我國煤礦安全領域研究現狀及發展趨勢

潘理虎,張佳宇，張英俊，謝建林

(1.太原科技大學 計算機科學與技術學院,太原 030024;2.太原科技大學 環境與安全學院,太原 030024)

煤炭行業是國家能源的主要來源之一,也是國家經濟的重要支柱之一,是國民經濟發展的基礎,在我國具有重要地位?！笆濉逼陂g,煤炭產量總體上不斷增加,煤礦事故次數、死亡人數、百萬噸死亡率也呈逐年降低趨勢[1],我國煤礦安全形勢逐年好轉,但仍存在一些重特大事故。且隨煤炭開采深度化的發展趨勢,煤礦安全形勢越來越難以預測與控制[2,3]。目前,國內外相關領域的學者已對煤礦安全進行了大量的研究[4],并不斷為改善煤礦安全形勢提供新的思路和方法,但仍缺乏對煤礦安全研究知識結構體系全面系統的分析。

科學知識圖譜是一種用于顯示科學知識發展脈絡與結構的圖像,基于可視化的方法,能夠形象地揭示知識的發展進程和規律,提升用戶對于知識獲取的體驗[5]。面對海量數據,只有通過科學的方法對其進行整理分析,才能更好地對該領域進行深入探究。為此,本文借助科學文獻計量法——可視化分析方法(CiteSpaceⅤ)[6],以量化的方式探究上述問題。

1 數據獲取與研究方法

以Cnki期刊數據庫為來源數據庫進行檢索,主題=“煤礦安全”,時間跨度=“1998-2017”,檢索時間為2018年1月25日,經人工篩選,去除與煤礦安全主題不相干文獻,最終得到相關核心文獻4 479篇,以此作為數據來源,并采用關鍵路徑算法(Pathfinder)對其進行機構、作者及關鍵詞等方面的特征對比與分析。

圖1 文獻數量時間分布圖Fig.1 Time distribution map of quantity of literature

圖1為文獻數量時間分布圖。2006年前,發文量逐年增加,2006年后呈驟然下降趨勢,在2008年后發文量迅猛上升,并在2010年達到最高,表明當時煤礦安全的研究熱度高漲,之后又呈現出急劇下降,在2012年發文數量達到最低值,這也是煤礦安全領域研究的低谷期,直到2012年,先進計算技術被應用于煤礦安全領域,發文量開始回升,2014年,新能源突起,煤礦安全領域相關研究遞減。從整體看，煤礦安全研究熱度雖有起伏,但整體處于熱點狀態。

2 知識圖譜分析

2.1 煤礦安全領域的研究力量分析

2.1.1研究機構分析

使用Cite SpaceⅤ對煤礦安全研究機構進行知識圖譜分析[7],總結出煤礦安全研究機構現狀及其合作強度(見圖2)。從圖2可知,煤礦安全領域的研究機構主要集中在高校,除了涉及到工程方面的研究,還與管理學有著千絲萬縷的聯系。圖中共272個節點(節點大小代表該機構發文情況),152條連線(節點之間的連線表示機構間的合作發文情況),網絡密度為0.004 1,說明近二十年,中國煤礦安全領域的研究機構較為分散,機構間的合作交流有所欠缺。其中,中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院的發文量最多(如表1所示),達74篇;其次,西安科技大學能源學院51篇,中國礦業大學管理學院50篇,中煤科工集團重慶研究院有限公司33篇,太原理工大學礦業工程學院28篇。從中心性來看,中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院(0.19)最高?？梢?無論是發文量還是中心性,中國礦業大學都居于首位,表明中國礦業大學在煤礦安全領域方面的研究最具影響力,其次為太原理工大學礦業工程學院(0.07)、中煤科工集團重慶研究院有限公司(0.06)。

綜上所述,中國礦業大學在煤礦安全領域的研究相對較多,同其他機構之間的合作相對較廣,具有較高的影響力。除此之外,西安科技大學、中煤科工集團有限公司、太原理工大學都在不同程度的為煤礦安全領域的研究貢獻力量。

圖2 煤礦安全領域研究機構知識圖譜Fig.2 Knowledge map of research institutions in the field of coal mine safety

表1 煤礦安全領域研究機構頻次及中心性(前10位)Table 1 Frequency and centrality of research institutions in the field of coal mine safety (Top 10)

