33

ВСТУП

Питання безпеки на об'єктах гірничого виробництва мають особливе значення. Аналіз та оцінка небезпеки можливих аварій є однією з ключових проблем. Оцінку і класифікацію аварійної ситуації здійснює гірничий диспетчер. Аналіз здійснюється на підставі показників датчиків, що видаються використовуваною на підприємстві системою автоматизованого контролю, та з урахуванням усних сповіщень від працівників.

На етапі класифікації аварійної ситуації часто виникають труднощі. Оскільки автоматично вимірюється лише мала кількість показників, а доступна інформація має високу долю неоднозначності. В наслідок чого спостерігається відсутність однозначних правил, критеріїв і методів оцінки аварійних ситуацій. Також має місце висока залежність від людського чинника.

Способи усунення або урахування такої неоднозначності нині, здебільшого, базуються на суб’єктивному досвіді диспетчера або інших експертів і є недостатніми. Це призводить до помилкових рішень, які можуть вести до тяжких наслідків.

Таким чином,створення інтелектуальної системи, що працює в режимі підтримки прийняття рішень, є актуальним для цієї предметної області[1].

У попередній роботі було розглянуто особливості та можливості сучасних систем автоматизованого контролю та управління, які застосовуються на шахтах Україні та Росії. А саме УТАС та АСОДУ[2]. Де було виявлено, що популярна в Україні система УТАС реалізує достатньо можливостей фіксування та контролю необхідних показників, процесів та параметрів, але не виконує аналізу ситуації.

Тому для розробки системи класифікації аварійних ситуацій на шахті будуть використані можливості саме системи контролю і управління гірничим виробництвом – УТАС у поєднанні із застосуванням експертної системи та методів нечіткої логіки [3].

1 РОЗРОБКА СТРУКТУРИ СИСТЕМИ КЛАСИФІКАЦІЇ

1. Базові принципи та логіка роботи системикласифікації

Для проектування та розробки системи класифікації спочатку необхідно визначитися з принципами та логікою її роботі.

В ході науково дослідницької роботи студента, в рамках предметної області було виділено, що на вугільних шахтах буває чотири основні види підземних виробничих аварій не технічного характеру, а саме: пожежа, вибух, обвал та затоплення або прорив води.

Аварійні ситуації характеризуються за допомогою аналізу невеликої кількості доступних до виміру показників таких як:

• рівень метану (СН₄);

• рівень вуглекислого газу (СО);

• температура повітря (Т);

• швидкість повітря (V).

Окрім того стан поточної ситуації допомагають аналізувати такі показники виробничого процесу як:

• наявність / відсутність струму на головному обладнанні і в загальних лініях електроживлення (I_+/-);

• звіти про активність транспортного ланцюжка або конвеєрів;

• спраіність датчиків чи іншого допоміжного обладнання;

• напрям повітря (V_+/-).

Згідно правил безпеки встановлено норми автоматично вимірюваних параметрів.В ході дослідницької роботі, діапазони значень цих параметрів проградуйовані на терми лінгвістичних змінних: «низький», «середній», «високий», «дуже високий» рівень небезпеки. Виділені интервали узгоджувалися з відповідними експертами гірничої промисловості. В системі класифікації, що розробляється, аналіз починається при підвищенні будь-якого з критичних вимірюваних параметрів до перед аварійної межі, що відповідає «середньому» або «високому» рівню небезпеки. На базі цих даних можна проводити швидку експрес оцінку ситуації.

Також досить ефективно можна класифікувати вид аварії за допомогою ключових фраз сповіщення, які експерти з великою вірогідністю можуть співвіднести з певним видом аварії. Декілька ключових фраз можуть бути взаємодоповнюючими і складати певні ланцюжки, класифікуючих послідовностей. Набір цих правил може як і самостійно класифікувати ситуацію, так і використовуватися в якості доповнення базових правил системи. Також у якості фактів можуть виступати й базові данні про стан виробничого процесу. В рамках системи, при складанні правил будуть враховуватися данні які можуть бути зафіксовані системою УТАС та мають логічне значення типу «наявність», «відсутність», «норма» чи «не норма».

Однак, важливо враховувати не тільки поточний стан аеро-газової ситуації, а відстежувати швидкість і динаміку її протікання при аварійному або перед аварійному стані.

Оскільки виміри датчиків фіксуються кожні 5 секунд, то можемо відстежувати динаміку змін як різницю отриманих показників вже через 10 – 15 секунд. Таким чином ми отримуємо необхідність введення таких додаткових параметрів як активність наростання чисельно фіксованих показників та швидкості розповсюдження порушень. Розрахунок цих та інших параметрів буде детально представлено далі (див. розділ 2).

Комбінуючи початкові вхідні данні та результати первісної класифікації і додаткових розрахунків системи складаються правила нечіткого виводу для формування більш об’єктивного висновку про вид поточної аварії та точність класифікації.

Кожний з цих принципів буде реалізовано в окремих модулях системи, що детальніше представлено та пописано в наступному підрозділі 1.2.

