基于信息融合的矿山安全标准化执行系统研究*

贾明涛，邓艳芳，冯　军

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0　引言

金属非金属矿山安全标准化体系建设改善了我国矿山行业的安全生产形势，行业人士尝试建设信息化的管理系统平台来支撑体系日常工作，秦娟[1]以XML技术等为基础，建立了安全标准化文档信息共享为最大目的的管理系统；林璐瑶等[2-3]在共享基础上采用消息发布平台、权限设置、网络培训等关键技术，支持多项业务及其信息分析；陈友良等[4-6]采用组件式开发全方位支持金属非金属矿山安标化14个核心要素的平台级管理系统，并配置移动客户端协同作业。

但是，据统计，有36%的企业安全生产系统没有任何规划工作[7]，系统设计时往往是乙方依据甲方原本业务活动进行的定制化开发，缺乏对系统的规范性与实用性相结合的规划研究，产生的结果是信息化工具部分提高安全业务的执行效率，却难以按照规范文件提升安全标准化管理水平。

为规范、有效地实现安全标准化管理要求，以金属非金属安全标准化管理规范文件为系统建设基础，研究贯彻安全标准化管理理念和安全标准化考评的执行系统解决方案，提出金属非金属矿山安全标准化执行系统的定位、建设原则以及运行过程；进一步，从整合执行系统信息资源以评估体系运行状况的角度出发，研究基于信息融合技术解决系统在矿山多源信息环境下信息利用瓶颈，提出多源信息融合子系统的系统结构与功能，分析集成融合推理的工作原理，以期最终全面提升企业在全方位管理、过程管理、全员参与、持续改进等体系理念的执行效力。

1　金属非金属矿山安全标准化执行系统

1.1　金属非金属矿山安全标准化体系分析

金属非金属矿山安全标准化体系规范文件由“导则→实施指南→评分办法”系列文件组成。《金属非金属矿山安全标准化规范》(AQ2007.X—2006)， 以下简称《规范》，包含1份“导则”、4类矿山行业的“实施指南”)所采用国际标准中证明行之有效的戴明“PDCA 循环”管理运行模型，强调通过循环改进管理中的不符合项，体系运行模式如图1所示。 4类矿山行业的“实施指南”围绕“导则”中的14个核心要素，分别规定了各自行业安全标准化体系的具体内容与要求。4类矿山行业的《评分办法》(《金属非金属地下矿山安全生产标准化评分办法》等文件的简称 )明确了体系运行状态评估的评分问题、评分规则和达标分数，是企业开展安全标准化建设、企业自评、申请评审、外部评审以及安全监管部门监督管理的依据[8]。

图1　安全标准化体系运行模式Fig.1　Running mode of safety standardization system

金属非金属矿山企业的生产环境区域大、危险性大、信息化程度不高，而又需要生产要素安全地处于动态化管理之中，因此其安全标准化体系建设要求严格符合所有技术规范和管理规范。从体系的考评内容方面来看包含了以下的主要内容：

1)Plan 文件制度建设及其内容要求；组织和角色设置。

2)Do 典型业务活动及流程；企业配置情况(管理、设备设施、环境、工程技术等)；安全业务执行过程要求；生产业务执行过程要求。

3)Check 执行事实评价(执行率、参与率、整改率、事故数量与频率等)。

4)Act 业务改善情况；业务运行评价。

从考评的数量和比重方面来看，以2011年更新的金属非金属地下矿山类《评分办法》统计为例，评分总分4 000分，评分问题(即三级要素) 729个，评分规则多达1 598项，其中存在大量抽象、繁杂的评分问题或评分规则，导致企业信息整理的难度大、可操作性不强[9]。

安全标准化体系对4类行业安全管理工作提出了详尽的要求，但现有管理系统由于缺乏以体系理念为指导的规划思路，也缺乏对多源信息环境下考评信息的研究与利用，不能提供严密且丰富的过程管理以及有效地循环改进安全标准化体系，难以改善企业安全管理水平和考评达标情况。