續表1

2.1.2研究人員分析

從個人發文量看,中國礦業大學的華鋼發文數量最多,共18篇;其次為西安科技大學的田水承(15篇)、太原理工大學的栗繼祖(13篇)、中國礦業大學的李新春(13篇)、安徽理工大學的孟祥瑞(12篇)、鄭州大學的王金鳳(12篇)、中國礦業大學的林柏泉(10篇)和太原科技大學的曾建潮(10篇)。這再次表明在煤礦安全研究領域,中國礦業大學和西安科技大學較為領先。

圖3 煤礦安全領域研究作者共現知識圖譜Fig.3 Knowledge map of research authors in the field of coal mine safety

從煤礦安全領域研究作者共現知識圖譜(圖3)可見,李亨英、曾建潮、陳兆波、李忠衛等人有較為密切的合作關系,他們都來自太原科技大學,主要開展關于煤礦安全事故人因分析[8-9]、安全評價方面的研究,為煤礦安全事故的人因分析提供參考。

鄭州大學的王金鳳、馮立杰和翟雪琪圍繞煤礦安全工程及安全管理展開研究,通過構建煤礦生產物流效率優化模型為安全生產前提下實現資源優化配置、提高煤礦生產物流效率提供了科學依據[10],并且為解決煤礦安全投入與安全績效的關系問題采用系統動力學進行煤礦安全投入與安全績效的仿真模擬,該成果為煤礦安全管理決策提供理論依據[11]。

中國礦業大學的華鋼、溫良和呂茂超團體主要研究煤礦安全監控系統體系,并在美國NI公司的LabVIEW平臺上設計了風機故障監測診斷系統、采用最小二乘法編制風機特征曲線,實現風機性能曲線擬合的可視化[12-13]。此系統與方法已用于煤礦行業,并取得了良好的檢測效果。

由此看來,煤礦安全領域研究人員間的合作研究并不明顯,為數不多的合作團隊也幾乎來自同一機構,跨機構、跨學科的合作研究少之又少,且并未出現有突出影響力的作者。

2.2 煤礦安全領域研究熱點分析

關于煤礦安全領域的研究,緊緊圍繞“安全生產(193次)”“安全管理(179次)”“監控系統(84)”“對策(53)”等核心概念(見圖4),表明研究熱點主要集中在煤礦事故的防治。

圖4 煤礦安全領域研究熱點圖Fig.4 Knowledge map of research hotspot in the field of coal mine safety

圖5 煤礦安全領域研究關鍵詞聚類圖Fig.5 Cluster diagram of keyword in the field of coal mine safety

且從圖5可見,煤礦安全領域的研究熱點可以歸納為以下七大類:

1)安全監察。煤礦安全監察執法是我國具有相應煤礦監管權力的職能部門。負責對煤礦進行安全管理,在預防事故發生和保障煤礦企業安全生產方面都具有舉足輕重的作用。然而,在實際執法過程中,監察技術落后,監察人員執法意識薄弱、專業素養和業務能力不足,以至于執法效果力不從心[14]。趙志剛和劉建等人分別從物聯網和云數據的角度對其進行了研究探討,不僅提高了煤礦監察工作效能,而且遏制了煤礦事故的不斷發生[15]。因此,安全監管執法的信息化建設是必要的。

2)一通三防?！耙煌ㄈ馈惫芾聿簧贫l的重大災害事故影響著煤礦企業安全生產的穩定運營。將安全監控技術與“一通三防”相結合,實現對煤礦井下不安全行為、瓦斯濃度等信息進行動態監測,能夠減少事故發生的可能性,以加強“一通三防”管理,如管理信息系統、通風系統等。

3)監控系統。智慧礦山的核心技術即為智能監控,結合現有的無線傳感器網絡、以太網等先進技術,對礦山生產、職業健康與安全、技術和后勤保障等進行主動感知、自動分析及快速處理[16-17],解決目前煤礦安全監控系統存在的通信實時性差、可靠性不高、易受電磁波干擾等問題[18]。

4)安全生產。煤礦在實施信息化管理與生產的同時,也帶來了隱私風險。大量煤礦安全數據和礦工信息在此過程中被收集、傳輸和存儲,那么,在這個數據共享的過程中是否能有效地保障數據安全,保護礦工隱私是大數據時代急需解決的問題[19]。

