（采矿工程专业论文）基于信息熵的矿井通风安全性评价系统研究与开发.pdf

太器理工大学硕士研究生学位论文 基于信息熵的矿井通风安全性评价系统研究与开发 摘要 本文首先分析了当前我国煤炭生产的安全形势，阐述了安全生产的 重大意义和进行矿井通风系统安全评价的紧迫性和必要性，指出进行矿 井通风系统安全性评价的目的在于及时发现矿井通风系统中存在的问题 和安全隐患，调整和改造系统，优化通风设计，准确编制事故预防与处 理方案，同时，指导现场通风安全管理。 文章介绍了当前安全评价及其软件的发展和应用现状，针对常用的 几种评价方法在指标选取和评价过程中存在的问题，提出了基于信息熵 的安全评价研究课题，并进行了研究，在实际应用中达到了预期的效果。 矿井通风系统是一个动态的、模糊的、随机的、复杂的庞大系统， 涵盖的因数特别多，往往很难选择一种有效适用的定量评价方法对它作 出客观评价，本文结合安全系统工程、安全管理学、危险源辨识理论以 及相关学科的理论方法，全面分析矿井通风系统的全部信患，在遵循明 确具体、全面客观、简单方便原则的前提下，建立了通风系统安全性评 价的指标因索集，运用一定的方法，实现了指标的定量化和规范化。在 指标隶属等级确定方面，参阅了大量的煤矿规程、规范并结合具体煤矿 生产实际，将矿井通风系统安全性划分为优秀、良好、合格和不合格4 个 等级，使评价结果有了明确的界定。 太原疆工大学颈童：研究生学谴论文 在评价方法选择过穰中，蕾先论述了信患论中信息嫡原理与矿并通 菇系统安全选译价有棍结合酶邋应性勰题，应臻信息论中鲍有关躲识， 建立了矿井通风系统安全性评价模型，该模型突出的优点是评价过程简 单，评价结果可靠度高，尤其是各个指标权值的大小由系统熵值确定， 克服了专家打分法酶人为往和层次分折法的繁琐性，便予实现编程运算。 在理论囊应怒磅究的溺时，笔者运用v 转语言开发了基予信怠熵遥谂 的矿井通风安全性评价系统。该系统界疆友好，操作简便，容错鼹力强， 采用一体化设计，矩阵计算矗接调用m a t l a b 控件，运行速度快。在功能 设计上，除了实现信息熵评价模型的整个评价过程外，增舶了系统自动 绘爨安全对策疆撬功麓。另外，为了达到完整性帮逶溺猛的设计要求， 本系绞特设计了知识查询和帮助模块，便于馊用者了解和学习相关知识。 为了检验该系统运行是否可靠，本文选择了南庄河煤矿等十几个矿 井进行实地测试，收到了较好的效果，值得黄遍推广应用。 关键词：通风系统，安全评价，指标体系，信息熵，软件开发 太蒹理工大学颈研究生学髓论文 t h e 嚣s t a b l l s h x 瞪n 下a n da p p l i c a t i o no f s a f e 下y 嚣砒u 炎r l o ns y s 疆mi nc o a lm i n e v e n t i l a t i o nb a s e do ni n f o r m a t i o ne n t r o p y a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cs a f e t ys i t u a t i o ni sa n a l y z e da b o u tc o a li n d u s t r y ， i ts t a t e st h eg r e a ts i g n i f a n c eo fw o r ks a f e t ya n dg i v e st h eu r g e n c ya n d n e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gs a f e t ya s s e s s m e n ti nm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m t h e s a f e t y a s s e s s m e n ta i m sa tf i n d i n gp r o b l e m ，e l i m i n a t i n gh i d d e nd a n g e r si n m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，a d j u s t i n ga n dr e f o r m i n gs y s t e m ，o p t i m i z i n gd e s i g n o fv e n t i l a t i o ns y s t e m ，w o r k i n go u ts c h e m eo fp r e v e n t i n ga n dd i s p o s i n gt h e a c c i d e n t t h ev e n t i l a t i o na n ds a f e t ym a n a g e m e n ta r eg i v e di ns p o tb ys a f e t y a s s e s s m e n t t h i st h e s i si n t r o d u c e sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o ni np r e s e n t a b o u ts a f e t ya s s e s s m e n tt e c h n i q u ea n di