1.2　金属非金属矿山安全标准化执行系统

1.2.1系统定位

生产执行系统(Manufacturing Execution System， MES)是制造企业中位于上层的经营管理系统(Enterprise Resource Planning，ERP)与底层的车间层控制(Shop Floor Control，SFC)之间的面向作业层的管理信息系统[10]，对于生产管理起到了信息集线器(Information Hub)的作用，既为企业中其他管理信息系统提供生产的实时数据，也从其它管理系统中获取相关的数据以保证MES自身正常运行。以充分整合利用信息资源来评估与改进企业标准化体系运行状况为出发点，参照MES在制造企业生产中的功能定位建设金属非金属矿山的安全标准化执行系统，将其定位为企业的安全信息中心、安全标准化业务管理平台、个人安全事务执行平台。

图2　系统体系结构Fig.2　system architecture

为此，将金属非金属矿山安全标准化执行系统设计成3层的系统体系结构，系统体系结构如图2所示。底层多源信息采集与感知平台获取其他管理信息系统以及传感器等信息源的信息，拓宽过程监管的信息来源；中间层为信息融合平台，将信息源按照预设定的规则进行信息融合，得出体系运行状况的基本信息、运行特征信息和运行评估信息，提供评估与改进的基础，并与底层结构一起成为企业的安全信息中心。顶层是人机交互管理层。一方面，利用管理工具支撑核心要素模块全过程循环有序进行，另一方面，通过智能移动终端等工具集成，辅助个人业务过程移动办公，并行使员工参与的权力，共同打造业务管理平台和个人安全事务执行平台。

1.2.2系统建设原则

为使系统建设能结合体系的规范性和管理的有效性，在执行系统结构的基础上，提出了金属非金属矿山安全生产标准化执行系统的建设原则：

1)规范的业务底层逻辑

为落实全方位管理、持续改进的理念，系统建设业务重组优化阶段要求每级业务的每个周期均按照“计划、 提醒、 落实、 检查、 总结”的顺序建立业务流程，并在“计划”与“总结”中设置逻辑关联，形成循环嵌套的“PDCA循环”。同时，业务流程应考虑全员参与，将普通员工或利益相关的员工设置成相关业务的信息发起者、信息接收者。应开发软硬件设备支撑矿山生产环境下生产过程信息采集，并最后分类整理成与评分规则对应的待考评信息，作为过程监管的基础。

2)标准化的业务基础与数据接口

2016年7月，国家安全监管总局发布了《关于印发安全生产信息化领域10项技术规范的通知》，对包括金属非金属矿山行业在内的安全生产信息化业务基础数据进行了规范。系统建设应遵守标准化的业务基础信息和数据接口技术规范，形成跨部门、跨单位信息共享和协同作业的基础。

3)健全的管理工具箱

系统应具备搭载金属非金属矿山安全标准化管理所有业务的能力，集成全过程的业务管理工具，以记录整合业务过程信息和员工操作行为信息。与“计划、 提醒、 落实、 检查、 总结”的业务流程对应，计划管理工具应当能统筹管理生产计划、人员排班、业务创建等业务，能够建立预定义的典型业务流程模型和标准化文档，使企业根据自身情况进行有限制的个性化设置；提醒、周期管理工具应当提供及时信息(事故信息、应急信息等)、周期性工作(安全检查、培训、资质到期等)进行个人消息提醒；过程管理工具能通过工作流搭载表单管理节点特征、节点属性、角色控制和结构化表单模板等要素实现复杂流程，也能通过移动智能终端移动作业；反馈管理工具应提供民主管理、员工参与的功能，如门户网站、问卷调查工具、互动APP(Application)；信息管理工具提供信息管理和体系运行描述的功能。

4)有效的评估改进支持

持续评估与改进是安全标准化最关键的一环，执行系统应当利用系统运行产生的信息资源，采用有效的信息管理策略和信息融合工具，完成《评分办法》的计算机语言的转化，根据企业实际情况设置评分方案后自动地评估与体系运行的不符合项以及改进措施。

