Analysis of influencing factors of coal mine water inrush accidents based on DEMATEL-ISM-BN
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摘要: 透水事故是继瓦斯事故和顶板事故之后的第三大煤矿事故,分析探究透水事故致因及各因素间的内在关联,可有效实现透水事故管控和遏制。现有煤矿透水事故研究大多针对某一地区或某一方面,缺少对影响因素之间复杂因果关系及各因素对事故影响程度的深入研究。针对该问题,采用决策试验和评价试验法(DEMATEL)和解释结构模型法(ISM)对煤矿透水事故影响因素进行分析,构建多级递阶结构模型,并将其映射到贝叶斯网络 (BN)模型中,得到DEMATEL−ISM−BN模型。基于数据驱动思想,对典型事故案例进行研究,确定了诱发煤矿透水事故的18个影响因素;结合专家打分结果进行DEMATEL分析,计算各因素的影响度、被影响度、原因度和中心度;根据DEMATEL分析结果计算得出ISM的可达矩阵,构建多级递阶结构模型;结合煤矿透水事故真实案例样本数据构建BN模型,利用BN模型的故障诊断功能进行致因链分析。DEMATEL分析结果表明,水害认识不足、水文地质探测不到位是煤矿透水事故发生的主要影响因素,其次是安全管理混乱和技术手段薄弱;ISM分析结果表明,三违行为和水源威胁在透水事件多级递阶结构模型中处于顶层,是诱发透水事故的直接因素;BN分析结果表明,水文地质探测不到位→水源威胁→透水事故是最可能的致因链。要有效遏制煤矿透水事故的发生,应提高员工水害意识,严格进行水文地质探测工作,从根本上杜绝生产人员的违法违规行为。Abstract: The water inrush accident is the third largest coal mine accident after the gas accident and the roof accident. The analysis and exploration of the causes of the water inrush accident and the intrinsic relationship between the various factors can effectively realize the control and containment of the water inrush accident. The existing coal mine water inrush accident research mostly aims at a certain area or a certain aspect. There is a lack of in-depth research on the complex causal relationship among the influence factors and the influence degree of each factor on the accident. In order to solve this problem, decision making trial and evaluation laboratory (DEMATEL) and interpretative structural modeling method (ISM) are used to analyze the influencing factors of coal mine water inrush accidents. The multi-level hierarchical structure model is constructed, which is mapped into the Bayesian network (BN) model. The DEMATEL-ISM-BN model is obtained. Based on the data-driven theory, typical accident cases are studied. There are 18 influencing factors inducing coal mine water inrush accidents determined. Based on expert scoring results, DEMATEL analysis is carried out. The influence degree, influenced degree, cause degree and centrality of each factor are calculated. The reachability matrix of ISM is calculated according to the DEMATEL analysis results. The multi-level hierarchical structure model is constructed. The BN model is constructed based on the real case data of coal mine water inrush accidents. The causal chain analysis is carried out by using the fault diagnosis function of the BN model. The results of the DEMATEL analysis show that the main factors affecting the occurrence of coal mine water inrush accidents are the lack of understanding of water disasters and inadequate hydrogeological detection. The other factors include confusion of safety management and weak technical means. ISM analysis results show that the "three violations" behavior and water source threat are at the top of the multi-level hierarchical structure model of water inrush accidents. These are the direct factors inducing water inrush accidents. The BN analysis results show that the most likely cause chain is inadequate hydrogeological detection → water source threat → water inrush accidents. To effectively curb the occurrence of coal mine water inrush accidents, it is suggested to improve the staff awareness of water disasters, strictly carry out hydrogeological exploration, and fundamentally eliminate the illegal behavior of production personnel.
