Математическая модель прогнозирования отказов автономного самоспасателя

Аннотация

Одной из самых опасных отраслей промышленности на планете является горнодобывающая. Существуют различные средства безопасности, защищающие шахтеров, работающих под землей, среди которых следует выделить автономный самоспасатель. Использована скрытая марковская модель и модель формирования кластеров для прогнозирования отказа автономных самоспасателей из-за человеческой ошибки. Принимается во внимание, что отказы автономного самоспасателя носят динамический характер, и модель корректируется для повышения точности. Получен критерий разделения состояний и дана матрица вероятности перехода состояний. Проверена точность предложенной модели. Предполагается, что необходимо разработать и использовать интеллектуальные и автоматизированные самоспасатели, которые могут сами диагностировать неисправности и помогать шахтерам во время эвакуации.

Полный текст

Introduction

Self-contained self-rescuers (SCSR) are devices used by miners to evacuate them-selves in the event of an emergency in a mine. There are two types of SCSRs: 30-minute and 60-minute, each of which is used once.

Compliance with norms and standards is a key factor in ensuring the safety of miners [1, 2]. According to the adopted norms, strict selection and quality testing of SCSRs is required. The tests are divided into laboratory tests – 50 % of the samples (minimum 6 units) are tested in an accredited laboratory according to the IS15803-2008 standard and practical tests, when the remaining SCSR samples undergo a performance test under conditions close to real ones, for example, at a rescue station. SCSR testing parameters and their limit values are given in Table 1.

Even if the above provisions are met, there is still a possibility that the device may fail during actual use or emergency use due to various reasons including human error.

Mathematical modeling Mathematical model selection

A large number of papers are devoted to mathematical modeling [3 – 12]. We use the grey Markov SCGM (1,1)c prediction model to study or predict the failures of SCSRs in emergency situations arise due to human error in the care and maintenance of SCSRs [13 – 15]. We have selected the grey Markov model to forecast or assess the errors due to following reasons:

  1. Error is not regular and it cannot be generalized.
  2. It is randomly scattered.
  3. Information on raw data is limited.

 

Table 1

SCSR test parameters and limit values

Parameter

Acceptance Level

Rated Duration (as per label)

Not less than 90 % of the specified duration

Inhalation Oxygen Concentration (% by vol.)

Not less than 21*

Inhalation Carbon Dioxide Concentration (% by vol.)

Not more than 1.5**

Maximum inhalation temperature dry bulb

Not more than 55 °C

Inhalation breathing resistance

Not more than 10 mbar

Exhalation breathing resistance

* A short term deviation to a level of not less than 17 % for a period of not more than two minutes at the beginning of the test is permissible.

** Throughout the rated duration of the apparatus, carbon dioxide concentration of the inhaled air shall not exceed 3.0% (by volume).

 

  1. Information is not valid for all the stake holders (for all the mining companies or mining players); hence we can say that information is neither perfect and nor certain.

Every mining company is not weak on budgets, hence it is very difficult to model such scenarios based on a probabilistic statistical model or mathematical statistics methods. The grey Markov SCGM (1,1)c is quite suitable for complex mathematical models.

Mathematical model development

Since human errors cannot be generalized, we can say that the error data is random. Taking into consideration of randomness of data, failure of SCSRs in time series x(0) can be expressed as

x0=x01,x02,...,x0n.                                                               (1)

First,  is integrated as follows, where

x¯1=x¯12,x¯13,...,x¯1n;                                                             (2)

x¯1k=m=2kx¯1m,   k=2,  3,  ...,n                                                         (3)

 x-(0) is a close mean value generated sequence for x-(0)

x¯1=x¯12,x¯13,...,x¯1n;                                                          (4)

where

x¯1k+1=x0k+1+x0k2.                                                         (5)

Random human errors in maintenance of SCSRs can lead to the failures of SCSRs; such failures of SCSRs are dynamic in nature and given that the integral sequence of failures of SCSRs time series is expressed as {x(0)(k)} that is associated with satisfaction trend of non-homogeneous index discrete-function expressed as

frk=beak1c.

