煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方法決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

毛玉環(huán) 王振 姚 堯 季 雨

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京 100083)

1 引言

中國煤層氣資源豐富且分布廣泛, 為了科學(xué)有效的管理煤層氣資源分布, 本文設(shè)計(jì)了煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方法決策系統(tǒng)。我國煤田地質(zhì)條件復(fù)雜, 煤層氣區(qū)塊劃分, 影響因素繁多, 導(dǎo)致了煤層氣區(qū)塊劃分工作量大; 從經(jīng)濟(jì)效益和地質(zhì)儲(chǔ)量規(guī)模看, 煤層氣抽采產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高、投資回收期長, 決定了煤層氣區(qū)塊劃分等級(jí)的不同。為了使煤層氣抽采提供科學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù), 為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的煤田進(jìn)行區(qū)劃, 設(shè)計(jì)了煤層氣區(qū)塊劃分智能決策系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前決策系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致分為兩類模式,一是以數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識(shí)庫和對(duì)話管理等子系統(tǒng)為基礎(chǔ)部件構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 另一類是以自然語言、問題處理、知識(shí)庫等子系統(tǒng)為基礎(chǔ)部件構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)采用第一種模式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包括模型數(shù)據(jù)庫、知識(shí)數(shù)據(jù)庫、決策處理數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、智能決策處理模塊、信息交互模塊七個(gè)組成部分, 具有新建和管理模型案例、案例計(jì)算、結(jié)果展示、案例分析等功能。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)各組成部分的主要功能如下：

(1) 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫： 用來存儲(chǔ)各種系統(tǒng)的入口信息, 如決策者信息, 煤礦信息, 區(qū)塊信息和各影響因子屬性包括權(quán)值, 隸屬度值, 隸屬區(qū)間等信息。這些數(shù)據(jù)是決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

(2) 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫： 用來存儲(chǔ)煤層厚度, 煤層穩(wěn)定性, 含氣量, 資源豐度, 沉積環(huán)境, 鏡質(zhì)組含量, 煤變質(zhì)程度, 煤體結(jié)構(gòu), 空隙度, 滲透率,蘭氏體積, 含氣飽和度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行決策分析的重要基礎(chǔ)。

(3) 知識(shí)庫： 用來存儲(chǔ)煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方法的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。包括數(shù)據(jù)的合理性, 允許操作、規(guī)則等。它是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)決策應(yīng)用的知識(shí)基礎(chǔ)。

(4) 模型庫： 用來存儲(chǔ)支持決策計(jì)算的各類模型。如資源儲(chǔ)量優(yōu)先模型, 儲(chǔ)存因素優(yōu)選模型, 封蓋性能優(yōu)選模型等。它是系統(tǒng)的核心部分, 庫內(nèi)的各模型接受統(tǒng)一管理, 供決策者選擇使用, 可以進(jìn)行組裝、生成、連接等, 具有靈活、多變、實(shí)用的特點(diǎn)。

(5) 決策處理結(jié)果庫： 用來存儲(chǔ)決策過程中的各類中間數(shù)據(jù)和結(jié)果信息。

(6) 智能決策處理模塊： 在各類數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上運(yùn)用決策樹技術(shù)確定模型, 用模糊綜合評(píng)價(jià)算法決策出煤層氣區(qū)塊等級(jí)。

(7) 信息交互模塊： 允許決策者通過圖形界面下的人機(jī)對(duì)話進(jìn)行方案參數(shù)調(diào)整, 并把決策結(jié)果在界面中以可視化列表形式顯示, 生成網(wǎng)頁煤層決策數(shù)據(jù)以供瀏覽。

3 決策實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)主要針對(duì)各礦區(qū)煤田煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)的業(yè)務(wù)需求, 在進(jìn)行煤層氣區(qū)塊優(yōu)選時(shí)進(jìn)行輔助決策。相關(guān)人員先要為系統(tǒng)模型準(zhǔn)備樣本信息到樣本煤礦基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫, 然后, 系統(tǒng)從樣本煤礦基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中獲取樣本信息, 通過決策樹技術(shù)確定決策樹, 以制定決策方案, 配置模型。然后系統(tǒng)根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí), 以模型為向?qū)? 通過使用模糊綜合評(píng)價(jià)算法對(duì)煤礦煤層氣塊區(qū)優(yōu)選的影響因素, 如煤層厚度, 煤層穩(wěn)定性, 含氣量, 資源豐度, 沉積環(huán)境, 鏡質(zhì)組含量, 煤變質(zhì)程度等多種影響因子進(jìn)行研究和分析; 同時(shí)靈活設(shè)置參考模型的基本數(shù)據(jù)和參數(shù)配置方案; 最后根據(jù)煤層氣區(qū)塊劃分等級(jí)條件選擇區(qū)塊劃分等級(jí), 從而輔助決策者對(duì)煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方案選擇和確定。

3．1 決策樹技術(shù)

