是该研究工作重要 内容之一 为了选择适合于的开发工具 ,作者详 细研究了 国 内外 众 多 的专家 系 统工 具.如 E X S YS,KE S , 0U RU , OPS5, CM 1, CLI PS, XI ~ PLUS, VP E X P E R T等。尽管上述软件具有各 自的特点和优 点, 但 它们都很难满 足具体 的要求 。在研究众多的 专家系统工具后 ,最终选择 天马专家系统开发环 境[ “ 用于二矿区采矿专家系统的开发。 天马 专家系统开发环境是国家 “ 七 五”攻关 项 目.由中国科学院数学所、浙江大学等 6 家研究单 位 联合开发研制 。基 于 天 马 专家 系统开发工具 , 已经开发出多个 实用专家 系统 ,取得显著的经济效 益和社会效益【 ~L - 。 该 专家系统开发环境是 完全基 于汉字平台上开发的 , 菜单显示 .因此 , 使用简单 , 操作方便。系统的知 识表达方式是采用的 框架 规则”形式,克服一般系统单一的规则形式的知识 表达方法 ,比较适合于复杂的采矿系统的知识描述。 系统是在微机上开发的,知识 容量没有限制 , 这 既 有种于在微机上开发和普及 使用 ,而且 能容纳 7个 子 系统所构成的大系统的知识库。 各 知识获取与知识库建立 常规推理机是 天马 专家系统开发环境 的重要 组成部分 常规推理机是 由知识库 、推理机 、解释机 和 人机界面组成。知识库是 由框 架库 、规则库 和用 户自定义 函数库组成。知识库的构造可通过两 条途 径 1 通过文本编辑 的方式。借助 于任何编辑 软 件, 如 Wo r d , WP S等 ; 2 利用天 马知识获取系统 HKA S 提供的窗 口菜单 引导功能来开发领域 知识 库 。由于 HKAS提供了良好的用户界面 , 尤其适用 于不熟悉常规推理机文本的用户使用。金川二矿区 事故 隐患蕊报专家系统框架库是通过事故树状结构 图来建立的。规则库是通过咨询专家和基于事 故分 析获取的事故树 的割径 集建 立的。规则的表达 式仍 采用 i f t h e n的表示方法 。开发环境采用框架 规则 的知识表达方式 ,不仅扩大 了系统的应用范 围,而 且还为复杂的研究系统的知识库建立提供方便 基于 天马 专家系统开发环境开发二矿区事故 隐患预报专家系统 , 基本步骤如 下 1 问题分析 在开发采矿 生产事故预报专家系统之前 , 对每 一 道生产系统进行详细地分析 ,确定每一 生产系统 潜在的事故类型。选取 事故或事 故隐患作为层次树 的结点 , 而层次树类似于事故树 。 2 画出事故隐患层次树 通 过分析 ,针对 二矿区地下采矿的 7个 生产子 系统 ,建立了运输系统、掘进与支护系统、采矿系统 和提升系统的事故 隐患层次树和 2 1 类事故 隐患。图 1 显 示了掘进与支护系统的事故 隐患层次树 。基于 事故隐患层次树 , 借助于事故树分析方法, 求出最 小割集和最小径集。 3 建立框架知识库 基于 已画出的层次结构 的与或树 , 利用 天 马 开发工具环境语言,编写相应的框架知识库程序 。 4 建立规则知识库 规则知识库是表征系统在不 同条件下可能发生 后果的知识表达方式,目前 主要以 i f t h e n的形式 表示 其中 i f 是条件 , t h e n是结论 。通过 咨询专家 , 并结合事故树分析结果 .建立规则库中规则知识 。 4 金J l l --矿区事故预报常规推理专家 系统 基于 上述知识库 建立的方法 ,考虑到金川二矿 区采矿 生产系统,借助于 天马 专家系统开发环境, 建立了 7个生产系统的知识库 。即 1 运输系统 ; 2 提升系统 ; 3 掘进系统 ; 支护 系统 I 5 采 矿系统 ; 6 充填系统 } 7 机 电系统。下面将以围 岩稳 定性 预测知识库 为例说 明基于 天 马 开发环境 建立知识库 。 目前 ,围岩分类大多采用定性和 定量 因素相结 合的方法。因此, 基于各种分类方法建立相应的知 识库 。采用 天 马 专家系统开发工具及框架产生 式规则 ,知识库是 由框架库和规则库组成 , 分 别存 放在不 同的文件中。 框 架库是 由环境头部定义与一个或若干个框架 定义体组成,即 , de f i ne c f m { 。 。 环 境 头 部 , { e n d c fm框 架 定 义 , r d e f i ne e f m I e n d c f m 为 了获取框 架知识库 ,我们采用 的是树状结构 图来建立框架知识库 。 