基于投影寻踪模型的煤矿掘进工作面环境评价*

胡媛媛， 李乐乐

(1. 运城职业技术大学 矿山工程系， 山西 运城 044000；2. 国家电网 新绛县供电公司， 山西 新绛 043100)

0 引言

随着煤炭开采机械化程度大幅提高，高效开采设备的应用使掘进工作面开采速度不断加快，粉尘和有害气体浓度超标、高温高湿等问题日益严重，因此，掘进工作面环境安全评价对保障作业人员生命安全具有重要意义。我国多数煤矿已经基本实现对采煤工作面环境参数的实时监测，相关学者也对工作面污染物分布和过程环境安全等级评价方法进行了大量研究。如龚晓燕[1-6]等利用动网格技术从粉尘、噪声、有害气体、热环境等不同方面采用数值模拟法分析掘进工作面三维空间内各环境参数的分布规律；邢媛媛[6-11]等采用可变模糊识别理论、灰色关联评价模型以及多维信息融合等多种方法对工作面环境状况进行分级探索。上述研究在理论方面对煤矿工作面环境安全状况分析评价及改善提供了基础，但评价过程没有考虑各级指标的关联性，指标权重的确定由专家主观给定因素，结论常为固定的、静态的，因此评价结果的准确性和实用性不高[12]。对此本课题提出了利用基于遗传算法的投影寻踪模型评价掘进工作面作业环境安全状况。首先根据被测点环境实际状况构建环境污染评价指标体系，投影寻踪法建模，采用安全等级标准数值求解最优投影方向确定评价指标权重；然后对采样数据进行投影，计算采样点投影值到各级环境标准投影值间的距离，确定环境安全等级及发展趋势。评价结果反映了评价因素多维、多指标间的相互作用的结果和被评价环境安全等级的变化趋势，为制定掘进工作面环境改进措施提供了参考依据，改善了作业人员的工作环境。

1 煤矿掘进工作面环境特性

掘进工作面影响作业人员职业健康安全的环境因素主要包括粉尘、噪声、有害气体、热环境、作业条件。其中有害气体、热环境、作业条件等均包含多个评价参数，因此对掘进工作面的环境安全等级进行评价需确定多层次影响因子的权重，是一个具有多维度复合指标体系的复杂系统。掘进面巷道一般采用局部通风机压入式通风，风筒吊挂在巷道一侧顶帮，风机启动后将风流沿巷道壁吹向工作面最前端，经煤壁反射改变风向，含尘风流沿巷道另一侧流出，路线近似呈“U”型。根据风流路线可将掘进工作面分为射流区T1、冲击区T2、回流区T3和涡流区T4四个特征区域。综合考虑工作面风流路线、机械设备及工作人员位置分布情况，分别在上述四个区域进行评价样本采集。

2 投影寻踪算法建模

为避免主观赋值，引入投影降维思想，构建投影寻踪模型，搜索最优投影方向确定各指标的最优权重，对多级指标参数进行投影合成，得到一个综合评价值。

2.1 指标数据预处理

掘进工作面环境评价指标较多且各参数浓度值在数量级上有明显不同，为了简化计算和消除数据处理时各指标的量纲效应，使用归一化方法对样本指标数据预处理。采样数据归一化处理后处于同一数量级，数值大小在[0,1]之间，简化计算过程方便数据融合评价。设样本集为{x*(i,j)|i=1～n,j=1～p}，其中n为待评价样本数量，p为指标个数[13-15]。采用下式对各指标值预处理：

x(i,j)=[x*(i,j)-xmin(j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(1)

x(i,j)=[xmax(j)-x*(i,j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(2)

式中：xmin(j)、xmax(j)分别为样本中第j个指标的最小值和最大值。预处理公式根据指标数据在评价模型中对环境安全等级的作用方向进行选择，对于数值越大环境越好的数据采用式(1)进行归一化，否则用式(2)处理。对于温度、湿度为区间性指标，无论数值是越大还是越小都会使环境变差，则用区间上的相对位置来归一化，即选择环境最优值为参考点，小值用式(1)归一化，大值则用式(2)。

2.2 构造投影指标函数

参与掘进工作面环境安全等级评定的指标有p个，投影方向定义为单位相量a=[a(1)，a(2)，…，a(p)]，把样本集x(i,j)利用公式(3)投影到a上得到一维投影值z(i)，a(j)即为第j个评价指标的权重。

(3)

在对各指标样本进行投影计算的过程中，为更好地反映样本数据的差异特性，要求投影值z(i)的标准差Sz尽可能地取大，同时使表示z(i)局部密度的数值Dz取最大，基于这两种约束，可将投影目标函数f(a)构造为：

f(a)=SzDz

(4)

(5)

(6)

式中：Ez为z(i)的平均值；R为密度窗宽；rij为两个样本间的距离。其中R值是由样本间的距离来确定的，局部密度窗口中投影点数量适中，太少或太多都会使降低计算的精确度，根据经验常把R定义为rmax+p/2≤R≤2p，其中rmax=max(rij)，-p≤z(i)≤p。U为单位阶跃函数，当R-rij≥0时其函数值为1，否则为0。

