（安全技术及工程专业论文）矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究.pdf

中南大学博士学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究作性的状况，推动了安全评价方法的发展9 本文将神经网络技术、灰色系统理论与安全信息处理技术的结合为矿，f 安全管理和科学决策捉供了新的、更为有效的途径和方法。预测就是依据历史寻求事物的未来发展趋势，是对事物未来发展趋势阿认识，目的就是根据事件的发展与变化趋势来采取相应的措施。矿井安全的有效控制对生产和作业人员的安危具有重要意义。有效的管理与控制，必须有完善、可靠的过程监测，而过程控制的成功与否，取决于对煤矿安全性指标的超前把握，准确的预测是超前把握并采取有效技术和管理措旌的先决条件，矿井安全预测就是通过系统现有或过去的危险信息来预测未来的系统安全状态d 本文根据宏观与微观、静态与动态的辨证关系，确定了矿井安全预测的基本原则，建立了韭线性灰色玖测、神经网络预测数学模型。( 建立的灰色预型篮型适应于历史数据不充分的预测问题，而首次将神经网络应用于安全预测的数学模型擅长于解决具有大量的历史数据的预测课题，使得预测结果更具客观性和预见性。在本文理论和应用研究的同时，研制、开发了与非线性动力学评价和预测模型相配套的计算机应用程序，包括安全评价和安全预测两大主要功能，且在本系统程序开发中首次引入了科学计算可视化技术，实现了安全评价和预测过程的可视化监控。心关键词矿井安井下灾害系统。非线性人工神经网彰灰色关联安全评价安全预测评价与预测可视化a b s t r a c ts t u d yo nn o n l i n e a rd y n a m i cs a f e t ya s s e s s m e n tm o d l e sa n da p p l l c a t i o ni nc o a lm i n e sa b s t r a c ti nt h i sp a p e r t h ei m p o r t a n ta n db a s i cp o s i t i o nw a sa n a l y z e da b o u tt h ec o a li n d u s t r yt ot h en a t i o n a le c o n o m y a n dt h ek e y p o i n to ft h ec o a ls a f e t yt ot h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ec o a li n d u s t r yw a sp o i n t e da c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h es a f e t ym a n a g e m e n ta n da s s e s s m e n t ，t h er e s e a r c hp r o j e c to ft h es a f e t ya s s e s s m e n tb a s e do nt h en o n 1 i n e a rd y n a m i c si nt h ec o a lm i n e sw a sp r o p o s e da n ds t u d i e d a n dt h ea u t h o r so r i g i n a li d e aa n dm e t h o d sw a sg i v e no u ta ts a m et i m e ，t h es t u d yr e s u l t sw e r ea p p l i e di nt h ep r a c t i c es a m p l e s ，a n dt h ep r o s p e c t i v er e s u l t sw e r ea t t a i n e d t h ep r o d u c t i o ns y s t e mu n d e r g r o u n di nc o a lm i n ei sad i s a s t e rs v s t e mw h i c hc o n s i s t so ft h eh u m a n - m a c h i n e r y e n v i r o n m e n ta n dt h ee x t r e m e l yc o m p l e xh o r i z o n s ，t h em a i nd i s a s t e rt y p e sa r em e t h a n e ，d u s t ，w a t e r ，f i r e ，r o o fa n dm a c h i n e r yi ni tt h em e c h a n i s mo f t h ed i s a s t e r si sd i f i e r e n t b u tt h ef a c t o r si n i t i a t i n gt h ed i s a s t e r sw e r ei a t e i t e l a t e de a c ho t h e r t h ed i s a s t e r $ d e s c r i b e da b o v em