文摘
煤矿事故严重影响开采煤矿企业的安全与效率。可靠的应急救援(ER)过程是探索事故的损失降到最低。介绍了随机Petri网(SPN)和马尔可夫链(MC)模型的基础上,系统结构流分析煤矿事故的过程。此外,一个三角形模糊策略提出优化SPN)模型。“9·28“重大突水事故山西Fenxi中央中国煤炭公司采用评估ER的时间性能和事故数据的过程。MC基于模型的稳态概率系统的各种状态下用来计算该系统的平均延迟时间。三角模糊策略是用于分析的总时间的变化值在ER系统单元过渡速度每个转换的放电频率改变时,它发现ER过程中最耗时的关键活动。结果表明,SPN和MC可以反映ER的动态行为过程,它提供了一个参考其他煤矿事故的救援行动。三角模糊策略可以快速找出影响ER的主要活动时间,大大降低了计算分析系统的总时间改变所产生的速度单位转换。
1。介绍
煤提供了强有力支持国民经济的快速发展,成为中国的主要能源之一。然而,频繁的在煤矿安全事故阻碍了煤矿企业的健康发展。政府和企业试图改变这种被动局面,提高安全管理措施和引入救援设备,但尚未从根本上解决事故和人员伤亡(1- - - - - -3]。相关的事故统计数据显示,2020年122年煤矿事故发生在中国。与2019年相比,煤矿事故造成的死亡人数略有增加。例如,“1·12”煤尘爆炸在陕西白鳍豚矿业公司导致21人死亡,和“12·16”在贵州Guanglong煤矿煤瓦斯突出事故造成16人死亡和1伤害(4]。因此,建立一个早期预警和快速救援框架煤矿事故是当前工作的重点,这将提高应急救援水平(ER),减少甚至避免的意外事故造成的伤亡5,6]。
到目前为止,几项研究已经深入调查了ER煤矿事故的措施7,8]。ER通信系统可以有效地提高监测精度和搜索效率的危险的情况下9]。发现紧急站覆盖所有矿业领域建立地下提供医疗急救和运输的受伤在最短的时间内(10]。此外,它是重要为救援来改善现有的避难室,加强逃生模拟训练(11]。
重大煤矿事故,各种ER过程的核心任务是建立ER响应机制,加强应急管理工作的评价。众所周知,有效的评价和优化煤矿中ER流程可以提高ER的效率和减少人员伤亡12,13]。佩特里网是一个重要的工具来处理离散事件,并广泛应用于各个领域。佩特里网,作为可视化工具建模和系统仿真的分析,可以准确地模拟系统的动态行为的定义和分析模型的特点通过假设。与应用程序在各种复杂系统中,佩特里网已经演变成许多高级形式,如颜色网络、随机网络、和对象网络。随机Petri网(SPN)基于时间有更多的优势在描述系统的动态行为。因此,SPN)是用于研究不合理ER煤矿的过程中存在的问题,从而提高ER的效率和增加被困矿工的生存概率14- - - - - -17]。
本文基于“9·28“重大突水事故,煤矿通过SPN ER模型,和模型的有效性进行了分析。稳态概率,繁忙的地方,和转换的利用率计算和讨论了MC。三角模糊策略是用于分析的总时间的变化值后的ER系统改变每个转换的燃烧率,找出影响救援的关键活动。
2。相关工作
2.1。主要ER政策
1978年,一个关于煤矿ER的全国会议举行的中国煤炭行业的发展提供了可靠的政策支持煤矿。随着时间的推移,煤矿管理系统正在逐步改善,ER团队扩大,ER是另外的能力显著提高。这些改进可以被事实证明,34%的1363被困者获救2009年,2014年和306年72%的被困者获救(18]。由于与发达国家相比仍存在一些差距,中国政府高度重视改善ER管理制度,提出了建立应急管理部门。人们相信这项措施将鼓励煤矿ER水平的进一步提高。
2.2。ER团队的结构
救援队和医疗队的两个主要组件是团队。到目前为止,中国已经建立了482个煤矿救援队伍,分布在全国各地。医疗小组分为国家、省救援中心和矿山企业救助站(19]。救援队的救援能力是非常重要的,因此有必要加强日常传统体能训练和技能培训。高科技领域的ER的应用提高了救援队伍的实践能力,提高救援工作的效率等综合模拟训练系统的开发,实现人员定位和环境监测(20.,21]。
2.3。引进设备和通信技术
救援队必须配备大量的救援设备处理不同类型的煤矿事故。例如,大型排水设备和采矿潜水泵是用来处理洪水灾难,快速密封和喷洒机是用来处理火灾事故,正压风机和排风机用于处理气体和煤尘爆炸事故,光和救灾演习是用来处理顶板事故。除此之外,生命探测器,支持多功能救援车辆设备和检测机器人也被开发出来。先进设备的使用极大地增强了ER和改进的能力被困矿工的生存可能性(22- - - - - -24]。
