煤矿安全管理可视化技术发展分析

关键词:煤矿安全管理;数据挖掘;可视化技术;可视化需求;发展趋势

引言

随着各类信息技术在煤矿安全管理中的广泛应用，一方面推动安全生产监控、应急救援、人员管理的发展，另一方面由于煤矿安全信息具异构异质性，安全数据呈现多维结构、联动性、隐喻性的特征，增加了人员信息理解与使用的难度。同时，由于系统对矿井环境进行实时监测，产生了TB级的海量数据，爆炸式的信息增长超出了管理人员的认知能力范围，导致信息处理滞后、业务流程繁琐、信息资源利用率低下的现象，管理人员对安全数据、信息的认知与利用不足已严重阻碍了煤矿安全管控提升。可视化技术为解决这一难题提供了有效手段。认知科学研究表明，视觉获取、接收的外界信息占人类认知信息的75%，且人脑处理视觉刺激的脑神经活跃度显著高于听觉、触觉等其他感觉输入［1］。通过完善煤炭企业安全管理可视化相关研究，探索煤矿安全可视化管理论框架与客观规律，能够有效提升管理人员在有限认知条件下的信息获取与分析能力，煤矿科学安全管理、科学管控水平。

1可视化技术相关研究基础

1.1可视化管理的研究发展历史

可视化技术深刻影响着可视化管理、可视化表达的发展。可视化的思想自古便已在管理活动中得到应用，如标识、指示灯等。经过大量的文献调研，可视化管理的发展分为了4个发展阶段，可视化管理不同发展阶段的特征对比见表1。由表1可知，可视化管理思想与技术随着技术进步而不断发展。从最早期的管理活动中，利用人工绘制简单图形化。随着电力与自动化技术发展，数据开始自动采集、传输与集成，形成各类信息图表。各类CAx软件与自动化集成技术在矿井安全管理的应用，逐步开始信息自动化集成与智能分析，将结构化、规范化的数据信息转化为更加易于认知的视觉表达。当前，ICT技术与人工智能学科飞速发展，正在尝试将在结构化、非规范化的安全数据中挖掘潜在规律，实现科学预测分析。

1.2可视化表达的研究历史趋势

可视化表达是数据、信息的外在视觉表达。随着可视化管理与可视化技术的变化，可视化表达同样分为科学计算、数据、信息、知识的可视化表达4个发展阶段［2-3］(表2)。由于煤矿安全管理中工程技术、业务经营、战略决策的不同人群面对数据类型不同，故可视化所适宜的可视化要素也不同。例如，安全管理的工程技术人员多面临空间、时间类数据，最需要将海量数据进行实时、完整地可视化展示，因此多用信息图表，或者将多维度信息进行图像处理展现在同一交互界面。目前，煤矿安全管理的可视化表达方式绝大多数仍处于图像处理和简单的数字仿真，知识可视化条件下的辅助决策、知识发现是未来可视化技术应用的必然趋势。

2煤矿安全管理的可视化需求分析

色彩、图标等简单可视化手段很早便在煤矿安全管理中得到应用，经实践证明能够促进管理者理解、辨别信息的效率，有效提升信息接收者的逻辑分析、归纳、学习等认知活动效率。当前，人工智能、可视分析、认知心理学等可视化前沿技术与理论的发展，为煤矿安全管理的可视化应用提供了更大的应用空间。因此，煤矿安全管理系统需充分结合煤炭行业安全管理活动的特征、安全管理人员视觉特性与管理任务需求，分析具体的安全可视化需求:(1)煤矿安全管理活动的基本特征。矿井安全管理包含设备、环境、人员等诸多管理对象，需实时采集瓦斯、风、围岩、水、粉尘等环境数据，以及设备运行、人员行为等关键信息。这些数据涵盖了空间类、时序类、关联类的关系类型，横跨不同学科领域的运行机制与基本原理。此外，井下环境与矿井生产条件是不断变动的，煤矿安全要求实时监控井上、井下安全相关活动的全过程。因此，如何筛选整理海量对象属性的多维异构数据，并且保证数据的完备性、时效性是煤矿安全可视化的首要需求，如数据清洗、数据降维、关联性分析等处理。(2)煤矿安全管理人员的差异特征。煤矿安全需处理海量安全数据，其中很大部分为无关、重复的冗余数据，以往的安全管理大多依托经验信息进行分析和过滤，给管理者认知造成很大浪费。由于个体的信息认知容量有限、且认知效率存在显著差异，煤矿安全管理的可视化应用应考虑管理人员的个体差异对信息认知的影响。针对不同数据内容、管理要求选择科学优化的可视化表达，实现辅助管理活动。比如，通过位置结构变化突出信息关注点，或以颜色对比而突出警报信息。