a yt a k ep l a c ea ta n yt i m ea n de v e r yw h e r e a n da f f e c t e df r o i uo d et oo t h e r s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ef c a t u r e so ft h ec a l a m i t yi nc o a lm i n e w eh a v et ot a k et h ea s s e s s m e n tt ot h eh a z a r dd e g r e eo ft h es y s t e m ，a n dp r e v i o u s l ya c q u i r et h ee f r e c to ft h ep o s s i b l er e s u l t so ft h ea c c i d e n t st ot h ew h o l ep r o d u c t i o ns y s t e m ，s ot h a tt h et e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n ta d m i n i s t r a t o r sc a na d o p tt h em e a s u r e s a n dt h ea i mo ft h es a f e t yp r o d u c t i o nw i l lb eo b t a i n e dt h ek e yp r o b l e mt ot h es a f e t ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i st of i n da n de s t a b l i s ht h es c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l es a f e t ye v a l u a t i o nm o d e l s ，a n dt oc o m b i n et h em o d e l sw i t ht h ep r a c t i c ep r o d u c t i o n m a n yp r o b l e m si nt h es a f e t ys y s t e mi nc o a lm i n ea r en o n l i n e a r t h et r a d i t i o n a la n dt h ep r e v i o u s l yf u n e t i o n s e t t i n ge v a l u a t i o nm e t h o d sh a v ea p p e a rt h e i rl o c a l i z a t i o n ，a n dt h ep r o b l e m so f t h ef i x i n ga n dc h a n g i n gw e i g h tc o u l dn o ta l s ob es o l v e dp e r f e c t l y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ea n a l y s i st ot h en o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s a s t e rs v s t e mi nc o a lm i n e t h ea d a p t a b i l l t yc o m b i n i n gt h em i n es a f e t ya s s e s s m e n tw i t ht h en o n l i n e a rg r a yt h e o r ya n dt h ea r t i f l c i a ln e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e dt h em e c h a n i s ma n dd i s c i p l i n a r i a no ft h ed i s a s t e r si nt h em i n ew e r eb yt h en u m b e r sa n a l y z e d a n dt h em o d e lr e f l e c t i o nt h ef e a t u r e so ft h ea c c i d e n t sw a se s t a b l i s h e d u n d e rt h ep r e c o n d i t i o na n dt h ep r i n c i p l e sf o l l o w i n gt h ec o m p a r i s o n ，s c i e n c e ，o n e n e s s ，a p p l i c a b i l i t y ，s y n t h e s i z i n g ，s p l i t ，a n dq u a n t i t yo ft h ei n d e x e s ，a n ds u f f i c i e n t l yt h i n k i n