（计算机应用技术专业论文）矿山灾害预警应急管理系统的初步设计.pdf

摘要 摘要 本文重点设计完成了基于矿l u 安全管理的矿山预警应急管理系统的初步研 究工作。 安全是矿山生产能够正常运作的关键因素，如何对矿山安全进行有效预警和 应急救助，是目前在矿山安全领域的一项重要任务。因此基于矿山安全管理的预 警应急管理系统的研究，对于进一步提高矿山安全生产的水平、减少生命财产损 失有着重要的意义。 论文从系统开发背景、需求分析入手，分析了矿山安全生产领域所需要的技 术；论文通过对系统开发环境和开发工具的分析与选择、系统的架构设计、模型 算法研究，重点完成了预警应急管理系统的设讨，包括系统需求分析、系统总体 分析设计、模型算法的分析设计和数据库设计等工作。 本文通过对“矿山灾害预警应急管理系统”的开发和应用，取得了以下成果： ( 1 ) 依托现有的矿山安全水平建立了比较完善的灾害预警应急管理系统，给 出了系统设计方案，较好地解决了矿山灾害安全领域的预警和应急的问题。 ( 2 ) 运用软件工程理论、架构设计模式来指导系统开发的全过程，从可行性 研究、需求分析到代码设计、编写，都体现了系统化、工程化、规范化的、发计原 则，为将来在此基础上的二次开发打下了良好的基础。 ( 3 ) 运用运筹学、统计论、概率论和随机过程等数学方法，建立了灾害预警 的多种算法模型，并且以具体的矿山数据为实例、验证和评价了模型的有效性和 合理性。 ( 4 ) 较好地实现了多种算法的选择和组合。 ( 5 ) 对矿道的内部情况进行了分析，并且以空间数据的方式加以表示。 关键字：预警，应急，模型，算法 成都理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sm a i n l yd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e dt h ep r i m a r ys t u d yo fm a n a g e s y s t e mf o rc a l a m i t yi na n t i c i p a t i o na n dd e a l s e c u r i t yi st h ek e yi nt h es a f em a n u f a c t u r e ，h o wt oa n t i c i r l a t ed a n g e ra n dt a k e m e a s u r e st od e a lt h ec a l a m i t yi sa ni m p o r t a n ta s s i g n m e n ti nt h em i n es e c u r i t yf i e l d s ot h es t u d yi nt h ea n t i c i p a t i o na n dd e a lo fc a l a m i t yi sv e r ys i g n i f i c a n ti nt h em i n e s e c u r i t yf i e l d ，i ti sa l s ot oc u td o w nd e a t h r a t ew h e nm i n ec a l a m i t yh a p p e n e d t h et h e s i sb e g i nf r o mt h eb a c k g r o u n do ft h es y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ， i tm a i n l ya n a l y z e ss o m et e c h n o l o g ya b o u tt h em i n es e c u r i t y d u r i n gt h ec o k l ! c s eo f s y s t e mc o n d i t i o n 、d e v e l o p m e n tt o o l s 、s y s t e md e s i g n 、 m o d e l sa n ds o m ea r i t h m e t i c ，t h ep r i m a r ys t r u c t u r eo fs y s t e mh a sb e e na c c o m p l i s h e d i n c l u d i n gr e q u i r e m e n ta n a l y s i s 、s t r u c t u r ed e s i g ni nt h ew h o l ea n dd a t a b a s e t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s e tu pa ni n t e g r a t e dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nc u r r e n ts e c u r i t yl e v e l ，d e s i g n ag o o ds y s t e mp r o j e c t ，s o l v es o m ep r o b l e