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基于数据挖掘的煤矿安全可视化管理研究

张长鲁

  煤矿信息化历经数字矿山和感知矿山阶段的建设,当前正朝着智慧矿山迈进。经过数字矿山和感知矿山的建设,煤矿已实现了对井下人员、设备设施、环境等安全对象的全面感知,使安全管理者能够方便地获取各类安全信息;以透彻感知、深度互联和智能应用为主要特征的未来智慧矿山建设对煤矿安全管理提出新要求,它更加注重信息资源在煤矿安全管理中的作用,基于感知到的安全数据提取隐含模式、挖掘有价值的安全知识是实现智慧安全管理的基础。面向煤矿安全大数据,传统的安全管理理论显得束手无策,信息资源的加工处理能力不足成为制约煤矿安全管理水平进一步提升的瓶颈。针对这一问题,运用可视化和数据挖掘进行安全数据的可视化展示和知识发现成为未来发展的趋势。目前在理论研究与管理实践中虽然已有部分可视化尝试,然而总体上来说这些尝试存在着局部性、随意性和片面性等问题:局部性表现在部分结构化煤矿安全数据实现了展示可视化和知识可视化而大量的非结构化、半结构化数据仍无法得到有效处理,系统的安全可视化管理体系尚未形成;随意性表现在可视化方式的选择是随意的,未考虑可视化方式与信息内容匹配性;片面性表现在现有研究中仅意识到对安全信息资源进行可视化展现,尚未考虑到深层次的安全知识可视化问题。针对煤矿安全管理中存在的信息过载问题以及安全可视化管理实践中面临的问题,本文提出煤矿安全可视化管理研究课题:首先按照认识问题的逻辑思维过程构建煤矿安全可视化管理理论体系,对其内涵、作用机理和关键模型进行研究,回答安全可视化管理是什么、为什么和怎么办三个根本问题;之后对安全可视化管理的核心内容即安全知识可视化展开具体研究,构建了煤矿安全数据结构化表达模型和安全知识可视化RPCIA实现模型。研究过程充分将理论分析与实证研究相结合,以结构化表达模型为指导,对TF煤业公司2014年安全隐患记录的调研,构建了该矿结构化安全隐患数据集;以RPCIA模型为指导,基于TF煤业公司结构化安全数据集进行了安全知识可视化研究,得出了有价值的结论。论文按照“总体提出理论,具体研究实现”的思路展开,内容共分为七章,具体如下:第1章:绪论。总结了煤矿信息化建设历程,分析了不同阶段信息化建设对煤矿安全管理的作用以及智慧矿山对煤矿安全管理的新要求;对煤矿安全管理活动进行信息过程抽象,分析了当前制约煤矿安全管理水平提高的瓶颈;对国内外煤矿安全可视化相关领域研究成果进行归纳和总结,针对当前理论研究及管理实践中的问题提出了煤矿安全可视化管理研究选题,交代了论文意义及目标,给出了论文主要研究内容及安排,论述了拟采用的研究方法并给出论文技术路线。第2章:理论基础研究。从可视化管理、数据挖掘、安全管理及认知科学四个方面对煤矿安全可视化管理的理论基础进行研究。梳理了可视化管理的发展及安全可视化研究现状,总结了数据挖掘过程模型演进、主要挖掘功能及其应用,归纳了安全管理理论的演进及发展趋势;综述了认知科学理论中的认知信息加工模型、多阶段记忆及认知负荷相关研究成果。理论基础研究为后续章节安全可视化管理理论体系及安全知识可视化模型构建奠定了理论依据。第3章:煤矿安全可视化管理理论体系研究。分析了煤矿安全可视化管理的内涵、特征和主要内容,回答了安全可视化管理是什么的问题;结合认知信息加工和认知负荷理论对其作用机理进行了理论分析和实验论证,回答了安全可视化管理为什么有效的问题;构建了安全展示可视化和可视化信息系统架构模型,回答了如何实现的问题。