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0. 引言
随着5G、物联网、互联网、大数据、云计算、边缘计算等技术的发展和逐步成熟,智慧矿山的建设开始进入快车道。先进的信息化技术是矿山实现数字化、智能化的基础,5G低时延、大带宽和广覆盖的特点,可有效解决矿山智能化过程中面临的大量传感信息回传、远程控制等问题。然而,矿山环境与公网的5G建设部署场景存在显著差异,矿井现场设备回传的上行带宽需求显著、大带宽需求与低时延高可靠需求共存,井工矿井下无线信号衰减严重、覆盖受限等,都对智慧矿山5G建设提出了更高需求。
近年来,业界学者聚焦矿山5G技术展开了研究。孙继平[1]系统研究了矿用5G技术特性、适用范围和智能化应用场景,提出了矿用5G的总体要求和建设方向。郑小磊等[2]研究了煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法,对煤矿5G安标技术的具体要求和测试方法进行了系统介绍。张立亚[3]研究了矿山场景中基于5G的可视化智能监控技术,分析了5G用于视频监控的传输需求。刘雨燕等[4]研究了5G通信对智慧矿山建设的主要支撑作用。顾义东[5]研究了5G技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用,提出了5G用于智能掘进的传输需求。上述成果主要针对矿用5G的宏观技术发展方向、测试方法和特定应用场景展开研究,缺乏对智慧矿山5G各类应用场景特点的全面梳理。
本文针对智慧矿山建设的主要业务需求进行全面梳理,分析智慧矿山应用场景对通信网络的指标要求,结合矿山5G建设的环境特点,研究智慧矿山5G网络架构、智慧矿山5G关键技术及5G网络资源优化配置方法,确保5G网络对智慧矿山应用场景的全面支撑。
1. 智慧矿山5G应用场景及应用环境特点
1.1 智慧矿山5G应用场景
智慧矿山5G主要承载传感器监测、视频监控、远程控制及自动驾驶等高等级智能化应用的信息传输。
(1) 传感器信息回传需求。利用5G技术的广覆盖特性,对实时监测矿山井下瓦斯、温度、湿度等环境类传感器[6-8]的数据进行采集,并通过5G网络回传至地面数据中心进行实时分析。
(2) 视频信息采集和回传需求。基于5G技术大带宽特性,对部署在井下采、掘、运及机电硐室等关键地点的视频监视数据进行采集和汇聚[9-11],并通过5G网络实时回传至地面监控中心或井下集控中心进行实时分析。
(3) 实时控制信息交互需求。利用5G技术低时延特性,保证矿山通风、排水、电力等控制信息实时交互,以实现精准及时的控制和调整[12-14]。对部分大型设备进行智能化改造,逐步实现远程控制。
(4) 自动驾驶信息采集和回传需求。井下无人驾驶对矿井无线网络的需求极高,5G技术为井下通信网络提供充足的带宽、低时延及精确定位能力。在正常行驶过程中,5G技术将传感器数据和视频数据进行实时回传,当自动驾驶出现问题时,能随时通过远程人工方式进行接管[15-16]。
1.2 智慧矿山5G应用环境特点
由于矿山环境与公网的5G建设部署环境存在差异,智慧矿山5G与公网5G建设的技术要求存在明显不同,具体体现在以下3个方面:
(1) 系统架构方面。《煤矿5G通信系统安全技术要求(试行)》规定,5G系统应能实现独立组网、独立运行,在外部网络故障或断开时,系统应能安全、独立、稳定运行,保证无线通信及数据传输可靠、稳定;应满足井上下安全隔离的相关规定。需要有针对性地构建矿山5G专用系统架构。
(2) 设备接入特点方面。矿井传感器、视频监控设备部署的覆盖面广、设备数量多、传输数据量大,导致矿井上行传输速率需求显著、上行无线传输资源需求高于下行无线传输资源需求,而公众电信网络则以下行传输为主。因此,针对矿山环境5G应用,需要研究上行传输能力增强技术。
(3) 传输业务需求方面。智慧矿山5G承载的业务类型多,上行传输的大带宽需求和下行传输的低时延需求共存,多业务并行传输需要同时满足不同业务、不同链路的差异化传输需求,对承载网和无线网的网络调度能力均提出更高要求。
2. 矿山5G网络架构
矿山5G网络架构采用核心网+承载网+接入网的总体架构,如图1所示。
矿山5G核心网利用专网通信平台进行用户数据计算和管理,将用户面功能(User Plane Function,UPF)单元和多接入边缘计算(Multi-acess Edge Computing,MEC)单元下沉至矿区,实现矿山5G独立组网、独立运行功能,并支持低时延传输。核心网的业务管理功能(Service Management Function,SMF)用于实现传输业务管理。核心网通过与承载网的智能传输网(Smart Transport Network,STN)设备对接,控制数据在内网/外网的流向。矿山5G终端在5G网络注册后,核心网根据接入点的数据网络名称(Data Network Name,DNN)和无线基站归属,确定下沉的UPF,用户面数据经过基站和STN设备,之后回传到下沉的UPF,进而通往矿山数据中心的防火墙,再接入内网。矿山5G 承载网用于实现井上下数据交换,其核心交换机设备集成信息安全模块进行数据安全审计监测和传输控制,实现井上下数据安全隔离;承载网的STN设备采用网络切片和QoS(Quality of Service,服务质量)管理模块,对不同业务进行信道划分和隔离,实现多业务共存信道隔离,保障传输性能。矿山5G接入网采用基站控制器+基站汇集器+基站+终端的方式,实现井下5G信号分区、按需覆盖。基站与终端之间的空中接口通过载波聚合技术为上行大带宽传输提供更多资源。针对不同传输需求指标,采用不同的空口资源调度机制,同时保障下行低时延传输和上行大带宽传输性能。
