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        基于Agent的煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術運用仿真研究

        2022-03-14 06:25:28李永峰張明慧
        同煤科技 2022年1期
        關鍵詞:嚴格執(zhí)行子塊煤礦安全

        李永峰,張明慧

        (1.中國礦業(yè)大學應急管理學院 江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學經(jīng)濟管理學院 江蘇 徐州 221116)

        1 引言

        通過具有智能化識別、定位、跟蹤等特點的物聯(lián)網(wǎng)技術的應用,可以實現(xiàn)煤礦危險源的實時、準確感知與監(jiān)測,能夠極大地提高煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管的能力,提升煤礦的自動化、機械化、智能化水平,促進煤礦的安全生產(chǎn)。因此,一些大型煤礦逐步開始引入物聯(lián)網(wǎng)技術。但由于物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管中的應用和推廣剛剛起步,在學術研究方面,對此的研究還嚴重不足。一方面,國外學者對物聯(lián)網(wǎng)的研究主要集中于物聯(lián)網(wǎng)的概念框架及其關鍵技術等方面[1-4],鮮有對其在工業(yè)領域的應用展開研究。國內(nèi)學者的研究主要集中在物聯(lián)網(wǎng)技術和應用技術方面,袁亮院士等[5]研究了礦山物聯(lián)網(wǎng)人-機-環(huán)狀態(tài)感知關鍵技術。錢建生等[6]從企業(yè)的角度研究構建了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化系統(tǒng),該系統(tǒng)具有礦井安全生產(chǎn)實時監(jiān)測、人員跟蹤定位、礦井災害預警、搶險救災、信息管理等功能。胡青松等[7]針對煤礦生產(chǎn)環(huán)境負責,研究了礦井動目標精準定位算法和技術,指出了基于礦山物聯(lián)網(wǎng)架構的定位發(fā)展趨勢。孫繼平[8]基于我國煤炭開采井工開采率高、賦存條件差、信息化程度低等煤礦生產(chǎn)實際狀況提出了煤礦物聯(lián)網(wǎng)的特點和需要解決的關鍵技術。已有的相關研究主要集中于技術層面,缺乏對其在工業(yè)領域特別是煤礦生產(chǎn)方面的推廣應用的研究。

        基于Agent的建模與仿真是研究復雜系統(tǒng)問題的有效方法,已經(jīng)廣泛應用于消費者行為選擇、交通、軍事、能源等研究領域。

        物聯(lián)網(wǎng)作為一門較新的技術,其在我國煤礦的應用和推廣缺乏大樣本進行實證研究,因此,本文擬采取基于Agent 的仿真建模技術,對于物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管中的應用進行模擬仿真,較好地彌補已有研究的不足。一方面,研究物聯(lián)網(wǎng)的應用對煤礦安全生產(chǎn)的影響;另一方面,將物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本、煤礦企業(yè)意識、煤礦生產(chǎn)規(guī)模、物聯(lián)網(wǎng)的普及等多方面因素作為模型的變量,研究影響物聯(lián)網(wǎng)在煤礦生產(chǎn)中推廣與普及的關鍵因素,并基于此提出政策建議。

        2 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術推廣模型

        2.1 模型設定

        物聯(lián)網(wǎng)技術對于提升煤礦的安全生產(chǎn)水平和煤礦安監(jiān)部門的安全監(jiān)管能力都是大有裨益的,但煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)又會受到物聯(lián)網(wǎng)的成本、煤礦企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的認識及新技術偏好、其他煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)、不嚴格執(zhí)行會引發(fā)安全事故的概率、監(jiān)管部門有效監(jiān)管的概率等多種因素的影響。因此,在煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣應用的Agent 模型中,煤礦和安監(jiān)部門可以看作兩大類主體(Agent)。他們的狀況、他們的行為及行為結果構成了整個環(huán)境,Agent 具有智能,能夠感知環(huán)境,并根據(jù)環(huán)境做出決策。

        模型由煤礦是否使用物聯(lián)網(wǎng)決策子塊、煤礦是否嚴格執(zhí)行安全規(guī)程行為選擇子塊(簡稱行為選擇子塊)、政府監(jiān)管子塊、(煤礦)行為結果子塊四個子塊組成。模型的流程圖如圖1。