倒如 , 描述地下水因素时,其 树结构如图 2所示 当完成生产系统事故预报专家系统知识库后 , 维普资讯 岩石力学与工程学报 2 0 0 0盎 图 1 掘进与支护系统事故隐患层次树 Fi B-1 Ana l y t i cr a r c h y p r o c eB t r e e of a c c i den t f o r d r i v i n g an d s upp or t sy s t e ms 图 2 地下水因素层次树 F i S - 2 Hi e r a r c h y t r e e o f u n d e r g r o u n d wa t e r f a c t o r 将其存放在相应的子目录中。 天马 常规推理机有 中文和英文两种版本。运行中文版本的执行文件 C C S t . e x e , 则屏幕上显示图 3 所示的窗口 1 装入知识库 该菜单是为运行事故 预报之前,将 所需的知识 库调入内存 它包括二个不同名的文件 规则库和框 架库。 装入的次序是先规则库, 后框架库 装载时系 统分别会有提示窗 口出现。 2 运 行 维普资讯 第 l 9卷第 6期 杨志强等.地下采矿生产事故预报专家系统 图 3 天马, 专家系统人机界面 Fi g- 3 Hu ma n- c omput er i nt er f a c o f o r t he He a v e n e xpe r t s y s t e m t o ol 当知识库 装入后 ,选择此项菜单 ,则开始专 家 系统的咨询 如尚未装入知识库 , 则 系统在提 示窗 口出现。 须先装入知识库” 的提示。图 4显示进行运 输系统事故预报时所 出现的一个窗 I 1 。 3 知识获取工具 执行此菜单. 调用 天马 知识 获取系统 4 调用 D OS 退回到 DO S操作系统 ,但常规推理机仍驻 留在 内存,在 DO S命令行上打 q u i t 或 e x i t 以后返回,并 恢复到事故咨询界面 5 退出系统 执行此菜单 .整屏消失 , 返 回到 D OS状态。 5 事故预报神经网络专家系统 神经 网络在人工智能领域中是 另一较为活跃 的 研究方向,其显著特点是 能够从 实例 中自学 习,获 取系统所需知识 不同于 机器学 习. 它 可以 自适 应 E x l 日 图 4 运输系统事故预报中的一个窗口 Fi g. 4 A wi ndo w o f a c c i de nt t e c a s f f o r t r a n s po r t s y s t e m 地调整网络权值, 增加实例. 重新学习, 仅仅改变权 值修正知识, 而权值维数与计算机内存开销均不改 变。 正是基于神经 网络的特 点.本文研究和开发金 川公 司二矿 区掘进 、支护和采矿三个生产系统 的事 故隐患预报神经 网络预报系统 神经网络采用 B P算 法 ,并采用 B o r l a n d C语言开发系统用户界面。界面 是汉字平台,菜单驱动,使用极为方便 图 4显示了 开挖巷道破坏模式识别神经 网络预报系统的 人机界 面 。 系统菜单共设置 7个主菜单 , 这些菜单位 于屏 幕的第一行。将光标移动到相应的菜单上 , 就会 出 现下拉菜单 ,基于系统提示 , 进行 咨询信息的输入 或事故预报。图 5显示为事故预测输入系统所需要 的信息。 图5 事故预报的输入信息 Fi g5 A wi nd ow o ff 0 r e∞矗 t da t aj np uIf 0 p r odl e t i n g ac c i de nt s 为 了预测事故发生的概率 ,需要 向系统输入 一 些信息, 可以通过系统的“ 信息输入” 菜单实现。例 如,识别掘进巷遭施工过程 中破坏模 式的神经网络 预报系统 ,需输入 1 巷道 埋深 ; 2 岩 石强度 ; 3 岩体结构 ; 4 结构面张开度 ; 5 结构面连通 性 ; 6 结构面类型 ; 7 节理间距/ 巷道跨度; 8 充填物类型 ; 9 结构面形态; 1 0 结构面粗糙 度 及结构面倾角等信息。 输出因素即预报结果。 包括 破坏位置、 破坏规 模和破坏类型。 图 6 给出了开挖巷道破坏模式预报 系统预测巷遭破坏位置结果 的显示图。 由此可见, 输入信息和预测结果都是 0 ~l 之闻 的小数 ,它反映输入信息和预测 结果 的隶属度和 概 率 , 这样,避免了某些定性 因素难以定量化的困难。 .需指 出的是 ,对于事故预测所需 的某些信息不 知时, 可不输入, 系统仍能够进行很好的预测。 