go v e rt h ev a r i e t yo ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t ys t a t u so ft h em i n e ，t h es y s t e mo ft h es a f e t ya s s e s s m e n ti n d e x e sw e r ec o m p l e t e l yc o n s t r u c t e d ，a n dt h ee v e r y中南大学博_ l 学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究i m p o r t a n tf a c t o rd u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s s e sw a si n c a r n a t e di nt h ei n d e xs y s t e m ，a tt h es a m et i m e 、t h eo r i g i n a is a f e t yd a t at a b l ea n dt h ei n d e xq u a n t i t yt a b l e sw e r ed e s i g n e da n dw o r k e do u tt h en o n l i n e a rs a f e t ya s s e s s m e n tm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h en o n l i n e a rg r a ys y s t e mt h e o r ya n dt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n dt h ed y n a m i ce v a l u a t i o nc a m et r u ef r o mt h ep a s tt ot h ep r e s e n ta n dt h ef u t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e dd e c i s i o no ft h ew e i g h t sb e t w e e nt h es t a t u sa n di t st h c t o r sw a ss o l v e d a n dt h ea c t u a ld y n a m i ca s s e s s m e n tw a sr e a l i z e dt h ed y n a m i ca n dr e a l t i m es a f e t yd a t ac o l l e c t i o no ft h ei n d e x e sw a sc a r r i e do u ti nt h em i n e s t h en o t e a s ym a n e u v e r a b i l i t vs t a t u so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d sw a sc h a n g e d ，a n dt h ea s s e s s m e n tm e t h o dd e v e l o p m e n tw a sp r o m o t e d i nt h ep a p e r t h ea u t h o rc o m b i n e dt h ea r t i f i c i a in e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h eg r a ys y s t e mt h e o r yw i t ht h es a f e t yi n f o r m a t i o np r o c e s s ，a n ds u p p l i e dan e ww a ya n dm e t h o df o rt h es a f e t ym a n a g e m e n ta n ds c i e n t i f i cd e c i s i o ni nt h ec o a l m i n e st h ep r e d i c t i o ni st os e a r c ht h ef u t u r ed e v e l o p i n gt r e n da c c o r d i n gt ot h eh i s t o r y ，a l s oi st h er e c o g n i t i o nt ot h ef u t u r ed e v e l o p i n gt e n d e n c yt h ea i mo ft h ep r e d i c t i o ni st h a tt h ep r o c e s s i n gm e a s u r e sc a nb ed o n ea c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n ga n dc h a n g i n gt r e n di ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o le f f e c t i v e l yt h es a f e t yi nc o a l m i n ef o rt h em i n ep r o d u c t i o na n do p e r a t o r st h ee f f e c t i v ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tr e l i e do nt h ep e r f e c t e da n dr e l i a b l ep r o c e s ss u p e r v i s i o n a n dt h es a f e t yp r o c e s sc o n t r 0 1w a sr e s t e dw i t ht h ep r e h o l d i n gf o rt h es a f e t yi n d e x e so ft h ec o a l 1 1 1 i n e t h e r e f o r e t h ee x a c tp r e d i c t i o ni st h ep r e c o n d i t i o nt op r e h o l da n dt a k et h ee f f e c t i v et e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n ts t e p st h es a f e t yp r e d i c t i o nf o rt h ec o a l m i n ei st of c i r e c a s tt h ef u t u r es a f es t a t u eb a s e do nt h ep a s to rp r e s e n td a n g e r o u si n f o r m a t i o no ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t i a t i n ga n da n a l y z i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h em a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cs t a t u s 。s t a t i ca n dd y n a m i cf e a t u r e s ，i nt h i sp a p e r t h eb a s i cp r i n c i p a l sw a sd e t e r m i n e df o rt h es a f e t yp r e d i c t i o ni nt h em i n e ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sb a s e do nt h en o n l i n e a rg r a ys y s t e mt h e o r ya n dt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw e r ee s t a b l i s h e d t h em o d e l sm a k et h es a f e t yp r e d i c t i n gr e s u l t sm o r eo b j e c t i v i t ya n df o r e s e e i n g k e y w o r d sm i n es a f e t y ；d i s a s t e rs y s t e mu n d e r g r o u n d ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；g r a yi n t e r r e l a t i o n ；s a f e t ya s s e s s m e n t ；s a f e t yp r e d i c t i o n ；v i s u a l i z a t i o no f a s s e s s m e n ta n dp r e d i c t i o np r o c e s s第一章绪论1 1 引言第一章绪论中国已成为世界矿业大国，其体系的完整性、矿种的齐全性、储量以及产量均位居世界前列。据国家统计局1 9 9 9 年底的统计数据【l l ，中国年原煤产量9 8 亿吨，原油1 6 亿吨，钢1 2 4 亿吨，居世界第一位。从世界能源的开发和利用来看，煤炭在所有矿产资源中无论是储量、产量还是消耗量都占有相当重要的地位。自1 9 世纪下半叶以来，煤炭一直是人类赖以生存的主要能源。中国1 9 9 5 年煤炭产量达1 29 8 亿吨，居世界首位。其后产量稳定在1 0 亿吨左右，仍然站在世界煤炭生产大国前列。1 1 1 煤炭是全球最重要的化石能资源在经济全球化的浪潮中，能源仍然是经济、社会进步的主要物质基础，由表1 1 可见【“，化石能资源( 煤炭、石油、天然气) 占9 0 以上，核电和水电由于自身的约束条件和发展历史等原因，所占i ：b v d 仅为72 和2 5 。