最终形成煤矿安全可视化管理理论体系,包含内涵层、机理层、模型层、应用层和支撑层五层内容。第4章:煤矿安全数据结构化表达研究。结合知识发现典型过程,面向煤矿安全管理诉求及安全数据特征,分析了安全知识可视化实现过程;重点对实现过程中的安全数据结构化表达进行研究,以六何分析法和定性变量定量化方法为指导,提取煤矿安全问题性质、专业、致因、时空、主体等八个维度,对每个维度进行概念分层和属性划分,最终得出7w1h结构化表达模型;对tf煤业公司安全隐患进行现场调研,通过对安全隐患数据的抽样、清洗及规范化,最终构建了该矿安全问题集,为后续安全知识可视化研究奠定数据基础。第5章:煤矿安全对象内知识可视化。针对煤矿安全对象的单变量分析,采用频数统计方法对安全问题在各维度上的分布进行分析,得出安全问题的时空分布规律、主体分布规律和逻辑规律等;针对变量间交互分析,研究了煤矿安全问题八个维度交互分析的内容及现实意义,运用对应分析法和对数线性模型对变量间交互分析进行实现。对tf煤业公司安全问题集进行了实证分析,通过单变量分析得出了该矿安全问题在各维度上的可视化分布情况,通过多变量交互分析得出安全问题性质与区域、性质与时空的交互规律。第6章:煤矿安全对象间知识可视化。在安全与生产对象交互分析中,采用灰色关联分析法研究了不同性质安全问题与采煤和掘进生产环节的关联程度;在危险源对象交互分析中,通过对煤矿安全隐患排查业务分析及危险源辨识,提出了同时暴露安全问题的危险源存在内在关联性的假设,采用关联规则挖掘方法,通过对危险源频繁项集的挖掘,提取危险源易发安全问题的关联规则;本章最后对安全数据结构化表达模型、对象内知识可视化和对象间知识可视化的实现进行归纳,得出煤矿安全知识可视化rpcia模型。第7章:结论及展望。对论文的研究结论及主要创新点进行总结,并对未来煤矿安全可视化管理的研究进行展望。论文力求在煤矿安全可视化管理理论体系及安全知识可视化实现方面取得创新,主要创新点总结如下:1)在对信息加工认知心理学和认知负荷理论研究的基础上,构建了煤矿安全管理者认知信息加工模型,分析了认知过程中注意、工作记忆和长时记忆环节存在的认知资源瓶颈;结合安全可视化特征,分析了其对安全管理者认知负荷的优化作用;以理论分析为基础设计认知实验,得出了安全可视化具有显著的认知负荷优化效应,且与认知加工水平有显著交互效应的结论,从而揭示了安全可视化作用机理。2)在对煤矿安全隐患记录等非结构化或半结构化数据分析的基础上,运用六何分析法和定性变量数量化方法,提取了描述煤矿安全问题的八个维度,并对八个维度进行概念分层和属性划分,最终构建了煤矿安全数据“7W1H”结构化表达模型,实现了安全隐患数据的结构化转换。3)在对煤矿安全数据变量特征及知识可视化目标分析的基础上,构建了变量间交互的对应分析模型,挖掘了煤矿安全对象不同维度及类别之间的关联关系并以对应分析图予以表达;构建了变量间交互的对数线性模型,计算得出了安全隐患不同维度交互效应的数值大小并进行了可视化展示。4)在对煤矿安全对象间知识可视化特征及内容分析的基础上,构建了煤矿安全生产灰色关联模型,研究得出了不同性质安全问题与采煤、掘进作业的关联度大小并采用雷达图予以可视化表达;通过对煤矿安全隐患排查业务分析及危险源辨识,构建了危险源关联规则挖掘模型,得出了不同类型危险源易发安全问题的关联规则。……   
[关键词]:煤矿安全;可视化管理;数据挖掘;知识可视化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国矿业大学(北京)2015年