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基于改進PSO的煤礦安全資源配置問題研究

  • 發布日期:2017-10-27
  • 責任編輯:lgg
  • 論文字數:38745
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1  緒論
 
1.1  研究背景及意義 
我國煤炭生產企業的安全水平較之發達國家還存在非常大的距離,如 2014年我國煤炭行業的百萬噸死亡率為 0.275 而美國僅僅是 0.02 以下。由于現代社會對煤炭生產企業的“經濟、效率、安全”等指標的要求越來越高,煤礦生產系統也持續以協調、智能、最優等作為興盛目標。但是在煤炭行業持續低迷和復雜的市場環境下,企業為了獲取更多的經濟效益,持續減少安全資源投入,進而頻繁引發傷亡事故,導致企業流失更多的安全事故經濟。 導致上述問題的主要原因是煤炭生產企業安全資源配置失衡。為了避免煤炭生產事故頻發,我國煤炭生產企業連年增加安全資源資金的投入以改善煤炭生產企業的安全水平,但由高額投入使安全水平得到的改善卻極度有限。安全資源的投入以及收益過分不平衡造成了安全資源浪費,明顯加大了煤炭生產企業的包袱。通過對煤礦進一步研究了解到,在有限的安全資源總價約束下,企業各個系統間同時保持著安全資源競爭,例如當系統對某部門供給較多的資源時,基于煤炭生產企業整體的投入總量限制下,相對應便會降低剩余的一個甚至多個部門的資源供給,從而導致其他部門的安全水平較低,進而煤礦整體的安全狀態都因此受到影響。 合理的安全資源是保障煤炭企業正常運轉的關鍵。同時,安全資源配置優劣是影響煤炭生產企業安全并高效率生產的重要因素,當安全生產目標函數得到滿足時,整合企業不同的安全資源投入促使當前企業的安全水平達到最佳狀態,以此達到經濟可靠高效的生產目標。因此,如何在保證安全生產條件下優化安全資源配置,提升煤炭生產企業安全生產的連續穩定性,成為煤炭生產企業亟待解決的一個重要現實問題。 
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1.2  國內外研究現狀
近年來,以提高安全水平為主要目標的煤礦安全資源配置一直備受關注,出現了多種安全資源配置方法以及優化方法。 高艷芬等[1]選用不變替代彈性(Constant  Elasticity  of  Substitution,CES)生產函數分析法對煤礦的安全效率進行了評價,進而利用最小二乘法對煤礦的安全資源配置進行了優化;張飛燕等[2]針對某煤炭生產企業安全資源投入的架構,采用灰色系統理論對其分析并優化資源配置結果;王金鳳等[3]構建了將效率最大作為目標函數,運用多目標規劃優化煤礦安全資源配置;余吉安等[4]基于煤炭生產企業技術水平和生產成本建立投資安全資源配置模型;Wu 等[5]基于環境的條件限制下,采用 DEA 算法對資源配置模型進行尋優;Lin 等[6]運用多目標方法構建資源配置的模型,并采用遺傳算法對該模型尋優;Azaiez 等[7]選用博弈論建立了安全資源決策的資源配置模型,進而運用啟發類算法對其尋優;Wang[8]采用模糊數學理論構建了可以有效處理資源分配問題的效率資源分配模型;邵宜航等[9]采用 Klenow 的方法并給予我國企業的實際情況,構建生產率資源配置模型;楊光等[10]針對經濟波動對資源配置的影響,構建了資源配置模型,并系統分析了尋優結果;汪朗峰等[11]采用隨機模型驗證科技資源配置與制度間相互作用關系,為合理的資源投入提供有意義的借鑒;阿儒涵等[12]采用委托代理的架構構建有關科技的資源配置模型;趙歌等[13]根據安全水平與生產效率間的關系,構建有關冗余度的資源配置模型;陳贊等[14]以節能減排作為約束,采用多目標規劃建立了安全資源配置模型;楊傳喜等[15]采用曼奎斯特與 DEA 相結合的方法對農林高校的資源配置效率實行研究。 上述的安全資源配置大多側重于資源配置模型構建及優化算法對模型進行尋優等方面,其主要安全資源配置模型多傾向于使用多目標規劃、博弈論和模糊學理論等方法;在模型尋優過程中主要運用了最小二乘法、DEA 等。上述研究了煤礦安全效率、資源分配、經濟波動以及委托代理等方面的資源配置問題,為本文明晰構建安全資源配置模型提供了參考。
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2  相關理論綜述
 
研究改進PSO運用于煤礦安全資源配置問題需要學習并掌握安全資源資源配置的含義以及 PSO 的相關理論。本章首先對安全資源配置的相關理論實行了闡述,然后說明了粒子群算法的概念,為今后安全資源配置模型建立與尋優奠定理論基礎。 
 
