2.4.2 Логіко-формальна модель багаторівневої системи класифікації аварій на щахті

Система класифікації складається з трьох логічних блоків, які поетапно класифікують вид аварії. Класифікація відбувається на основі співвідношення поточного стану вимірюваних показників та класифікуючих фактів до можливих видів аварійної ситуації за допомогою розроблених методів.

Блок № 2 аналізує набори наявних фактів, допомагають класифікувати особливості і вид аварійної ситуації (див. розділ 3.3). результати роботи блоків № 1 і № 2 перевіряються на суперечливість у модулі «V». 

У блоці № 3 відбувається остаточний аналіз і класифікація аварії.[]

Логіко-формальна модель багаторівневої системи класифікації аварій представлена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Логіко-формальна модель багаторівневої системи класифікації аварій

Де:p1 - рn – чисельне значення вимірюваних показників (рівень метану – С Н₄, вуглекислого газу – СО, температура повітря – Т);

f1 - fn – виявленні факти, що описують голосові повідомлення фахівців з шахти; 

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

REZ – кінцевий інтерпретований результат класифікації (повідомлення про передбачуване вигляді ситуації та рівні впевненості в точності результату). [5]

2.4.1 Логіка роботи системи

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

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 таблицях 2.5.3- 2.5.5.

Результати роботи блоків № 1 і № 2 перевіряються на суперечливість у методі , що позначеній символом «V». Детальний опис роботи метору дивіться в розділі 2.5.1

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.

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. На виході розроблена система видає користувачу найбільш умістний вид поточної аварії з зазначенням визначеної точності. [5]

Діаграмми послідовності виконання для рижимів роботи системи класифікації представлені на рисунках 2.2-2.4

Рисунок 2.2 – Діаграма послідовності виконання при режимі роботи №2

Рисунок 2.3 – Діаграма послідовності виконання в режимі роботи №1

Рисунок 2.4 – Діаграма послідовності виконання в режимі роботи №3

2.5 Особливості реалізації системи

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

Вхідними даними виступають поточні значення точно фіксованих показників таких як: температура Т, рівень метану СН4, вуглекислого газу СО, швидкість повітря V. Ці показники є заголовками рядків таблиці. Для кожного вхідного параметра введений коефіцієнт важливості урахування.

Заголовками стовпців є вихідний критерій рівня аварійної небезпеки, а саме «низький», «середній», «високий», «дуже високий». Для визначення цих рівнів експертним шляхом визначені діапазони належності. 

Даний метод заснований на ідеї використання багатопараметричного критерію прогнозування, розробленого А.А. Недосекіним. [9] Деталі роботи цього блоку, його логіка та математичній апарат описані у попередній науково-дослідницькій роботі. Детальніше в підрозділі 2.5.1.

Блок № 2 даної системи на вході аналізує одну або кілька ключових фраз, виділених з надійшов з шахти голосового оповіщення. Такі ключові фрази в даній системі формалізовані як факти, що є вхідними даними блоку № 2.

Факти можуть бути двох типів. До фактів першого типу відносяться ключові слова голосових сповіщень. До фактів другого типу відносяться булеві показники працездатності головних механічних систем в шахті.

На основі розроблених правил взаємодії подій \ фактів, визначається точність приналежності конкретного факту чи набору фактів до того чи іншого виду аварії. 

Детальніше правила виводу і результати роботи блоку описані в підрозділі 2.5.2.

Блоки класифікації № 1 і № 2 можуть використовуватися як незалежно один від одного, так і виступати і ролі доповнення до розширеного аналізу в блоці № 3.

Найповніша версія роботи системи класифікації для остаточного аналізу використовує ще і розширену сукупну базу правил та знань у блоці №3.

На вхід блоку №3 подається код висновку блоків №1 і\ або №2, та поточне значення таких параметрів як:

1. вимірювані величини:

CO – вуглекислий газ;

CH₄ – метан;

T – температура повітря у виробці;

Vb – швидкість повітря.

2. обчислювані коефіцієнти:

К – крутизна змін вимірюваних параметрів;

R – швидкість розповсюдження області порушень.

На вхід блоку № 3 подаються коди результатів попередньої класифікації з блоків № 1 і № 2. Ці дані говорять про наявність або відсутність аварійної ситуації та передбачуваний рівень небезпеки. [5]

Однак, важливо враховувати не тільки поточний стан аеро-газової ситуації, а відслідковувати швидкість і динаміку її протікання при аварійному або перед аварійному стані. Оскільки вимірювання датчиків фіксуються кожні 5 секунд, то можна відслідковувати динаміку змін як різниця отриманих чисельних показників. У системі, вводяться такі параметри як швидкість наростання чисельних показників і швидкість поширення порушень.