t ss o f t w a r e ，t tp u t s f o r w a r dt h e r e s e a r c hp r o j e c to ft h es a f e t y a s s e s s m e n tb a s e do ni n f o r m a t i o ne n t r o p y a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e mi ns e l e c t i n gi n d e x a n de v a l u a t i o nm e t h o d 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 o e c t i v e r e s u l t sw e r ea t t a i n e d j l 羔 太原理工大学硕士磷究生学位论文 m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sd y n a m i c ，f u z z y , r a n d o m ，c o m p l e x ，m a c r o s y s t e ma n di n c l u d i n gm a n ye l e m e n t s i ti sd i f f i c u l tt og i v eae f f e c t i v ea n d q u a n t i t a t i v e m e t h o dt oe v a l u a t ei t o b j e c t i v e l y t h ep a p e ra n a l y s i s a l l i n f o r m a t i o na b o u tm i n ev e n t i l a t i o n s y s t e mb ym e a n so fs a f e t ys y s t e m e n g i n e e r i n g ，s a f e t ym a n a g e m e n ts c i e n c e ，i d e n t i f yr i s kt h e o r ya n dc o h e r e n t s u b j e c t s ，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 sa b o u tv e n t i l a t i o ns y s t e m a r ec o n s t r u c t e du n d e rd e f i n i t e ，o v e r a l l ，o b j e c t i v e ，s i m p l ea n dc o n v e n i e n tt h e p r i n c i p l e s ，t h eq u a n t i t ya n ds t a n d a r do ft h ei n d e x e sa r e tr e a l i z e d i no r d e rt o d e t e r m i n et h eg r a d eo fi n d e x ，ag r e a tn u m b e ro fr u l e s ，s t a n d a r da n do t h e rs p o t m a t e r i a l sw e r ec o n s u l t e d t h es a f e t yg r a d eo fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mw a s d i v i d e dt oe x c e l l e n t ，g o o d ，a c c e p t a b l ea n du n g r a d e d 。 i nt h ep r o c e s so fs e l e c t h l ga s s e s s m e n tm e t h o d s ，a tf i r s tt h ea d a p t a b i l i t y c o m b i n i n gt h es a f e t ya s s e s s m e n ti nm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mw i t hi n f o r m a t i o n e n t r o p yp r i c i p l e w a sd i s c u s s e d t h em o d e lo f s a f e t y a s s e s s m e n tw a s e s t a b l i s h e db yu s i n gt h ek n o w l e d g eo ft h ei n f o r m a t i o nt h e o r y t h i sm o d e li s s i m p l ea s s e s s m e n tp r o c e s sa n dh i g hr e l i a b l ea s s e s s m e n tr e s u k s ，e s p e c i a l l y , t h e d i m e n s i o no fi n d e