煤礦水災(zāi)害中系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)用

1、煤礦水災(zāi)害中系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)用 煤礦水災(zāi)害中系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)用范文水災(zāi)害是煤礦的主要災(zāi)害之一，中國煤田水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，煤礦突水事故時(shí)有發(fā)生，它不僅嚴(yán)重破壞煤礦的正常建設(shè)和生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還威脅人員的生命安全。煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)是人機(jī)環(huán)境相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)、功能與行為之間，系統(tǒng)與環(huán)境之間是動(dòng)態(tài)、辯證對(duì)立的統(tǒng)一關(guān)系，是一個(gè)十分復(fù)雜的、開放的、動(dòng)態(tài)的巨系統(tǒng)1-2。以往關(guān)于煤礦水災(zāi)害形成機(jī)理的研究多側(cè)重于工程技術(shù)層面，沒有將其放在煤礦生產(chǎn)復(fù)雜系統(tǒng)的大環(huán)境下來考慮。因此，研究和發(fā)現(xiàn)煤礦水災(zāi)害復(fù)雜系統(tǒng)下各組成要素間的相互耦合、關(guān)聯(lián)、制約、轉(zhuǎn)化行為對(duì)煤礦水災(zāi)害形成的影響機(jī)制，是進(jìn)行有效防治的

2、基礎(chǔ)3。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SystemDynamic，SD)是研究高度非線性、高階次、多變量、多重反饋復(fù)雜系統(tǒng)的一種定量方法4。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在研究城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、企業(yè)經(jīng)營管理、宏觀經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、工程系統(tǒng)、能源規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)等許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國內(nèi)學(xué)者在運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法研究煤礦安全系統(tǒng)方面做了許多努力。如邱利等5對(duì)礦山安全生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)做了初步研究。何剛等6運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法，對(duì)影響煤礦安全管理水平因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測。本文在對(duì)煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理和方法，建立反映煤礦水災(zāi)害安全水平的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并利用Vensim仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，研究了煤礦水災(zāi)害安全狀

3、況在多因素共同作用下的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化機(jī)理，并對(duì)模型中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。1安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的步驟如下7-9。1)確定建模問題:煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)各影響因素如何影響煤礦水災(zāi)害安全水平。2)確定系統(tǒng)邊界及構(gòu)成系統(tǒng)的要素:煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)。3)確定因果關(guān)系圖及定義變量:繪制煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)因果關(guān)系圖，定義模型諸變量。4)建立SD流圖模型及方程。11問題及邊界確定煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)是人機(jī)環(huán)境相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)，參考國內(nèi)外專家對(duì)煤礦水災(zāi)害危險(xiǎn)源理論的研究，按照煤礦水災(zāi)害的實(shí)際情況利用系統(tǒng)工程理論，把影響煤礦水災(zāi)害的因素分為人的行為因素、設(shè)備設(shè)施因素、技術(shù)因素、法制監(jiān)管因素、環(huán)境因素以

4、及安全管理因素6個(gè)部分(如圖1)，為后續(xù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析奠定框架基礎(chǔ)10-13。12因果關(guān)系圖及變量定義1)煤礦水災(zāi)害因果關(guān)系圖。煤礦水災(zāi)害安全水平的高低受到法制監(jiān)管、技術(shù)水平、人的行為、環(huán)境、設(shè)備設(shè)施、安全管理的綜合影響，同時(shí)各個(gè)因素之間又彼此影響，存在著復(fù)雜的因果關(guān)系，共同決定了煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)的安全水平，而繪制出煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)的因果關(guān)系圖是分析和理解該系統(tǒng)機(jī)能的有效途徑，同時(shí)為系統(tǒng)流圖的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。因果關(guān)系圖如圖2。2)煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)的變量定義。結(jié)合以上因果關(guān)系圖并考慮到流圖及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立，定義如下模型變量:水平變量、速率變量、輔助變量和常量，如表1。13流圖及方程通過分析