Thus the data of x(1)(k) is fit to fr(k)

According to the grey system cloud prediction method, the grey system SCGM (1,1)c prediction model can be expressed as

dx1kdk=ax1k+u,     k2.                                                               (6)

Its time response function can be expressed as follows

x1k=x11+Ua  eakUa,                                                            (7)

where

a=lnk=2nx0k1x0kk=2nx0k12;                                                     (8)

b=n1k=2neak1x¯1kk=2neak1k=2nx¯1kn1k=2ne2ak1k=2neak12;       (9)

c=1n1k=2neakbk=2nx¯1k.                                               (10)

If, x¯11=bc, U=ac, x¯1k is reverted, the grey system SCGM (1,1)c prediction model in originality can be expressed as

x^0k=2b1ea1+ea eak1.                                                                    (11)

Then, the grey precision index Y(k), residual error e(k) and the relative error Dk can be calculated as follows:

Yk=x0kx0k;                                                                                         (12)

εk=x^0kx0k;                                                                                (13)

Δk=εkx0k.                                                                                           (14)

Equations (12) – (14) are the indicators of the grey fitting accuracy, which also reflect the degree of deviation in the predicted values to the original set of data.

Amended residual SCGM (1,1) c model to predict failures in SCSRs

The data for statistics of the failures of SCSRs due to non-maintenance could be larger and as a human’s behaviour is highly uncertain, therefore, regularity cab be weak in nature or may not be very strong. Hence, it is incorrect to predict accuracy based only on SCGM(1,1)c in order to predict SCSR failures due to human errors in SCSR maintenance. In order to improve the accuracy of the prediction rate and meet closely to the actual situation, the model is corrected to improve the accuracy. The amended principle and steps are as follows:

  1. The first time residuals data sequence has the following predicted value and the actual value, respectively:

ε0k=x^0kx0k,       k=1,  2,  ...,  n;                                                            (15)

ε0k=ε01,  ε02,...,  ε0n.                                                                     (16)

  1. Processing residuals correction sequence is as follows, if

M=1+ea11eab,

then the SCGM (1,1) prediction can be expressed as

x^0k=2eak1M.

If ε0k0,   k=1,  2,...,n, the SCGM (1,1)c model can be expressed as

ε^0k=2ea1k1M1

and a1, b1 and M1 can be obtained in the same manner as a, b and M as earlier used method.

Hence, the first time residual corrected SCGM (1,1)c model can be expressed as

x^ε1ε0k=2eak1Mea1k1M1.                                                           (17)

If the first time residuals corrected SCGM (1,1)c model can be expressed as

x^ε10k=2eak1M+ea1k1M1.                                                               (18)

If the first time the residuals amendment could not meet the accuracy of the required forecast, a second residual correction shall be carried out and so on until the required accuracy requirements are meet.

The residual correction generic model can be expressed as

x^ε2ε0k=x^ε1ε0k2ea2k1M2,                                                           (19)

where ε1ε0k0,   k=1,  2,...,n,  and 

ε10k0,   k=1,  2,...,n.                                                                            (20)

where ε10k0,   k=1,  2,...,n.

Amended Markov SCGM (1,1)c model for prediction of failures in SCSRs

The curve that we obtained as a result of forecasting SCGM(1,1)c is, in fact, an exponential curve, and the result of forecasting is a smooth curve. Since, human errors are the main part of the failures of SCSRs, the SCGM (1,1)c model solely applied cannot meet the required accuracy for the forecast. Markov’s theories have no aftereffect, that is to say, the future of the system is only related to the current state and there is no effect from the past state. Meanwhile, the Markov model is adopted to predict state trends through the transfers of probability which it can adapt to the randomness and variability of the state. Application of Markov theory to make corrections in the SCGM (1,1)c prediction model of failure of SCSRs due to non-maintenance as a human error can better solve the variability and randomness in maintenance of SCSRs caused by human errors to improve the prediction accuracy.

State divided criterion for the prediction of failures in SCSRs

Failures in SCSRs due to non-maintenance could change annually and are dynamic non-stationary random process. Therefore, the indicators of precision fitting the prediction shall also be variable and random as the boundary and connotation of the different annual states can change. Hence, an adaptive state divided criterion needs to be obtained, and the criterion should be consistent with the basic timing trend of the Failures of SCSRs due to non-maintenance.

Hence, k was divided into m states, and each state can be expressed as

Eiε1i,ε2i,    i=1,  2,...,m,                                                                     (21)

where ε1i=Yk+Ai; ε2i=Yk+Bi,

Ei is expressed as 𝑖 state, ε₁i and ε₂i are, respectively, expressed as the upper and lower bounds of the 𝑖 state, Ai and Bi are constants determined according to prediction data.