xw e i g h tw a se s t a b l i s h e db yi n f o r m a t i o ne n t r o p y i t o v e r c o m e sa r t i f i c i a lc h a r a c t e rf r o ms p e c i a l i s tm a r k i n ga n dt r o u b l ec h a r a c t e r f r o ma n a l y t i ch i e r a r c h i c a lm e t h o d ，s oi tc a r lb ee a s yp r o g r a m m i n g b yr e s e a r c h i n ga n dp r a c t i s i n g ，t h ea u t h o rd e v e l o p ss a f e t ya s s e s s m e n t s y s t e mb yv bl a n g u a g ew h i c hi su s e df o rm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mb a s e do n i v 太琢理工夫学硕士研究生学位论文 i n f o r m a t i o n e n t r o p yp r i c i p l e t h i ss y s t e m i s g o o di n t e r f a c e ，s i m p l e o p e r a t i 0 1 1 ，p o w e r f u lf a u l t t o l e r a n tt e c h n i q u e ，h i g hs p e e df r o mi n t e g r a t e dd e s i g n a n dm a t r i xc a l c u l a t i o nb yc a l l i n gm a t l a b 。b e s i d e so ff i n i s h i n gp r o c e d u r e d i v i s o no ft h ea s s e s s m e n tm o d e lb a s e do ni n f o r m a t i o ne n t r o p y , i nd e s i g no f s y s t e mf u n c t i o n s ，i ti n c r e a s e so fs h o w i n gs a f e t yr e s o u r c e sa u t o m a t i c l y 坶t h e s y s t e m ，o t h e r w i s e ，i no d e rt og e ti n t e g r i t ya n da p p l i c a b i l i t y , k n o w l e d g e i n t e r r o g a t i o na n dh e l pm o d u l a rw a sd e s i g n e dt ol e a r n i n gr e l e t e dk n o w l e d g e f o rt h eu s e r s i no d e rt ot e s ti t sr e l i a b i l i t y , s o m em i n e ss u c ha sn a n z h u a n g h e m i n ew a ss e l e c t e dt op r a c t i s e ，i tw i n so u ts a t i s f i e dr e s u l t 。s oi ti sw o r t ho f w i d e s p r e a d i n g 。 k e y w o r d s ；v e n t i l a t i o ns y s t e m ，s a f e t ya s s e s s m e n t ，i n d i c es y s t e m ， i n f o r m a t i o ne n t r o p y , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t v 太原理：c 大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 前言 煤炭是国民经济和社会发展的基础。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始 终占7 0 左右。预测至l j 2 0 1 0 年煤炭占6 0 左右，2 0 5 0 年仍将占5 0 以上，因此，煤炭 在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。2 0 0 0 年全国煤炭总量为9 9 亿t ，2 0 0 1 年 1 1 o 亿t ，2 0 0 5 年煤炭产量尽管达到了1 9 5 亿t ，仍不能满足需求。当前，快速增长 的经济，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳 定、健康地发展。我国煤矿主要是井工开采，生产环境条件复杂，与其它行业相 比，煤矿安全尤为重要。