Нечіткі експертні системи використовують представлення знань у формі нечітких продукцій та лінгвістичних змінних. Основу представлення лінгвістичної змінної є терм з функцією належності. Приклад виду функцій належності, які використовуються в системі представлено ра рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 – Вид функцій належності для параметрів системи   де : а) функція належності для вуглекислого газу (СО) , б) функція належності для температури (Т), в) функція належності для метану (CH₄)

Підсумовуючи вищесказане зауважимо, що блок № 3 являє собою нечітку експертну систему. Способом обробки знань є логічний висновок згідно нечітким продукцією. Формування моделі реалізується у вигляді сукупності продукційних правил типу (якщо, то ...),  регламентують взаємозв'язки вхідних і вихідних параметрів. [10]

Наприклад, у блоці № 3 використовуются правила наступного виду:

IF «вугл.газ = СОв» AND «температура = Тв» AND «метан = СНв» THEN «пожежа»;

Де: вугл.газ, температура, метан, пожежа – імена лінгвістичних змінних; 

СО, Т, СН – відповідне значення термів даних лінгвістичнихзмінних; 

Терми мають індекси градації величини параметра: н – низький\ нормальний, с – середній\ допустимий , в – високий, дв  – дуже високий.

Деталі і особливості роботи цього блоку описані в підрозділі 2.5.3.

2.5.1 Метод роботи блоку експрес аналізу

Блок №1 системи классифіка реалізує швидкий аналіз поточної аерогазової ситуації на наявність небеспеки, та включає наступну логіко математичну базу.

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

• рівень метану (С Н₄);

• 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 (формула 2.1):

ri =2(N –і +1)/ (N +1)*N. (2.1)

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).

Будуємо класифікацію поточного значення показника g ступеня ризику як критерій розбиття цієї множини на нечіткі підмножини (таблиця 2.1):

Таблиця 2.1 – Класифікацію поточного значення показника g – ступеня 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 ступеню небезпеки поточної ситуації g (формула 2.2):

g = Σ λjΣx_і*r_i (2.2)

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 іншої підмножини в оцінці стану виробництва Еі в оцінці ступеня ризику G. Ці ваги далі беруть 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 по таблиці 2.1.

Результатом класифікації є поточний аналіз ризику аварії і ступеня впевненості експерта в правильності класифікації рівня небезпеки.

Приклад роботі блоку №1 представлений в таблиці 2.2

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 (згідно таблиці 2.1) висновку G2 – «високий» рівень небезпеки ситуації, з рівнем впевненності = 1.

2.5.2 Метод роботи блоку аналізу фактів

Блок № 2 даної системи на вході аналізує одну або кілька ключових фраз, виділених з надійшовших з шахти голосових оповіщеннь. Такі ключові фрази в даній ситемі формалізовані як факти, що є вхідними даними блоку.

Даний модуль видає найбільш вагоме з доступних правил, та передає його у вигляді коду. Результат виходу блоку записується в змінну К2.

Після більш детального аналізу, бідбулися значні зміни у блоці аналізу №2 – аналіз фактів ,та блоці №3 – повнофакторній аналіз.

До виділених для аналізу фактів голосового сповіщення відносяться: 

1. f1 – підвищення температури;

2. f2 – струмінь гарячого повітря; 

3. f3 – хвиля пилу;

4. f4 – запах диму \ гару \ плавлення;

5. f5 – різкий сплеск;

6. f6 – ударна хвиля;

7. f7 – зміна напрямку повітря;

8. f8 – зупинка струменя повітря (низька швидкість потоку);

9. f9 – пропала напруга.

10. f10 – погіршення самопочуття \ ускладнене дихання \ жар.

Тут f1 -f10 – код факту, отриманого від працівників.

Якщо диспетчер отримує відповідне голосове сповіщення, про наявність певного факто, то він відмічає його галочкою в списку можливих фактів.

В рамках системи, при складанні правил у якості фактів можуть виступати й базові данні про стан виробничого процесу. У правилах блоку №2 будуть враховуватися данні які можуть бути автоматично зафіксовані системою УТАС та мають логічне значення виду «наявність», «відсутність», «норма» чи «не норма».

До таких автоматичних фактів виділено, та закодовано згідно правил системи наступні показники:

1. f11– відсутність струму в загальній лінії електропередач;

2. f12– відсутність струму аварійному участку;

3. f13– датчики на аварійному участку не справні або не видають сигналу;

4. f14– комбайн не працює;

5. f15– транспортний ланцюжок конвеєрів не працює,

6. f16– транспортний ланцюжок конвеєрів частково не працює (одну або кілька лент зупинено);

7. f17– основный вентилятор місцевого провітрювання не працює;

8. f18– резервний вентилятор місцевого провітрювання не працює;

9. f19– зміна напряму повітря;

10. f20– вентиляційні двері відчинені(ті що мають бути закритими).

