張英俊 李婉婉 潘理虎 陳立潮

(太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西省太原市，030024)

煤炭在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，但煤炭開采過程中始終面臨事故頻發(fā)帶來的挑戰(zhàn)，且煤礦生產(chǎn)環(huán)境極其復(fù)雜，隱患眾多，給作業(yè)人員帶來諸多不便。因此，提高井下環(huán)境安全評(píng)估的技術(shù)水平是減少礦井事故發(fā)生，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。目前，有關(guān)煤礦井下安全預(yù)測(cè)和評(píng)估的研究有很多，劉婷等人采用本體對(duì)煤礦采煤工作面建模，并制定了相關(guān)的推理規(guī)則，利用本體推理來推斷井下作業(yè)環(huán)境的安全狀況。但其只局限于采集單一傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，存在推理結(jié)果不準(zhǔn)確、精度低的問題。由于單一傳感器可能出現(xiàn)失靈、誤判，數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，且無法綜合評(píng)估井下環(huán)境狀況，導(dǎo)致結(jié)果不可靠、不確定。因此，大量學(xué)者開始運(yùn)用模糊邏輯、證據(jù)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信息融合技術(shù)來評(píng)判井下作業(yè)環(huán)境的安全狀況?；舅枷胧峭ㄟ^無線傳感器來采集信息，然后對(duì)多個(gè)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，綜合分析環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全狀況的全面評(píng)估。張從力等人將改進(jìn)的LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于井下環(huán)境評(píng)估，有效提高了傳統(tǒng)模型的訓(xùn)練速度，在實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮了井下環(huán)境的主要影響因素，在一定程度上解決了井下環(huán)境評(píng)判不及時(shí)和不準(zhǔn)確的問題。劉海波將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論結(jié)合用于評(píng)估煤礦瓦斯突出等級(jí)，通過兩次數(shù)據(jù)融合對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)作出評(píng)判，提高了井下環(huán)境預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。眾多學(xué)者利用粗糙集理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層自燃危險(xiǎn)性的綜合評(píng)價(jià)，通過融合核心指標(biāo)對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)作出評(píng)判，提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性。以上研究工作雖有助于改善了煤礦井下安全評(píng)估水平，但井下環(huán)境復(fù)雜、參數(shù)多變，單純地運(yùn)用信息融合技術(shù)很難建立有效、全面、清晰的數(shù)學(xué)模型，且不能利用隱含信息進(jìn)行推理。此外，大量新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)收集，則需要模型不斷進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào)整，在運(yùn)算速度和精度方面很難達(dá)到平衡。

目前井下環(huán)境評(píng)估缺乏一種既能描述井下環(huán)境知識(shí)的表示模型，同時(shí)又能全面獲取環(huán)境信息，處理不確定性數(shù)據(jù)間的融合問題。本文將證據(jù)理論和本體推理相結(jié)合并應(yīng)用于井下環(huán)境評(píng)估中。首先通過構(gòu)建領(lǐng)域本體對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境建模，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)系統(tǒng)間的概念共享，解決了井下情境信息難以描述的問題；其次，通過實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觸發(fā)本體推理，挖掘出影響井下環(huán)境安全的危險(xiǎn)因素，并將改進(jìn)的D-S證據(jù)理論用于推理規(guī)則的整合，解決了由單一傳感器數(shù)據(jù)評(píng)估井下環(huán)境安全所存在的不確定、不可靠問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，將證據(jù)理論和本體推理相結(jié)合能夠有效提高井下安全評(píng)估的準(zhǔn)確率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 本體建模及推理

1.1 煤礦領(lǐng)域本體建模

領(lǐng)域本體是用于形式化描述特定領(lǐng)域知識(shí)的概念模型，通過抽象出領(lǐng)域中的概念、關(guān)系、實(shí)例來刻畫語義知識(shí)，具有機(jī)器可讀、可擴(kuò)展、共享、重用等優(yōu)良特性。采用推理引擎和推理規(guī)則對(duì)本體進(jìn)行推理，可以發(fā)現(xiàn)其中隱含的有用信息。因此，本文將采用七步法和骨架法來構(gòu)建煤礦領(lǐng)域本體模型，從語義驅(qū)動(dòng)的角度為井下環(huán)境的智能化評(píng)估提供了一種新的途徑，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警有重大意義。