5)層次分析法(AHP)。將復雜的決策系統層次化有助于保障礦井的安全生產與管理。層次分析法能夠對影響煤礦安全生產的因素進行分析,從而為煤礦制定合理的安全措施提供理論依據。目前,主要與模糊綜合評價法、神經網絡結合,應用于安全評價、安全預測。

6)煤與瓦斯突出。采用先進技術減少煤與瓦斯突出事故發生率,如數值模擬、遠程智能監測預警系統,將信息監測技術與瓦斯涌出量等事故發生邊界值相結合,實現連續、動態地數據監測。

7)安全第一。安全保障是煤礦領域研究的重點問題。在考慮煤礦經濟的同時,安全投入必須引起重視,以預防為主,目前很多煤礦實施關井壓產,采取培訓、責任制等管理方式提高員工專業素質與能力[20],且使用大數據、云計算、物聯網等數字技術設計研發了許多智能監測預警系統[21],有效地降低百萬噸死亡率。

綜上所述,在煤礦安全領域的研究中,安全生產和安全管理一直為科研人員的研究熱點,其中瓦斯類事故的相關研究一直是領域內研究的重點問題。由于煤礦的安全數據種類多、規模大,傳統的數據采集處理技術難以滿足日漸增加的數據需求與數據存儲,因而基于大數據、云計算等信息化技術的應用逐漸成為煤礦安全領域研究的重點、熱點,其中,監測預警系統最具代表性。與此同時,研究者越來越重視安監人員的專業素質與能力,且采取安全培訓、制度約束等方式來提高。

2.3 煤礦安全研究趨勢前沿分析

對已有煤礦安全研究的相關數據進行突發性檢測,探索煤礦安全領域研究的關鍵詞突變情況。“安全監察”“數值模擬”“鄉鎮煤礦”的突變強度較大(如表2所示),其中“安全監察”的突變值和詞頻均較高,表明在1998-2005年期間,安全監察成為研究熱點。與此同時,“鄉鎮煤礦”也引起安全監察機構的重視,加強行政執法,保障煤礦安全。隨著互聯網的發展,在2010年,有關安全監控的研究驟增,從理論探討逐漸轉為實踐研究,安全監控系統逐漸出現于各個煤礦,能夠有效地降低煤礦事故發生率?！皵抵的M”有通用性強、方便靈活的優點,能夠有效地模擬煤礦環境[22-23],為研究者做實驗提供必要的數據?！拔锫摼W”和“云計算”于2012年快速發展,研究熱度持續較高,基于物聯網和云計算等先進計算機技術的煤礦安全智能系統的研究也隨之成為研究熱點。同時,煤礦安全影響因素研究也成為研究者所關注問題,尤其是不安全行為。從圖6可見,大數據、云計算技術、應急救援和安全工程是目前煤礦安全領域研究的熱點趨勢。如利用大數據技術可以實時分析煤礦遇難緊急逃生路線,并提供緊急救援。將虛擬現實技術引入煤礦安全工程,可以有效地提高礦工在施工過程中的安全性等。

結合表2和圖6可知,在煤礦安全領域的應用與相關理論研究中,基于大數據、云計算及物聯網等先進計算機技術的研究和煤礦事故發生的影響因素及應急救援將會是未來的研究趨勢。

圖6 煤礦安全領域研究時區圖Fig.6 Time zone map in the field of coal mine safety

表2 煤礦安全領域研究突現詞排序(部分)Table 2 Sudden word sorting in the field of coal mine safety(part)

續表2

3 結束語

運用科學知識圖譜分析煤礦領域的研究現狀及發展趨勢對煤礦領域發展有一定的理論意義。通過分析可知有關煤礦安全領域的研究相對較少,大多數研究只停留在理論層面,實用性不足,研究深度不夠,還有很大的發展空間。并且,煤礦安全領域的研究力量主要集中在高校,研究機構也較為分散,缺乏合作交流,不利于推動學術成果的創新。先進計算機技術的引人,將有助于煤炭生產,降低人員傷亡率,實現多渠道防治煤礦事故,特別是在影響因素及應急救援方面,使煤礦安全領域有一個良好的生產環境。