m sa b o u t a n t i c i p a t i o na n dd e a l ( 2 ) a l lt h ep r o c e s so ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti ss u p e r v i s e db ys o f t w a r ep r o j e c t t h e o r y 、s t r u c t u r ed e s i g nt h e o r y f r o mt h ef e a s i b i l i t yr e s e a r c ht oc o d ed e s i g n 、w r i t e ，i t e m b o d i e st h ep r i n c i p l eo fs y s t e m 、p r o j e c ta n ds t a n d a r d i z a t i o n ，w h i c hf o r mag o o d b a s ef o rt h es e c o n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ( 3 ) s o m ek n o w l e d g eo fo p e r a t i o n a lr e s e a r c h 、s t a t i s t i c s 、s k e t c h ya r eu s e di n t h i s m a n a g e m e n ts y s t e mt os e tu ps o m em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n du s i n gs o m ea c t u a lm i n e d a t at ov a l i d a t ea n dj u d g et h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t y ( 4 ) r e a l i z et h ec o m b i n a t i o na n dc h o i c eo f a r i t h m e t i c ( 5 ) a n a l y z et h ec a s ei n s i d eo f t h em i n et u n n e l ，a n dt l s es p a c ed a t at oe x p t a i ni t ， k e y w o r d s ：a n t i c i p a t i o n 、d e a l 、m o d e l 、a r i t h m e t i c i i 第1 章前言 1 1 系统开发背景 第1 章前言 保护人民生命和国家财产安全，保障职工身体健康，实现安全生产，是矿山 企业管理的重要任务，也是法律赋予我们的神圣职责。加强安全生产监督管理， 防止和减少事故的发生，保障人民生命和财产安全，维护社会稳定，促进经济发 展，是党和国家当前以及今后一个时期一项十分重要的工作。胡锦涛总书记强调： “安全生产事关群众生命，要作为一项重要工作切实抓好。”矿山安全生产关系 到矿工的职业健康以及生命安全，党和各级政府对此十分重视，搞好矿山安全对 全面建设小康社会具有重要的显示意义。 矿山是易发事故的高度危险行业，其生产过程是一个很复杂的系统工程，需 要克服许多不安全因素，如果对不安全因素能够进行有效控制，将会预防和减少 事故的发生，保证矿山正常的生产活动。我囤早在2 5 0 0 多年前的春秋时代，就 在矿石开采、井巷支护、通风排水方面有所建树，不仅满足了当时铜矿、铁矿开 采的要求，同时对冶炼业也起到了很大的促进作用。 现代科学技术日新月异，矿山技术不断发展、更新，安全科学理论和现代安 全管理方法不断创新。我国的矿山开采，由于装备水平低、劳动力密集、作业条 件艰苦、工作强度大、从业人员的安全素质不高等因数，矿山事故发生的频率相 当高，人员伤亡和财产损失很大，与发达国家相比有着明显的差距。当前，矿山 生产领域面临的安全形势十分严峻，需要全社会的关注，有许多工作要做。 近年来，通过各级政府和企业经营者以及广大从业人员的共同努力，特别是 安全生产法的贯彻实施，全国安全生产形势稳定好转，矿山安全工作取得了 很大成绩。但是，我们也清醒地看到，目前仍然存在很多问题，诸如：生产力总 体水平不高，工艺落后，设备设施陈旧，“本质”安全的物质基础很差；安全管 理生产与经营管理脱节，没有系统有效的安全管理运行机制；没有普遍引入系统 安全分析和系统安全评价的新技术，缺乏事故的应急性，可控性和系统性的研究。 “预警应急”现代汉语的意思是为了预先判断危险情况，对突发事件采用技 术手段通知相应的设各做出响应。预警应急系统( u p a s ，u r g e n c yp r e a l a r m s y s t e m ) 是以管理科学、统计学、控制论、行为科学和应急安全理论为基础，以 训算机技术、通信技术和信息技术为手段，针对灾害预警过程中的快速应急响应、 支持多方面快速决策的管理系统。应急预警在矿山灾害救助工作中是最直接的减 灾行动。