5、煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)因果關(guān)系圖和變量定義，建立煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，如圖3所示。1)煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)的SD模型中，其參數(shù)的設(shè)定參考國內(nèi)外學(xué)者已有成果，并基于對(duì)某國有大型煤礦的調(diào)研數(shù)據(jù)，以及煤礦水災(zāi)害專家依據(jù)該煤礦的實(shí)際情況綜合評(píng)價(jià)得出。2)選取案例煤礦近十幾年關(guān)于煤礦安全及煤礦水災(zāi)害的歷史數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，得出各影響因素對(duì)系統(tǒng)安全水平的相對(duì)權(quán)重14。3)選取案例煤礦歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定SD模型中各狀態(tài)變量的初始值和各影響因素間的影響系數(shù)。4)依據(jù)以上參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)中每個(gè)因素的增加率為0.02，且設(shè)定各因素的水平增加量為Iiexp(AQSP/100)(i=1，2，6)，此公式和值的

6、確定是基于保證系統(tǒng)安全水平的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢符合煤礦安全實(shí)際，且經(jīng)過與歷史數(shù)據(jù)的反復(fù)比對(duì)多次調(diào)試后得出的。5)由于煤礦水災(zāi)害的危害巨大，所以要使其安全水平處在較高狀態(tài)，因此假定煤礦水災(zāi)害期望安全水平為95。2安全系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真利用SD仿真軟件Vensim，建立煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)的SD模型流圖，并定義相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，仿真時(shí)間設(shè)定為36個(gè)月。21模擬仿真1)各影響因子的水平及其發(fā)展趨勢。在各影響因素的增加率均為0.02情況下，對(duì)圖3中SD模型進(jìn)行仿真模擬，得出煤礦水災(zāi)害安全水平趨勢圖(見圖4)及各影響因素水平的發(fā)展趨勢圖(見圖5)。在設(shè)定的初始條件下，案例煤礦的煤礦水災(zāi)害安全水

7、平在27個(gè)月達(dá)到目標(biāo)值95?？梢?，提高煤礦水災(zāi)害安全水平需要長期運(yùn)作。同時(shí)，也可以觀測到系統(tǒng)中各影響因素水平的發(fā)展趨勢。2)各影響因素水平的增加率對(duì)煤礦水災(zāi)害安全水平的影響。對(duì)圖3中SD模型進(jìn)行了6次仿真模擬，得出不同方案的總安全水平圖，并把6次不同的仿真趨勢圖表示在同一張圖上(見圖6)。第一次仿真把法制監(jiān)管水平增加率(I1)調(diào)制為0.04，其它參數(shù)不變，運(yùn)行SD軟件，得出趨勢圖Law;第26次仿真依次調(diào)整技術(shù)水平增加率(I2)、人的行為水平增加率(I3)、環(huán)境水平增加率(I4)、設(shè)備設(shè)施水平增加率(I5)、安全管理水平增加率(I6)為0.04得出趨勢圖Technology、People、En

8、vironment、Equipment、Manage-ment，如圖6。3)各影響因子的實(shí)際作用率。依據(jù)圖4、圖6所示及仿真所得數(shù)據(jù)，以圖4的Current為基準(zhǔn)，先求煤礦水災(zāi)害安全水平的平均值為8307。將圖6中Law的每個(gè)月水平值減去Cur-rent對(duì)應(yīng)的每個(gè)月水平值，取平均值得1.79，再與Current的水平平均值83.07比，比值為0.010188，即表示法制監(jiān)管對(duì)煤礦水災(zāi)害安全水平的實(shí)際作用率，其含義是指其它影響因素不變的條件下，法制監(jiān)管水平增加率增加0.02，可以使煤礦水災(zāi)害安全水平每個(gè)月平均增加1.01%。同理，可以得出其它的因子的實(shí)際作用率。法制監(jiān)管、技術(shù)、人的行為、環(huán)境、設(shè)

