基于系統(tǒng)動力學(xué)的煤礦物聯(lián)網(wǎng)模型研究設(shè)計

引言

近些年來，我國煤礦安全事故不斷發(fā)生，對人員以及經(jīng)濟(jì)造成了極大的損失。因此，研究如何通過新的智能網(wǎng)絡(luò)來降低我國煤礦事故發(fā)生率和事故損失具有重大的理論意義和現(xiàn)實意義。

煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)作為一個由不同的動態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜群體，具有工作地點(diǎn)多變、環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)過程復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)的從靜態(tài)、注重結(jié)果的角度出發(fā)的研究方法缺乏對煤礦系統(tǒng)性及波動規(guī)律的認(rèn)識。系統(tǒng)動力學(xué)方法則可以宏觀、動態(tài)而全面地研究煤礦安全系統(tǒng)中各個要素之間的相互關(guān)系，從而能夠建立一套與實際相符的煤礦系統(tǒng)模型。

物聯(lián)網(wǎng)作為一個新興技術(shù)領(lǐng)域，近些年來在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)用也得到廣泛的推廣。然而，目前我國的煤礦物聯(lián)網(wǎng)由于發(fā)展的不成熟，在其應(yīng)用中存在著計算機(jī)硬件采購方面投入大，軟件投入小，生產(chǎn)安全監(jiān)控體系不完善等問題，并沒有真正建立起有效的開放的綜合信息系統(tǒng)平臺。

本文在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出煤礦安全系統(tǒng)完整的層次關(guān)系圖，并建立起因果關(guān)系圖，然后在此基礎(chǔ)上通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，研究設(shè)計出了一個完整的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型?；诖朔椒ㄔO(shè)計的煤礦物聯(lián)網(wǎng)模型，對煤炭行業(yè)提高綜合信息化管理水平以及企業(yè)競爭能力都具有重要的現(xiàn)實意義。

1煤礦安全系統(tǒng)影響因子分析

對煤礦安全影響因子分析，是對煤礦系統(tǒng)事故分析和系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)。本文前期統(tǒng)計了大量的典型煤礦事故并進(jìn)行分析，以期構(gòu)建相對完善和全面的煤礦安全影響因子體系，為建立完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、指導(dǎo)科學(xué)化的安全管理奠定了基礎(chǔ)。

在通過對大量煤礦事故原因的分析與統(tǒng)計上，總結(jié)出了煤礦安全影響因素總共可分成七大類，分別是設(shè)備因素、自然因素、員工因素、安全科技因素、安全管理因素、法律監(jiān)督因素和經(jīng)濟(jì)因素。通過深層次的系統(tǒng)分析研究，發(fā)現(xiàn)煤礦安全系統(tǒng)的七大類影響因素內(nèi)部還存在相互關(guān)系，進(jìn)而體現(xiàn)了煤礦事故原因的復(fù)雜化、多樣化。煤礦系統(tǒng)安全影響因素的內(nèi)在關(guān)系如圖1所示。

圖1煤礦安全影響因素關(guān)系圖

在大量統(tǒng)計及研究的基礎(chǔ)是，總結(jié)發(fā)現(xiàn)七大類因素還包含很多子影響因素，具體如下:

設(shè)備因素：煤礦裝備設(shè)施水平作為影響煤礦安全生產(chǎn)的基本條件，其水平的高低主要由供電系統(tǒng)可靠性、采掘設(shè)備先進(jìn)性、通風(fēng)系統(tǒng)安全性、瓦斯防治水平、安全監(jiān)測水平、防火設(shè)施可靠性、防塵設(shè)施的可靠性、排水系統(tǒng)可靠性、提升系統(tǒng)可靠性、支護(hù)系統(tǒng)可靠性等因素決定。

自然因素：自然因素作為煤礦安全系統(tǒng)的原生條件,它的控制幅度較弱，其主要包含瓦斯和粉層、水文地質(zhì)條件、頂板條件、自然發(fā)火、熱害、地質(zhì)構(gòu)造等因素。

員工因素：員工因素是煤礦安全系統(tǒng)的直接因素,控制程度的高低將直接影響煤礦系統(tǒng)的安全水平，其影響因素主要包括安全素質(zhì)、從業(yè)年限、自主管理、文化程度、安全激勵、心理因素、生理因素、工作環(huán)境等。

安全科技因素：在煤礦現(xiàn)代化建設(shè)中，安全科技因素成為了保障煤礦安全系統(tǒng)的重要因素，其影響因素主要包括開采設(shè)計、安全關(guān)鍵技術(shù)研究、安全技術(shù)示范工程、安全技術(shù)理論研究、安全技術(shù)人才等。

安全管理因素：煤礦的安全管理水平直接反應(yīng)了煤礦系統(tǒng)安全水平，其主要影響因素包括人力資源管理、管理信息系統(tǒng)、管理機(jī)制、安全教育管理、安全評價、勞動組織管理、危險源管理和設(shè)備管理等。

法律監(jiān)督因素：法律監(jiān)督因素作為規(guī)范煤礦安全生產(chǎn)的外力，其主要影響因素包括政府安全監(jiān)察體系、國家行業(yè)法律法規(guī)、責(zé)任追究制度、煤礦自身監(jiān)察體系、專項整治等。

經(jīng)濟(jì)因素：經(jīng)濟(jì)利益因素作為影響各階層的不可忽視的因素，其影響因素主要包括煤礦主的利益、地方政府利益、煤炭行業(yè)利益、國家宏觀調(diào)控。