神经 网络预测系统能够基于不完备知识 以及某些错误信 维普资讯 岩石力学与工程学报 2 9 0 0 息 , 仍能够得到较好预 测结果 。正是神经 网络具 有 容错性和 自适应性 , 这是其它专家 系统所不及的。 图 6 巷遭破坏预测结果 F 姬 . 6 A wi n d o w o f f o r q m t r e s u l t s o f f a n u r e l o c a t i o n f or a d r i vi ng r o adwa y 6 结论 地下金属矿 山采矿 生产条件复杂多变 ,采矿安 全生产问题极 为突出。影响安全生产不仅涉及矿山 的地质 、采矿和 围岩稳定性 等多种客观因素 , 而且 , 采矿方法 , 掘进与支护设计 、员素质 、管理人员水 平 以及职工的安全意识 也致关重 要 因此 ,地下采 矿生产事故 隐患预报极 为困难 。为此 ,针对金』 I I 二 矿区地质与采矿条件 , 研 究开发了一个 “ 集安全信息 管理 , 事故分析与预报于一体 ” 的智能集成系统 , 并 且 已经应用于二矿的信 息管理与事故预测,获得明 显的经济效益和社会效益 本文介绍的事故预报专 家系统就是该集成系统的一个子系统 为了说 明该事故预报系统的应用情况 ,我们选 择二矿区 1 2 5 0 m 水平 的一个采 场巷道 进行预测 , 并与实际情况进行 比较。巷道围岩近似于块状结构 , 其输人参数为 块状结构一0 . 8 , 其他参数一0 . 2 图 5 所示 。 其输出预测结果为 巷道破坏位置位于顶 板的概率 一0 . 7 6 2 , 位于边墙 0 . 5 3 6 ,其他位置均 小于 0 3 图 6所示 预测发生大范围冒落的概率 0 . 2 7 5 ; 发生 中等 冒落的概率 一0 . 3 7 6 { 发生小块掉 落的概率0 . 7 5 4 事实上 ,在巷道开挖 3 d后 ,顶 板发生小规模掉块 冒落。 开发的地下事故预报系统是针对金 川二矿 区地 质 、 采矿方法 以及事故 案例开发的 。 从 应用情况发 现, 由于神经网络学习的事故案例影响因素极为复 杂, 当选择的案例超过 3 0 时, 学习的速率极其缓慢, 有时出现在某一范围内波动, 其误差难以达到要求 这样 , 预测 的精度较差 。但 当学 习样本收敛到允 许 值 0 . o D, 其预测结果十分理想。 如何提高神经网络 的学 习速率和 使其达 到收敛精 度 , 是我们正在研 究 的一个问题 我们研究主要有两个方面 其一 , 重 新 选择学 习样本和 影响 因素 ,努力提高 样本 的质 量, 使其样本确实隐含一定的 内在规律 其二 , 开发一 自适应神经网络学 习算法 , 通过 在学 习过程 中,遂 步调整网络结构参数 隐含层的 结点数 , 从而提 高 网络适应学 习复杂的样本库的性能 显然 ,尽管该 系统是 针对地下矿 山开发 的 , 但 开发 系统的指导思想以及系统框架可为开发其它地 下工 程所借 鉴。在此 ,只要选 择相应工程 的影响 因 素 输人参数 和预测 项目 输出参 数 , 并 选择相应 的学习样本库 , 就可以很容易地加以推广应用 任何专家 系统都需经过不断修改与完善 同样 , 金 』 I } 二矿 区事故预报专家系统也需在使用过程 中, 不断修正和扩 充知识 , 使预报系统 日趋完善 参考文献 1 D e n d y B,At k i n s o n TE x p s s yst e m a p 叫i 哪 i0 n i n t tm mi n i n i n d u s t r y [ J ] . 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P AS -Th e m a i n f un c t i o ns of ESPA U M a n d d e s i g n p hi l o s op h y a r e p r e s e n t e d Ke y wor ds un de r g r ou nd m i n i n g,e xp e r t s y s t e m ,a c c i de nt s f o r e c a s t,n e ur a l ne t s y s t e m 岩石力学与工程学报 所刊论文 1 9 9 8 年被引统计表 V I 续 1 7I 许宏发 1 7 2 哈秋冉 争 1 7 3王盒安 1 7 暗秋青 兮 L T S 张顶立 L 7 8王金安 i 7 7 孙东亚 1 7 8 李宁 】 7 9王芝银 】 8 0 麻风海 】 8 I 刘小明 1 8 2 黄宏伟 1 8 3 尤明庚 I 8 4 王明洋 1 8 5 于广明 I 8 6 尤明庚 I 8 7 王成 】 8 8 张顶立 器 鬟 茇 ll 磊 方 法 ∞ , 1s 4 4 著 蠢 精 体 精 动 性 态 的 三 维】9 9 7 , ]8 4 5 呈 毳 器台 介 质 岩 层 移 动 模 型 及1 99 7 . 