2.1  安全資源配置相關概念
安全資源投入系指在保障系統安全生產的前提下各項可分配的資源投入,目標是實現最佳的經濟效益,在提升安全水平與生產效率的同時,確保系統的正常運作與人員的生命安全。分局資源投入的不同功能,可將其分為生產資源投入與安全資源投入[31]。其中,安全資源投入系指為保證系統無障礙運轉在人員、物品與資金等各個方面必要的投入,以期為企業打造優良的安全生產前提與作業環境。 資源投入所產生的效益既包括生產資源投入產生的企業盈利增多以及成本降低,也包括安全資源投入固有的滯后性社會效益。因此,安全資源投入具有如下特性: ①預防性。安全資源投入的先決因素是保障煤礦安全生產,防范事故發生及員工受傷,確保系統正常運作。 ②針對性。對于系統安全生產而言,安全資源投入是不可或缺的環節,其包含人員、物品與資金等全方位的投入。 ③滯后性。安全資源投入的效果具有滯后性,系統運作一定時間后,才會逐漸體現,更重要的是,安全資源投入產生的經濟效益增額體現在事故經濟虧損減少,計算安全資源投入的后滯效益時,須加入時間要素考量。 ④潛在性。安全資源投入產生的滯后經濟及社會效益,須一段時間后可逐漸明顯,數字不能精確度量其效益具體高低。 
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2.2  BP 神經網絡概述
人工神經網絡(ANN,Artificial Neural Network)由眾多簡單、高度互聯的處理單元相互組成,是一個非線性的復雜網絡計算系統。該方法利用一定的數學模型形式對生物的神經結構及智能行為進行了模擬[35]。神經網絡由于自身特性,具有以下優點: (1)非線性。非線性神經元互連結構決定了神經網絡具有非線性性質,這一性質使得神經網絡在非線性信息處理方面具有優勢; (2)自適應性。該方法具備自適應等的性質,具有整合自身權值去適合變動的外部環境; (3)魯棒性。當運算環境是消極條件時,該方法的性能會成下降趨勢但不會一瞬間的失敗,因此具備最佳的魯棒性; (4)并行處理。該方法是以人腦工作模式進行模擬,是具備并行處理與容錯技能的繁復工作系統。 
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3   煤礦安全資源配置模型構建 .......... 17 
3.1   安全資源配置指標體系建立 ........ 17 
3.2   模型假設 .......... 19 
3.3   模型目標函數確定 ...... 19 
3.4   模型約束條件分析 ...... 21 
3.5   安全資源配置模型構建.... 22 
3.6   本章小結 .......... 22 
4   PSO 算法改進及模型求解步驟 .... 23 
4.1   改進粒子群算法研究 ........ 23 
4.1.1   PSO 算法的改進分析 .......... 23 
4.1.2   基于 Levy 飛行機制的改進粒子群算法 ........ 26 
4.1.3   試驗結果與分析 .... 27 
4.2   改進粒子群算法運用于求解安全資源配置模型 ....... 32 
4.3   本章小結 .......... 34 
5   改進 PSO 算法在煤礦安全資源配置的運用 .... 35 
5.1   Z 煤業集團概況 .... 35
5.2   Z 煤礦安全資源配置模型構建及求解 ..... 37 
5.3   基于 LF-PSO 算法的模型求解及結果分析 .......... 43 
5.4   本章小結 .......... 46 
 
5  改進 PSO 算法在煤礦安全資源配置的運用
 
5.1  Z 煤業集團概況 
Z 煤業集團是國有超大型煤炭生產企業,公司于 1964 年成立,原名 Z 礦務局[56],該企業不僅含有富饒的礦產能源以及得天獨厚的地理開采優勢,總計構建 160 座礦井投入生產。在集團礦井所處的地理環境方面,礦井所在地質條件安全稟賦較差,自然災害時有發生,內外環境的困擾制約了企業的發展。 Z 煤企業為了降低煤礦生產過程中事故的發生,加強了安全資源的投入與管理,事故發生次數有所下降,整體的安全狀態有所好轉,但資源分配還存在局限。 Z煤集團下設的礦井安全資源投入m上界為1500萬元,其年產量約為128萬噸煤。國家安全生產監督管理總局頒布了《企業安全生產費用提取和使用管理辦法》[57],限制了煤礦生產所需的花費。即當礦井的年產量達到128萬噸時,相對應的安全資源投入不低于500萬元。 通過研究發現,煤炭生產企業作為一個龐大且復雜的系統其構成大致可以劃分為人、機、環境、管理以及應急等。綜合分析煤礦在安全資源投入中數據的有效性且可行性,根據3.1節構建的資源配置指標體系,其安全資源投入大致劃分為人-機-環-管以及應急等5方面的投入[58]。 
..........
 
總結 
 
安全資源配置作為研究的熱點始終備受專家學者的關注,它的優劣是提高煤礦整體的安全狀態的關鍵。基于此,本文采用BP神經網絡建立安全資源配置模型,改進PSO算法對其尋優,進而運用實證研究證明其可行性,得出結論有以下: 
(1)鑒于安全資源和企業整體安全水平中存在非線性函數關系,本文從人-機-環-管及應急等5方面出發,將安全資源配置的輸入指標氛圍人員、機械設備、環境改善、安全管理以及應急救援,輸出指標為安全水平,為煤炭生產企業構建安全資源指標體系提供了有價值的參考。 
(2)根據煤炭生產企業強非線性、動態時變的特性,將安全水平最高作為模型構建的準則,擬合指標間的函數關系,并基于現實情況分析各指標的約束,進而建立安全資源配置模型,為最大程度的滿足企業所需的安全資源配置具有借鑒意義。
(3)運用Levy飛行機制改進PSO算法,Levy飛行機制給PSO一個較大的步長,較好地避免粒子在搜尋過程中深陷部分最優解,將萊維飛行機制改機的粒子群算法對模型進行尋優,能夠很好的搜尋煤炭生產企業的全局最優解。為煤炭生產企業在尋求全局最優的過程提出新的方法。 
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參考文獻(略)
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