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基于改进PSO的煤矿安全资源配置问题研究

  • 发布日期:2017-10-27
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1  绪论
 
1.1  研究背景及意义 
我国煤炭生产企业的安全水平较之发达国家还存在非常大的距离,如 2014年我国煤炭行业的百万吨死亡率为 0.275 而美国仅仅是 0.02 以下。由于现代社会对煤炭生产企业的“经济、效率、安全”等指标的要求越来越高,煤矿生产系统也持续以协调、智能、最优等作为兴盛目标。但是在煤炭行业持续低迷和复杂的市场环境下,企业为了获取更多的经济效益,持续减少安全资源投入,进而频繁引发伤亡事故,导致企业流失更多的安全事故经济。 导致上述问题的主要原因是煤炭生产企业安全资源配置失衡。为了避免煤炭生产事故频发,我国煤炭生产企业连年增加安全资源资金的投入以改善煤炭生产企业的安全水平,但由高额投入使安全水平得到的改善却极度有限。安全资源的投入以及收益过分不平衡造成了安全资源浪费,明显加大了煤炭生产企业的包袱。通过对煤矿进一步研究了解到,在有限的安全资源总价约束下,企业各个系统间同时保持着安全资源竞争,例如当系统对某部门供给较多的资源时,基于煤炭生产企业整体的投入总量限制下,相对应便会降低剩余的一个甚至多个部门的资源供给,从而导致其他部门的安全水平较低,进而煤矿整体的安全状态都因此受到影响。 合理的安全资源是保障煤炭企业正常运转的关键。同时,安全资源配置优劣是影响煤炭生产企业安全并高效率生产的重要因素,当安全生产目标函数得到满足时,整合企业不同的安全资源投入促使当前企业的安全水平达到最佳状态,以此达到经济可靠高效的生产目标。因此,如何在保证安全生产条件下优化安全资源配置,提升煤炭生产企业安全生产的连续稳定性,成为煤炭生产企业亟待解决的一个重要现实问题。 
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1.2  国内外研究现状
近年来,以提高安全水平为主要目标的煤矿安全资源配置一直备受关注,出现了多种安全资源配置方法以及优化方法。 高艳芬等[1]选用不变替代弹性(Constant  Elasticity  of  Substitution,CES)生产函数分析法对煤矿的安全效率进行了评价,进而利用最小二乘法对煤矿的安全资源配置进行了优化;张飞燕等[2]针对某煤炭生产企业安全资源投入的架构,采用灰色系统理论对其分析并优化资源配置结果;王金凤等[3]构建了将效率最大作为目标函数,运用多目标规划优化煤矿安全资源配置;余吉安等[4]基于煤炭生产企业技术水平和生产成本建立投资安全资源配置模型;Wu 等[5]基于环境的条件限制下,采用 DEA 算法对资源配置模型进行寻优;Lin 等[6]运用多目标方法构建资源配置的模型,并采用遗传算法对该模型寻优;Azaiez 等[7]选用博弈论建立了安全资源决策的资源配置模型,进而运用启发类算法对其寻优;Wang[8]采用模糊数学理论构建了可以有效处理资源分配问题的效率资源分配模型;邵宜航等[9]采用 Klenow 的方法并给予我国企业的实际情况,构建生产率资源配置模型;杨光等[10]针对经济波动对资源配置的影响,构建了资源配置模型,并系统分析了寻优结果;汪朗峰等[11]采用随机模型验证科技资源配置与制度间相互作用关系,为合理的资源投入提供有意义的借鉴;阿儒涵等[12]采用委托代理的架构构建有关科技的资源配置模型;赵歌等[13]根据安全水平与生产效率间的关系,构建有关冗余度的资源配置模型;陈赞等[14]以节能减排作为约束,采用多目标规划建立了安全资源配置模型;杨传喜等[15]采用曼奎斯特与 DEA 相结合的方法对农林高校的资源配置效率实行研究。 上述的安全资源配置大多侧重于资源配置模型构建及优化算法对模型进行寻优等方面,其主要安全资源配置模型多倾向于使用多目标规划、博弈论和模糊学理论等方法;在模型寻优过程中主要运用了最小二乘法、DEA 等。上述研究了煤矿安全效率、资源分配、经济波动以及委托代理等方面的资源配置问题,为本文明晰构建安全资源配置模型提供了参考。
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2  相关理论综述
 
研究改进PSO运用于煤矿安全资源配置问题需要学习并掌握安全资源资源配置的含义以及 PSO 的相关理论。本章首先对安全资源配置的相关理论实行了阐述,然后说明了粒子群算法的概念,为今后安全资源配置模型建立与寻优奠定理论基础。 
 