目前有關(guān)煤礦領(lǐng)域的本體構(gòu)建還不完備，且煤礦生產(chǎn)涉及眾多相關(guān)子系統(tǒng)，生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。通過實(shí)地調(diào)研以及對(duì)領(lǐng)域?qū)＜业脑L談，并查閱相關(guān)資料、書籍、文獻(xiàn)，全面了解相關(guān)的規(guī)程和法律法規(guī)，收集大量煤礦井下相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)。經(jīng)過相關(guān)資料的查閱，并參考煤礦三大規(guī)程，從中獲取相關(guān)術(shù)語并設(shè)計(jì)了分類體系，利用Protégé 4.3建模工具構(gòu)建了本體模型，如圖1所示。

圖1 煤礦領(lǐng)域本體模型

本體模型中主要包括5個(gè)頂層核心類：事故(Accident)、設(shè)備(Apparatus)、狀態(tài)(Apparatus State)、技術(shù)工人(Skilled Worker)、環(huán)境(Surroundings)，每個(gè)核心類又被進(jìn)一步細(xì)化為若干子類。

1.2 推理規(guī)則的創(chuàng)建

基于規(guī)則的本體推理是利用推理機(jī)，將推理規(guī)則和已有的知識(shí)進(jìn)行匹配挖掘出新的知識(shí)，本文將井下環(huán)境評(píng)估看成是一種誘發(fā)性的本體推理過程。例如，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到某工作地點(diǎn)中有配電工在操作高壓開關(guān)合閘送電時(shí)未戴絕緣手套，則推斷出該配電工有危險(xiǎn)。本體推理中所使用的規(guī)則除了推理機(jī)自帶的通用規(guī)則外，還可按照推理機(jī)語法形式自定義創(chuàng)建。應(yīng)用惠普實(shí)驗(yàn)室提供的開放資源Jena作為推理引擎，并根據(jù)Jena提供的語法來構(gòu)造規(guī)則。

但在基于本體推理的井下環(huán)境評(píng)估中，傳統(tǒng)依靠單一類型傳感器或監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有不確定性，即利用單一規(guī)則推斷井下安全狀況，會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果即本體推理結(jié)果具有不確定性。例如，某井下作業(yè)場所，瓦斯傳感器檢測(cè)到瓦斯?jié)舛葹?.9%，推斷出該地點(diǎn)存在較大危險(xiǎn)；粉塵傳感器采集到粉塵濃度為6 mg/m3，可能存在一般危險(xiǎn)，但本體推理結(jié)果都為存在危險(xiǎn)，顯然兩種傳感器監(jiān)測(cè)到的危險(xiǎn)因素對(duì)于危險(xiǎn)程度的判斷并不一樣，無法根據(jù)某一推理結(jié)果較為準(zhǔn)確地評(píng)判其安全狀況。因此，接下來將引入改進(jìn)的D-S證據(jù)理論對(duì)多條相關(guān)推理規(guī)則進(jìn)行處理，消除規(guī)則之間的沖突，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合，解決本體推理中存在的不確定性問題。