        圖1 基于Agent的煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣流程圖

        2.1.1 煤礦Agent的特征與行為

        (1)煤礦Agent的基本信息

        煤礦Agent的基本信息包括煤礦Agent的數(shù)量N、規(guī)模、各種規(guī)模煤礦占比(p-iot-l,p-iot-m,p-iot-s)、噸煤成本perc、物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本(installcost)、煤礦安全運營成本。

        表1 煤礦Agent的基本信息

        煤礦的安全運營成本受煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)技術、是否嚴格執(zhí)行兩類安全規(guī)程的影響。煤礦為了追求當期利益最大化,有不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程的傾向。調(diào)查表明煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程的成本為嚴格執(zhí)行安全規(guī)程成本的80%,各種條件下煤礦的噸煤安全運營成本占噸煤成本的比例如表2所示。

        表2 煤礦安全運營成本占噸煤成本的比例

        (2)煤礦Agent的狀態(tài)信息

        在煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術推廣的Agent 模型中,煤礦Agent 具有是否采用物聯(lián)網(wǎng)技術(IOT?)、是否嚴格執(zhí)行安全規(guī)程(SAFE-A?和SAFE-B?)、是否發(fā)生事故(ACCIDENT-A?和ACCIDENT-B?)、是否被有效監(jiān)管(EFF-REG?)五類狀態(tài)信息。

        初始狀態(tài)下,煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程A 的概率為p-unsafe-a,煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程B的概率為punsafe-b。

        2.1.2 煤礦Agent:物聯(lián)網(wǎng)決策子塊

        未采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦決定其是否采用物聯(lián)網(wǎng),取決于三個方面:第一,物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本。第二,煤礦領導對物聯(lián)網(wǎng)的認識和先進工具偏好。第三,物聯(lián)網(wǎng)技術采用后給煤礦帶來的預期收益和預期成本的比較,其中預期收益包括嚴格執(zhí)行安全規(guī)程成本的減少和事故期望損失的減少。預期成本是指煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程更容易被發(fā)現(xiàn)所帶來的期望罰金的增加。煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)決策的流程如圖2。

        圖2 煤礦是否采用物聯(lián)網(wǎng)決策流程圖

        圖2 中,R1、C1、R2、C2、R3、C3、R4、C4 分別表示在安全規(guī)程A和B的不同執(zhí)行狀況下的預期收益和預期成本。

        2.1.3 煤礦Agent:行為選擇子塊

        煤礦Agent的行為選擇是指煤礦是否嚴格執(zhí)行安全規(guī)程,包括A 類安全規(guī)程和B 類安全規(guī)程。A 類為瓦斯、礦井通風系統(tǒng)、自燃煤層開采方面的對煤礦安全生產(chǎn)影響重大的生產(chǎn)系統(tǒng)方面的安全規(guī)程;B 類為除A類外的其他規(guī)程,如嚴格執(zhí)行瓦斯檢查制度、煤礦井下風量、風質、風速和作業(yè)環(huán)境的氣候等方面的安全規(guī)程。煤礦執(zhí)行兩類安全規(guī)程的成本、不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程發(fā)生事故的概率以及發(fā)生事故所帶來的損失的不同。

        對于A類規(guī)程的執(zhí)行和煤礦的設計、建設有關,嚴格執(zhí)行A類規(guī)程的煤礦,一般還會嚴格執(zhí)行,除非遇到特殊的地質條件,而產(chǎn)量的任務又不能減少時可能發(fā)生,因此,其不嚴格執(zhí)行的概率會大幅下降為P-ana。不嚴格執(zhí)行A類規(guī)程的煤礦如沒查到,繼續(xù)不嚴格執(zhí)行A類規(guī)程,如果被查到整改后,其發(fā)生不嚴格執(zhí)行的概率也會有所下降為P-nana。

        對于B 類規(guī)程的執(zhí)行情況和煤礦的安全文化、煤礦員工的安全素養(yǎng)、行為習慣、領導的安全意識有關,嚴格執(zhí)行B 類規(guī)程的煤礦,其不嚴格執(zhí)行的概率會有較大幅度的下降為P-bnb,而不嚴格執(zhí)行B類規(guī)程的企業(yè),其不嚴格執(zhí)行B類規(guī)程若沒有被查到,其不嚴格執(zhí)行B 類規(guī)程的概率會大于總體的概率為P-nbnb,若被查到,則其概率會有所下降為P-nbnbe。煤礦是否嚴格執(zhí)行兩類安全規(guī)程的行為選擇流程圖如圖3。