1.2.3系统运行过程

将系统运行过程融合“PDCA循环”分为4个阶段，如图3所示。在准备阶段，按行业类别给企业配置经规范预设的系统业务模型，执行该类矿山安全标准化业务创建与维护，对不影响规范性的业务环节进行个性化调整，完成运行前的基础准备；实施与运行阶段是业务执行的阶段，以各类矿山的核心要素为分类，集成企业安全信息，借助软硬件管理工具执行业务操作和个人事务；在监督与评价阶段，信息融合平台整合企业的信息资源，分类分层次整理出系统运行描述，维护评分规则与评分事实间的匹配关系，根据企业资源情况制定多种评分方法的综合评分方案，推理得出体系运行的不符合项；在改进阶段，由安全管理人员依据评估出的不符合项修正系统管理设置，由此进入下一个评估与改进循环。

图3　系统运行过程Fig.3　Chart of system operation process

系统运行中业务复杂，模块间关联频繁，宜通过组件集成的松散耦合方式连接，采用B/S网络结构的3层架构，开发通用智能手机(Android & iOS)应用，虚拟化硬件资源，弱化复杂资源管理逻辑需求和中小型矿山企业资源不足的矛盾，以促进安全标准化规范按统一标准推广执行。

2　系统的信息融合研究

2.1　系统多源信息环境

企业安全信息中心是执行系统的定位之一，也是企业有效评估与改进的基础。目前部分矿山类管理系统已经可以大量且低成本地集成企业安全管理信息，但是多源信息环境下的信息整合研究较少[7]。在系统结构设计时，通过多源信息采集与感知平台、信息融合平台的设计来实现系统的信息资源利用。在金属非金属安全标准化执行系统中，系统所集成信息的来源包括传感器信息、生产系统信息、管理系统信息、移动端采集信息、系统运转环节信息等，同时各类信息可能还伴随着未经处理的或模糊的数据信息、语义信息(如环境监测数据、消息状态标识、制度文件内容等信息原料)，信息范围广，融合信息比较复杂。

信息融合技术是几年来的研究热点，其侧重于合并或集成不同时空上多个来源的同质或异构的信息，以得到评估对象更完整的、更精确、更可靠的信息或推论[11]，已在军事情报系统[12]、矿山安全监测监控系统[10]、自然环境及资源监测监控系统[14]中有所应用。鉴于金属非金属安全标准化执行系统信息环境的复杂性，信息融合平台采用集成的企业信息融合理论和方法。

2.2　多源信息融合子系统

金属非金属矿山安全标准化执行系统的多源信息融合子系统(系统结构如图4所示)主要由以下几个部分组成：

1)多源信息获取模块，负责与多源信息采集与感知平台对接，将信息整理分类。

2)知识获取模块，负责维护信息融合的规则库和评分过程的评分规则库、评分事实库。

3)信息融合模块，综合考虑系统信息融合需求，依据融合规则库分层次对多源信息进行预处理、特征信息融合、状态评估层融合。

4)融合推理机，是信息融合的控制中心，将业务信息按业务逻辑和一定的推理策略进行融合。

5)融合数据库，用于存储业务对象的原始数据，以及经融合后的特征信息、关联信息、评估结果，它们均可用于评分推理的事实证据。

6)评分推理机，匹配事实证据与目标评分事实，执行评分过程。

7)评分调度管理模块，根据企业管理周期或计划，针对性地对核心要素或体系整体进行评分。

图4　多源信息融合子系统结构Fig.4　Subsystems structure of multi-source information fusion

2.3　子系统工作原理

对于该信息融合子系统的来讲，最重要的是集成融合推理的原理，以及控制信息融合过程的知识获取，因此，下文对这两部分着重分析。

2.3.1知识获取

知识获取模块获取的知识包含2部分，分别对应信息融合过程和评分推理过程。信息融合过程中，多源信息融合在具体业务逻辑的指导下形成其融合规则库，包含业务信息转化为业务特征信息的规则，业务特征信息之间的关联规则，以及进行不同主题状态评估的规则。评分推理过程中，评分事实库是系统评分的事实证据，事实证据来自于信息融合后的融合数据库。评分规则库则是《评分办法》转化为推理机能识别的评分规则集合，由目标评估结果，以及匹配为真或假之后的评估动作两部分内容。

