突发性事故系统的脆性风险分析及其在煤矿中的应用

作者:吴红梅;金鸿章;林德明;王辉 刊名:系统工程 上传者:马扬前

【摘要】煤矿事故的发生存在一定的偶然,但其内在也是存在着必然的,此必然就体现到了煤矿系统内部所存在风险因素。文章利用熵理论从事件发生的概率,事件发生对于系统造成损失的严重程度,事件的不可控制程度三个方面来量化风险熵函数。并研究风险熵函数的性质。针对煤矿系统中的瓦斯爆炸问题,从系统级、事件级、因素级三个级别上考虑其脆性过程,分析各级别内部以及各级别之间元素的脆性联系,从中找出使整个系统崩溃(事故发生)的因素集合,并根据风险熵函数的定义得出现今煤矿瓦斯爆炸事故系统的风险熵。

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1引言当今,我国经济的持续快速发展,对能源的需求也愈来愈多,特别是对煤炭资源的需求,我国对煤炭资源的开采利用,形式非常严峻。据统计我国煤炭地下开采占全部产量的96%,含瓦斯煤层多,高瓦斯矿井和突出矿井占矿井总数的44%,由瓦斯爆炸引发伤亡人数占全部矿井事故伤亡总数的65%。如何有效控制事故的发生,便成为亟待解决的科学问题。近年来,一些学者运用脆性理论来研究复杂系统。文献[1]、文献[2]根据脆性的定义以及脆性所具备的特性,提出脆性风险函数和脆性熵的概念,来研究系统的内外不确定因素;而且,脆性理论成功地被应用于传染病扩散[3,4]、交通系统[2]的研究中。根据煤矿事故系统其所具备的特点[5],它亦可视为复杂系统。本文主要分析突发性事故爆发的潜在风险,文中建立脆性风险熵函数从风险因素发生的概率、对系统造成后果的严重性、风险因素的不可控性三个方面来描述导致脆性被激发的潜在风险因素的不确定性。2复杂系统脆性过程分析对复杂系统的研究,主要从系统级、事件级、因素级三个级别进行分析。各级别内部以及级别之间的作用方式可以由多米诺骨牌、金字塔以及倒金字塔模型表示[8]。如图1所示,假设系统级上有q个元素,以系统i为例进行说明。图1系统脆性过程针对图1中向上的纵向作用,给出相应的定义:定义1与关系:对于事件(系统)级中的任意事件(系统)j的发生,存在一个因素(事件)级上的因素(事件)集合,而且是缺一不可的。则这个集合中的因素(事件)关于事件(系统)j是与的关系,表示为s1s2.定义2因素(事件)类:把在定义1中与集合所组成的集合称为因素(事件)类。定义3关键子系统集:若存在一些子系统,这些子系统组成一个集合,集合中的所有系统崩溃对于整个复杂系统的崩溃是当且仅当的关系,则这样的子系统集合称为关键子系统集。定义4关键子系统类:由关键子系统集合所组成的集合称为关键子系统类。若按照因素类的分类原则可以得到关于事件s的hs个因素类,我们这里可以有m个因素关于事件s的隶属矩阵Hsmhs,矩阵元素hij定义如下:hij=1,第i元素属于第j类0,否则(1)而m个因素关于n个事件的隶属矩阵可以表示为:H=(H1mh1H2mh2…Hsmhs…Hnmhn)1n(2)同样,也可以得到关于系统t的kt个事件类。则会有n个事件关于系统t的隶属矩阵Ktnkt,矩阵元素ksj定义如下:ksj=1,第s个事件属于第j类0,否则(3)则可以得到m个因素关于系统t的隶属矩阵:H1nKtnkt=ns=1ks1Hsmhs…ns=1kskHsmhs(4)上面矩阵H中的下标hs是不同的,根据实际意义定义加法,举例说明:Hn(m1m2)=Hnm1+Hnm2.定义2加法:Hn(m1m2)的im2+1列到(i+1)m2列元素为Hnm1第i+1列元素与Hnm2中的每列元素相加,i=0,1,2,…,m1-1。相加的原则是:1+1=1,1+0=0+1=1,0+0=0。这样得到的结果就是n(m1m2)的矩阵。加法满足的性质:交换律:Hn(m1m2)=Hn(m2m1),即Hnm1+Hnm2=Hnm2+Hnm1.结合律:Hn((m1m2)m3)=Hn(m1(m2m3)),即(Hnm1+Hnm2)+Hnm3=Hnm1+(Hnm2+Hnm3)。分配律,由于这里没有定义矩阵之间的乘法,所以不考虑其分配律。n根据加法的定义,s=1ksjHsmh就转化为mns=1ksjHs的矩阵。n个事件关于q个系统的隶属矩阵可以表示为:K=(K1nk1K2nk2…Ktnkt…Kqnkq)1k(5)则m个因素与q个子系统之间的隶属矩阵为:K=H1nK=

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