随着互联网技术的发展,许多新的通信技术应用于矿井ER等地下和地面之间的视频通信和事故现场和ER命令各级部门(25,26]。
3所示。研究方法
起初,SPN)是用来描述和分析计算机系统事件之间的因果关系。经过一个多世纪的发展和完善,SPN已广泛应用在其他领域如有限状态机、通信协议、同步控制、生产系统和业务流程。SPN图形可视化和数理逻辑的特点,它可以描述高度离散复杂系统(27- - - - - -31日]。
3.1。定义SPN)
SPN可以模拟和分析离散事件系统的在一个不确定的时间。SPN seven-tuple有向图,包括位置,过渡,弧,燃烧率(32]。 (1) 指的是一个基本的网络(2) , 的能力在SPN), (3) , 是一个加权函数的在(4) 满足一个条件 , 是SPN的状态标记(5) 代表发射功能,这是定量分析了发射率
3.2。基本关系
事件 有一个顺序关系马克吗 。也就是说, (33),如图1。
事件 接受的重量 ,导致并发关系,满足关系如下:
如图2。
3.3。模型建设SPN)
SPN模型如图4。 是指一组经典的地方。 包含时间是指一套过渡。例如,代表着时间来和 。后是解雇,生成两个令牌和生成一个令牌。数量标志的指示弧表示重量。如果没有号码,重量是1。
SPN)模型的分析过程如下:首先,给地方一个令牌来过渡 ,所以那个地方生成两个令牌和地点生成一个令牌。然后,它是判断是否令牌的数量的地方和满足发射过渡的条件 ,如果是这样,的地方可以达到。最后,我们判断放电过渡的条件根据前面的方法。如果条件满足,它将达到终止的地方 ,这个过程将结束。
使用SPN模型的实施步骤,分析煤矿事故的ER过程的性能如下(34- - - - - -36]:(1)建立系统的SPN模型来验证该模型的有效性。在这里, - - - - - -不变的方法是选择来实现这一过程。构造一个线性代数矩阵方程来确定SPN的性能模型 在哪里是指关联矩阵,是指postmatrix,是prematrix,是一个行向量,代表 - - - - - -不变的(2)根据最初的标志和发射率 ,获得同构的马尔可夫链(MC) (37](3)研究了MC。基于稳态概率、系统性能进行了分析和评估。MC的稳态概率被认为是一个行向量 ,和线性方程 列出 在哪里代表了状态转移矩阵
线性方程计算得到稳态概率。
nondiagonal元素 ,
对角线元素 , 在哪里是指连接的状态数 。
, 的概率是与马克。繁忙的地方的概率指标可以计算使用方程(8)。
利用过渡指标是指稳态概率的总和解雇过渡和计算如下:
令牌代表过渡率指标的平均令牌数量过渡流入的过渡单位时间内。计算公式如下:
假设 ,平均令牌数量系统是指标志包含的平均值在任何可以标记图。标记集的平均值 的地方是每个地方的平均价值的总和。
平均延迟时间t系统的平均令牌数量的比率和令牌 的过渡。
3.4。基于三角模糊(TF)的优化策略
TF是广泛使用模糊数学的函数,它主要适用于野外数据不足的情况和低精度的监测仪器。变量是fuzzified形成信任区间上限和下限(38,39]。假设模糊变量 在哪里指的是变量的值。和代表的上下界限模糊变量,分别。
对应的三角形隶属函数 在哪里模糊变量的隶属度,是一个变量。
三角形隶属函数计算通过使用割集获得模糊区间。
三角模糊的优化步骤如下:(1)发射率 在SPN模型fuzzified根据不同比例(40]。模糊的时间间隔 和 的燃烧率构造(2) 价值区间 ,符合规则的逐步增加。例如, 。用不同的值到公式(15)获得 。然后,用 SPN模式计算区间 (3)系统变化的总时间在单位转变率 (4)当比最值,这表明过渡的变化有很大影响的平均延迟时间系统。因此,优化SPN模型只能通过模拟获得有一个很大的数值
4所示。案例研究
4.1。案例介绍
“9·28“重大突水事故山西Fenxi中央中国煤炭公司作为一个案例来验证该模型。在这种情况下,突水发生在东侧翼返回气流对煤矿巷道调度室。尽管地下矿工的领导人立即执行紧急疏散,许多矿工仍然被困的工作面和轴之间的距离。根据上级的指导,煤矿领导执行计划,建立一个ER总部,展开救援行动。这次事故的ER过程如图5。
4.2。性能分析的突水过程基于SPN)模型
图6显示SPN的ER模型的过程。SPN模型结合了所有ER活动和指出了这些活动之间的关系,如图6。