表l1 1 9 9 5 年世界一次能源消费构成l 石油( ) j 煤炭( )天然气( ) l 核电( )f 水电( )j 二至二 万 二万 丁 口1 1 2 煤炭在中国经济发展中有着特别重要的地位和作用中国的能源结构决定了在相当长的历史时期内仍然以煤炭作为重要的能源和燃料。与世界相比，在中国的能源中，煤炭占有特别重要的地位。占消耗总量的7 3 4 ；在化石能资源中，煤炭占9 4 3 ( 表l2 ) ，煤炭中国最重要的能源【2 】。表12 中国能源资源的种类分布i煤炭( )l水电( )l 石油、天然气( )ll7 34i 一兰一一l 一生l最近的研究结果表明，以1 9 9 0 年煤炭保有地质储量和今后经济增长要求以1 5 - 2 的增长率计算，动态的可供开采的时间为1 7 8 - 1 4 5 年p l 。根据世界煤炭探明开采储量统计数据，中国的储量为1 1 45 g t ，占世界总量的1 1 ，居第三位”i 。图11 为近年来中国一次能源消费量、煤炭消费量及消费比例，同时给出2 0 0 0 年、2 0 1 0 年和2 0 2 0 年中国对煤炭消费的预测值。中国的煤炭消费占一次能源消费总量的比例始终在7 5 左中南大学博士学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究右i t i ，届主导地位，而且在未来相当长的时期内这种状况不会改变。1 1 3 安全是煤炭工业可持续发展的重要保障1 6 1 4 0 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0o1 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 ( 02 0 1 02 0 2 0础蚰暑亍鐾蠢乏桨的善图l l 中国一次能源消费总量、煤炭消费量及其比例础地位，实现安全、高图l l 中国一次能源消费总量、煤炭消费量及其比例效地可持续发展是中国实现经济重大战略目标的可靠保证，对r 扣国现在及其未来的国民经济发展起着决定性的作用。要确保煤炭这一基础产业健康有序的发展，矿井安全必须得到保障。煤矿安全状况总的趋势有所好转，反映煤矿安全状况最关键的指标，即百万吨死亡率有所下降，如图1 2 所示卧【。但是近几年，重大煤矿事故发生有了明显的增加，说明我国的煤矿安全形势没有得到根本性的好转。与发达国家、如英国、美国、澳大利亚等相比仍有较大。差距，这些国家登1 9 8 8 1 9 9 5 年的百嚣万吨死亡率小于。伊2 。与其它行业相比，煤炭工业的安全状况同样不容乐观( 图13 ) u o l 【”i 。因此决的关键问题4 】。1 9 8 61 9 8 71 9 1 1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 0 3 1 9 9 41 9 9 f i1 9 9 61 9 9 71 9 年份图1 21 9 8 6 年1 9 9 8 年百万吨死亡率变化趋势图图1 3 中国主要i 业企业事故统计煤矿安全是煤炭工业目前最突出、最需要解第一章绪论1 2安全评价中的几个基本概念及其相互关系的研究人类对安全及其相关范畴内的基本概念和基术内容、规律的认识和确认是随着引：会发展和，卜产规模的n 益扩大以及人类认识自然、补会的水平的提高而逐步深入的。随着l ：、l k 革命的开始，由于蒸汽机、火车、发电机以及其它重型机器、大能量设备的问世，在给人类带来现代工业文明的同时，自身的安全受到了工业革命诞生的各类产业带来的威胁，对安全问题的认识从初步发展到全面。安全评价是当今世界安全管理科学领域的重大课题之一，随着科学技术的进步，生产、生活系统的大型化和复杂化程度的提高，各类重大的灾难性事故不断发生，迫使人类在2 0 世纪中叶研究开发出系列科学、系统的安全评价方法，在灾害预防与控制工程中起到了巨大的作用。在进行矿井安全性评价研究之前，有必要首先对安全及其相关概念和关系进行较深入的探讨。1 2 1 安全与危险自人类诞生以及人类社会形成，r 始，就伴随着安全问题5 】。随着现代科学技术的发展，人类的生存、生活、生产环境又给人类呈现出许多全新的认识领域，给人类对安全的认识提供了一个全新的实践和研究舞台。但是，在当前的条件下，关于安全这一概念的认识仍然比较混乱，总结起来可归纳为二大类，既绝对安全观和相对安全观1 1 6 】。绝对安全观认为：安全就是无事故，无危险。指客观存在的系统无导致人员伤亡、疾病，造成人类财产、生命、环境损失的条件。在许多文献中都表达了类似的观点，如“安全意味着系统不会引起事故的能力”。“安全一般是指无风险i ”0 “安全指不发生导致伤亡、工伤、职业病、设备损失或财产损失的状态【l 。在早期出版的一些典籍类或教科书中，也同样表明安全就是“无危险、无风险”等观点。相对安全观认为：安全是指客体或系统对人类造成的可能的危害低于人类所能允许的承受限度的存在状态。美国哈佛大学劳伦斯教授的观点认为【l ”，“安全就是被判断为不超过允许限度的危险性，也就是指没有受到伤害或危险，或损坏概率低的通常术语。文献 2 0 】认为“安全是相对危险而言，世界上没有绝对的安全。”北方交通大学肖贵平等认为1 2 l l “安全是指在生产活动巾，能将人员或财产损失控制在可接受水平的状态，换句话说，安全即意味着人员或财产遭受的可能性是可以接受的，若这种可能性超过了可接受的水平即为不安全”。现代安全科学理论的研究认为：人类所处的任何生产、生活系统，都是一个即可实现人类设计功能，为人类提供所希望产品的生产系统，同时也是一个可能给人类的生命、财产、环境带来灾难的灾害系统。