针对中国近期出现的越来越多矿难事故，如何制定一套成熟完善的应急 方案，使灾害救助设备和其它的紧急处置设备之间有效地实现联动模式，从而及 成都理_ t 大学硕士学位论文 时投入到矿山灾害救援行动中去已经成为一项迫切的任务。u p a s 可以弥补普通 管理信息系统的不足，从大量的接收信息中提取有利于应急响应的信息，利用模 型进行分析预测，提高管理人员制定应急预案的能力，而不是仅仅局限于对信息 的简单处理。 因此，依托矿山，建立快速的应急预警系统可以针对矿山安全的确定和非确 定信息，利用数学模型进行预测优化，解决矿山安全管理工作中存在的安全隐患 问题，并且提供辅助决策的信息和方案，提高矿山安全工作质量，从而保证矿山 安全管理向科学化和现代化方向发展。 本课题在研究过程中，将矿山预警技术和应急救助技术有效地结合起来，利 用系统集成原理进行研究、设计。该系统不但可以及时确保矿工的生命安全，而 且还可以保护重要设施不受或者少受损失。同时为可能发生的矿山灾难做好有效 的应急准备：l 作，从而可以大大减少人员伤亡，减少财产损失，防止灾害扩大。 他打破了现有多个指挥中心间的数字鸿沟，使离散的数据库和信息资源得以互联 和共享，发挥更大的作用；由于采用了统的指挥调度系统，不同部门得以互通 和相互踟调、配合，使统一指挥、协调作战成为可能，真正实现了社会服务联合 行动。 1 2 本文的研究内容 本课题土要利用灾害救助技术的成果，研究和设计一种多点、多任务的应急 联动平台。在本课题研究过程中，我们主要解决以下几个问题： ( 1 ) 阐述系统设计原理，进行系统总体设计，分析系统的组成模块与功能。 ( 2 ) 预警应急管理平台的开发，包括事故管理平台模型，基于预警信号的灾 害快速评估技术，根据有限观测点数据快速生成矿山灾难示意图技术，研究各类 矿山生命线工程的应急方案紧急处置和快速决策技术，基于g e o m e d i a 生成灾难 矿图，显示受灾情况。 ( 3 ) 从灾害预警应急工作的特点和需求出发，以矿山灾害的历史数据和灾害 救助的历史解决方案为依据，建立基于关系型数据库和对象型数据库的数据库模 型，实现各种数据资料的统计分析，包括矿山基本资料、矿工基本资料和各种预 警应急方案资料。研究灾害预警方案，灾害应急方案中的关键技术，建立方案库， 实现各种方案的组合和选择，提高方案的解决问题的精确程度。 ( 4 ) 根据目前技术的发展，总结当前的工作，并且对系统的发展进行展望。 第l 章前言 本文对系统的主要功能进行规划，主要包括以下几个主要的功能模块： ( 1 ) 基本信息分析模块：实现各种基本信息的统计分析。 ( 2 ) 预警、应急方案决策模块：实现灾害等级、灾害地点、时间和救助手 段的初步预测；实现灾害发生后破坏程度、波及范围和救助方法的初步方案。 ( 3 ) 统计分析：实现对矿山数据、矿工数据、设备数据和其它数据总体结 构分布，并且按照某一个特征归类后的分布情况，如：各种工种人数结构，工龄 结构，年龄结构，机器设备结构，环境结构等。 ( 4 ) 灾害矿图分析：对发生灾害矿井的内部矿图做出分析，支持应急方案 模块做出准确分析。 ( 5 ) 数据库管理模块：主要提供对预警方案、应急方案和各种基本信息数据 的浏览、修改和删除等功能。 1 3 本文主要的技术思路和成果 首先通过对矿j jj 企业安全状况的调查，明确矿山企业对预警应急管理工作的 具体要求和目标。然后研究预警应急管理系统的实现方法和建立模型的数学方 法。根据需求，采用安全预警模型和其它优化方法构造预警方案和应急方案两大 类多个案例库模型，并且实现它们之间的关联。最后编码实现系统，如图卜1 所 不。 本文开展了矿山预警应急管理系统的研究，通过本系统的开发和使用，取得 了以下主要的技术成果： ( 1 ) 初步建立了灾害预警应急管理系统，给出了灾害预警方案和应急方案， 较好地理解了矿山预警应急管理中的灾害预测和灾害预警的问题。 ( 2 ) 运用软件架构设计、软件工程理论来指导系统开发的全过程，从需求分 析，架构设计到代码编写、软件测试和系统发布，都体现了系统化、工程化、规 范化的设计原则，为软件升级维护打下了良好的基础。 ( 3 ) 运用应力预测理论、多阶回归预测、打分法、运筹学和随机过程等数学 方法，建立了灾害预警模型、灾害应急模型和矿图结构模型，初步解决了灾害预 警应急中的关键问题。 ( 4 ) 较好实现了预警和应急的联系，有助于实现矿山安全体系结构。对矿山 灾害的各种信息进行了统计分析，并且以图形、图表方式显示。 成都理工大学硕士学位论文 i 分析研究矿山企业 安全管理状况 l 研究预警应急管理 系统的实现方式 母geome圈 圈 l 基州模型m 8h 懦引 鬻洲 l 一 l j 【j l一一二二二二二二二二二i一一1一一一j 直匣 广茸陌荔闻 l 矿山灾害预测l 判断 l 根据已经有的模 型实现系统 图1 1 技术思路示意图 4 莲 第2 章矿山灾害的预警应急 第2 章矿山灾害的预警应急 2 1 矿山灾害预警应急的研究和发展现状 早在本世纪初期，欧美等一些发达国家的专家就是对特重大矿山灾害事故的 危险问题提出了初步的设想。他们认为所谓危险，有人的危险、物的危险和责任 危险三大类。人的危险可以分为生命危险和健康危险；物的危险是指威胁财产的 火灾、雷电、台风、洪水、地震和工业事故等危险；责任危险是产生于法律上的 损害赔偿责任，一般又称为第三者责任险。