安全是煤炭生产的头等大事，安全对煤炭生产起着保证、 支撑和推动作用。保证煤矿职工的生命安全和国家财产是煤炭工业可持续发展的前 提，煤矿安全生产形势的好坏直接关系到我国国民经济的能源供给问题“1 。 十六大报告指出“信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以 信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资 源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”。安全生 产是煤炭工业“走新型工业化道路”、实现可持续发展的前提条件，科学技术是第 一生产力，安全生产的各项工作要转移到依靠科技进步的正确道路上来，通过科技 创新，提高煤矿的安全管理技术水平、煤矿灾害事故的预警能力和防治水平、煤矿 安全生产的监察技术水平。 我国煤矿事故死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的4 倍，百万吨煤死亡 率是美国的近2 0 0 倍( 2 0 0 2 年) 、印度的1 2 倍。煤矿灾害事故的消极影响远远超过了 经济范畴，每发生一起事故，都会引起国内外各界的广泛关注，使煤矿企业形象受 到巨大损害，企业市场亲和力受到削弱，严重的影响了煤炭企业后续发展的动力。 我国严峻的安全生产问题还造成不良的社会影响和严重的环境危害，成为社会不稳 定的因素。电视、报纸和网络等新闻媒体对煤矿灾害事故进行深入的报道，严峻的 安全生产形势已成为社会关注的焦点和热点。另外，我国严峻的煤矿安全生产形势 引起国际社会的广泛关注，直接影响着我国的形象和对外贸易。 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 煤炭自燃、瓦斯、粉尘、有害气体等是引起煤矿事故频发的主要原因，这些灾 害事故所占煤矿事故比例较高，危害较大，究其原因可能是矿井通风系统不完善， 通风管理制度不健全，通风设施安设不合理等多方面原因造成的，因此，在事故发 生前及时准确地对矿井通风系统做出科学合理的评价，发现存在的事故隐患并解决 它，以抑制事故的发生就成为防范的关键。 矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测与控制设施等 组成。其任务是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点提供优质量足 的新鲜空气，以保证井下作业人员的生存、安全和改善劳动环境的需要：在发生灾 变时，能有效、及时地控制风向及风量，并配合其它措施，防止灾害的扩大。 评价矿井通风系统安全性的目的在于及时发现矿井通风系统中存在的问题和安 全隐患，调整和改造系统：优化通风设计，准确编制事故预防与处理方案，同时， 指导现场通风安全管理。 1 2 安全评价 1 21 安全评价的内容 安全评价，在国外也叫“风险评价”( r i s ka s s e s s m e n t ) ，简称r a 。它是以实 现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程的原理和方法，对工程、系统中存在 的危险、有害因素进行识别和分析，判断工程、系统发生事故和急性职业危害的可 能性及其严重程度，提出安全对策建议，从而为工程、系统制定防范措施和管理决 策提供科学依据”1 。 安全评价的目的是为了评价系统危险的可能性及其后果严重程度，以寻求最低 事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。 安全评价着眼于由技术带来的负效益出发，对产生的损失和伤害的可能性、影 响范围、严重程度及应采取的对策措施等方面进行分析、论证和评估，从而有助于 政府安全监督管理部门对企业的安全生产实行宏观控制，有助于安全投资的合理选 择、提高企业的安全管理水平和保险公司对企业灾害实行风险管理。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 安全评价的特点 安全评价的产生和发展造成了对传统安全管理体制的冲击，促进了现代安全管 理体制的建立；它对现有安全技术的成效做出评判并提出新的安全对策建议，促进 了安全技术的发展。与传统安全管理技术相比，安全评价的主要特点是： 1 ) 运用系统论知识，确立了系统安全的观点 伴随着生产规模的扩大、生产技术的日趋复杂和连续化的实现，系统往往由许 多错综复杂的子系统构成，为了保证系统的安全就必须研究每一个子系统，另外， 各个子系统之间的“节点”往往会被忽略而引发事故，因而“节点”的危险性不容 忽视。安全评价是以整个系统安全为目标的，因而不能孤立地只对子系统进行研究 和分析，而要从全局的观点出发，刊能寻求到最佳的、有效的防灾途径。 2 ) 以预防为目的，开发了事故预测技术 传统的安全管理多为事后管理，即从已经发生的事故中吸取教训，这当然是必 要的。但是从根本上采取预防措施，可以大大减少和杜绝事故发生。安全评价的目 的就是预先发现、识别可能导致事故发生的危险因素，以便于在事故发生之前采取 措施消除、控制这些因素，防止事故发生。 3 ) 在定性的基础上，可以做出定量评价 安全评价不仅能对系统的安全性作定性描述，而且能把安全从抽象的概念转化 为数量指标，从而为安全管理、事故预测和选择最优化方案等提供了科学依据。 