2.3 遗传算法搜寻最佳投影方向a

投影目标函数f(a)的值随着投影方向a的变化而变化，评价指标在a的非线性约束下取最大值时能最优地反映多维样本数据的结构特征。因此对式(7)进行优化求解，可得到最优投影方向即评价指标的权重值。

maxf(a)=SzDz

(7)

-1.0≤a(j)≤1.0

求解样本数据在多维空间投影方向的最优值是非线性向量空间的优化问题，用普通方法较难计算。利用模拟种群内生物优胜劣汰进化和染色体信息交换机制的遗传算法对非线性数据优化问题进行搜索寻优，能够简化计算过程较快得到最优解。

2.4 评价分析

分析掘进工作面环境安全等级标准数据建立环境评价模型，通过上述步骤计算各指标的最优投影方向a，将最优投影方向带入到式(3)中分析掘进工作面环境安全等级标准数据和采样数据的投影值，计算工作面采样点环境指标投影值到各级标准投影值间的距离，距离大小反映环境等级变化趋势，距离最小的为最终监测点环境安全评价等级。

3 应用实例

3.1 样本指标建立

根据山西宏源煤业集团凤凰台矿1236轨道顺槽掘进工作面现场实际情况，选取环境安全一级评价指标为粉尘、有害气体、热环境3个，对应的二级指标有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)和硫化氢(H2S)、温度、湿度和风速共10个构成工作面环境安全评价的指标体系，其中粉尘和有害气体浓度越小越好，均取最小值为0，温度的最优值取中间值26 ℃，湿度的最优值取中间值55%，风速的最优值取中间值1.5 m/s。待评价样本参照工作面风流特性分别在T1、T2、T3和T4特征区域采集。

根据《煤矿安全规程》规定及现场环境因素分析，综合已有研究优点，将评价等级分为Ⅰ(安全，环境优)、Ⅱ(较安全，环境良)、Ⅲ(危险，及时整改)、Ⅳ(较危险，立即整改)和Ⅴ(重度危险，停产整顿)。5级标准对应的环境评价指标浓度值如表1所示，实测待评价工作面4个位置处的样本指标数据如表2所示。

表1 掘进工作面环境评价指标安全等级分级标准

表2 待评价样本指标实测数据

3.2 模型求解

把表1中安全等级分级标准数据代入投影指标函数，利用遗传算法的matlab程序代码计算最佳投影方向，确定10个评价指标的相对重要程度，即权重a=(0.275 5，0.216 1，0.261 5，0.206 6，0.209 8，0.237 3，0.405 0，0.322 5，0.327 1，0.539 4)。将单位投影方向a代入到式(3)得出各等级标准和采样数据的归一化值及投影，如表3和表4所示，进一步求解样本点环境实测数据投影值与标准等级投影值的差值，分析评价等级如表5所示。

表3 掘进工作面环境评价指标安全等级分级标准归一化值及投影

表5 采样数据与环境标准数据投影值的差值及评价结果

3.3 评价结果分析

表3列出工作面环境5个等级标准数据的对应投影值，数值反映了环境安全等级越高投影值越大。表4中4个待测点样本数据的投影值为Z(1)>Z(2)>Z(3)>Z(4)，表明待测点1处环境最好，区域2处相对较好、3处相对差、4处环境最差，与实际情况一致。分析表5可以看出样本1、2的投影值到等级Ⅰ的距离最短，距离数值为负，表明该监测点数据投影值大小在Ⅰ级和Ⅱ级之间，因此评定为Ⅰ级偏Ⅱ级。样本3的投影值在Ⅱ级和Ⅲ级之间，距离Ⅱ级标准距离稍近，距离数值为负，所以该监测点作业环境目前等级评定为Ⅱ级偏Ⅲ级。样本4指标数据投影值在Ⅱ级和Ⅲ级之间，距离Ⅲ级接近，距离数值为正，表明环境暂时评定为Ⅲ级偏Ⅱ级，需要及时改进通风除湿抽瓦斯等措施，否则将威胁作业人员的生命安全。

4 结论

1) 对掘进工作面环境等级标准数据和4个区域样本数据进行投影降维评价分析，环境安全等级与实际危险物质分布情况一致，说明将投影寻踪模型用于掘进工作面进行环境安全等级评价是可行的。

2) 通过构建投影指标函数确定样本数据的指标权重和投影值，分别计算与各环境等级投影值的最小差值，能够直观有效地反映被测样本点的环境情况及发展趋势。

3) 粉尘、温度、风速和湿度是影响被测掘进工作面环境安全等级的主要因素，结合样本指标数据实际分析可以得出利用投影寻踪模型对掘进工作面环境等级评价的准确率较高，可为作业环境治理提供更为可靠的决策信息。