知识获取模块控制着信息融合过程和评分推理过程的业务逻辑关系，涉及众多业务对象，具有指导性、复杂性的特点，因此宜采取人工知识获取的方法完成维护。但同时应考虑提高维护效率，开发维护的可视化交互界面和辅助知识维护的功能，如一致性检验、完整性检验等。

2.3.2集成融合推理

如融合子系统的结构图所示，企业信息融合采用了3层结构的处理过程：信息预处理层、特征信息融合层、状态评估层。在信息预处理层，对获取到的多源信息进行预处理，按照业务对象分类将其处理成对象特征信息。在特征信息融合层，由业务对象的特征信息之间存在的逻辑关系，根据预先维护的规则模型推理出关联对象的特征信息。在状态评估层，根据评估对象的特征信息得出对应评估结果。

表1　特征信息推理评估结果情况分类

由表1可以看出，在状态评估层通过业务对象的特征信息推理得到业务某些主题的状态评估结果以及评分结果有多种情况，需要集成多种信息融合的办法提高系统的评估能力。一般的信息融合办法有统计类关联、经典推理、DS证据推理等，智能融合方法有模糊融合模型、粗集融合模型、神经网络融合模型[11]，后者主要用于解决不确定性、不精确性信息融合。

集成融合推理指将融合方法恰当结合起来应用，具备取长补短的优势[11]。以“特征信息融合评估类”为例，此类评估往往依靠多名有经验的专家的联合得出评估结果，为消除不同的专家的经验偏差，现采用“DS证据推理+规则推理”的集成融合推理的方法得出评估结果和评分结果，集成推理流程如图6所示。

DS证据理论是决策级融合的主要方法之一，具备表达“不确定”的特殊功能[15]。首先，将评估问题的备选评估结果定义为DS证据理论中的样本空间，样本空间中所有子集就是评估问题问卷调查的赋值对象，即样本空间的命题；再根据需要利用问卷调查工具获取多个专家或利益相关员工对各命题的初始信任度mj(mj需符合DS证据理论的取值范围)；然后根据Dempster系列公式计算各命题的合成信任度Mj和确认程度[Bel,Pl](Bel为命题的信任函数值，Pl为命题的似然函数值)，满足预先设置的确认程度需求的命题就是评估结果，若无满足的命题则评估结果为“不确定”；最后，将确定的DS证据推理的评估结果作为规则推理的放入评分事实库，在评分推理机的控制下与评分规则库匹配，得出评分结果与不符合项或待改进项。

图5　DS证据推理+规则推理流程Fig.5　Flow chart of DS evidential reasoning & rule-based reasoning

3　结论

1)分析《规范》和《评分办法》对建设安全标准化执行系统的指导意义和考评内容、考评数量及考评比重，指出现有管理系统不能有效提高安全标准化工作水平是由于没有以体系理念为系统规划指导思路，也缺乏对多源信息环境下考核信息的整合方面的研究。

2)为利用信息化工具同时提高业务效率和安全标准化管理水平，参照制造企业执行系统的功能定位，提出建设金属非金属矿山安全标准化执行系统，将其定位为企业的安全信息中心、安全标准化管理平台以及个人安全事务执行平台，并研究在此定位下的系统规范性的建设原则，分析了系统的运行过程。

3)系统信息资源的整合利用是该系统发挥功用的基础，因此本文进一步研究了矿山多源信息环境下通过信息融合技术整合信息资源的解决方案，设计多源信息融合子系统结构与功能，分析其知识获取方式和获取内容，并以“特征信息综合评估类”信息融合为例，提出信息融合子系统集成融合推理的工作原理。

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