2 基于本體不確定性推理的井下環(huán)境評(píng)估

1.3 D-S證據(jù)理論

式中：A、B、C——Θ上的子集；

m1，m2——兩個(gè)證據(jù)源；

m12(A) ——m1，m2兩個(gè)證據(jù)對(duì)命題A的聯(lián)合支持程度；

k——證據(jù)間的沖突大小，k越大，沖突越大。

鑒于經(jīng)典的Dempster合成規(guī)則在證據(jù)高度沖突的時(shí)候會(huì)造成合成結(jié)果出現(xiàn)悖論，具有很大的局限性，有學(xué)者對(duì)其提出了改進(jìn)方法。如蔣雯等人利用證據(jù)距離和沖突因子的算術(shù)平均數(shù)來表示沖突的大小，但仍存在一定的局限性，比如對(duì)于兩個(gè)相同的證據(jù)，其沖突因子本應(yīng)為0卻不為0，不符合實(shí)際情況；張燕君等人重新定義了沖突因子后，解決了此問題，但針對(duì)兩個(gè)完全沖突的證據(jù)仍不能準(zhǔn)確判斷其沖突程度?；谝陨戏治觯鲇诟尤鏈?zhǔn)確地度量證據(jù)間沖突程度的目的，本文將引入彭穎等人給出的擴(kuò)展Jousselme距離函數(shù)，如式(3)所示，重新定義有關(guān)mi和mj的沖突因子如式(4)所示。

(3)

(4)

式中：di,j——距離函數(shù)；

k——證據(jù)理論中的沖突因子；

confi,j——重新定義的mi、mj之間的沖突因子，0

1.4 證據(jù)理論和本體推理在井下環(huán)境評(píng)估中的應(yīng)用

煤礦領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容包括作業(yè)人員分類、環(huán)境、設(shè)備種類、狀態(tài)、各工種的操作等相關(guān)知識(shí)。本體模型構(gòu)建的目的是根據(jù)監(jiān)測(cè)到的人的不安全行為、環(huán)境的異常、設(shè)備的不安全狀態(tài)等信息，應(yīng)用本體推理，全面判斷作業(yè)環(huán)境的安全狀況，及時(shí)預(yù)警從而減少傷亡。

利用本體擴(kuò)展了對(duì)煤礦領(lǐng)域知識(shí)的形式化描述，解決了異構(gòu)系統(tǒng)間概念共享的問題。結(jié)合證據(jù)理論處理本體推理中的不確定性問題，實(shí)現(xiàn)井下安全狀況全面評(píng)估的基本思想是構(gòu)建本體模型，形式化井下情境信息，定義相應(yīng)的本體推理規(guī)則，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境信息，觸發(fā)本體推理得出井下安全狀況。在推理過程中，根據(jù)煤礦對(duì)各危險(xiǎn)源的辨識(shí)和等級(jí)評(píng)估等信息，按危險(xiǎn)程度確定每條推理規(guī)則的置信度，利用證據(jù)理論對(duì)相關(guān)規(guī)則進(jìn)行融合，綜合考慮多種環(huán)境信息，全面評(píng)估井下環(huán)境的安全狀況。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境信息，評(píng)估井下安全狀況的推理流程如圖2所示。

具體分析如下：

步驟1：利用本體描述井下情境信息，并制定相應(yīng)的推理規(guī)則，保存到知識(shí)庫中。

步驟2：從傳感器或監(jiān)控設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的本體實(shí)例，保存在本體知識(shí)庫中并觸發(fā)本體推理。

步驟3：推理引擎調(diào)用推理規(guī)則庫，并根據(jù)對(duì)應(yīng)推理規(guī)則的置信度，分別構(gòu)造其BPA函數(shù)。

步驟4：利用證據(jù)理論融合算法，整合相應(yīng)的推理規(guī)則，得出推理結(jié)果。

步驟5：根據(jù)推理得出的井下環(huán)境的安全狀況等級(jí)，及時(shí)報(bào)警處理。

圖2 推理流程圖

利用證據(jù)理論融合算法整合推理規(guī)則的具體步驟如下：

步驟1：檢驗(yàn)規(guī)則之間是否存在沖突。兩兩計(jì)算，如規(guī)則rulei、rulej，其對(duì)應(yīng)的BPA函數(shù)為mi、mj。利用式(4)計(jì)算rulei、rulej二者之間的沖突因子conf。設(shè)定閾值p，若conf≥p，則認(rèn)為規(guī)則之間存在沖突，轉(zhuǎn)步驟2；若不存在證據(jù)沖突，則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟2：利用式(4)計(jì)算每條規(guī)則與其他規(guī)則之間的沖突因子，構(gòu)造沖突矩陣：