決策樹是一種可以對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行分類的樹形結(jié)構(gòu)。應(yīng)用決策樹技術(shù)對(duì)煤層信息綜合分析運(yùn)算產(chǎn)生一種自動(dòng)劃分抽采方式的決策樹, 經(jīng)過簡化的決策樹如圖2 所示。本決策樹產(chǎn)生是以礦區(qū)煤層的煤層厚度, 煤層穩(wěn)定性, 含氣量, 資源豐度, 沉積環(huán)境, 鏡質(zhì)組含量, 煤變質(zhì)程度等多方面的影響因素和已有的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)作為選取候選測試屬性和分裂屬性, 以煤層氣的區(qū)劃等級(jí)為目標(biāo)屬性, 按照C4．5 算法計(jì)算每個(gè)候選屬性的“信息增益”, 選取信息增益最高的屬性作為根節(jié)點(diǎn), 以根節(jié)點(diǎn)屬性的取值對(duì)目標(biāo)屬性進(jìn)行劃分, 然后對(duì)劃分后的子集重復(fù)上述過程, 直到所有的目標(biāo)屬性被劃分, 并通過剪枝算法對(duì)決策樹予以簡化而得到的。它的每一條從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)的路徑都可以轉(zhuǎn)化為一條規(guī)則, 產(chǎn)生的這組規(guī)則是對(duì)原有煤層氣區(qū)塊劃分規(guī)則知識(shí)的更新和補(bǔ)充。本系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)生的決策樹對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)配置, 確定決策信息的臨界值, 以便對(duì)煤層氣區(qū)塊信息進(jìn)行分析處理, 實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣區(qū)塊劃分的決策。

系統(tǒng)模型是以決策樹為依據(jù)建立的, 它是決策系統(tǒng)的核心。決策樹的建立為系統(tǒng)模型提供必要條件, 是系統(tǒng)的重要組成部分。管理者建立決策模型, 通過決策樹, 將決策的模型條件配置到模型庫中, 以供決策者獲取必要的信息, 并為系統(tǒng)區(qū)塊劃分的決策準(zhǔn)備條件。決策者進(jìn)入決策系統(tǒng)后, 選擇已有模型, 錄入礦區(qū)信息和煤層信息, 將煤層信息保存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫, 從模型庫中確定決策條件, 由系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)庫進(jìn)行相關(guān)決策操作。決策完畢后系統(tǒng)將決策結(jié)果保存到?jīng)Q策結(jié)果處理庫中。

圖2 決策樹

3．2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

決策者選用模型, 錄入煤層氣區(qū)塊基礎(chǔ)信息并保存到基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中后, 系統(tǒng)運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法, 對(duì)所考察的煤層基礎(chǔ)信息做數(shù)據(jù)處理, 決策所選煤層氣區(qū)塊的優(yōu)選結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)標(biāo)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià), 即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。煤層氣區(qū)塊劃分受到資源因素, 儲(chǔ)層因素, 封蓋性能等因素的影響, 資源因素同時(shí)包括煤層, 含氣量, 資源豐度, 沉積環(huán)境,煤巖特征等影響因子, 其中煤層因子包含煤層厚度, 煤層穩(wěn)定性兩個(gè)子因子。通過模糊數(shù)學(xué)評(píng)估法對(duì)所有影響因素設(shè)定三個(gè)層次： 第一層為影響因素信息, 第二層為煤層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息, 第三層為煤層氣子因素信息。系統(tǒng)將各影響因素的底層影響因子信息保存到基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中, 將計(jì)算中產(chǎn)生的影響因子信息作為中間數(shù)據(jù)存入決策處理結(jié)果庫中,以影響因子屬性信息為基礎(chǔ)綜合分析評(píng)價(jià)出決策結(jié)果, 并將決策結(jié)果保存到?jīng)Q策處理庫中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)各數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、查詢、刪除、備份和更新, 應(yīng)用Java 編程語言和JDBC 數(shù)據(jù)庫連接技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方法決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以下為實(shí)例操作過程： 管理者利用決策樹技術(shù)確定模型的配置方案,將相關(guān)信息保存到模型庫中, 決策者通過注冊(cè)信息獲得使用權(quán)后, 登錄進(jìn)入決策系統(tǒng), 選擇模型, 錄入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息, 保存到數(shù)據(jù)庫, 然后填入煤層氣區(qū)塊基礎(chǔ)信息保存到基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中后申請(qǐng)決策請(qǐng)求, 系統(tǒng)運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合煤層氣區(qū)塊信息, 知識(shí)庫, 基礎(chǔ)信息所有相關(guān)信息做綜合評(píng)價(jià)決策, 最后決策出煤層氣區(qū)塊優(yōu)選結(jié)果保存到?jīng)Q策結(jié)果庫中, 并同時(shí)生成瀏覽文件和excel 報(bào)表展示出決策詳細(xì)信息, 以供決策者閱覽。

人機(jī)交互性是煤層氣區(qū)塊優(yōu)選方法決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。一方面,決策者想系統(tǒng)提供信息,提出任務(wù)要求;另一方面,系統(tǒng)向決策者提供解決方案和決策命令,也可向決策者索取完成任務(wù)所需要的補(bǔ)充信息。方便快捷地完成條件的輸入、決策方式的輸出是高效決策抽采方式的基礎(chǔ)。使用該系統(tǒng)時(shí),用戶不需要具有專業(yè)知識(shí),只要根據(jù)系統(tǒng)提示,逐步輸入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)就可決策出礦區(qū)各個(gè)煤層抽采的可選方式,以供決策者參考。該系統(tǒng)的使用為瓦斯抽采提供了保證,實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦瓦斯抽采方式?jīng)Q策的智能化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化。

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