在图6,代表事件状态和转换代表ER过程中事件的活动。过程包括25个名额和20的转换,和各自的定义如表所示1。
- - - - - -不变的, - - - - - -不变的是常见的方法分析了该模型的有效性。模型的有效性的分析 - - - - - -不变的方法(41]: 和 。
Y1和Y2非负整数解。的存在 - - - - - -不变的SPN模型意味着SPN模型的可达性的性质和活性。此外, 和 意味着SPN模型是有界的,证明SPN模型是正确和合理的42]。
5。结果与讨论
服从某一概率分布的时间参数被添加在SPN,和随机变量的时间与转换关联。通过事故调查,事故的时间消耗在每个链接收集获得的平均时间每一个过渡。根据发射率公式,平均20的放电频率转换,结果如图所示:
5.1。同构MC
SPN的表演和MC模型是一致的,和一个有界SPN相当于一个有限的MC。SPN的结构和性能分析模型集成到MC模型获得同构MC,可以更好的分析SPN性能。MC的流程图如图7。
根据公式(4),(8)和(9),稳态概率,繁忙的地方,和转换的利用率计算,分别如表所示2- - - - - -4。
在表3票数,繁忙的地方,好~ P19更高,这表明这些地方的状态信息不能有效地处理和结果的积累信息。
现场指挥小组(P9)是由煤矿领导、专家、技术人员、救援队伍,和医疗团队,制定和调整计划根据现场情况,并保持与上级有关部门的沟通。从研究机构和大学的专家在不同的城市,他们不能及时到达事故现场,造成ER的浪费时间。因此,急救中心的电话应该提高工作效率和优化部署时间。
事故发生后,忙碌的的好地方和P16(煤炭企业)是非常高的。通过深入分析,发现应急训练的数量少和救援工作不够熟练的员工沟通部门和安全监察部门。我的领导人应该注意日常应急训练和加强应急意识的矿工。
医疗救援队(P15)包括医疗救助站的矿山企业和医务人员协助下其他领域。因为两队没有一起训练之前,救援队伍的合作是不够好,导致地方P15的冗余。
施工队伍(P17)主要包括从省级矿山救援队救援基地和矿山企业救援队伍。因为许多救援机器需要运输,车辆很可能会拥挤,不能很快到达由于交通状况的影响。
地方P18和P19处于同步状态。由于事故位置的不确定性和复杂的地下环境对设备的影响,如生命探测器,很难找到在短时间内被困矿工的位置。早期的救援,救援队伍只能使用排水设备排水巷道的洪水。因此,我们应该增加救援设备的数量和使用更先进的救援设备处理煤矿事故的ER。
从表可以看出4过渡病人和T13的使用率远高于其余的转换,这表明他们代表的活动花更多时间。
病人表示淹没了道路的排水。在这个过程中,很难确定被困矿工的确切位置,所以ER团队只能逐渐沿着救援道路救援基于已知的信息和经验。淹没了道路,生命探测器和其他设备用于检测生命体征附近。这项工作是很困难的,因为它不仅需要清理在巷道积水和碎石,但也需要稳定道路,以确保它的安全,导致病人的总时间很长。
T13表示地下探索信息。在这个过程中,因为员工需要遵循的通信施工队伍进行地下探测和实时信息反馈到ER立即总部,也需要很多的时间。
系统的平均延迟时间可以根据公式计算(10)- (12): 。
5.2。ER过程的优化分析
在这个过程中,应急救援过程的SPN模型进行了分析,繁忙的地方,高利用率的转变,并提出了改进措施。我们改变了一些过渡的时间和计算相应的整个ER系统的平均延迟时间。
改变每个转换的燃烧率的方法采用优化系统的总延迟时间。当每个转换的速度范围的发射率是常数,不同的总延迟时间的减少对整个ER系统有不同的影响。很多计算都需要替换每个过渡到SPN的发射率模型,因此提出了一种三角模糊策略优化SPN,大大简化了计算。首先,5%的模糊度设置为每个过渡到每个转换的模糊区间根据公式(15)。然后,系统的平均延迟时间对应的过渡SPN的计算模型。最后,根据公式(16),变化值总时间的ER系统当每个过渡单元发生变化时,计算结果如表所示5。
表5显示,当模糊度的转换一样,值对应转换有很大的不同。的价值对应于1265倍的对应于 。因此,改变的价值可以减少超过改变系统时间的价值 。此外,的值 , , ,和有相同的影响减少的总时间,所以只有五个参数需要更改优化SPN)模型。
首先,假定唯一的价值改变和剩下的值是常数。结果如图所示8。
图8显示的价值从0到0.003,变化的可能性 大大降低了。的概率 略有增加的价值变化从0到0.0009但逐渐减少的价值变化从0.0009到0.003。