3煤矿安全管理的可视化技术研究现状

可视化方式是对现实世界数据信息的视觉加工与优化。现今国内外煤矿安全管理可视化应用研究主要集中于煤矿安全管理信息与过程。(1)煤矿安全管理信息可视化。如杨少强［4］、赖川隆等［5］利用GIS系统、OpenGL、OCI等三维可视化技术实现采沉区、煤层底板和矿体基岩面的三维建模，构建了矿区、井下的地层仿真模型。赵志娟等［6］、ZuqiangXiong等［7］开发了矿井三维调度平台，实现对煤矿井上、井下地理信息、人员定位、生产调度、设备运转等信息的实时监控。郝天轩等［8］、ZhangluTan等［9］分别基于模糊集合分析、数据挖掘建立了可视化的矿井安监信息系统与井下设备点检系统。(2)煤矿安全生产过程可视化。如刘萍萍［10］、黄波［11］等人结合煤矿矿井环境特点，构建了适用于煤矿生产的矿井生产环境虚拟现实仿真平台，满足矿井生产的实时监控与自动监管需求。时桂彪［12］研发了基于网络实现的动态绘制井下工作面三维模型的方法，有助于矿井生产过程中的煤质信息分析与预测。徐雪战等［13］、XinfengDu［14］开发了综采过程、井下排水的模拟仿真系统，实现煤矿生产过程的可视可控。综上所述，当前煤炭企业安全管理的可视化技术应用主要集中于灾害预警、地质结构分析等问题，仅有较少的经营决策、项目管理等可视化应用。即当前煤矿安全管理可视化应用多集中于工程技术类问题，对于业务分析与经营管理活动的可视化，多停留在简单图表的形式，可视化技术应用较为匮乏。

4煤矿安全管理的可视化技术应用现状

煤矿安全管理除了早期应用色彩、图标等简单的可视化图表，随着新一代信息通信技术、物联网技术等的应用发展，信息图表、数据渲染、模拟仿真、虚拟现实等可视化表达技术，以及数据挖掘、人工智能、专家系统等可视化分析技术也在煤矿安全管理与信息系统中大量采用。(1)从整体行业的安全信息系统建设角度，在__煤炭行业信息化发展水平调研中，我国煤炭行业整体信息化水平较为落后，煤炭行业IT系统覆盖率，中国57%，美国99%，澳大利亚87%，印度73%［15］。可视化技术依赖于完善的自动化设备、信息系统与网络设施，因此，未来需加强生产安全为主的信息化建设。(2)从煤矿安全信息的可视化需求角度，煤炭安全经营管理的信息量大、类型多样、关系复杂，且煤矿生产条件与环境具有极高的不确定性，这些都是目前煤炭行业的各类综合自动化系统的短板。因此，如何结合煤矿安全工程需求，对这些已有信息系统数据进行有效融合、挖掘分析、优良可视化展示，是煤炭安全管理可视化的发展趋势。(3)从煤矿安全可视化技术应用角度，虽然现代信息系统、或传统现场操作中已积累了丰富的实践经验，但仍缺乏相关基础理论研究，尚未形成可视化的科学理论体系。(4)从煤矿安全信息的认知效果角度，我国煤矿安全管理系统大多以业务为主线，忽略了“人”的主观认知差异，即欠缺基于人因工程设计。例如，不同人群对于可视化元素的排列模式、展示形式存在认知偏好，因此需设计面向不同认知需求的交互系统。

5结语

基于可视化管理、可视化方式等基础研究理论，围绕煤矿安全管理的可视化需求，分析了我国煤矿安全管理的可视化研究现状与应用现状。Card的研究提出了“可视化的本质是信息意义重构循环的过程。”未来需将安全数据、信息与管理人员的实践行为、心理活动充分结合起来，是煤矿安全管理与可视化实现真正的结合。因此，未来煤矿安全管理的可视化发展将呈现如下趋势:(1)结合认知心理学原理，分析不同安全管理人员的信息可视化需求和偏好，提升认知效率。(2)利用数据挖掘技术，进行非规则安全数据的周期性、时序性等多种分析，挖掘表层安全信息的深层内涵。(3)结合先进制造、智能制造等最新制造业技术，不断更新煤矿安全生产与管理技术要求，探索基于可视化的安全管理模式。

作者：方毅芳 单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所