        圖3 煤礦是否嚴格執(zhí)行安全規(guī)程行為選擇子塊

        2.1.4 政府Agent:政府監(jiān)管子塊

        假設代表政府的安監(jiān)部門有實施有效監(jiān)管和監(jiān)管不力兩種行為:在煤礦采用物聯(lián)網(wǎng)技術的條件下,安監(jiān)部門實施有效監(jiān)管的概率p-ireg 為70%;在煤礦沒有采用物聯(lián)網(wǎng)技術的條件下,安監(jiān)部門實施有效監(jiān)管的概率p-nreg為50%。

        如果煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程被政府安監(jiān)部門發(fā)現(xiàn),罰金整改費用水平為:煤礦不嚴格執(zhí)行A類安全規(guī)程的罰金和整改費用100 萬元~400 萬元;煤礦不嚴格執(zhí)行B類安全規(guī)程罰金和整改費用20萬元~60萬元。

        政府監(jiān)管的流程圖如圖4。圖中,punish為煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程被查到的罰金。

        圖4 政府監(jiān)管子塊

        2.1.5 煤礦Agent:行為結果子塊

        煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程會導致事故的發(fā)生,在不采用物聯(lián)網(wǎng)技術條件下,煤礦不嚴格執(zhí)行兩類安全規(guī)程,發(fā)生事故的概率p-iacc 均為5%;采用物聯(lián)網(wǎng)技術條件下,煤礦不嚴格執(zhí)行兩類安全規(guī)程發(fā)生事故的概率p-nacc均為2%。行為結果流程圖如圖5。

        圖5 行為結果子塊

        當煤礦不嚴格執(zhí)行安全規(guī)程發(fā)生事故會造成損失loss。煤礦不采用物聯(lián)網(wǎng)技術條件下,煤礦不嚴格執(zhí)行A 類規(guī)程時發(fā)生事故的損失為1 000 萬元~2 000 萬元,不嚴格執(zhí)行B類安全規(guī)程發(fā)生事故的損失為30萬元~100萬元。煤礦采用物聯(lián)網(wǎng)技術條件下,煤礦不嚴格執(zhí)行A類規(guī)程時發(fā)生事故的損失為500萬元~1 500萬元,煤礦不嚴格執(zhí)行B 類安全規(guī)程發(fā)生事故的損失為30萬元~70萬元。

        2.2 模型參數(shù)設定

        在模型中,包含了固定參數(shù)和可變參數(shù)兩類參數(shù),其中,固定參數(shù)為模型運行時固定的參數(shù),經(jīng)過檢驗,模型的結果對這些固定參數(shù)不敏感,可變參數(shù)為影響模型結果的關鍵性參數(shù),模型固定參數(shù)含義及設定見表3,可變參數(shù)含義見表4,情景設定見表4。

        表3 模型固定參數(shù)值設定

        表4 模型可變參數(shù)含義

        3 仿真模擬結果與分析

        運用上一節(jié)構建的模型進行模擬仿真,仿真的內(nèi)容主要包括兩部分:一是研究了初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦所占比例、物聯(lián)網(wǎng)的初始成本、事故發(fā)生概率等影響因素對物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響;二是研究了物聯(lián)網(wǎng)推廣對煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)管的影響。由于仿真模型的運行結果具有隨機性特征,為保證結果穩(wěn)定可靠,對每組參數(shù)根據(jù)運行結果的穩(wěn)定程度均運行15次,取計算結果的平均值作為分析的依據(jù)。

        3.1 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣應用的影響因素分析

        3.1.1 仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例對煤礦安全監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響分析

        設定1 000 萬t 以上的煤礦都采用物聯(lián)網(wǎng)技術,1 000 萬 t 以下的煤礦分為 A1、BASE、A2 三種情景。運用模擬結果見圖6、圖7。

        由圖6可見,采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例不同,即在初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量不同對物聯(lián)網(wǎng)的推廣的速度有顯著的影響,初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例越高,煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術推廣速度越快,系統(tǒng)達到均衡的時間步越少。從系統(tǒng)達到均衡的時間步t的極差和標準差,可以看出,當初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例較低時,煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間將有更大的不確定性。由圖7 可見,采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例對達到穩(wěn)定狀態(tài)后采用物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦的數(shù)量沒有顯著影響。