1 2 3 安全评价方法分析 安全评价方法是进行定性、定量安全评价的工具。按照安全评价结果的量化程 度可分为定性安全评价方法和定量安全评价方法，现分述如下： 1 ) 定性安全评价法 定性安全评价法主要是对照有关标准、法规、检查表或依靠分析人员的观察分 析能力，借助于经验和判断能力直观地对生产系统的工艺、设备、环境、人员、管 理等对象的危险性和危害性进行定性的评价。经验法是辨识中常用的方法。其优点 是容易理解，便于掌握，评价过程简单。其缺点是定性安全评价法往往依靠经验， 带有一定的局限性，安全评价结果有时受辨识人员知识、经验和占有资料的限制， 3 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 可能出现遗漏。同时由于定性安全评价的结果不能给出量化的危险度，所以不同类 型的评价对象之间安全评价结果缺乏可比性。 2 ) 定量安全评价法 定量安全评价法是运用基于大量的实验结果和广泛的事故统计资料分析获得的 指标或规律( 数学模型) ，对生产系统的工艺、设备、环境、人员、管理等方面的 情况进行定量的计算，安全评价的结果是一些定量的指标，如事故发生的概率、事 故的伤害( 或破坏) 范围、定量的危险性、事故致因因素的事故关联度或重要度 等。按安全评价给出的定量结果的类别不同，定量安全评价法还可分为以下几种： 概率风险评价法 概率风险评价法是一种定量评价方法，该类方法通过综合分析系统最基本元件 的可靠性及其致灾关系，推算整个系统发生事故的概率，通过对灾害后果的估计， 来综合反映系统的危险程度。由于这种方法采用结构逻辑手段，结构清晰、简单、 相同元件的基础数据相互借鉴性强，因此，在航空、航天和核设施领域得到了充分 的应用。另一方面，由于概率评价法要求数据准确、充分、因素的状态判断明确等 条件的限制，决定了其对煤矿、化工等系统复杂的行业不适用。 危险指数评价法 美国道( d o w ) 化学公司的火灾、爆炸指数法、英国帝国化学公司蒙德工厂的蒙德 评价法、日本的六阶段危险评价法和我国化工厂危险程度分级方法等均为危险指数 评价方法。这类方法操作简单，是目前应用较多的评价方法之一，已广泛应用于化 工、石油等领域。但指数评价模型对系统安全保障体系的功能重视不够，特别是危险 物质和安全保障体系之间的相互作用关系未予考虑。各因素之间均以乘积或相加的 方式处理，忽视了各因素之间重要性的差别。评价自开始起就用指标值给出，使得 评价后期对系统的安全改进工作较困难。在目前的各类评价模型中，指标值的确定 只和指标的设罱与否有关，而与指标因素的客观状态无关，致使危险物质的种类、 含量、空间布置相似，而实际安全水平相差很远的系统其评价结果相近，导致这类方 法的灵活性和敏感性较差。 人工智能、数值模拟方法 随着计算机技术的普及应用，人工智能、数值模拟方法在应用领域获得了快速 4 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 的发展。一些研究人员利用神经网络算法的优越性，开展了神经网络在安全评价方 面的研究，主要体现在应用神经网络方法确定安全评价指标的权值、安全评价算法 的合成等领域。但严格的来说，与前两种方法相比，这类方法在安全评价的理论和 原理上并无质的突破，属于评价过程中新的技术和手段。它以危险指数评价法和概 率风险评价法为主体，以数据库的形式存储评价中有关危险物质、设施、环境和人 的不安全行为等特性参数，借助于人工智能专家系统方法实现评价中的判断、推 理、决策确定有关参数。这种方法可以避免评价专家的人为主观性和局限性，并能 对指数法和概率评价法的某些缺点起到一定的补偿作用，是一种理想的评价模型。 这类评价方法目前虽然仍处于研究开发阶段，但由于它能较容易的实现各种方法的 综合，是一个较有潜力的发展方向。本文所选择的基于信息熵的矿井通风系统安全 性评价模型也属于此种评价法，它的评价过程较神经网络和模糊综合评价法简单， 但评价结果由系统自动推理判断生成，可信度较高。是一种值得推广应用的评价。 法。 二 安全评价可以在计划、设计、生产等多个阶段进行，对生产系统中存在的危险 进行充分的定性、定量分析，进而作出综合评价，以便针对存在的问题，根据当前 科学技术水平和经济条件提出有效的安全措施，消除危险或将危险降低到最底危险 程度。总之，安全评价是以实现系统的整体安全为目的，对系统所处的状态进行评 价，以便于识别和改进。安全评价具有鲜明的行业特点，不同的行业各不相同，有 的行业可能只需简单的定量评价，而有的行业需要对各个系统进行大量的复杂的定 量分析。煤矿通风系统是保证煤矿正常生产的关键部分，系统复杂且庞大，如何对 它进行合理的安全评价成为监测煤矿安全生产的重要手段，是本文的重要研究内 容。 1 2 4 安全评价的地位和作用 安全评价在杜绝、减少事故的发生，降低灾害带来的损失及事故原因分析诸方 面，均发挥了重要作用，受到世界各国的重视。安全评价己越来越多地列入各国法 规、标准及国际化组织有关规范的条款中。 5 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 1 3 国内外安全评价及其软件研究现状 1 31 安全评价的国外发展和研究现状 安全评价首先在2 0 世纪3 0 年代出现于保险行业，当时保险业采用安全评价的 目的与生产系统的安全评价不同，但是却为后续的产业安全管理和评价工作指明了 技术方向。2 0 世纪6 0 年代进入了全面、系统的研究企业、装置和设施的安全评价 原理和方法的历史阶段。