1.2 Логіко-формальна модель багаторівневої системи класифікації аварій

Спроектована експертна системи класифікації аварій, яка може застосовуватися в якості допоміжної системи підтримки прийняття рішень. Ця системи складається з трьох блоків які поетапно класифікують вид аварії. Класифікація відбувається на основі співвідношення поточного стану вимірюваних показників та класифікуючих фактів із розробленими в рамках системи експертними правилами висновку.

Логіко-формальна модель спроектованої багаторівневої системи класифікації аварій представлена на рисунку 1.

Рисунок 1.1 – Логіко-формальна модель багаторівневої системи класифікації аварій

Де: p1 - рn – чисельне значення вимірюваних показників ( рівень метану – СН4, рівень вуглекислого газу – СО, температура повітря – Т, швидкість повітря V);

f1 - fn – виявленні факти, що отримані з голосових повідомлення фахівців чи працівників у шахті, та логічні показники роботи та стану виробничого процессу, що автоматично фікскються наявною системою автоматизованого контролю та управління (такою ак УТАС); 

k1, k2, k3 – коди, отримані на виході блоків № 1, № 2 та № 3 відповідно;

REZ – кінцевий інтерпретований результат класифікації (повідомлення про передбачуваний вид ситуації та рівкень впевненості в точності результату). [5]

Блок №1 проводить первісній аналіз критичності ситуації на основі даних які поступають з датчиків. Блок №2 аналізує набори наявних фактів, що допомагають класифікувати особливості та вид аварійної ситуації. У блоці №3 відбувається остаточний глибокий аналіз та класифікація аварії.

У блоці №1, на основі розробленої експертної таблиці, визначається «низький», «середній», «високий», «дуже високий» рівень небезпеки поточної ситуації.

Вхідними даними виступають поточні автоматично фіксовані показники такі як:температура (Т), рівень метану (СН₄), вуглекислого газу (СО) та швидкість повітря(V). Ці параметри є заголовками рядків таблиці. Для кожного вхідного параметру введено коефіцієнт важливості урахування. На етапі проектування та тестування вважаємо всі три показними рівнозначними, та задаємо ці коефіцієнти рівними між собою. Кількість показників та відповідні коефіцієнти можуть бути змінені за бажанням експертів.

Заголовками стовбців є критерії рівня аварійної небезпеки, а саме «низький», «середній», «високий», «дуже високий». Для виявлення рівню небеспеки, експертним шляхом визначені діапазони належності вхідних значень показників, що мають вид функцій належності відповіднх лінгвістичних змінних.

Даний метод базується на ідеї багато параметричного аналізу А.О. Недосекина, та детальніше описаний в наступних джерелах [2, 4].

Блок №2 даної системи класифікації на вході аналізує одну або кілька ключових фраз, виділених з голосового сповіщеннята данних, які фіксуються відповідними системами автоматизації. На основі розроблених експертних правил взаємодії фактів, в цьому блоці визначається належність конкретного факту або набору фактів до того чи іншого виду аварії, з позначенноям точністі та рівня впевненності класифікації.

Факти та правила, які використовуються в цьому блоці, описані в таблиці 2.1 (див. розділ 2).

Результати роботи блоків № 1 і № 2 перевіряються на суперечливість у методі , що позначеній символом «V». Детальний опис роботи метору дивіться в розділі 2.

Блок №3 представляє собою нечітку експертну систему. Спосіб обробки знань є логічний висновок згідно нечітких продукцій. Формування моделі реалізується в виді сукупності продукційних правил типу  (якщо, то ...), які регламентують взаємозв’язки вхідних та вихідних параметрів.

Для визначення результату блоку №3 використовується метод Мамдани.

1.3 Режими роботи системи

Розроблена система обробляє данні різних форматів, що забеспечуэ урахування показникыв різного роду.

Передбачається, що проектована система може працювати у трьох режимах:

1. Датчики працюють справно, та подають фіксовані данні у блок №1. Висновок блоку №1 перевіряється на сумістність або доповнюється значенням фактів отриманих із сповіщень від робітників, які працюють близько від центру порушень. Сукупні данні та результати передаються на блок №3. Де згідно з розробленими правилами підбирається найбільш точний вид аварії.

2. Блок №1 відпрацював успішно, та отриманих даних достатньо для подальшого уточнення виду аварії в блоці №3.Остаточный висновок про вид потоної аварії визначається в блоці №3.

3. Сповіщення надійшли раніше ніж датчики зафіксували відхилення вимірюваних параметрів від норми, або датчики \ лінії електропередач несправні. Тоді класифікація може відбутися лише на базі цих фактів.На виході розроблена система видає користувачу найбільш очевидний вид поточної аварії з зазначенням визначеної точності. [5]

Діаграмми послідовності виконання для рижимів роботи системи класифікації представлені на рисунках 1.2-1.4

Рисунок 1.2 – Діаграма послідовності виконання при режимі роботи №2

Рисунок1.3 – Діаграма послідовності виконання прирежимі роботи №1

Рисунок 1.4 – Діаграма послідовності виконання прирежимі роботи №3

2МАТЕМАТИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ

2.1 Метод роботи блоку експрес аналізу

Аварійні ситуації характеризуються за допомогою аналізу невеликої кількості доступних до виміру показників таких як:

• рівень метану (СН₄);

• рівень вуглекислого газу (СО);

• температура повітря (Т);

• швидкість повітря (V).