Ці факти подаються в систему автоматично, та за умов наявності, відображається в окремому вікні. З усіх цих фактів, шляхом експертного аналізу, виділені взаємопов’язані групи. Такі групи за допомогою логічних зв’язків and – і, or – або, та then–то формують правила логічного виводу.

На основі розроблених правил взаємодії подій-фактів, визначається точність приналежності конкретного факту чи набору фактів до того чи іншого виду аварії. Правила які включають більшу кількість сукупних фактів, поєднаних за допомогою логічної зв’язки and є більш вагомими.

Всі правила мають свій код виходу, що означає вид аварії, та визначений рівень точності класифікації, який можна встановити на основі наявних фактів. Коди правил та їх значення представлені в таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 – Значення кодів правил блоку №2

Код правила	Значення	Вага правила
СП	Пожежа з середньою точністю	1
СВ	Вибух з середньою точністю	1
ВП	Пожежа з високою точністю	2
ВВ	Вибух з високою точністю	2
ВО	Обвал з високою точністю	2
ДВП	Пожежа з дуже високою точністю	3
ДВВ	Вибух з дуже високою точністю	3
ДВО	Обвал з дуже високою точністю	3

Послідовність роботи цього блоку можна описати за допомогою UML діаграми станів, яка представлена на рисунку 2.6.

Рисунок 2.6 – Діаграма послідовності станів роботи блоку №2 системи класифікації

Далі у таблицях 2.4 та 2.5 представлені усі правила класифікації фактів, що були розроблені для роботі блоку №2.

Таблиця 2.4 – Правила блоку №2 по фактам класу-1.

№п/факти	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	висновок
1	1										сп
2		1									сп
3										1	сп
4					1						св
5						1					св
6							1				св
7				1							вп
8		1		1							вп
9		1								1	вп
10	1			1							вп
11		1							1		вв
12					1	1					вв
13						1	1				вв
14		1				1					вв
15			1								В0
16								1			во
17			1		1						в0
18	1	1		1							двп
19	1			1						1	двп
20	1			1					1		двп
21		1			1	1					двв
22		1					1				двв
23	1						1				двв
24		1	1			1					двв
25		1					1		1		двв
26		1	1			1	1		1		двв
27			1			1					дво
28			1					1			дво
29					1			1			дво
30			1		1			1	1		дво

Таблиця 2.5 – Правила блоку №2 по фактам класу-2.

№п/факти	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	висновок
1				1							сп
2						1					сп
3							1				сп
4		1									св
5					1						св
6									1		св
7				1		1					вп
8		1					1				вп
9	1										вв
10		1			1						вв
11										1	вв
12						1					во
13						1				1	двп
14				1		1	1				двп
15			1						1	1	двв
16	1		1		1						двв

У класичносу вигляді представлені правила мають наступний вид:

1. IF«підвищення температури»Then «Пожежа з середньою точністю».

2. IF«струмінь гарячого повітря»Then «Пожежа з середньою точністю».

3. IF«пропала напруга» and «підвищення температури» and «запах диму \ гару \ плавлення»Then «Пожежа з дуже високою точністю».

4. IF«струмінь гарячого повітря» and «підвищення температури» and «різкий сплеск»and «ударна хвиля»and «пропала напруга»Then «Вибух з дуже високою точністю».

5. IF«відсутність струму в загальній лінії електропередач» and «датчики на аварійному участку не справні або не видають сигналу» and «транспортний ланцюжок конвеєрів не працює»and Then «Вибух з дуже високою точністю».12345mmm

6. І так далі…

При складанні правил проводилась їх оптимізація та мінікізвція. Для простоти сприйняття та підготовки ло програмної реалізації правила було формалізовано та структуровано. Відповідний кінцевий вид правил представлено в таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 – Загальна таблиця групп правил з блоку класифікації №2

Правила		Висновок
З фактів класу №1	З фактів класу №2	Код виходу	Тип	Точність наявності
f1 or f2orf10	f14 or f6or f17	СП	Пожежа	Середня (50 -65%)
f5or f6orf7	f12 or f15or f19	СВ	Вибух
f4 or f2and f4 or f2and f10 or f1andf4	f14and f16or f12and f17or	ВП	Пожежа	Висока (66 -80%)
f2and f9 or f2and f6 or f5and f6 or f6and f7	f11or f12and f15or f20	ВВ	Вибух
f3 orf8 orf3 and f5	f2and f16or	ВО	Обвал
f1 and f2 and f4 or f1 and f4 and f10 or f1 and f4 and f9		ДВП	Пожежа	Дуже висока (81 -98%)
f1 and f7 or f2 and f7 or f2 and f5 and f6 or f2 and f3and f6 or f2 and f7and f9 or f2 and f3and f6 and f7 and f9	f13and f19or f1and f3and f15	ДВВ	Вибух
f3 and f6 or f3 and f8 or f5 and f8 or f3 and f5 and f8 and f9		ДВО	Обвал