(5)

步驟3：計(jì)算規(guī)則rulei與其他規(guī)則之間的總支持度：

(6)

步驟4：計(jì)算規(guī)則rulei的權(quán)值：

(7)

步驟5：計(jì)算規(guī)則rulei的相對(duì)權(quán)值：

(8)

步驟6：根據(jù)相對(duì)權(quán)重，對(duì)原有規(guī)則rulei進(jìn)行修正：

(9)

步驟7：采用DS組合規(guī)則對(duì)相應(yīng)規(guī)則的BPA函數(shù)進(jìn)行組合，得到推理結(jié)果。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證證據(jù)理論和本體推理相結(jié)合的井下環(huán)境評(píng)估方法的有效性，首先查閱煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)井下環(huán)境參數(shù)與安全狀況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出3種單項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 等級(jí)劃分

參照表1標(biāo)準(zhǔn)，并以從某煤礦獲取到的200組數(shù)據(jù)對(duì)本文方法進(jìn)行測(cè)試，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)的具體實(shí)現(xiàn)過程為：首先，建立煤礦領(lǐng)域本體模型，并分別構(gòu)建有關(guān)瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、風(fēng)速3種參數(shù)對(duì)應(yīng)安全狀況等級(jí)的推理規(guī)則；其次利用測(cè)試數(shù)據(jù)觸發(fā)本體推理，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，確定推理規(guī)則的置信度，構(gòu)造BPA函數(shù)；然后利用本文改進(jìn)的沖突證據(jù)合成方法進(jìn)行規(guī)則的整合，綜合考慮3種環(huán)境因素，評(píng)估作業(yè)場所的安全等級(jí)。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)(部分)

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用本體推理和證據(jù)理論相結(jié)合得出的評(píng)估結(jié)果與期望輸出值基本相符，僅有5組數(shù)據(jù)偏離期望值，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到97.5%，有較好的效果，能夠滿足煤礦的實(shí)際需求。觀察試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)偏差的幾組數(shù)據(jù)，都比較接近于某一等級(jí)分布的臨界值。誤差與等級(jí)劃分較為粗略有很大關(guān)系，因此可進(jìn)一步細(xì)化等級(jí)分布使推理結(jié)果更為準(zhǔn)確。試驗(yàn)證明，本文利用改進(jìn)的證據(jù)理論對(duì)本體推理規(guī)則進(jìn)行融合，綜合考慮了井下多種監(jiān)測(cè)信息，在一定程度上提高了準(zhǔn)確率。同時(shí)，改進(jìn)的沖突證據(jù)合成方法有效避免了沖突規(guī)則所帶來的負(fù)面影響，充分發(fā)揮了證據(jù)理論的優(yōu)良特性，保證了信息的精確性。

4 結(jié)語

(1)針對(duì)煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、情境信息難以描述，且危險(xiǎn)因素眾多具有不確定性，給出了一種證據(jù)理論和本體推理相結(jié)合的井下環(huán)境評(píng)估方法。

(2)采用本體模型對(duì)煤礦領(lǐng)域建模，處理了煤礦領(lǐng)域知識(shí)難以描述、共享、重用的問題。并構(gòu)建了相應(yīng)的本體推理規(guī)則，從本體推理的角度實(shí)現(xiàn)井下安全狀況的評(píng)判。

(3)鑒于傳統(tǒng)的依賴于單一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)判井下安全狀況造成的不確定性，以及本體推理中規(guī)則沖突的問題，引入證據(jù)理論對(duì)推理規(guī)則進(jìn)行整合，消除規(guī)則之間的沖突，實(shí)現(xiàn)井下安全狀況的全面評(píng)估。仿真結(jié)果表明，本文方法具有較高的準(zhǔn)確性，為井下環(huán)境評(píng)估提供了一種新思路、新方法。