3. 矿山5G关键技术与应用
为满足矿山5G的多样化应用场景、上行大带宽传输和增强覆盖需求,对网络切片及QoS机制、灵活空口资源调度机制和载波聚合等关键技术进行研究,支持矿山5G有效应用。矿用5G关键技术及承载应用的关系见表1。
表 1 矿用5G关键技术与承载应用的关系Table 1. Relationship between key technologies and carrying application of mine 5G关键技术 传感器类
应用视频类
应用实时控制类
应用自动驾驶类
应用网络切片及
QoS机制支撑技术 支撑技术 支撑技术 支撑技术 灵活空口资源
调度机制基于配置预
留资源承载基于请求调
度方式承载基于配置预
留资源承载基于请求调
度方式承载载波聚合 − 支撑技术 − − 3.1 网络切片及QoS机制
网络切片技术及QoS机制是5G 承载网关键技术,共同实现在同一网络中不同业务数据需求。QoS机制为不同业务定义具体的传输参数指标。网络切片技术是将同一物理网络系统划分为不同的逻辑单元,多个逻辑单元独立组成虚拟网络,即网络切片。每个网络切片都可被视为一个独立的网络,能够承载对应的QoS指标。当传输具体业务时, 网络切片按照传输业务的QoS指标,将业务数据映射到不同的切片资源上进行传输,按照不同业务需求进行资源配置。根据对矿山业务的需求分析,将矿山5G网络划分为传感器切片、视频回传类切片、实时控制类切片、远程控制类切片4种。传感器切片对应瓦斯、温度、湿度等环境传感器,属于小带宽、广覆盖通用切片。视频回传类切片对应矿区、园区、巷道、工作面等视频监控信息回传场景,属于大带宽通用切片。实时控制类切片对应通风、排水、机电控制及其他实时控制类场景,属于低时延、小带宽切片。远程控制类切片对应自动驾驶、远程驾驶、远程控制类场景,属于大带宽、低时延切片。其中,低时延切片的数据必须通过下沉UPF,从而保障信息传送和控制时延。对于非低时延类切片,可通过公网回传至园区数据中心。对于各类切片的具体实现,需要在承载网中设计网络切片和QoS指标管理模块,实现切片资源与QoS指标映射,保障业务传输性能。
3.2 灵活空口资源调度机制
针对接入网空口无线传输需求,设计灵活的空口资源调度机制。灵活的空口资源调度机制能够根据不同业务传输数据包的特点,灵活使用不同的空口资源调度方法,确保矿山5G多样化业务传输需求得到全面满足。
根据典型业务传输的数据包特点,大带宽业务以大包传输为主,时延要求不高,适合采用资源请求−业务缓存报告资源分配−业务缓存−数据传输资源分配的空口资源调度方式,该方式流程较为复杂,但能够实现空口资源按需调度,保证带宽。而低时延高可靠业务则主要传输控制类信息,数据包以小包为主,数据量较小但时延要求极高,适合采用无线资源块资源预留方式,即针对低时延业务(如矿山远程控制类切片和实时控制类业务),直接采用预留的专用空口资源(如30%的空口资源)进行传输,达到降低时延的效果。
3.3 载波聚合技术
由于矿山业务的种类和需求较多,且存在大量的视频类大带宽数据需要上传,当单一频段无法满足上行传输需求时,通过载波聚合技术,将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽,为矿用5G传输引入更多的传输资源,有效支撑矿山5G的大带宽传输需求。
3.5 GHz频段是目前全球5G部署的主流频段,单载波最大带宽为100 MHz,能够提供较高的传输速率。但智慧矿山5G应用场景对上行传输带宽需求显著,3.5 GHz单频段难以确保传输需求得到全面满足。采用载波聚合技术可在使用3.5 GHz载波进行传输的同时,额外聚合2.1 GHz的载波(载波带宽可为20,50 MHz),从而拥有更多传输资源,同时根据频率越低则覆盖距离越大的基本原理,可实现增强覆盖。载波聚合技术下2.1,3.5 GHz频段的主要配置参数见表2和表3。