美国道( 1 ) o w ) 化学公司于1 9 6 4 年开创了化工生产危险度量 安全评价的历史。在道化学公司的“火灾、爆炸危险指数评价法”推出之后，安全 评价方法不断得到更新和发展。1 9 7 4 年，英国帝国化学公司( i c i ) 蒙德( m o n i ) ) 部在 道化学公司评价方法的基础上，考虑了系统中影响安全状念的其他因素，引进了毒 性概念，并以补偿系数的形式引入到评价模型的结构之中，提出了“蒙德火灾、爆 炸、毒性指标评价法”。日本劳动省根据这两种方法的优点，在1 9 7 6 年开发出了 “化学工厂六步骤安全评价法”，这种方法采用了一整套安全系统工程的综合分析 和评价方法，使化工厂的安全性在规划、设计阶段就能得到充分的保障。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 e l 地区工 业设施进行了评价。1 9 8 2 年欧盟颁布的工业活动中重大事故危险法令中列出了1 8 0 种物质及其临界量标准，并对正在运行的1 8 0 0 多个危险装置进行概率危险评价。 美国k j 格雷尼姆和g f 金妮提出“多因子评分法”，即l e e 法，它是用来评 价人们在具有潜在危险性环境中作业时的危险性半定量评价方法。由于1 9 8 4 年印 度帕尔市农药厂毒物泄漏及1 9 8 6 年1 月2 8r 美国“挑战者”号失事和前苏联切 尔诺贝理核电站发生了严重的爆炸事故，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加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( t n o ) 、英国健康安全执行委员会( h s e ) 、欧共体 l s p r a 联合研究中心、日本安全工学学会、加拿大安大略大学等机构相继开展了安 全评价的研究，并已经多次修改和补充，形成了较完善的体系。“”。 1 3 2 安全评价的国内发展和研究现状 6 太原理：1 ：火学硕士研究生学位论文 我国对安全评价技术的研究起步较晚。1 9 8 1 年，我国原劳动人事部首次组织有 关的科研机构和大专院校的研究人员开展了安全评价的研究工作。原冶金工业部开 发并颁布了“冶金工厂危险程度分级方法”。化工、机械、航空以及交通等部门和 行业同时开始在企业中实行安全评价的试点工作。1 9 8 8 年，原机械电子部颁布了 机械工厂安全评价标准，该标准分为安全评价的原则、程序和方法，机械工厂 危险等级划分和机械工厂安全性评价三大部分，并在1 0 0 多家机械工厂进行了推广 应用，取得了良好的效果。1 9 9 2 年，广东劳动保护研究所主持完成了工厂危险度分 级方法：同年，原化工部制定了化工厂危险程度分析方法。1 9 9 5 年，原劳动 部、北京理工大学合作完成了易燃、易爆、有毒重大危险源的安全评价技术的 课题。3 。此后，一些高等院校、研究单位和企业相继开展安全评价技术的研究工 作。 随着基础科学和其他相关学科的发展，安全评价技术也获得了较大的进步，指 数评价法、概率评价法是通常采用的方法，人工智能和数值模拟技术也向安全评价 技术的研究领域渗透，但有待进一步研究。 1 3 3 安全评价系统软件的发展概述 安全评价技术在国外常扩展为过程系统安全评价技术。过程系统安全评价技术 属于系统安全工程领域。系统安全工程是采用系统工程方法，识别、分析、评价系 统中的危险，调整工艺、设备、控制、操作、管理、生产周期和投资等因素，使系 统可能发生的事故减至最小并达到安全状态的科学方法和技术。到目前为止，安全 评价技术经历了3 个发展阶段：大致分为2 0 世纪7 0 至8 0 年代人工安全评价阶段、 9 0 年代计算机辅助安全评价阶段和9 0 年代后期计算机辅助与定性、定量动态仿真 结合的安全评价阶段。由于人工进行安全评价在方法上无统一的模式，而且评价本 身是一个创造性很强的工作，因此人工评价存在着难于克服的缺点，主要表现为：人 工评价即使有专家参与也难免漏评不少事故或危险剧情；对于比较复杂的生产过 程，口头讨论的评价方式不严格，常出现概念上的混乱；人工评价费时、费力、成 本高；人工评价得出的分析结果文件和说明事后很难看懂。随着计算机技术的普 及，技术发达国家从上世纪7 0 年代后期就开始致力于采用计算机辅助危险识别。2 0 7 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 多年来，基于计算机的危险识别和分析方法取得了许多成果，现简述如下： 早期的计算机辅助方法在安全分析方法上没有突破，主要用于辅助人工分析方 法，用计算机程序生成危险和可操作性分析( h a z a r da n do p e r a b i l i t ys t u d y ， h a z o p ) 的结果说明文本。例如，c a f o s 就是这类软件，它可以产生关于h a z o p 的文 字说明，采用了广泛使用的文字处理技术。基于微型机的软件有s a n d o c 、h a z o p p c 等商品化软件，可以用于工业危险分析，采用了h a z o p 方法进行h a z o p 分析时， 软件可汜录分析结果，软件具备语句文字处理能力，还能编辑检查表及计算风险 值。2 0 世纪7 0 年代的软件开发比较成功的方面是计算机辅助绘制故障树和编辑故 障树，但是没有任何智能化的自动建立故障树模型的功能。