归纳起来，危险是由意外事故、意外 事故发生的可能性及蕴藏意外事故发生可能性的危险状态构成，这也是预警应急 机制各环节工作的出发点。灾害预警就是在事先不能知道灾难发生的情况下，对 打击破坏的程度非常巨大、损失极其惨重，但也无可奈何，不能归咎于某个职能 部门、专业机构或相关个人的自然或者非自然灾害进行预先监测、判断，从而在 灾害来临的时候做出相应的警告。然而，在知道灾难将要发生或者已经发生的情 况下，人们就完全有权了解掌握有关灾难的各种信息情报，这时候不仅是需要考 虑如何躲避、逃离灾害所造成的重大危险，而且需要对灾害可能造成的危害程度、 人员伤亡、财产损失等情况做出紧急响应确保将灾害所造成的损失降到最低程 度。有些人之所以不主张将重大灾难预先或及时告知公众，主要理由显然是担心 会因此引发公众恐慌和社会混乱，造成一系列无法制止和防范的社会问题。这种 担心也许不无道理，但只要我们充分准备、做好工作，则是可以预警的，即使对 突然而来的灾害无法预警，那我们也是可以在灾害发生时候做出应急行动的。 预警应急机制一般可以分为四个层次：事务层、管理层、预测决策层、响应层。 事务层为基础层，包括灾害监控、环境监测、信号事件仲裁、资源控制以及其它 灾害因素的检测。 管理层为中间层，包含事物层。管理层是以事务层获得的监测信号为基础， 支持各种安全处理活动以及支持对象管理控制活动和预测、决策活动相结合并且 将事务层获取的安全事件、安全因素进行有续分类。 预测决策层是核心层，其主要是利用数学模型、算法对经过管理层分类的信号进 行处理，从而为预警或者应急工作做出响应的方案。 响应层是执行层，该层的主要工作是执行预测决策层的应急方案，并且启动各种 必要的预警应急机制。 事实上如果能够在平时具备较强的安全减灾文化素养及良好的心理素质，无 论遇到何种突发性事故灾害，也能找到从容得当的应急方法。从国际情况看，在 “9 1 l ”事件中，当时世贸大楼坍塌前有数万人在里面上班，但却只有3 0 0 0 人 5 成都理工大学硕士学位论文 在灾难中死亡。世贸大楼坍塌之所以没有引起更多人员伤亡，其中一个重要原因 就是，在“9 1 1 ”事件发生以后，美国政府及时启动了应急机制，各种应急措施 全面开肩，使得当时人们可以从容有序地撤离即将坍塌的世贸大楼。从国内情况 看，当年唐山大地震发生后，并没有出现社会大混乱、大疯狂的局面，也是由于 政府部门启动预警应急措施的缘故。 2 2 矿山灾害预警应急 22 1 建设的磬要性 近几十年，我国各类灾害事故不断发生，如何科学应对和及时、有效地加以 处置，是当今社会必须面对的一个重大课题。我国是世界上遭受各种自然、非自 然灾害最严重的国家之，灾害种类多，频度高，区域性、季节性强；特别是现 代化建设进入新的阶段，改革和发展处于关键时期，工业化、城市化加速发展， 新情况、新问题层山不穷，重大自然灾害、重大事故灾难、重大公共卫生事件和 社会安全事件时有发生。这些都迫切要求我们建立健全应付突发灾难事故的预警 应急机制、体制和法制，进一步提高预防和处置突发事件的能力。 ( 1 ) 网络和信息技术条件的日趋成熟 目前我国地区信息建设的步伐不断加快，网络和信息技术已经普及到了大部 分地区，而且以不同的形式嵌入到矿山工业企业的生产当中去。利用网络和信息 技术在这些企业的实际应用，使得灾害预警应急纳入到实际的生产生活当中去， 是实现防灾、减灾工作的，保护人民财产安全的最佳途径。 科学的广| 常信息管理和控制技术是矿山安全生产的重要保障，现在我国主要的大 矿山基本都装有日常管理及安全监控系统，但也存在不少的问题，如：监测能力 强，预测、分析能力弱i 发现能力强、控制功能弱；现场图像监测点太少等。参 考现有的其他领域的成熟监控技术设计出符合矿山实际情况的，更加可靠、智能的监控系统 将能够大大减少矿山灾害发生的机率。 矿山信息管理及控制技术，将贯穿于矿山生产的全过程，是个系统化的工 程，将涵盖矿山日常生产的大量信息管理，矿山背景信息的管理控制，并能够根 据现有数据推测矿山的未来。 ( 2 ) 异地化办公的需要 近年来，随着网络技术的普及，传统的办公方式难以做到各种信息的快速处 理；同时，以传统的办公方式，管理者外出时，就很难随时了解情况，批示重要 文件和做出某些决定等。建立网络化的灾害预警应急管理，通过与i n t e r n e t 相 连接，可以满足多区域远程办公和移动办公的需要，提高了预警应急效率。 第2 章矿山灾害的预警应急 ( 3 ) 灾害救助技术的不断成熟完善 灾害发生之后高效的搜救工作，离不开正确的救援策略和先进的搜索技术。 在现阶段的技术条件下，随着声波振动技术，光学红外技术，电磁探测技术， 超声技术以及救援机器人等搜救技术的提高，矿山事故的死亡率也在不断地下 降。 救助技术的与监控系统紧密结合，根据监控数据判断事故类型及可能导致的 二次事故类型，综合灾前做好的各类紧急处理预案，制定最优的救助策略选择最 适合的救助技术合设备。另外救助策略的选择，救助工具的选择，人员撤离的路 线规划，人员救助的原则以及各部门之间的协调等，都从而杜绝了盲目行动，增 加受灾地区的生还率。 ( 4 ) 建设科技型和谐社会的需要 预防和处置突发灾害事件，始终贯穿于人类的历史发展进程巾。在一定意义 上说，一部人类文明的发展史，就是不断应对并战胜各种挑战和危机的历史。