两中南大学博士学位论文：矿井安伞非线陀动力学评价模型及应用研究类系统同时依附于同一客观系统的基础上口2 l 【2 ”。因此， j 以描述系统存在运行过程状态量的安全和危险，自然也是一组相互对应的状态量。任何绝对安全或绝对危险的观点是巧i 存在的。危险与安全的概念相对应，两者同存在于同一生产系统c i ，既相互对立，又相互统一，既相互依赖，又相互转化，在矛盾的双方中，其中的一方为主，属支配地位，另一方则处于从属地位，此消彼长，两者不断发生变化。危险与安全是同时描述系统过程的状态量，有时没有绝对分明的界限，常表现为模糊性和不确定性。危险与安全的对偶性决定了两个基本概念可相互交换作用。故危险可定义为：人类再生产过程中。系统运行状态对人类生命、则产、环境可能产生的损害超出了人类可能接受水平的状态。综上所述，安全是系统运行过程的状态描述量，是和危险互为对偶的两个系统过程状态量，是人类所面临的系统存在或运行的状态对人类的生命财产和环境可能构成的危害低于目前人类所能接受的最低限度。安全是相对的，由于安全含有人类的认识能力与接受过程，随着社会的进步，人类整体综合素质的提高，人类认识、理解以及对各类奉献的承受能力也随之提高，在不同的社会发展时期，人类对同一系统的安全和危险程度人士也是变化的。安全和危险是互为对偶的状态量，它们同存于一个系统中，只是随着现存系统运行条件及环境不同，使得其中之一处于主导地位。被认为是安全的系统，同样存在一定程度的危险性。随着系统现存条件的变化，系统的过程状态量( 即安全和危险) 是动态变化的，在一定条件下，系统运行的状态会发生质的变化。任何把安全和危险对立起来的观点不符合辩证法的认识规律。1 2 2 安全与事故安全和事故是两个截然不同的概念。安全是系统发展存在过程的状态描述量，与事故有本质的区别。任何系统的运行过程均可看作是一个随机过程，事故是这一随机过程的所有样本实现总体中给人类造成损失和灾难的一类样本实现。它仪是系统整体样本实现总体中的一类子样本。因此，安全不同于事故，即未发生事故的系统不一定肯定是安全的，而发生了事故的系统不一定不安全。由此可见，用事故率的大小来衡量系统安全程度的做法是不完善的。另一方面，安全和事故也1 i 是完全对立的，系统事故的发生只能是其不安全的必要条件，而非充分条件，系统运行的安全与否，只能用系统运行的安全程度来表示。相对安全的系统对人类所造成的威胁比不安全的系统要小。同样，安全与可靠性也存在相类似的关系。事故这一基本概念在人类的日常生活、生产等各个领域应用最为广第一章绪论泛，是安全科学研究的一个基本范畴，r i l 外学者对此进行了很多论述，并进行了定义。在这些定义中，分别从不同角度反映了事故的本质属性，其中有代表性的定义有四个。文献 2 4 1 认为：“事故是非计划性的、失去控制的事件。”文献【2 5 】认为“事故本质上讲，是在一定条件下可能发生、可能不发生的随机事件。”文献 2 6 1 认为“是事故在与自然界斗争和进行生产劳动的过程中，人们受到科学知识和技术能力的限制，当前还不能有效防治、或在科学技术综合应用方面的知识贫乏或协调不足，能预防而未能防治而发生与意愿相违背，并导致物质损失或人身伤害或二者皆有的偶然现象”。笔者认为应该把这些事故的共性与生产系统的特点相结合来给出生产过程的定义，即“生产事故是指在生产活动中，由于人们受到科学知识和技术力量的限制，或者由于认识上的局限，目前还不能防止、或能防止而未能有效控制出现的违背人们意愿的具有现象上的偶然性、本质上的必然性的事件序列；它的发生，结果具有随机性，即可能迫使生产系统暂时或较长时间或永远终止运行，也可能造成人员伤亡、财产或环境破坏，或者其中两者或者三者同时出现”。因此，事故有如下特征：( 1 ) 、事故本身没有随机性，事故后果有随机性，并符合统计规律。( 2 ) 、事故发生是必然性的结果，决不能仅仅用偶然性去解释事故，用偶然性解释只能使人们产生侥幸心理，看不到事故发生的本质原因。这是人类生产、生活系统运行中最容易存在的心理特点。( 3 ) 、事故具有相似性，对事故本质上的原因分析，就能对同类事故进行预防和控制。安全与事故的关系可用h e i n r i c h 调查图说明，即严重伤害、轻微伤害、没有伤害事件数之比为l ：2 9 ：3 0 0 f 2 ”。深入研究表明，事故一旦发生，可能会造成图14 所示的结果关系图。其中以第4 种结果最多，约占9 0 口”，也就是说，系统在大多数状态下是安全的。但是，即使系统安全状态在人们能接受的水平以下，只要发生事故，就必然存在导致事故发生的原因，或者说是事故隐患，事故隐患造成的后果具有随机性，此时不产生对人、物和环境的损害，并不意味着另一次发生不产生损害。事故造成的损害超过人们的接受水平后，只能代表着目前的系统状态处于不安全区间，不能表明以后的系统也图1 4 事故发生的可能后果中南大学博士学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究不安全。因此，系统处于安全状态并f ；意味4 i 发生事故，系统处j ：1 i 安全状态，未必完全是由事故引起的。系统在大多数情况下处于安全状态，故在安全状态下查找事故隐患、侧重于现实安全状况调查，比侧重于对已经发生事故进行统计、分析更有意义。1 2 3 事故与隐患根据h e i n r i c h 理论，“隐患是导致事故发生的潜在危险”口。