王 磊
湖南安全技術(shù)與職業(yè)學(xué)院,湖南長沙 410151
煤礦事故預(yù)測方法的實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)
王 磊
湖南安全技術(shù)與職業(yè)學(xué)院,湖南長沙 410151
對煤礦事故進(jìn)行預(yù)測,能夠?yàn)楦骷壉O(jiān)管部門進(jìn)行安全監(jiān)管監(jiān)察提供科學(xué)決策的依據(jù)。在煤礦預(yù)測中最常用的是直觀預(yù)測法、指數(shù)平滑法和灰色預(yù)測法。采用C#平臺中的Chart開源控件結(jié)合C語言實(shí)現(xiàn)預(yù)測算法,將這些預(yù)測結(jié)果在圖形圖表中顯示出來。用戶根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)獲取預(yù)測的數(shù)據(jù),在三次指數(shù)平滑法中,由系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差(SDE)自動生成最佳的平滑指數(shù),輔助用戶設(shè)置參數(shù)。設(shè)置致害因素、時間、地點(diǎn)信息等數(shù)據(jù),系統(tǒng)反饋給煤礦安全生產(chǎn)管理人員直觀的可視化數(shù)據(jù),幫助其管理和組織煤礦安全監(jiān)管工作。對3種預(yù)測方法的預(yù)測效果進(jìn)行比較,結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)管理人員的工作經(jīng)驗(yàn),能夠較好地指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)工作。
煤礦事故預(yù)測;三次指數(shù)平滑法;標(biāo)準(zhǔn)誤差
在煤礦安全生產(chǎn)管理中,如何有效運(yùn)用安全生產(chǎn)管理的資源,減少安全生產(chǎn)事故是煤礦安全監(jiān)管工作人員首要解決的問題。根據(jù)以往積累的煤礦安全生產(chǎn)中的事故數(shù)據(jù),通過直觀預(yù)測法、優(yōu)化的三次指數(shù)平滑法和灰度預(yù)測法,對事故數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。并且將預(yù)測數(shù)據(jù)使用直觀的方法在系統(tǒng)中顯示出來,通過圖像的直觀反映,給管理人員直觀的影響,并且管理人員能夠?qū)⒆约核枰臄?shù)據(jù)反饋給系統(tǒng),能夠產(chǎn)生對數(shù)據(jù)新的理解。根據(jù)管理人員的專業(yè)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合系統(tǒng)給出的預(yù)測結(jié)果,能夠給煤礦安全監(jiān)管過程中提供很好的決策依據(jù)[1]。
本文在這里介紹如何將這些算法在C#中實(shí)現(xiàn)出來,并且通過Chart組建能夠?qū)?shù)據(jù)直觀的展示出來(見圖1)。
在系統(tǒng)的實(shí)施中采用了Microsoft Visual Studio的一個插件MSchart控件,是微軟提供的解決圖形統(tǒng)計(jì)和報表的一個免費(fèi)控件。這個控件并不直接存在與Microsoft Visual Studio 2008中,需要開發(fā)人員在微軟的官方網(wǎng)站上下載并安裝。MSchart控件給系統(tǒng)開發(fā)人員提供了豐富的圖表開發(fā)方法,能夠參與Office文檔的編輯,支持與數(shù)據(jù)庫中的表進(jìn)行連接。能夠讓開發(fā)人員將注意力關(guān)注在數(shù)據(jù)上,而不是圖表的繪制。
在使用MSchart控件繪制圖表時,系統(tǒng)主要的解決方案中最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)的連接方式。數(shù)據(jù)是形成圖表的前提條件,數(shù)據(jù)庫的存儲如何配合圖表的形成有兩種方法。一種是將數(shù)據(jù)形成數(shù)組的形式,另一種是直接與數(shù)據(jù)庫連接。第一種方法不適應(yīng)與煤礦事故統(tǒng)計(jì)分析過程中對數(shù)據(jù)的要求。所以采用與數(shù)據(jù)庫向連接的方法解決圖表對數(shù)據(jù)的要求。源代碼如下:
chart1.DataSource = MyDS_Chart.Tables[0];// MsChar綁定數(shù)據(jù)庫。
chart1.Series["Series1"].XValueMember = "類型";//綁定X軸類型
chart1.Series["Series1"].YValueMembers= MyDS_Chart.Tables[0].Rows[i][0].ToString();//綁定Y軸數(shù)值。