Згідно з норм правил безпеки та узгоджено з експертами, діапазони значень цих параметрів проградуйовані на терми лінгвістичних змінних: «низький», «середній», «високий», «дуже високий» рівень небезпеки. В системі класифікації, що розробляється, аналіз починається при підвищенні будь-якого з критичних вимірюваних параметрів до перед аварійної межі, що відповідає «середньому» або «високому» рівню небезпеки. На базі цих даних можна проводити швидку експрес оцінку ситуації.

Експрес аналіз блоку №1для визначення рівня небезпеки поточно стану можливої аварійної ситуації складається з наступних етапів.

Етап 1 –Лінгвістичні змінні і нечіткі множини.

1.Вхідними параметрами таблиці є показники Eі виробничтого процесу. В данній системі для аналізу було обрано чотири таких показники, що мають наступні значеня:

E1 – рівень вуглекислого газу (СО);

E2 – рівень метану (СН₄);

E3 – температура повітря (Т);

E4 – швидкість повітря (V).

2. Відповіднозмінним E,є лінгвістична зміннаG «Рівень небеспеки» також має чотири значення:

G1 – «дуже високий»;

G2 – «високий»;

G3 – «середній»;

G4 – «низький»;.

Носій множини G – показник ступеня ризику аварії - приймає значення від нуля до одиниці за визначенням.

Етап 2–Значимість показників.

Поставимо у відповідність кожному показнику Еi рівень йогозначущості ri. Для того, щоб оцінити цей рівень, необхідно поставити всі показники з урахуванням зменшення їх значимості так, щоб виконувалася співвідношення:

r1≥ r2≥ ...r N.

Якщо система показників проранжована у порядку зменшення їх значимості, та вага і-го показника ri рекомендовано визначати за правилом Фішберна:

ri =2(N –і +1)/ (N +1)*N. (1.1)

Якщо всі показники мають однакову вагу, то r_i = 1/N.

Також значимість показників може задаватися згідно побажань експертів з урахуванням вимоги , що Σ r_i=1.

Етап3 (Класифікація ступеня ризику).

Побудуємо класифікацію поточного значення показника gступеня ризику як критерій розбиття цієї множини на нечіткі підмножини (таблиця 2.1):

Таблиця 2.1 – Класифікацію поточного значення показника gступеня небеспеки аварії Gі

Інтервал значень g	Класифікація рівня параметрy	Ступінь оціночної впевненості (Функція приналежності)
0 ≤ g ≤ 0.25	G4	1
0.25< g < 0.4	G4	μ4 = 10 × (0.4 - g)
	G3	1- μ4 = μ3
0.4 ≤ g ≤ 0.5	G3	1
0.5 < g < 0.6	G3	μ4 = 10 × (0.6 - g)
	G2	1- μ3 = μ2
0.6 ≤ g ≤ 0.7	G2	1
0.7< g < 0.9	G2	μ2 = 10 × (0.9 - g)
	G1	1- μ2 = μ1
0.9 ≤ g ≤ 1.0	G1	1

Етап 4 – Оцінка ступеня небезпеки.

Виконаємо обчислювальні операції для оцінки ступенюнебезпеки поточної ситуаціїg:

g = Σ λjΣx_і*r_i (1.2)

где

λj– рівень впливу суми показників;

x_і– интерпритоване згідно функцій належності значення показнику Еі;

r_i–рівень його значущостіпоказнику Еi.

Сенс застосування формули (1.2) полягає в наступному. Спочатку ми оцінюємо вагу того чи іншогопідмножини в оцінці стану виробництва Еі в оцінці ступеня ризику G. Ці ваги даліберуть участь в зовнішній сумі для визначення середнього значення показника г, де виступають як середня оцінка g з відповідного діапазону таблиці 2.1 етапу 3.

Етап 5 (Лінгвістичне розпізнавання).

Класифікуємо отримане значення ступеня ризику на базіданих таблиці 1. Результатом класифікації є лінгвістичний опис ступеня ризику аварії і ступеня впевненості експерта в правильності його класифікації.

Таблиця 2.2 – Приклад роботи експрес таблиці блоку №1

Gi Eі	Низький (норма)	средній	високий	дуже високий	ri
со			1		0,3
сн4		1			0,3
т			1		0,2
v			1		0,2
λj	0,3	0,5	0,7	1	рез g
	0	0,3	0,7	0	0,64

У даному прикладі

E1 – рівень вуглекислого газу (СО) =«високий»;

E2 – рівень метану (СН₄) = «середній»;

E3 – температура повітря (Т) =«високий»;

E4 – швидкість повітря (V)= «високий».

g = 0,64, що входить в інтервал 0.5≤ g ≤ 0.7, який відповідає висновку G2 – «високий» рівень небезпеки ситуації, з рівнем впевненності = 1.