8 0 年代后期人工智能技 术得到迅速发展，将专家系统引入故障树计算机辅助构建方面取得了进展。1 9 9 2 年 由意大利、丹麦和芬兰三国合作开发的s t a r s ，计划采用专家系统自动建立故障树 和事件树。将专家系统用于辅助危险识别方面的另外一大领域是自动实现危险与可 操作性分析。s h i m a d a 等开发了个专家系统用于h a z o p ，该系统由4 个知识库和1 个推理机组成。知识库中存储有工厂工艺流程结构、工厂参数说明、化学物质说明 和工厂部件的特性及h a z o p 的关键词等专家系统的知识，如果该专家系统输入了一 个关键词或指令，推理机就会从知识库查询后果并得出结论。相似的系统还有 h a z e xp e r t 、p s a i s 、h a z o p e x 等。在安全评价和危险识别领域目前应用最多的是商 品化的专家系统“外壳”g z ，它是g e n s y m 公司的产品，该软件具有清晰的知识库结 构、强大且实时的推理机，为用户提供了一个理想的专家系统支撑平台。”“1 。 随着微型机的计算能力、容量和多媒体功能日新月异，特别是大众化的 w i n d o w s 9 5 推出以后，使得2 0 世纪9 0 年代后期计算机仿真技术，尤其是动态仿真 技术和计算流体动力学技术从科学家的殿堂走进大众化的工程技术应用，取得了突 破性的进展。其中著名的计算流体力学商品化软件是英国a e a 公司的c f x 一4 多相 流、燃烧化学反应软件、c f x 一5 复杂几何内外流传热软件及c f x t a s cf l o w 旋 转机械、燃烧、多相流软件。在此基础上，壳牌石油公司推出了p i p e s 管道危险和 风险评估软件、s c o p e 气体泄漏爆炸预测软件和p r t 过程系统厂区危险评估软件。” 4 1 o 计算机危险评价软件可以帮助人们找出导致事故发生的主要原因，认识潜在事 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 故的严重程度，并确定减缓危险的方法。目前，用于危险评价的计算机软件主要有 四种类型： 第一种是危险辨识软件，用来解决“为什么会出现故障”的问题。危险辨识方 法主要有安全检查表、“假设”提问法、危险与可操作性研究、初步危险性分析、 故障类型、影响及其严重度分析等。 第二种是事故后果模型软件，用来确定潜在事故的后果。事故后果模拟软件主 要是预测火灾、爆炸和毒物泄漏事故的后果。火灾危害模型可描述不同类型火灾的 性质：爆炸模型可以计算密封或非密封的蒸气爆炸、固体爆炸或油罐爆炸的超压量： 毒物泄漏扩散模型可显示释放在空气中、土壤里、地下水和地面上化学毒物的扩散 行为。事故后果模型把热辐射、易燃或有毒蒸气的扩散以及爆炸超压的内容转换成 危害区域评价，使之能以设施和财产损失、环境破坏以及人因接触有毒化学品、热 辐射或爆炸压力而导致的健康危害来说明事故的危险性。 第三种是事故频率分析软件，通过对有关的元件失效频率和人为失误频率等数 据的处理可得到事故的频率。常用的方法有事故树分析方法和事件树分析方法。 第四种是综合危险定量分析软件。根据提供的设计资料、工厂情况以及设施周 围区域人口分布等资料，全面地描述危险程度，计算出危险设施周围的社会( 群体) 和个人承担的风险值。 尽管国内外己研究开发出几十种安全评价方法和商业化的安全评价软件包，但 由于安全评价不仅涉及自然科学，而且涉及管理学、逻辑学、心理学等社会科学的 相关知识：另外，安全评价指标及其权值的选取与生产技术水平、安全管理水平、 生产者和管理者的素质以及社会和文化背景等因素密切相关，每种评价方法都有一 定的适用范围和限度。 1 4 国内外煤矿安全评价及其软件开发现状 国外煤炭工业的安全评价主要是以矿山概率风险评价为基础的评价技术，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状态的危 险度：隐患发生的概率和造成的损害通过统计数据获得。这些方法对隐患发生的概 ， i 9 太原理二i _ ：大学硕士研究生学位论文 率和损害统计不够细致且缺乏实用性，大多只讨论了这些数据的模糊性问题，没有 对事故致因和改进措施做深入的分析。其他常见的煤矿安全评价法有v 罗曼尼教 授提出的安全性指数法、澳大利亚a r 格刁教授提出的煤矿操作安全评价法、波兰 费利卫皮提出的以人机为主的安全评价及灾害预测方法以及日本推出的隧道安全评 价方法等。这些方法对煤矿安全评价基本都停留在研究阶段，没有达到实践推广的 程度和水平，与安全评价方法在国外其他行业的应用和发展水平也有一定的差距。 我国煤炭工业企业安全管理和评价研究同其它行业相比，时间上基本同步，但 研究的规模、深入的程度要落后于其它行业。1 9 8 2 年，原国家煤炭工业部制定并颁 发了矿井通风质量标准及检查评定办法；1 9 8 6 年制定了生产矿井质量标准化 标准，该标准作为行业标准实施后于1 9 9 4 年进行了修订，这两项标准重点主要 集中在煤炭工业企业的质量管理方面，没有形成独立的系统安全的理论和应用系统 安全评价的体系。煤矿安全评价技术的研究和开发大部分集中在高校，如中国矿业 大学、福州大学、太原理工大学等，评价理论的研究主要集中在评价方法的选择和 评价模型的建立上，但这些理论和技术尚处于研究l a - a ，能在煤炭行业广泛推广和 实际应用的技术还非常少见。 