与救援道路的推进速度矿区增加,通信部门会发现被困矿工的位置地下速度在救援过程中并及时报告煤矿救援进展ER的总部。命令团队大师的最新救援情况为了迅速调整计划和部署救援措施。因此,有必要进行一个合理的应急资源配置和特殊的排水设备,医疗救援队,安全监管部门、施工队伍和通信部门可以迅速投入工作。与此同时,安全监管部门、通信部门、和医疗救援队从煤矿企业必须加强日常管理和应急培训。附近医院急救中心的电话应该请求分配医疗团队的支持,但它是必要的,以确保这些救援队伍训练有素。
其次,它假定唯一的价值改变和剩下的值是常数。结果如图所示9。
图9显示的价值从0到0.003,变化的可能性 大大降低了。的概率 略有增加的价值变化从0到0.0009,但逐渐减少的价值变化从0.0009到0.003。
的概率值和变化范围在图10基本上是一致的,在图吗9。这个结果表明,如果被困矿工的位置信息可以尽快掌握,救援工作的通信部门,救援队和医疗队,安全监管部门,建设团队将继续成功。的增加 ,的概率值逐渐减少从0.86151到0.06308。这意味着通信部门更有效地工作,和救援道路进步更快,争取黄金救援时间被困矿工。因此,需要更多的检测设备来扩大勘探地下信息的范围,掌握被困矿工的位置信息和反馈信息给总部更快。
第三,它只假定的价值改变和剩下的值是常数。结果如图所示10。
图10显示的价值从0到0.01,变化的可能性 大大降低了。救援队道路发展过程中遇到的障碍。为了解决这个问题,该命令团队立即调整计划增加应急救援工作。最有效的方法是动员大型救援设备移除障碍的道路,这将缩短救援时间。因此,我们需要确保供应的大型救援设备来处理一些严重的问题在突水事故。“扩大ER”还应该添加到应急计划来提高效率的ER。
第四,它只假定的价值改变和剩下的值是常数。结果如图所示11。
图11显示的价值从0到0.01,变化的可能性 大大降低了。它可以解释说,当被困矿工的救援速度加快,救援者之间的距离,被困的人却降低了。通过这种方式,如果有一些矿工健康状况不佳,救助者可以运输毒品的被困矿工开采,这样他们就可以得到紧急治疗和预防疾病的恶化。出于这个原因,医疗团队应该提前准备各种急救药品处理可能的疾病的矿工。
最后,它假定唯一的价值改变和剩下的值是常数。结果如图所示12。
图12显示的价值从0到0.01,变化的可能性 大大降低了。它可以解释说,如果专家的速度,救援队伍,医疗团队,和技术人员到达事故现场更大,现场指挥小组可以建立更迅速。然而,由于大多数的专家分布在大学和研究机构,他们需要最长的时间到达煤矿,这有很大的影响在现场指挥小组的建立。因此,政府应该为专家提供紧急绿色通道,确保他们能够更快地到达事故现场。
过程中最重要的是,呃,煤矿企业应配备大型救援设备来处理紧急情况。当multicooperation进行了呃,必须优化资源配置,协调内部和外部关系,增强合作,并组织日常应急训练,将会更好的进行ER操作。
6。结论和进一步的工作
6.1。结论
本文提出了一种新的方法来建模和模拟煤矿ER过程基于修改SPN。验证该方法的正确性,SPN)方法应用于重大突水事故山西Fenxi中央煤炭公司。(1)SPN)采用的理论方法建立ER煤矿的过程,发现地方票数和好忙~ P19更高和翻译病人和T13的利用率更高。此外,在这些地方和转换存在的问题进行了分析(2)三角模糊策略引入SPN。的总时间的变化值ER系统分析当每个过渡变化,这说明影响救援的关键活动(3)为了更好地实施ER的过程,建议大型救援设备应该补充说,团队训练应定期组织,应加强合作,应该为专家提供绿色通道
6.2。进一步的工作
(1)ER的煤矿是一个非常复杂的过程,它可以分为许多详细的链接,如组织结构和应急物资。通过这个部门,一个更完整的ER和SPN模型可以构造过程(2)SPN模型分析时,假设SPN模型服从指数分布。然而,这种假设与实际情况可能有差异。因此,应该进行更深入的研究来帮助我们选择一个更合适的概率分布(3)可视化软件应该为煤矿开发的,它可以显示ER过程更加生动,给更多的支持在ER使用信息技术
数据可用性
所有数据、模型或代码生成或使用期间的研究可从相应的作者的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(51774199)和山东省自然科学基金(ZR2017BEE001)。