9、備設(shè)施、安全管理各因素的實(shí)際作用率分別0.010188、0.012948、0.022828、0.00826、0.01631、0.027092。22仿真結(jié)果分析研究選擇影響煤礦水災(zāi)害的關(guān)鍵因素，構(gòu)造出煤礦水災(zāi)害系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，參考調(diào)研數(shù)據(jù)和專家意見，運(yùn)用Vensim軟件動(dòng)態(tài)模擬了各關(guān)鍵因素水平自身及其增加率對(duì)煤礦水災(zāi)害安全水平的影響。期望安全水平為95。1)從圖4可以看出，各因素安全水平及煤礦水災(zāi)害安全水平要達(dá)到期望安全水平是個(gè)長期的過程。煤礦水災(zāi)害安全水平達(dá)到期望安全水平需27個(gè)月。2)從圖5可以看出人的行為水平和環(huán)境水平的提高需要相對(duì)更長期的過程。文中仿真結(jié)果顯示:人的行為水平需要36

10、個(gè)月才能達(dá)到預(yù)期水平，環(huán)境的安全水平需要42個(gè)月才能達(dá)到預(yù)期水平。3)從圖6可以看出，各因素對(duì)煤礦水災(zāi)害安全水平的影響程度差異明顯。其中“安全管理”的實(shí)際作用率最大，其次是“人的行為”，其它因素的作用率不太顯著，這與煤礦實(shí)際情況是相符的。因此，加強(qiáng)安全管理，提高人員安全水平是減少煤礦水災(zāi)害事故的重點(diǎn)。實(shí)際作用率更能準(zhǔn)確地比較復(fù)雜系統(tǒng)中不同因素對(duì)系統(tǒng)整體安全水平的影響程度，有助于管理者采取相應(yīng)的措施。4)圖4圖6中各因素的水平及總安全水平通過累積改善到達(dá)一定時(shí)間可能會(huì)達(dá)到100，這并不表示絕對(duì)安全，安全是一個(gè)相對(duì)的概念，這里只表示發(fā)展趨勢達(dá)到一個(gè)相對(duì)很安全的狀態(tài)。5)各趨勢圖呈線性變化是建立在根

11、據(jù)具體煤礦實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析和模型及方程系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上的，可能由于各因素間關(guān)系的界定的不精確、該煤礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的局限性、模型建立的主觀性等及其共同作用導(dǎo)致系統(tǒng)及各因素安全水平呈線性變化。3靈敏度分析本文以系統(tǒng)參數(shù)作為研究對(duì)象。靈敏度公式為S=J(p+p)J(p)/J(p)p/p。其中，S為靈敏度，p為參數(shù)，p為參數(shù)變化量，J為參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)值15。進(jìn)行靈敏度分析，一般選取SD模型中一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，無需對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行分析。本模型選擇的關(guān)鍵參數(shù)是煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)6個(gè)影響因素的增加率，其分析結(jié)果見表2。通過對(duì)以上關(guān)鍵參數(shù)的靈敏度分析，從表2可以看出模型對(duì)各個(gè)參數(shù)變化的靈敏度各不相同，其中最大的靈敏度只有0.22，說明各個(gè)參數(shù)的調(diào)整對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的影響呈現(xiàn)出一定的不均衡性。而且經(jīng)過驗(yàn)證和分析，可以說明所建立的煤礦水災(zāi)害安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型基本上可以有效地描述出現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)情況，可以進(jìn)行煤礦水災(zāi)害安全決策的系統(tǒng)仿真及長期政策分析，并且可以在此過程中，根據(jù)實(shí)際情況不斷進(jìn)行反饋和修正，使模型更加符合實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，提高決策的可靠有效性16。4結(jié)論依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理和方法，建立反映煤礦水災(zāi)害安全水平的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并動(dòng)態(tài)仿真了各影響因素的安全水平和各影響因素的增加率對(duì)煤礦水災(zāi)害安全水平的影響。模型較好地解決了煤礦水災(zāi)害復(fù)雜大系統(tǒng)