凡 事豫则立，不豫则废。做好预防和处置各类突发灾害事件的思想准备、组织准备、 物质和技术准备，建立健全社会预警体系和应急机制，不断提高预防和处置突发 灾害事件的能力，人民群众就一定能够享受更加幸福的生活，我们的社会也一定 会变得更加和谐美好。 22 2 国内外矿山灾害预警应急的发展 ( 1 ) 国外矿山灾害预警应急的发展 国外灾害预警应急工作起始于二战结束以后，当时随着战争的结束，人们安 全的认识开始从预防应付战争危害转变到预防应付自然灾害的过程中来。最初， 国外的预警应急工作只是简单的“灾难救助体系”( a s s i s t a n c ec a l a m i t y s y s t e m ) ，主要用来完成财产挽救、伤员医疗、灾后重建等工作。 到了八十年代，随着高科技的进步和发展，国外的预警应急工作已经向具有 现代安全生产的主要特征的“超前预防性预警应急体系”( p r e f o r e c a s ta l a r m s y s t e m ) 转变。在国外的一些发达国家，例如美国、英国、法国、德国等国家， 百万吨矿山的死亡率为0 。美国目前产煤占世界的五分之左右，但随着科技 水平的提高和安全投入的加大，美国煤矿近年来每年的死亡人数只有40 人左 右。以美国美孚石油公司为例，该公司推行科学安全预警管理活动以后，公司事 故率下降了48 ；工人工伤焙偿资金比20 世纪80 年代减少93 。计算机 和通信技术的结合是这一时期预警应急发展的主要特点。 九十年代中期以后，随着多媒体技术、网络技术和地理信息技术的飞速发展， 以及各种数学模型在预警应急技术上的广泛应用。无线信息传输服务、多媒体电 视信息、手机短信、决策支持、智能处理等多种手段被用在灾害应急机制中。同 7 成都理t 大学硕士学位论文 时各种硬件技术的发展，也推动了基于灾害应急预警的软件信息处理和硬件技术 的紧密结合，从而使得灾害预警应急技术从只针对单一、具体灾害的预警应急体 系向广义全面的预警应急体系转变。 ( 2 ) 国内灾害预警应急的发展 我国的灾害预警应急工作起步比较晚，早期我国没有具体的预警应急职能部 门，许多灾害事故主要由政府部门临时指挥救灾、抢险工作；八十年代一些初步 的应急预警方案从国外开始传入；九十年代得到了真正的发展。到目前为止其发 展大致经历了四个阶段( 如图2 - 1 所示) ： 八十年代中后期以后，随着我国经济的发展，人们开始越来越注重周围的生 存环境和生活质量，在这段时期内，灾害预警应急开始有了长足的发展和进步。 近年来，科技部认真落实 ，针对我 国防灾减灾： 作的重点及其面临的重大科技问题，从基础性公益性科技工作，基 础研究，重大关键技术和重大科学工程等方面增加了科技投入，极大地提高了我 国防灾减灾科技水平但就矿山灾害预警应急这一方面过去的研究多局限于单 个矿井，单个灾害种类，单个侧面的研究，局限于具体的灾害事件的研究，其研究 结果应用有限很难进行实质性的大规模推广与应用，因此运用科学系统分析法， 建立一套矿山灾害预警与救助新技术体系，开展对多矿区，多矿种，种矿l i i 灾害的 总体研究，从不同侧面去探求矿山安全减灾问题的本质及规律，以得到总体性，综 合性结论，才能真正做到“安全减灾，综合防治”。 总之，灾害预警应急技术的发展，在很大程度上减少了灾害所造成的损失。 灾害预警应急的发展趋势是数字化、智能化和综合化。网络、信息通信、无线网 络和地理信息系统等技术将进一步加快灾害预警应急技术的发展。 图2 1我国预警应急的发展变化 第3 章矿山预警应急管理系统 第3 章矿山预警应急管理系统 3 1 矿山预警应急管理系统概述 311 管理系统简介和特征 预警应急管理系统是安全管理的组成部分。系统安全管理是系统工程和系统 管理相组合的新知识，现阶段流行的安全管理模式是从整体出发而不是从局部出 发进行有效安全的系统管理。现代预警应急管理系统不再是过去的小生产管理， 它的管理对象总是处在各个层次的系统之中。这种管理系统不但要对灾害信息能 够有效管理，同时还要与外界的众多系统发生关系。因此，不管是管理系统本身 还是其各个相关的子模块，要达到最优化的管理，就必须进行充分的系统分析。 管理系统的规模越大，结构越复杂，它所具有超过个体性能之和的性能就越多。 作为一个系统，应当具备六个特征：即整体性、相关性、目的性、层次性、 综合性和环境适应性。其中高效率系统的主要特征是目的性、整体性和层次性。 ( 1 ) 目的性 每一个系统都应该有明确的目的，不同的系统有不同的目的，没有目的的系 统是不应该存在的。目的明确是系统设计中一个非常重要的问题，目的不明确， 必然导致系统架构和系统管理的混乱。系统的结构不是盲目建立的，而是按照系 统的目的和功能建立的。因此，在组织、建立、调查系统结构时候，要强调服从 系统的目的。另外，个系统通常只能够有一个目的。如果有多个目的，则必然 在许多方面和、相互干扰，达不到优化，从而降低了管理效率。 ( 2 ) 整体性 整体性是指具有独立功能的各个子模块和要素之间，必然逻辑地统一和协调 于系统的整体之中。在小型的管理系统中，由于整体的联系很少，各个子模块有 利就是大致上整体有利。而在设计大型管理系统时候，各个子模块与整体之间， 各个子模块之间有着复杂的关系和交叉效应，子模块和整体之间的功能并不是一 致的。