1 5 课题研究意义、主要内容及方法 1 5 1 本课题研究意义 本论文的选题背景是山西省2 0 0 3 年度留学回国人员科研项目计划资助项目，旨 在综合运用安全工程学、安全管理学、危险源理论与辨识技术以及安全评价方法， 对矿山特别是煤矿的自然灾害预防进行深入研究，找出科学合理的定量化评价方 法，为煤矿危险源辨识与评价提供新的途径。矿井通风系统对煤矿灾害预防起着决 定性的作用，因此，本文选择了矿井通风系统作为评价对象来研究。 从整体上来看，针对矿井通风系统安全评价的系统研究尚处于起步阶段，没有 取得系统的研究成果。矿井通风系统是一个动态的、模糊的、随机的、复杂的庞大 系统，涵盖的因数特别多，往往很难选择一种有效适用的定量评价方法对它作出客 观评价，安全性评价仍然停留在诸如安全检查表等人工定性评价上。软件的研发也 l o 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 主要集中在通风网络的解算和通风机曲线模拟上，如中国矿业大学、山东科技大学 等相继开发出了一系列通风网络解算和通风机曲线模拟软件，另外，些科研机构 如抚顺煤科院开发出了风量分配模拟软件。但是，目前仍然缺乏一种功能齐全、操 作简便的针对整个通风系统进行评价的软件。 电脑作为一种强有力的数据处理工具，具有客观公正的特点，如果程序设计合 理，安全评价系统就能保证科学权威、严肃有针对性。为了尽可能地减轻评价工作 人员的体力劳动强度，同时维护安全评价工作的公正、权威、严肃性，研究并设计 个具有良好用户界面、功能强大、适用性良好、能应用于当前流行的w i n d o w s 计 算机工作平台的矿井通风系统安全性评价软件，成了一个非常有价值有意义的研究 课题。 1 5 2 研究内容 一 本文结合安全系统工程、安全管理学、危险源辨识理论以及相关学科的理论方 法，全面分析矿井通风系统的全部信息，确定了通风系统安全性评价的指标体系。 应用信息论中的有关知识，建立了矿井通风系统安全性评价模型，在此基础上设计 了矿井通风系统安全性评价软件，以期为安全评价提供一种新的评价方法和新的思 路，为制定快速、全面的安全控制措施和管理方案，提供可靠的依据，以求实现安 全与效益的统一。其具体研究内容如下： 1 ) 危险源辨识理论与方法：危险源辨识理论与方法是目前辨识危险的一种新的 理论方法，是防止事故发生的第一步，它可以确定那些可能发生事故的潜在危险， 但在煤矿中其理论与方法研究、运用甚少。通过利用危险源辨识理论与方法找出影 响矿井通风系统安全性的各种因素指标，为后续评价作准备。 2 ) 指标值的量化：从评价指标体系中可以看出，由于其意义和表现形式不相 同，指标的量纲不同，因而必须对各指标进行无量纲化处理，将其转化为可比较的 量化值，对不同指标采用不同的处理方法。 3 ) 评价指标隶属度的确定：根据煤矿安全规程和煤矿生产实际确定各个指 标的隶属度。 4 ) 安全评价：利用信息论原理建立评价模型，指标权值的确定避免了人的主观 太原理一l ：大学硕士研究生学位论文 性，弥补了其它传统方法的不足，且计算相对简便，因而本文采用基于信息熵的安 全评价方法，根据各个指标的隶属度确定整个通风系统的隶属度。 5 ) 危险源控制与管理：安全评价的最后一步就是危险源控制与管理，根据评价 结果提出降低或控制危险的安全对策措施。对于危险等级低的，应建立监控措施， 防止由于煤矿生产条件变更导致危险上升。对于危险等级高的，必须采用工程技术 或组织管理措施，降低或控制危险。 6 ) 程序设计：根据上述评价方法，利用计算机语言编制包括数据输入、数据库 维护、数据输出、功能查询、对策建议、安全评价等诸多功能的数据库系统。 1 53 研究方法 本文研究采取理论分析、计算机编程和实际应用相结合的方法。 首先确定了矿井通风系统安全性评价的指标体系，对评价指标进行量化和确定 其隶属度和权值，建立基于信息熵的评价模型进行评价，并根据评价结果，提出了 安全对策措施。根据上述模型，利用v i s u a lb a s i c 语言开发出了矿井通风系统安全 性评价系统，力争在安全管理理论研究和安全评价方法上有新的突破，使其更好地 服务于安全生产，达到控制安全事故发生之目的。 v i s u mb a s i c6 0 是一种良好的数据库编程语言，非常适合用来建立矿井通风 系统安全评价计算机数据库系统。具体讲包括以下几个方面： 1 ) 利用v i s u a lb a s i c 强大的数据库功能，把矿山安全评价标准、当前法律法 规、有关具体规定等的评价依据融入数据库系统，供计算机安全评价系统快速调 用。 2 ) 建立良好的数据录入窗口，以方便用户录入安全评价数据。 3 ) 利用m a t l a b 强大的计算能力，设计高效的数据统计处理算法，使程序具有 强大的安全评价处理计算能力。 4 ) 设计易用的数据输出查询模块，包括数据查询模块和数据输出模块。 5 ) 设计良好的用户界面，包括各种表单、系统主菜单、弹出菜单、功能查询系 统等。 1 2 太原里三盔堂堡主竺茎生兰垡堡奎 一 1 6 本章小结 1 ) 本章侧重分析了我国目前的煤矿生产安全形势，提出了对矿井通风系统安全 性进行评价的必要性和紧迫性。 2 ) 简要介绍了安全评价的内容、特点和方法。 3 ) 比较详细的阐述了国内外安全评价及其软件研究发展现状。 4 ) 介绍了当前煤矿安全评价及其软件研究发展现状。 5 ) 以适应煤矿现场实际为出发点，阐述了本文研究的意义、内容和方法。 1 3 太原理工大