        圖6 初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦所占的比例對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣速度影響

        圖7 初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦所占的比例對系統(tǒng)穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)影響

        3.1.2 煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)的初始成本對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響分析

        煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)的初始成本是煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的重要影響因素,結合仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例的設定,在研究成本的影響時,設定1 000萬t以上的煤礦都已經(jīng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術,對于1 000萬t以下的煤礦,物聯(lián)網(wǎng)的初始成本,根據(jù)目前的實際狀況,設定了B1、B2兩種情境。

        在仿真初始化環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例的下,分別在B1、B0、B2情景下進行了模擬,結果見圖8。

        由圖8 可見,煤礦物聯(lián)網(wǎng)的初始成本對系統(tǒng)穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)有顯著的影響,物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本越低,系統(tǒng)穩(wěn)定后使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量越多。而初始安裝成本的變化對系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間步t影響較小。

        圖8 物聯(lián)網(wǎng)技術的初始成本對煤礦監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響

        3.1.3 煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成(Installcost/output)對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣的影響

        煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本反映著煤礦愿意為采用物聯(lián)網(wǎng)技術所支付的成本,是對煤礦物聯(lián)網(wǎng)推廣重要的影響因素之一。對情景C1、BASE和C2運行的結果如圖9、圖10所示。

        由圖9 可見煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本(ACPC)對系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間和達到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)均有影響。對于系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間步情景C1與BASE情景相比較影響是顯著的,而情景C2和BASE情景相比較,影響是不顯著的。也就是當可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初始安裝成本大于15 元/t 后,這一因素對系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間步影響就不顯著了。由圖10 可見隨著煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)成本的增加,系統(tǒng)達到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量呈上升的趨勢,由情景C1 的平均1 136 個上升到情景C2 的1 721 個。可見煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本越高,達到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)越多。

        圖9 ACPC 對物聯(lián)網(wǎng)推廣速度的影響

        圖10 ACPC對采用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量的影響

        3.2 物聯(lián)網(wǎng)的使用對煤礦安全生產(chǎn)的影響

        煤礦安全事故發(fā)生的次數(shù)和事故總損失和使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦的數(shù)量是密切相關的。據(jù)前面的分析可知,初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比重對物聯(lián)網(wǎng)推廣的速度影響顯著,物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本和煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本對物聯(lián)網(wǎng)推廣后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量影響顯著,對系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間影響較小。因此,選擇情景B 和情景C 來分析物聯(lián)網(wǎng)推廣后對安全事故發(fā)生的次數(shù)和事故總損失的影響。

        分別在B1、BASE、B2 情景和C1、BASE、C2 情景下,取系統(tǒng)穩(wěn)定后十個時間步的事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的平均數(shù),作為與該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)使用煤礦數(shù)量相對應的事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失,來分析不同情景下兩者之間的關系。統(tǒng)計結果見圖11和圖12。

        圖11 B1、BASE、B2情景下采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)對事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的影響

        圖12 C1、BASE、C2情景下采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)對事故發(fā)生總數(shù)和事故總損失的影響

        由圖11和圖12可見隨著采用物聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)量的增加煤礦發(fā)生事故的次數(shù)和事故的總損失都呈下降的趨勢。

        4 結論

        本文運用Agent建模仿真方法對不同情境下煤礦物聯(lián)網(wǎng)的推廣運用情況進行了模擬分析,得出如下結論:

        (1)初始環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦所占的比例越高,即初始環(huán)境中采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦越多,煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術推廣擴散速度越快。

        (2)煤礦物聯(lián)網(wǎng)的初始安裝成本越低,系統(tǒng)穩(wěn)定后使用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)量越多。

        (3)煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本(ACPC)煤礦可以接受的噸煤物聯(lián)網(wǎng)初裝成本越高,煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術推廣擴散速度越快,達到穩(wěn)定后采用物聯(lián)網(wǎng)的煤礦數(shù)越多。

        因此為了促進煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術的應用,應鼓勵更多的礦山應用物聯(lián)網(wǎng)技術、降低物聯(lián)網(wǎng)的成本,提升煤礦的盈利能力,以保障煤礦安全高效生產(chǎn)。

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