因此在设计大型系统时候，既需要考虑各个予模块的单独功能，又需要考 虑系统它们与整体结合。 一个系统总是由许多单元或者子模块组成的。一般地说，如果每一个单元或 者子模块的性能都是好的，则整体的性能也会比较理想。但是，单元或者子模快 都是力争自己达到最夹效果的，却不一定能够保证系统整体的最优功能。因此， 在设计系统时候，应该保证整体功能和单元功能或者子模块功能一致，否则单元 或者子模块就失去了存在于整体的基础。 9 成都理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 层次性 一个系统都有一定的层次结构，并且分解为一系列的分系统或者子模块。系 统的各个层次之问，应该功能职责分明。上层系统主要有两个任务： 】) 向下一个层次发出指令信息并考核指令执行的结果。 2 ) 解决下一层次各个子系统之间的不协调。 这样做就可以避免管理层次的混乱，充分发挥指挥的功能。 312 管理系统结构模型 矿山预警应急管理系统必须以“单参数测量报警”技术为基础，建立一 套对多矿区，多矿种，多种矿山灾害普遍适用的灾害预警应急管理系统，需要对矿 山灾害成因和发展进行充分的认识，通过可靠的现场数据采集和先进的数据处理 手段提高临测、预警、联动的智能化、自动化程度和快速应急程度。最大限度地 减少由于人员漏报、误报以及由于经验不足所造成的损失，提高预警应急处理速 度。 矿山灾害预警应急主要包含以下两类： 一类是与地质条件相关的矿山地质灾害预警应急。如由地震，洪水，泥石流等 引发的矿山灾害；以及由于矿山不合理生产导致地质灾害的预警，这需要各矿l 【1 企业与国家相关管理机构达到充分的信息共享以及数据的及时处理。 另一类是与矿山生产相关的重大事故条件预警应急工作，在矿山开采过程 中，随着开采和掘进工作面的推进，采场、顶底板、围岩、地表都在发生相应变化， 矿l ij 压力、矿井瓦斯、矿井涌水等也在发生相应变化。目前对于这种变化的反应， 是通过手工计算采集到的数据，再在有关图纸上填绘出来，因此，数据的时效性大 大降低，如何利用各类先进技术提高数据处理能力，实现有效的灾害预警应急将 成为我们研究的重点。 新型的矿山灾害预警应急管理系统将与相应的紧急救技术紧密结合，根据不 同矿种矿山特点，将矿山灾害救助分为煤矿救助以及金属：1 e - 金属矿救助：根据救 助的地理位置不同，将矿山灾害救助分为地表救助和地下救助，我们将对各类救 助进行分别研究，实现一个监测一分析一预警一联动一体化的矿山灾害预警系 统。 第3 章矿山预警应急管理系统 3 2 矿山系统安全事故分析 321 故障树分析 ( 1 ) 故障树概述和特征 故障树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 起源于美国贝尔电话研究所，1 9 6 1 年 由沃森( w a t s o n ) 在研究民兵式导弹发射控制系统的安全性评价时候首先提出的。 1 9 7 4 年美国原予能委员会用此对核电站事故危险性进行评价，发表了著名的拉 斯马森( n c r a s m u s s e n ) 报告，引起世界各国关注和广泛应用。波音公司对f t a 进行了重要改革，使之用计算机模拟航空事故的预测以及空难原因分析。故障树 是把故障事件之间的逻辑关系制成逻辑树图。它用相应的逻辑门来表达事故发展 进程中各个事件的因果逻辑关系，并且探求控制事故的措施以及安全评价，故障 树适合于从逻辑演绎方面探求促成事故发生的原因。 尽管事件千变万化，但是它们之间的逻辑关系可以归结为三种：“与”、“或”、 “非”；相应地，表达这些关系的逻辑门有逻辑“与”门、逻辑“或”门、逻辑 “非”门，但是后者不常用。故障树中一卜- 一层故障事件是下一层事件造成的结 果；下一层故障事件是引起上层故障事件的原因。当用逻辑门连接这些故障事件 时候，作为结果的上一层事件称为输出事件；作为原因的下一层事件称为输入事 件。 逻辑“与”门表示全部输入事件都出现则输出事件才出现；只要有一个输入 事件不出现则输出事件就不会出现的逻辑关系。 逻辑“或”门表示只要有一个或者一个以上的输入事件出现，则输出事件就 会出现；只有全部输入事件都不会出现，输出事件才不会出现的逻辑关系。 故障树出现的事件一般是故障事件，只有在较少的场合出现非故障事件。故 障树是从某一特定事件开始的，从上而下依次得出其前兆的故障事件，直到最初 始的起源事件。某一特定事件是被分析的伤亡事故或者其他不希望的故障事件， 将它表示在树图的顶端，故称为顶事件( t o pe v e n t ) 。最初丌始的前兆故障事件 是导致顶事件发生的初始原因，位于树图下部终端，称为基本事件。处于顶事件 和基本事件之间的事件，称为中间事件。中间事件既是造成顶事件的原因，又是 基本事件产生的结果。 当利用故障树分析伤亡事故时候，顶事件就是某种伤亡事件，基本事件是物 的不安全状态和人的不安全行为。即前者是物的故障，后者称为人的失误。 成都理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 最小割集和最小径集 1 ) 最小割集 故障树中的全部事件都发生，则顶事件必然发生。但是，大多数情况下只要 某些基本事件组合在一起，就可以导致顶事件发生。在故障树分析中，把能使顶 事件发生的基本事件集合叫做割集。