2.1  安全资源配置相关概念
安全资源投入系指在保障系统安全生产的前提下各项可分配的资源投入,目标是实现最佳的经济效益,在提升安全水平与生产效率的同时,确保系统的正常运作与人员的生命安全。分局资源投入的不同功能,可将其分为生产资源投入与安全资源投入[31]。其中,安全资源投入系指为保证系统无障碍运转在人员、物品与资金等各个方面必要的投入,以期为企业打造优良的安全生产前提与作业环境。 资源投入所产生的效益既包括生产资源投入产生的企业盈利增多以及成本降低,也包括安全资源投入固有的滞后性社会效益。因此,安全资源投入具有如下特性: ①预防性。安全资源投入的先决因素是保障煤矿安全生产,防范事故发生及员工受伤,确保系统正常运作。 ②针对性。对于系统安全生产而言,安全资源投入是不可或缺的环节,其包含人员、物品与资金等全方位的投入。 ③滞后性。安全资源投入的效果具有滞后性,系统运作一定时间后,才会逐渐体现,更重要的是,安全资源投入产生的经济效益增额体现在事故经济亏损减少,计算安全资源投入的后滞效益时,须加入时间要素考量。 ④潜在性。安全资源投入产生的滞后经济及社会效益,须一段时间后可逐渐明显,数字不能精确度量其效益具体高低。 
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2.2  BP 神经网络概述
人工神经网络(ANN,Artificial Neural Network)由众多简单、高度互联的处理单元相互组成,是一个非线性的复杂网络计算系统。该方法利用一定的数学模型形式对生物的神经结构及智能行为进行了模拟[35]。神经网络由于自身特性,具有以下优点: (1)非线性。非线性神经元互连结构决定了神经网络具有非线性性质,这一性质使得神经网络在非线性信息处理方面具有优势; (2)自适应性。该方法具备自适应等的性质,具有整合自身权值去适合变动的外部环境; (3)鲁棒性。当运算环境是消极条件时,该方法的性能会成下降趋势但不会一瞬间的失败,因此具备最佳的鲁棒性; (4)并行处理。该方法是以人脑工作模式进行模拟,是具备并行处理与容错技能的繁复工作系统。 
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3   煤矿安全资源配置模型构建 .......... 17 
3.1   安全资源配置指标体系建立 ........ 17 
3.2   模型假设 .......... 19 
3.3   模型目标函数确定 ...... 19 
3.4   模型约束条件分析 ...... 21 
3.5   安全资源配置模型构建.... 22 
3.6   本章小结 .......... 22 
4   PSO 算法改进及模型求解步骤 .... 23 
4.1   改进粒子群算法研究 ........ 23 
4.1.1   PSO 算法的改进分析 .......... 23 
4.1.2   基于 Levy 飞行机制的改进粒子群算法 ........ 26 
4.1.3   试验结果与分析 .... 27 
4.2   改进粒子群算法运用于求解安全资源配置模型 ....... 32 
4.3   本章小结 .......... 34 
5   改进 PSO 算法在煤矿安全资源配置的运用 .... 35 
5.1   Z 煤业集团概况 .... 35
5.2   Z 煤矿安全资源配置模型构建及求解 ..... 37 
5.3   基于 LF-PSO 算法的模型求解及结果分析 .......... 43 
5.4   本章小结 .......... 46 
 
5  改进 PSO 算法在煤矿安全资源配置的运用
 
5.1  Z 煤业集团概况 
Z 煤业集团是国有超大型煤炭生产企业,公司于 1964 年成立,原名 Z 矿务局[56],该企业不仅含有富饶的矿产能源以及得天独厚的地理开采优势,总计构建 160 座矿井投入生产。在集团矿井所处的地理环境方面,矿井所在地质条件安全禀赋较差,自然灾害时有发生,内外环境的困扰制约了企业的发展。 Z 煤企业为了降低煤矿生产过程中事故的发生,加强了安全资源的投入与管理,事故发生次数有所下降,整体的安全状态有所好转,但资源分配还存在局限。 Z煤集团下设的矿井安全资源投入m上界为1500万元,其年产量约为128万吨煤。国家安全生产监督管理总局颁布了《企业安全生产费用提取和使用管理办法》[57],限制了煤矿生产所需的花费。即当矿井的年产量达到128万吨时,相对应的安全资源投入不低于500万元。 通过研究发现,煤炭生产企业作为一个庞大且复杂的系统其构成大致可以划分为人、机、环境、管理以及应急等。综合分析煤矿在安全资源投入中数据的有效性且可行性,根据3.1节构建的资源配置指标体系,其安全资源投入大致划分为人-机-环-管以及应急等5方面的投入[58]。 
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总结 
 
安全资源配置作为研究的热点始终备受专家学者的关注,它的优劣是提高煤矿整体的安全状态的关键。基于此,本文采用BP神经网络建立安全资源配置模型,改进PSO算法对其寻优,进而运用实证研究证明其可行性,得出结论有以下: 
(1)鉴于安全资源和企业整体安全水平中存在非线性函数关系,本文从人-机-环-管及应急等5方面出发,将安全资源配置的输入指标氛围人员、机械设备、环境改善、安全管理以及应急救援,输出指标为安全水平,为煤炭生产企业构建安全资源指标体系提供了有价值的参考。 
(2)根据煤炭生产企业强非线性、动态时变的特性,将安全水平最高作为模型构建的准则,拟合指标间的函数关系,并基于现实情况分析各指标的约束,进而建立安全资源配置模型,为最大程度的满足企业所需的安全资源配置具有借鉴意义。
(3)运用Levy飞行机制改进PSO算法,Levy飞行机制给PSO一个较大的步长,较好地避免粒子在搜寻过程中深陷部分最优解,将莱维飞行机制改机的粒子群算法对模型进行寻优,能够很好的搜寻煤炭生产企业的全局最优解。为煤炭生产企业在寻求全局最优的过程提出新的方法。 
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