表 2 载波聚合频段上行主要配置参数Table 2. Main uplink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band参数 2.1 GHz 3.5 GHz 信道带宽/MHz 20 50 100 时隙配置 FDD FDD 23∶45(按需配置) 基站噪声系数/dB 2.5 2.5 3.5 上行干扰余量/dB 3 3 2 穿透损耗/dB 20 20 23.4 边缘覆盖率/% 75 75 75 传播模型 3GPP UMa 3GPP UMa 3GPP UMa 表 3 载波聚合频段下行主要配置参数Table 3. Main downlink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band参数 2.1 GHz 3.5 GHz 信道带宽/MHz 20 50 100 时隙配置 FDD FDD 23∶45(按需配置) 终端噪声系数/dB 7 7 7 终端接收增益 0 0 3 下行干扰余量/dB 7 5 5 穿透损耗/dB 20 20 23.4 边缘覆盖率/% 75 75 75 传播模型 3GPP UMa 3GPP UMa 3GPP UMa 载波聚合终端支持主载波(3.5 GHz)和辅载波,基站通过配置主载波上的MAC(Media Access Control,媒体接入控制层)和RRC(Radio Resource Control,无线资源控制层)参数,实现SCell(Secondary Cell,辅小区)状态配置,从而实现辅载波激活或释放。SCell的状态包含SCell配置未激活、SCell 配置且激活、SCell 未配置3种状态。终端初始接入、切换入或重建入小区时会触发SCell的配置,如果需要使用辅载波,则申请激活SCell,进入配置且激活状态,否则SCell处于配置未激活状态。当不再需要SCell或测量到信号质量更好的SCell,则申请激活当前的SCell,从而释放辅载波或变更到信号质量更好的辅载波。SCell状态转移如图2所示。
4. 结论
(1) 归纳了智慧矿山5G应用场景类型,梳理了主要应用场景的通信需求,指出传感器信息回传类应用具有广覆盖需求、视频信息采集和回传类应用具有上行大带宽传输需求、实时控制信息交互类应用具有下行低时延传输需求、自动驾驶信息采集和回传类应用具有上行大带宽和下行低时延共存的差异化传输需求。
(2) 分析了智慧矿山5G应用的环境特点和技术要求,提出了核心网+承接网+接入网的矿用5G网络总体架构。该5G网络总体架构的核心网通过UPF和MEC下沉,支持矿山5G需要独立组网、独立运行的建设要求,井下部署基站控制器+基站汇集器+基站+终端,实现5G信号分区、按需覆盖。
(3) 研究了矿山5G关键技术方案。① 网络切片与QoS机制,能够实现传输网不同应用的按需资源分配,满足差异化传输需求。② 灵活的空口资源调度机制能够根据不同业务传输数据包的特点,灵活使用不同的空口资源调度方法,确保矿山5G多样化业务传输需求得到全面满足。③ 载波聚合技术可在单一频段无法满足上行传输需求时,将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽,为矿用5G传输引入更多的传输资源,有效支撑矿山5G的大带宽传输需求。
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表 1 煤矿透水事故关键词及频次统计
Table 1 Keywords and frequency statistics of water inrush accidents in coal mines
关键词 频次 关键词 频次 关键词 频次 不到位 51 技术手段 16 越界开采 9 安全 42 巷道 14 教育 8 探放水 33 培训 14 安全意识 8 防治水 27 透水征兆 13 煤柱断层 7 积水 23 人员配备 13 图纸 6 管理不到位 22 管理混乱 10 非法 4 监管不落实 21 采空区 10 违章 4 违法布置
掘进工作面18 设备 9 地质 4 表 2 煤矿透水事故综合影响矩阵
Table 2 Comprehensive influence matrix of coal mine water inrush accidents
Si Sj S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S1 0.05 0.12 0.04 0.08 0.05 0.04 0.05 0.05 0.05 0.09 0.09 0.02 0.03 0.03 0.08 0.02 0.08 0.07 S2 0.15 0.08 0.08 0.09 0.11 0.05 0.09 0.08 0.08 0.09 0.07 0.03 0.04 0.08 0.07 0.05 0.09 0.09 S3 0.18 0.19 0.08 0.13 0.14 0.08 0.11 0.11 0.10 0.14 0.09 0.04 0.06 0.09 0.10 0.06 0.11 0.10 S4 0.15 0.17 0.16 0.08 0.21 0.13 0.18 0.18 0.18 0.20 0.15 0.06 0.12 0.08 0.11 0.07 0.12 0.11 S5 0.20 0.21 0.18 0.12 0.13 0.11 0.21 0.20 0.20 0.15 0.21 0.08 0.12 0.10 0.10 0.07 0.13 0.11 S6 0.13 0.19 0.13 0.12 0.18 0.10 0.20 0.21 0.18 0.21 0.20 0.13 0.18 0.08 0.11 0.07 0.13 0.08 S7 0.05 0.08 0.07 0.04 0.13 0.09 