引起顶事件发生的最起码的基本事件集合， 称为最小割集。 2 ) 结构重要度 结构重要度是权衡各个基本事件发生对顶事件发生影响的程度。造成和促成 伤亡事件的初始原因很多，在采取预防措施时候，应该按照轻重缓急，优先解决 那些最重要的问题，首先消除最重要的初始原因。这就要研究哪个原因对伤亡事 故的发生最重要。 当最小割集中的基本事件数目相等时候，在最小割集中重复出现的次数越 多，其结构重要度越大。 当最小割集中基本事件数目不等时候，基本事件少的割集中的事件比基本事 件多的割集中的基本事件重要度大。 3 ) 最小径集 径集是指某些基本事件的集合不发生，则顶上事件也不发生，这种事件的集 合称为径集。使得顶事件不发生所必须的最低限度的径集，称为最小径集。一般 可用故障书的对偶树，即成功树来求最小径集。将故障树的“与”门改为“或” 门，“或”门改为“与”门，则故障书即变成对偶的成功树。由于最小径集的基 本事件不发生，则顶事件就不发生：控制住这几个事件，使之不发生，就可以预 防事故的发生。 32 2 事件树分析 伤亡事故的发生是许多事件按照时间顺序相继出现的结果，前事件发展成后 事件都有两种情况：出现或者不出现。换言之，即事件导致成功或者导致失败， 两者必居其一。 事件树是按照事件发生发展，从左向右进行推断的，树枝代表事件发展途径。 结果好的分支在上面，结果不好的分支在下面。各种事件可能出现的结果用s i 表示，表注于各个分支端部。当有条件获取各个事件发生的概率值时候，可以将 概率值p i 记入各个分支之上，则可以进行事件树的定量分析，求出该事故发生 的概率。事件树适合用于分析随时间进程变化复杂的事故过程，简单明了。 第3 章矿山预警应急管理系统 32 3 社会原因分析 以社会为系统，矿山灾害事故的发生设计社会历史、社会文化、教育、政策、 科学技术、社会环境、法律、行业管理和企业管理等因素。控制矿山事故的发生、 发展是社会经济持续、协调发展这一大系统工程中的系统安全问题。 在矿山建设指导思想上，多年来我们过分强调生产里的高速增长，偏重矿产 数量扩张，单纯追求产量，忽视了矿il i 建设工程质量，忽视了安全生产和安全管 理的质量，忽视了职工劳动条件的逐步改善，对安全设施和劳动保护的物质保障 投入不足。许多矿山安全和环境问题比较突出，社会效益不理想。另外，不少粗 放型管理的矿山，为了追求产量违反正常的开采顺序，致使分散丌采，缺乏其中 管理，采矿战线过长采准落后，这些原因都是矿山灾害事故频繁发生的根本因素。 3 3 矿山预警应急管理系统的发展趋势 随着新技术的出现和迅速发展，预警应急管理系统已经逐步扩大应用于大、 中、小城市的决策、规划和预测当中去。预警应急管理系统逐渐形成了几个大的 分支，如集权模式、授权模式、代理模式、协同模式等，出现了预警应急管理系 统的新的体系a 随之而来的j l 个大的应用领域，如地震、水灾等预警应急管理系 统的功能和结构，也是得到了进一步的发展和完善。 3 31 集权模式预警应急管理系统 集权模式是指整合政府和社会所有的应急资源，成立专门的矿山预警应急联 动中心全权行使预警应急联动指挥大权。该类型的系统一般称为集权式预警应 管理系统”。模型如图3 - 1 所示： 成都理工大学硕士学位论文 图3 - 1 集权模式应急管理系统 集权模式是国外应急指挥普遍采用的形式，体现了预警应急的本质要求，是 社会预警应急发展的方向。但是，由于该模式几乎重构了社会预警应急体制，因 而建设难度大，投资也大。建议在中小城市和应急基础相对较弱的城市采用，采 用跨越式发展，直接到位。 该模式由于采用了统一的管理体制和专门的部门，有利于专业化发展，为长 远发挥打下了良好的基础。统一指挥、信息共享、资源共享，有利于实现快速反 应、精确指挥。一级接警，统一了所有的预警应急信息入口，另外，一级接警减 少了指挥层次，使指挥效率大大提高，有利于快速反应。 集权模式的预警应急管理系统，在建设过程中存在着一定的风险，主要体现 在与现有行政体制冲突比较大，政府需要进行体制调整，理顺指挥关系，在新的 模式下要定义好责、权、利的关系，否则协作容易出问题。由于应急联动中心与 政府其他部门问耦合程度高，特别是资源共享紧密，同样需要协调好关系。在现 阶段，单一一指挥层次也存在问题，不利于发挥职能部门能动性，特别是传统应急 反应部门的能动性。在接警量大的情况下，一级处警没有多层次协作指挥，容 易造成指挥中心负荷过重，因此，指挥中心的编制和系统能力要有充分的考虑。 系统建设要全面考虑，指挥网络要覆盖指挥中心内外，特别是指挥中心与基础信 息部门网络的连接和信息交换，否则指挥中心极有可能沦为指挥孤岛。 3 3 2 授权模式预警应急管理系统 授权模式是政府利用现有的预警应急指挥基础，根据矿山预警应急的实际要 求，通过局部的体制调整，授权矿山预警应急基础比较好的某一部门，在该部门 第3 章矿山预警应急管理系统 的牵头下，政府相关应急部门联动办公，联合行动，从而快速构建城市预警应急 管理系统。模型如图3 2 所示： 圈圈 图3 2 授权模式预警应急管理系统 授权模式在拥有大型矿山企业的城市中非常流行，该模式有效地利用了现有 的基础来快速构建社会预警应急系统。就目前来看，授权模式较适合现阶段国情， 是向集权模式过渡的一种比较好的形式。 