2煤礦安全系統(tǒng)動力學(xué)模型研究

通過對煤炭安全系統(tǒng)影響因素的全面分析，已經(jīng)基本對全部影響因素進(jìn)行了總結(jié)。為了確立煤礦安全系統(tǒng)的內(nèi)部因果關(guān)系，從而更清晰地反應(yīng)系統(tǒng)各因子的關(guān)聯(lián)及影響，這里從七大影響因素中選取了以下的安全指標(biāo)：技術(shù)裝備水平、地質(zhì)環(huán)境、礦山事故率、百萬噸死亡率、傷亡率、企業(yè)利益、利潤率、安全投入、產(chǎn)能投入、安全培訓(xùn)及考核力度等主要變量因素。

經(jīng)過分析確定，影響煤礦安全主要因素的因果關(guān)系圖如圖2所示。

圖2煤礦安全系統(tǒng)動力學(xué)模型圖

通過上述因果關(guān)系圖，反映了經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)規(guī)模、安全投入、技術(shù)與裝備水平、生產(chǎn)投入、安全人員、安全管理、安全培訓(xùn)考核等主要系統(tǒng)因素對煤礦安全具體的影響及作用關(guān)系。

3基于系統(tǒng)動力學(xué)的煤礦安全影響因子層級

通過前文對影響因子的分析和系統(tǒng)因果的分析，煤礦安全影響因素的關(guān)系已經(jīng)確定?；诖耍@里通過解釋結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行層次分析，就可以將各個因素間的復(fù)雜關(guān)系通過一個多層次的遞階結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)出來。具體層次分析結(jié)果如圖3所示。

通過分析圖可以清晰地看到煤礦安全系統(tǒng)中的表層直接因素、中層間接因素以及深層根本因素的具體原因，以及各因子間的相互關(guān)系。分清各主要因子之間的相互關(guān)系，將增強(qiáng)我們對煤礦安全系統(tǒng)的認(rèn)識，對建立防范體系具有重要的指導(dǎo)意義。

4煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)模型研究設(shè)計

4.1煤礦安全運(yùn)作系統(tǒng)分析

通過前文對煤礦安全影響因素的分析，已經(jīng)很清晰地認(rèn)識主要的安全影響因素以及它們的關(guān)系，為了更好地對各類影響因素進(jìn)行控制與管理，這里將上述各類安全因素所涉及的煤礦運(yùn)作系統(tǒng)進(jìn)行分類，具體結(jié)果如表1所列。

通過以上分類，清晰地展示了安全影響因素所涉及的各類煤礦運(yùn)作系統(tǒng)。

4.2煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)模型設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦系統(tǒng)的運(yùn)用在很大程度上提高了礦山的智能化運(yùn)作。通過以上對煤礦安全系統(tǒng)的分析，已經(jīng)清晰確定了煤礦安全因素之間的相互關(guān)系。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以確定在煤礦物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中基本可以分為四個層面。具體煤礦物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型如圖4所示。

感知與控制層作為傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)比較成熟，結(jié)合前文的影響因素分析，這里一共設(shè)計了四個系統(tǒng)，分別是安全系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。安全系統(tǒng)包括安全監(jiān)測、井下排水、通風(fēng)、防滅火、束管監(jiān)測、瓦斯抽放、人員考勤和人員監(jiān)控；生產(chǎn)系統(tǒng)包括工作面、提升系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、水處理、選煤廠鍋爐房、井下降溫及給水系統(tǒng)；供電系統(tǒng)包括地面與地下供電；生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)包括無線通信系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、信息監(jiān)控系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)。

信息集成層是新型煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化集成中心,主要由工業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫組成。工業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫包含了數(shù)據(jù)分析、聯(lián)動控制策略庫、故障診斷庫和專家?guī)?關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要包含管理基礎(chǔ)庫、組織機(jī)構(gòu)庫、業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)庫和專家知識庫。

管理決策層作為企業(yè)的智能管理層，分為生產(chǎn)智能分析和商務(wù)智能分析兩部分。生產(chǎn)智能分析中心主要運(yùn)作包括計劃目標(biāo)管理、物資管理、運(yùn)銷管理、工程項目管理、能源管理、機(jī)電設(shè)備管理、通風(fēng)設(shè)計分析和安全管理；商務(wù)智能分析中心主要運(yùn)作包括全面預(yù)算管理、財務(wù)管理、人力資源管理、固定資產(chǎn)管理、煤質(zhì)管理、精細(xì)化管理、生產(chǎn)調(diào)度管理和三維數(shù)字開采管理。

企業(yè)展示層主要是通過企業(yè)展示網(wǎng)絡(luò)來展示企業(yè)的相關(guān)信息。

煤礦物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自上而下的四個層級分工明細(xì)又相互協(xié)作，各個層級間共用同一的數(shù)據(jù)倉庫，并通過工業(yè)以太網(wǎng)和企業(yè)管理網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)通。

5結(jié)語

煤礦安全的系統(tǒng)動力學(xué)研究以煤礦生產(chǎn)運(yùn)營過程中影響安全運(yùn)作的各個因素為研究對象，將其分為若干子系統(tǒng)，對各子系統(tǒng)中的影響因子進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)因果圖，并建立起煤礦安全層級解釋模型，為科學(xué)的構(gòu)建煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及制定科學(xué)的安全管理決策提供了依據(jù)。

通過煤礦物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，可實現(xiàn)智能礦山的自動化運(yùn)作,為煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和礦區(qū)環(huán)境的安全穩(wěn)定提供了保證。

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