0.07 0.11 0.11 0.10 0.16 0.08 0.10 0.03 0.03 0.02 0.04 0.03 S8 0.05 0.08 0.06 0.03 0.13 0.09 0.11 0.06 0.10 0.10 0.15 0.06 0.07 0.02 0.03 0.02 0.04 0.02 S9 0.06 0.09 0.07 0.04 0.13 0.10 0.12 0.11 0.07 0.11 0.16 0.06 0.07 0.03 0.06 0.04 0.05 0.03 S10 0.15 0.19 0.10 0.08 0.14 0.13 0.20 0.19 0.18 0.11 0.19 0.12 0.16 0.05 0.10 0.06 0.10 0.05 S11 0.08 0.09 0.07 0.06 0.12 0.10 0.14 0.14 0.14 0.12 0.09 0.08 0.10 0.03 0.04 0.02 0.09 0.03 S12 0.10 0.12 0.07 0.06 0.17 0.16 0.15 0.12 0.12 0.16 0.20 0.06 0.16 0.06 0.08 0.03 0.15 0.05 S13 0.08 0.09 0.05 0.04 0.14 0.12 0.16 0.10 0.09 0.09 0.17 0.09 0.06 0.05 0.06 0.02 0.05 0.03 S14 0.19 0.21 0.19 0.14 0.22 0.13 0.17 0.17 0.16 0.19 0.15 0.06 0.08 0.07 0.15 0.12 0.14 0.14 S15 0.20 0.22 0.18 0.18 0.22 0.17 0.19 0.18 0.18 0.21 0.18 0.09 0.12 0.16 0.09 0.10 0.17 0.15 S16 0.21 0.22 0.19 0.19 0.22 0.15 0.19 0.18 0.18 0.21 0.19 0.09 0.12 0.16 0.14 0.06 0.19 0.17 S17 0.15 0.17 0.16 0.12 0.21 0.13 0.18 0.18 0.18 0.20 0.15 0.06 0.12 0.08 0.11 0.07 0.08 0.11 S18 0.19 0.20 0.17 0.12 0.13 0.07 0.12 0.11 0.11 0.15 0.09 0.04 0.06 0.12 0.13 0.11 0.12 0.07 表 3 煤矿透水事故影响因素的DEMATEL分析结果
Table 3 DEMEATEL analysis results of influence factors of coal mine water inrush accidents
影响因素 影响度 被影响度 中心度 中心度排序 原因度 因素属性 三违行为S1 1.044 0 2.365 4 3.409 5 16 −1.321 4 结果因素 生理心理因素S2 1.421 7 2.705 7 4.127 4 8 −1.284 1 结果因素 安全风险意识差S3 1.891 5 2.050 8 3.942 3 12 −0.159 4 结果因素 无证上岗S4 2.440 7 1.728 2 4.168 9 7 0.712 5 原因因素 水害认识不足S5 2.621 0 2.778 4 5.399 4 1 −0.157 4 结果因素 技术手段薄弱S6 2.622 4 1.943 0 4.565 4 4 0.679 5 原因因素 巷道设计不合理S7 1.346 2 2.638 8 3.985 0 11 −1.292 5 结果因素 探防排水设备不合理S8 1.228 9 2.476 6 3.705 4 14 −1.247 7 结果因素 探放水系统不合理S9 1.400 0 2.414 0 3.813 9 13 −1.014 0 结果因素 水文地质探测不到位S10 2.292 2 2.624 5 4.916 7 2 −0.332 3 结果因素 水源威胁S11 1.571 3 2.685 3 4.256 5 6 −1.114 0 结果因素 地质条件复杂S12 2.016 2 1.226 2 3.242 4 18 0.789 9 原因因素 围岩情况复杂S13 1.499 6 1.779 6 3.279 2 17 −0.279 9 结果因素 教育培训不到位S14 2.674 4 1.341 1 4.015 5 10 1.333 3 原因因素 安全管理混乱S15 2.989 8 1.587 8 4.577 6 3 1.402 0 原因因素 监督体系不健全S16 3.052 4 1.014 2 4.066 6 9 2.038 2 原因因素 人员配备不足S17 2.440 7 1.876 1 4.316 8 5 0.564 6 原因因素 违法组织开采S18 2.122 7 1.439 9 3.562 6 15 0.682 8 原因因素 -
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