16 8 蠢 磊 雾 口 赦 观 断 裂 机 理 分 析 与 实19 9 7 . 16 6 1 解 喷 桩 固 化 剂 新 型 材 料 试 验 与 分】9 9 8 17 1 岩石试样的三维卸围压试验 1 9 9 8 1 7 4 1 骞 器 单 轴 试 验 垒 程 应 力 应 变 曲 线19 9 8 , ] 7 1 1 墓 器 群 体 采 动 沉 陷 实 验 及 损 伤 力19 9 8 , ]7 1 1 岩石试样的三维卸日压试验 1 9 9 8 , 1 7 1 馨 馨 节 理 在 。 型 受 载 下 的 弹 塑 性19 9 8 .17 2 T井 层缔放开采矿山 乐力控制 1 9 9 8 . 1 7 2 】 杨家峙 李会中 谢和平 蔡德所 张顼立 王金安 诛祖煜 李宁 王芝银 麻风海 榇耀民 粱伟平 尤明庆 尤 明庆 于广明 尤明庆 王成 张顶立 薷 慧 l 措 摹 三 峡 水 库 形 成 后 岩 土 力 学 1g , 1g [z ] 莘 暴 彝 i } 垫 体 卸 荷 变 形 的 力武 投 水 皇 宣 学 学 报 9 9 s 2 0 3 荐 雾 嚣 理 论 的 岩 石 节 理 力 学 中 国 科 学 基 金 1 9 9 8 12 4 蟊 蘸 雾 { ; } 符 左 岸 坝 段 节 理武 汉 墨 耆 学 报 。 。 a z o s 誊 孽 节 理 刚 度 系 数 的 琨 场 声 披 应 用 力 学 学 报 1 9 9 8 . 1 5 3 1 嚣 蔷 灌 形 方 法 中 的 几 点 改 进 岩 土 工 程 学 报 1 9 9 8 .2 0 8 蜚 线 性 理 论 在 开 采 沉 陷 中 的 应 中 国 安 垒 科 学 学 报 1 9 9 8 .0 8 4 1 搏 述 岩 石 破 坏 的 非 线 性 共 振 模实 验 力 学 1 9 9 8 , [ 3 2 1 辇 蔷 薯 譬 化 荆 新 型 材 料 强 度 的岩 土 工 程 学 报 19 98 ,2 0 2 氅陷 岩样 强 度爱 变 形特性 的 研 岩 土 工 程 学 报 1 9 9 8 , 2 0 2 耋 藉 { } }昌 薯 的 失 稳 破 坏 和 试 岩 土 力 学 g g s 19 31 盏 番 裂 采 动 覆 岩 断 裂 边 界 影 响辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 1 9 9 8 . 1 7 I 的失稳破坏和试 节理受压剪 综采放顶煤工作夺层结构分析 岩土力学 1 9 9 8 . 1 9 3 1 重庆建筑大学学报1 9 9 8 , 2 0 4 中国矿业大学学报] 9 9 8 , 2 7 4 】 8 g 周 剖 兵; e 籁理 张 开 度 的 概 率 模 型 与 随1 99 8 .17 3 周 削 兵薪 磊 节 理 非 饱 和 渗 透 特 性 初 步 岩 土 工 程 学 报 1 99 8 ,2 0 6 】 90 尤 明 庚耋 磊 蘑 洁 ; 簿 罹 精 的 破 坏 形 式 与】 9 9 8 ,17 3 尤 明 庚襞 陷 岩 样 强 度 爱 变 形 特 性 的 研 岩 土 工 程 学 报 19 9 8 ,2 0 2 9 尤 明 庚裳 磊 蘑 ; 洁 ; 饕 辰 缩 的 破 坏 形 式 与19 9 s , 7 3 尤 明 庆塞 麓 ; 3 } 昌 薯 的 失 稳 破 坏 和 试 岩 土 力 学 9 gs 9 s 1 9 2尤 明 庚 岩 石 的 强 度 和 强 度 准 则 1 9 9 8 , 】 7 5 】尤 明 庆 譬 陷 岩 样 强 度 及 变 形 特 性 的 研 岩 土 工 程 学 报 1 9 9 8 . 2 0 2 1 9 3尤 明 庚 岩 石 的 强 度 和 强 度 准 j 【4 1 。 9 8 , 1 7 5 尤 明 庚 翥 需 } 蓦 蓼 的 _失 稳 破 坏 和 试 岩 土 力 学 19 9 8 , 19 4 9 注 限千篇幅, ‘ 岩石力学与工程学报 所刊论文 1 9 9 8 年被引统计表余下的7 3 篇将不再刊登, 特此说明a 维普资讯