张景林认为“隐患是指有可能导致事故的，但通过一定办法或采取措施。能够排除或抑制的、潜在的不安全因素” 3 0 l 。文献【2 1 】认为“隐患指在生产活动过程中，由于人们受到科学和技术知识水平和认识能力的限制，而未能有效控制的有可能引起事故的一种行为( 多种行为) 或一种状态( 多种状态) 或二者的结合”。所以，隐患是人一机一环境系统导致事故发生的因素集合。事故发生必然蕴涵有隐患，但是有隐患不一定必然会发生事故。故对隐患的定义为：“人类在生产过程中，由于人们受到科学知识和技术力量的限制或者由于认识上的局限性，或者认识到但未能有效控制可能引起事故的人的行为、机的状态和环境条件或二者或三者的集合”。1 2 4 安全、危险、事故、隐患之间的关系综上所述，安全、事故、危险、隐患辨证关系综合为：安全与危险是一对矛盾体；系统在安全状态时并不能保证不发生事故，事故不发生也不能否认系统不处于危险状态：隐患是评价系统危险状态的基本因子，事故只表现危险与安全状态的一个侧面；隐患是事故的基本组合因子，要消除事故，就必须消除隐患；用隐患评价系统是否危险与安全状态的目的，是为了消除事故。1 2 5 安全评价由于安全与危险的相互对偶关系，系统的安全评价也称为系统的危险评价。对安全评价概念确定的焦点主要在于其和危险辨识、分析、诊断的区别和联系上。文献【2 0 】 3 1 】等对此进行了讨论。比较有代表性的有：“安全评价也称为危险度评价或风险评价，以实现系统的安全为日的，按照科学的程序和方法，对系统中的危险因素、发生事故的可能性以及损失和伤害进行调查研究和分析论证，从而为评估系统的总体安全性及制定基本的预防和防护措施，提供科学的依据” 3 h 。劳动部劳动保护研究所认为“安全评价是对系统存在的危险性进行定性和定量分析，得出系统发生危险的可能性及其程度的评价，以寻求最低事故率、最小损失6第一章绪论和最佳的安全效益”1 3 2 1 。欧洲航天局的定义“安全评价是对系统隐患的确认和系统整体危险性的度量，它是进行决策和事故管理( 包括对系统安全最优化、变化过程验证和人们危险接受水平) 一种方法”1 3 3 1 。文献 3 4 1认为“安全评价为危险性确认和危险性评价，即找出危险及其危险变化并计算事故发生概率及其严重程度，然后消除和减少危险性，并降低到人们可接受的水平”。arg r e e n 认为1 3 5 1 ，“安全评价是在计划、设计、生产多个阶段，对生产系统中存在的危险，进行充分的定性、定量分析，并建立安全评价数学模型，评价系统的安全度，以便针对存在的问题，根据当前的科学技术水平和国民经济发展条件提出有效的安全措施，消除危险或将危险降低到最低危险程度”。综合上述的观点，可以归纳出，安全评价是对系统危险性进行定性、定景分析，找 l 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。因此，安全评价就是对被评价对象系统的整体运转状态的危险程度的评估，并以此来确定人类对该系统的认可与否，并为系统安全水平的进一步改进和事故的预防提供信息基础。安全评价特点有：( 1 ) 、安全评价不仅考虑系统内的危险物质、危险结构，而且考虑到系统的安全保障体系及其与危险物质、危险结构之间的相互作用关系。( 2 ) 、安全评价并非完全根据有关的规程、标准来制约技术和工程，而主要是根据客观被评价对象的存在状态、结构关系、灾变机理、灾害物质的物化特性等评价系统对人类可能的危害。( 3 ) 、安全评价结果是对系统运行过程安全状态的总体反映，含有人类的认识水平和接受能力，是对系统整体运行状态的综合评估。( 4 ) 、安全评价的目的是为了正确地掌握系统的安全状态水平，了解系统安全运行的薄弱环节，提高系统的安全水平，降低系统对人类的威胁程度。对安全评价的比较完整的定义为：在生产过程中，对生产系统中存在的某类危险的影响因素进行可靠确认并进行定性或定量分析，进而给出系统状态此类危险的定性和定量结论，依次进行决策，并根据当前科学技术水平和经济发展水平，肘危险因子进行消除和降低危险程度，保证系统处于安全状态。1 2 6 安全预测所谓预测就是在t 时刻估计什t ( t 为待预测的时间间隔) ，即在给定得一组历史数据的情况下来确定系统运行过程的未来值。安全预测就是对系统安全状态的未来值进行预测。在文献 3 6 1 3 8 中，认为“安全预测是在时间序列上分析事故率的发展趋势，达到预防事故和控制灾害的目的”。文献 3 7 】把安全预测定义为“在对已经发生事故的资料统计、分中南大学博士学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究析和处理的基础上，以事故发生的原因和发展变化规律为依据，对目前尚未发生的或不明确的事故预先做出合乎逻辑的推测和判断，是建立事故随时问变化的动态模型并用来推算的过程”。其它文献的定义基本相似”。从上述定义中可以看出，安全预测仅局限在事故预测的范畴，而没能外延到系统运行状态危险度值的预测，故把安全预测进一步拓展，把安全预测完整地定义为：根据系统运行状态现在和过去状态危险值，利用预测数学模型，来评价将来某一时刻系统的危险度值，控制系统的危险增长，保证系统处于安全状态。安全预测包括事故预测，安全预测的关键是建立准确、完善的预测数学模型。1 3 课题研究的背景1 3 1 国外的研究和应用背景安全评价( 或风险评价、危险性评价) 首先在2 0 世纪3 0 年代出现于保险行业【4 0 】【4 2 1 ”。