授权模式充分利用现有基础，通过适当的投资和改造构建而成，见效快；充 分利用公安、消防、交通、卫生等部门经验，能够快速构建相对成熟的应急指挥 系统，指挥中心运行磨合期短、风险小。 重点部门集中办公，在处理重大事件 时具有较好的协作基础；非重点部门通过技术手段与指挥中心联动，也能体现预 警应急联动的要求。 3 3 3 代理模式应急预警管理系统 代理模式是政府成立统一的矿山预警中心或矿l j | 应急中心，负责接听预警应 急呼叫，根据呼叫的性质，将接警记录分配给一个或多个部门去处理，并根据各 部门处理情况反馈报警人。本质上，这种模式还不是真正意义上的预警应急模式， 但向提供的统一紧急呼n q 入口，方便了紧急情况下应急响应。模型如图33 所示： 代理模式虽然还不是完全意义上的预警应急模式，但从社会面来看，已经具 备了统一呼叫的特征。代理模式是一个过渡模式，一般是多步骤建设的第一步。 1 5 成都理工大学硕士学位论文 该模式与欧盟模式相近，适应于特点情形；解决了统一接听的问题，为统指挥 打下了基础：通过运行积累，逐渐强化处警功能和协调功能，先从重大灾害事件 的协调、监督做起，逐步参与更多的事件处理，最终发展成统一处警的指挥中心； 体制冲突小，建设难度小，便于快速启动。 事件上报 突发 应急 事件 决策部门 突发事件应急 决策平台 预警数据 应急数据 专家数据 预警应急预案叫 专家系统 预警应急方剁 蔓一 方案发布 图3 - 3 代理模式预警应急管理系 代理模式在运行过程中在存在着一定的风险，首先是接收预警信号( 简称接 警) 的风险，不准确的接警必然导致不准确的处警，因此，接警务求准确，而相 应的接警系统也需要很多的专业知识沉淀；在跨部门事件处理时，形成统一的指 挥核心还需要时间。另外，该模式还没有真正体现应急联动的理念，整体作战有 赖于其他方式的协调。 3 3 4 协同模式应急预警管理系统 所谓协同，就表明有多个主体存在。协同模式是多个不同类型、不同层次的 指挥中心和执行机构通过网络组合在一起，按照约定的流程，分工协作、联合指 挥、联合行动。模型如图3 - 4 所示： 协同模式的本质是在现有的政府行政联动基础上增加网络化电子协作与指 挥平台，两者相辅相成。其精髓在于将应急指挥融入政府运作体系之中，体现了 群策群力的指挥理念。 在协同模式下，政府指挥系统与部门指挥系统职能分明，各有重点，互不冲 突；构建多层次的指挥网络，物理分离、逻辑集中、业务统一：政府的应急指挥 第3 章矿e l i 预警应急管理系统 系统是核心，通过该系统将过去多个分立的部门指挥系统整合成体化的应急联 动系统，大事政府牵头，小事部门负责。该模式不需要触动现有行政体制，符合 现有的部门分工要求；不需要额外编制，适应现阶段国情，建设难度小、投资少、 见效快。 图3 - 4 协同模式预警应急管理系 3 3 5 我国矿山预警应急管理的进展 近年来，由矿lj i 灾害突发事件和重大矿山灾难造成的人员伤亡、经济损失和 社会影响呈现日益加重的趋势。有资料显示，中国每年因矿山灾难事故造成的 g d p 损失高达数千万元，因此丧生的多达数万人。我国的矿山预警应急管理系统 的研究开始于九t 年代后期，起步稍晚，但是起点很高，完全铺开会有个过程。 我国的灾害预警应急的开发设计技术相对于国外而言还是比较落后的。在对 监测数据处理方面，预警方案以及灾害综合分析技术都只有做了理论上的研究而 在实践中没有得到广泛的应用；利用数学算法处理数据较少；当呈现受灾情况时 候，利用6 1 5 手段还不够丰富。另外，目前针对频发的煤矿枣故的预警应急管理 尚不多见，本文将就此开展研究。 1 7 成都理工大学硕士学位l 硷文 第4 章系统环境和开发工具 在灾害预警应急管理系统的设计中采用的c s 模式，是现阶段在i n t e r n e t 上广泛流行的一种新型计算模式。c s ( c 1 i e n t s e r v e r ，客户机j r 务器) 模式 是软件系统体系结构的一种。c s 模式简单地讲就是基于企业内部网络的应用系 统。与b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器j r 务器) 模式相比，c s 模式的应用系统 最大的好处是不依赖企业外网环境，即无论企业是否能够上网，都不影响应用， 而且c s 模式传输速度快，提高了系统的使用性。 4 1 软件环境 ( 1 ) 预警应急软件环境简介 灾害预警应急管理系统的软件环境如下： 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 x p 数据库管理系统：s q ls e r v e r2 0 0 0 w i n d o w s 是美国的m i c r o s o f t 公司，即d o s 操作系统的研制者，在八十年 代后期推出了w i n d o w s 操作系统。特别是wjn d o w s3 0 及3 1 出现后，己使得 操作pc 机的方式以及软件开发过程发生了革命性的变化，这就使得该操作系统 迅速发展，其市场上的占有率上升到了8 7 。6 ，该操作系统的特点如下： 1 ) 其提供了一种不同以往的命令的手段，对计算机的操作是通过“窗口”、 “图标”、“菜单”等图形画面和符号的操作来实现的。用户操作的方式，可以用 键盘，而更多的则是用鼠标来实现的，鼠标点击之间，选择、运行、调度便轻易 地