其中MyDS_Chart是DataSet類的一個對象,chart1是MSchart類的對象。是從數(shù)據(jù)庫中查找的數(shù)據(jù)以表的形式保存在MyDS_Chart中,使用Tables方法獲取表與MSchart的chart1.DataSource方法綁定數(shù)據(jù)庫。而后指定chart1的Series使用XValueMember和YValueMembers方法綁定X軸和Y軸。這種解決方案既能夠體現(xiàn)ADO.NET中DataSet采用表的形式獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,同時也能夠直接與MsChar綁定形成圖表,操作非常方便。
當(dāng)數(shù)據(jù)存儲和連接的問題解決后,可以根據(jù)MSchart類所提供的各種方法形成各種式樣的圖表。
直觀預(yù)測法對于系統(tǒng)的要求并不高,關(guān)鍵是以直觀的,圖形化的方式將數(shù)據(jù)展示給用戶,用戶結(jié)合其專業(yè)知識進(jìn)行判斷??梢赃@么說,直觀預(yù)測是以人為核心的預(yù)測方法。在實(shí)現(xiàn)的過程中將歷年的事故信息按照不同的事故類型進(jìn)行累積形成圖表信息?!澳甓劝踩A(yù)測”,按照事故的類型進(jìn)行分類,最主要的煤礦事故有頂板、放炮、火災(zāi)、機(jī)電、水害、瓦斯和運(yùn)算等[2]。統(tǒng)計(jì)該類型的事故在往年的某月份,總的事故數(shù)量和死亡人數(shù)。用戶可以根據(jù)歷年的累積數(shù)據(jù)判斷一個年度內(nèi),哪個月份是事故的高發(fā)期,那個地區(qū)是事故的高發(fā)地。主要是以時間和空間兩個層次進(jìn)行分析。例如:通過綜合歷年煤礦因瓦斯所致的事故和傷亡人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以分析的出在湖南省上半年的3~5月和下半年的9~10月是瓦斯的集中高發(fā)時期。通過統(tǒng)計(jì)各地區(qū)的煤礦事故和事故死亡總數(shù)可以看到婁底市、郴州市和衡陽市是煤礦事故的多發(fā)地區(qū)。
這種直觀的預(yù)測法,并不需要系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)資料,而且數(shù)據(jù)資料也不必進(jìn)行修正,采用原始數(shù)據(jù)。最重要的是由預(yù)測者憑借個人的經(jīng)驗(yàn)或者是專家的智慧進(jìn)行直接判斷。這種方法簡單易行,避免了復(fù)雜的設(shè)置,便于用戶使用。但是存在有很大的缺陷。將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行累積,雖然沒有丟失任何一個具體的數(shù)據(jù),但是這是靜態(tài)的分析數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)的動態(tài)變化的趨勢卻丟失了。這種直觀的預(yù)測方法并不能夠體現(xiàn)預(yù)測的效果。
指數(shù)平滑法是一種根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的簡單算法,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行中短期的預(yù)測。對于煤礦事故統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)而言,存儲了大量的歷史數(shù)據(jù),采用指數(shù)平滑法的方法預(yù)測死亡人數(shù)是比較實(shí)用的。雖然指數(shù)平滑法在數(shù)據(jù)有趨勢發(fā)展時存在預(yù)測數(shù)據(jù)滯后現(xiàn)象,但對于事故短期預(yù)測來說仍然具有一定的實(shí)用價值[3]。
采用三次平滑指數(shù)主要有4個步驟。第一步,確定平滑初始值。在使用三次指數(shù)平滑法算法前,首先需要估算初始值,初始值直接影響到預(yù)測值的結(jié)果,常用的方法是將前3個數(shù)據(jù)的平均值作為平滑初始值。第二步,確定平滑指數(shù)α。三次指數(shù)平滑法采用平滑指數(shù)α作為加權(quán)系數(shù),在預(yù)測算法中非常依賴于平滑指數(shù)α的確定,所以事故預(yù)測是否成功,α值的選取尤為重要[4]。常見的選取α值的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn),選擇其中誤差值最小的一項(xiàng)。判斷誤差值的方法有兩種,一種是采用標(biāo)準(zhǔn)誤差(SDE),另一種是采用平均絕對百分比誤差(MAPE)。第三步,計(jì)算三次平滑指數(shù)。三次平滑指數(shù)的計(jì)算,是在前一次平滑的基礎(chǔ)上在進(jìn)行一次平滑計(jì)算的,也就是說二次平滑的計(jì)算是在一次平滑的基礎(chǔ)上,三次平滑計(jì)算是在二次平滑的計(jì)算上進(jìn)行的。第四步,計(jì)算預(yù)測值。當(dāng)獲取了平滑指數(shù)α和預(yù)測值參數(shù)后,就可以計(jì)算出預(yù)測值了[3]。