人类自产业革命以来，特别是第二次世界大战后，工业化过程加快，工业生产系统日趋大型化和复杂化，尤其是化学工业，在生产规模和产品种类迅速发展的同时，生产过程中的火灾、爆炸、有毒有害气体泄漏和扩散等重大事故不断发生，推动了对企业、装置、设施和环境等安全评价工作的开展。2 0 世纪6 0 年代开始了全面、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【2 】”l 儿”。1 9 6 4年美国道( d o w s ) 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，形成了经典性的道火灾爆炸指数评价方法【4 3 】。以后，又分别于1 9 6 6 、1 9 7 2 、1 9 7 6 、1 9 8 0 年发表了第2 、3 、4 、5 版【，1 9 8 7 年发表了第6 版j 。1 9 9 4 年又发表了第7 版 4 6 1 。道化学公司的火灾爆炸指数法在世界推出后，各国积极研究；f t o t ：发，推动了该项技术的迅速发展，并在此基础上提出了一些独具特色的评价方法。如英国帝国( i c l ) 化学公司蒙德( m o n d ) 分公司根据化学工业的特点，在吸取道化学公司评价方法的优点的基础上，于1 9 7 6 年提出了m o n d 公司火灾、爆炸、毒性指数评价方法，该方法在道火在爆炸指数的基础上扩充了毒物危险因素，并对系统中影响安全状态的其他部分冈素若有关安全设施等防护措施予以考虑，以补偿系数的形式引入到评价模型的结构之中，比同期的道指数评价法从原理上更加完善。日本国劳动省参照道火在爆炸指数评价法、蒙德指数评价法的思想，也在1 9 7 6 年开发出了“化学工厂六步骤安全评价法”，这种方法除对评价的程序、内第一审绪论容作了进一步的完善以外，其定量评价通过把装置分成工序、再分成单元，根据具体的情况给单元的危险指标赋以危险程度指数值，以其中最大危险程度作为本工序的危险程度；在分析阶段引入了系统工程的有关技术，使分析过程比以前的方法更全而、更系统【1 8 】【”1 。前苏联提出了俄罗斯化工过程危险性评价法等m 3 ”。上述方法均为指数法，主要是针对化工企业评价而发展起来的，在评价原理上无质的变化，仍然遵循了道化学公司以及系统内危险和危险能量为评价对象的原则，而且这些方法仍然在不断的发展和完善之中。随着航天、航空和核工业等高技术的迅速发展，6 0 年代后期，以概率风险评价( p r a ) 为代表的系统安全评价技术得到了研究和开发。英国在6 0 年代中期建立了故障数据库和可靠性服务咨询机构对企业开展概率风险评价工作口“。1 9 7 4 年美国原子能委员会( a e c ) 完成了商用核电站危险状况的全面评价，并于1 9 7 5 年由麻省理工学院n ，r a s m u s s e n 领导的研究小组发表了( ( w a s h1 4 0 0 ：反应堆安全研究( w a s h1 4 0 0 ：t h er e a c t o rs a f e t ys t u d y ) ，在科技界和工程界引起了震动。1 9 7 6 年，英国生产安全管理局( h a s ) 对c a n v e y 岛以及t h u r r e c k 地区的工业设施进行了危险评价。1 9 7 9 年英国伦敦c r e m e r & w a m e r 公司和德国法兰克福b a t t l e 公司对荷兰r i j n m u n c l 地区工业设施进行了评价。次后，这类评价法在工业发达国家德的许多项目中得到了广泛的应用。随之。又开发出一系列以概率论为理论基础的有特色的安全评价方法 4 7 1 1 4 8 忡5 。1 。1 9 8 4 年设在印度博帕尔市的美国联合炭化物公司开办的一家农药厂发生的毒气泄漏事故( 死亡2 5 0 0 人，中毒1 2 5 0 0 0 人) 、1 9 8 6 年两起震惊世界的巨大事故( 美国“挑战者”号航天飞机爆炸和前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事故)等，使得人们对安全问题有了更加深入的认识，各国政府和研究机构更重视安全评价的研究。如英国的t e c h n i c a 有限公司、荷兰的应用科学研究院、欧洲的欧共体l s p r a 联合研究中心、意大利的s t a 公司等都对安全评价进行了深入且广泛的研究，并开发了相关软件【3 2 ”，作为独立的产业形式出现的国外发达国家的安全评价发展正方兴未艾。随着现代科技的迅速发展，特别是数学方法和计算机科学技术的发展，以模糊数学为基础的安全评价方法得到了发展和投入应用，并拓展了原有的方法和应用范围，如模糊故障树分析、模糊概率法等【5 2 8 i 。应用计算机专家系统、决策支持系统、人工神经网络技术，对生产系统进行实时、动态的安全评价等”i 旧】。国外煤炭工业的安全评价领域，具体的研究和应用主要集中在以下几个方面：( 1 ) 矿山安全评价主要集中在以概率风险评价为基础 “h 7 “。就是把矿井生产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中南大学博：仁学位论文：矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究状态的危险度；隐患发生的概率和造成的损害经过统计数据获得，但是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