平滑指數(shù)α作為加權(quán)系數(shù),α的誤差判斷要根據(jù)于實(shí)際的值,但是進(jìn)行預(yù)測的時候無法構(gòu)建實(shí)際的值。然而由用戶自行設(shè)定α的值,用戶也缺乏經(jīng)驗(yàn)。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中,采用標(biāo)準(zhǔn)誤差(SDE)的方法來選擇平滑指數(shù)α的值。
并且由系統(tǒng)自行計(jì)算最佳的平滑指數(shù)α的值,用戶可以指定α的值的精度。具體的算法是:由用戶確定好平滑指數(shù)α的值的精度,例如平滑指數(shù)α的值的精度為兩位小數(shù),而后根據(jù)數(shù)據(jù)從0.01開始作為平滑指數(shù)α的值,開始采用三次平滑指數(shù)計(jì)算預(yù)測值,根據(jù)已有的煤礦死亡人數(shù)的實(shí)際值,采用(1)的公式計(jì)算SDE的值。采用循環(huán)的方式計(jì)算到0.99。比較所有的α的值,取其中誤差最小的作為此次三次平滑指數(shù)算法的平滑指數(shù)α。
系統(tǒng)實(shí)施中函數(shù)“RecommendA”計(jì)算最佳平滑指數(shù)α值平滑指數(shù)α描述如下:輸入?yún)?shù)MyDS為已知的歷年同一個月份的煤礦死亡數(shù)據(jù),IniValue為平滑初始值,ac為用戶輸入平滑指數(shù)α值的精度。其中StandardDeviation函數(shù)是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差(SDE)值的。
在煤礦事故的預(yù)測中,另一種常用的預(yù)測方法就是灰色預(yù)測法。灰色預(yù)測法是應(yīng)用灰色模型GM(1,1)對灰色系統(tǒng)(Grey System)進(jìn)行分析、建模、求解和預(yù)測的。所謂的灰色系統(tǒng)是指信息的明確程度,信息的明確程度分成三等:白色、黑色和灰色。白色系統(tǒng)為完全明確的信息,黑色系統(tǒng)為不明確的信息,灰色系統(tǒng)即為部分明確的信息??陀^事物中大量存在著信息不完全的情況?;蛘呤窍到y(tǒng)因素或參數(shù)不完全明確,因素關(guān)系不完全清楚;或者是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完全明晰,系統(tǒng)的作用原理不完全清晰等,從而使得客觀實(shí)際問題需要用灰色系統(tǒng)理論來解決[5]。
在煤礦的事故統(tǒng)計(jì)過程中,經(jīng)常存在有人為因素的干擾。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的信息并非十分可靠。同時事故的傷亡人數(shù)也存在有一定的隨機(jī)性?;疑A(yù)測的基本思想是將與時間有關(guān)的已知數(shù)據(jù)按某種規(guī)則加以組合,構(gòu)成白色模塊,最后按某種規(guī)則提高灰色模塊的白化度[6]。采用灰色預(yù)測法預(yù)測煤礦事故能夠避免數(shù)據(jù)的隨機(jī)性,獲取其本質(zhì)上的規(guī)律,預(yù)測煤礦事故的發(fā)展趨勢和變化狀況。
圖1 預(yù)測方法在C#中Chart組建上的實(shí)現(xiàn)
在煤礦事故的預(yù)測過程中,最常用的預(yù)測數(shù)據(jù)是按照年度的死亡總數(shù)預(yù)測未來全年的死亡人數(shù)。用戶需要預(yù)測一個年度內(nèi)每個月份的煤礦事故的死亡信息,這有助于用戶分析一年內(nèi)那個月份是事故的高發(fā)期,以及事故的發(fā)展趨勢。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,需要獲取的數(shù)據(jù)不是全年的死亡人數(shù),而是按照月份分月進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測,例如預(yù)測2013年1月的死亡人數(shù)信息,需要獲取2005年至2012年1月的死亡人數(shù)信息,其他月份的預(yù)測方法也是采用同樣的方法。
在按照月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測死亡人數(shù)的過程中,存在數(shù)據(jù)不完善的情況。例如在分析的數(shù)據(jù)2012年的數(shù)據(jù)只有1月的數(shù)據(jù)。在預(yù)測2103年2月的數(shù)據(jù)時,就缺少了一份數(shù)據(jù)。三次指數(shù)平滑和灰色預(yù)測法可以做一段時間內(nèi)的預(yù)測,調(diào)整算里的T值,可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)不連續(xù)和不完整的情況。
在煤礦事故的預(yù)測中,采用圖表信息展示數(shù)據(jù),能夠幫助用戶直觀的了解數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。預(yù)測的算法只能夠起到輔助作用,幫助用戶做決策,而不能夠替代用戶做出決策。
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1674-6708(2016)171-0201-02
王磊,湖南安全技術(shù)與職業(yè)學(xué)院。