Since 𝑘 is a time function, ε₁i and ε₂i will be changed with time, so the state possesses variability.

When we say that the state is divided, the numbers of different intervals can be reasonably divided according to the actual situation. If our raw data will be less, the interval division shall be less to increase the number of transfers between the various states, and thus the transfer law shall be more objectively reflected between states.

Conversely, if raw data will be more, the interval division shall be less to excavate more information from a large number of data to improve the prediction accuracy. It will be suitable to adapt the clustering classification method to determine class number and classification intervals due to fewer data and the uncertain status of failures of SCSRs due to non-maintenance as a human error.

Developing state transition rate matrix for the prediction of failures in SCSRs

Let the original number of samples is expressed as s Mij(k) from the state Ei transiting to the state Ej by k step, and the number of occurrences of the state Ei is expressed as

Mi, so state transition probability can be expressed as

P¯ijk=MijkMi,     i,j=1,  2,...,M¯,                                                                 (22)

M ´ M state transition probability matrix can be obtained as

Pk=P11kP12kP13kP21kP22kP23kPm1kPm2kPm3k.                                              (23)

Determining the predictive value for the prediction of failures in SCSRs

The state transition probability matrix k reflects all statistical regularities of state transition, and the future system state steering can be predicted by investigating the matrix. In the actual analysis of the process, one step transition probability matrix is generally only examined. Given that predicted moment object is in the state Ek, investigating the k row of (1) can get the following below results;

  1. If max Pij = Pkl, the next time system should most likely shift from the state Ek to the state El.
  2. If there are two or more probability values identical or similar to k row in the matrix P(1), the future state steering will be difficult to determine; it needs to consider probability transition matrix P(2) or P(n) (n3).

The system's future state is determined by investigating the state transition probability matrix, and the grey change interval of relative prediction value in the future moments will also be determined; it can be expressed as [ε₁i, ε₂i]. The predicted value of the future moment can be expressed as the interval median as Y(k)Y'(k)

Y'k=x0kx0k=12ε1i+ε2i=Yk12Ai+Bi.                                             (24)

Error analysis

In order to examine the precision and accuracy of the proposed model, ground tests are required to determine the error between the forecast value and actual value. In this study, we use the relative percentage error (RPE) analysis to assess the model precision and accuracy.

Relative percentage error analysis

Relative percentage error compares the real and predicted values at specific time k. The RPE is defined as equation (14). The total model precision can be defined by average relative percentage error (ARPE) as below

ARPE=1nk=1nRPE, where k = 2, 3, 4.                                                  (25)

Analysis

A field study shall be able to determine the accuracy of the model. Since the field data is very difficult to get and study cannot be carried out, this mathematical model is accurate and it will determine the desired results.

We simulate a data point of one of the cluster of mines with 2500 employees going underground every day to check the accuracy of the SCGM (1,1) c mathematical model. This cluster of mines has a total of 2500 units of SCSRs, but they are not maintained to proper safety standards or there is a human negligence in maintaining those SCSRs. On forceful annual check or during the escape exercise annually, the rate of failure of SCSRs is illustrated below. The number of failed SCSRS in one of the mines from 2018 to 2022 are shown in Table 2.

 

Table 2

Values of failed SCSRs in one of the mines from 2018 to 2022

No.

Year

Annual failure of SCSRs

1

2018

54

2

2019

50

3

2020

52

4

2021

55

5

2022

47

Analysis based on SCGM (1,1)с prediction model

Based on the above data and calculations done on MATLAB, the values for a and b were 0.0072 and 7.359e + 03, respectively, then the grey prediction model was established. The obtained data from SCGM (1,1) c analysis of data with grey precision index are shown in Table 3.

 

Table 3

SCGM (1,1)c analysis of data with grey precision index

No.

Year

Real

value

Prediction

value

Relative

error

Grey precision

index, %

1

2018

54

52.93

0.01

102

2

2019

50

52.55

0.05

95

3

2020

52

52.18

0.003

99

4

2021

55

51.81

0.05

106

5

2022

47

51.44

0.09

91

 

Analysis of results based on SCGM (1,1)c prediction model

The analysis of results based on SCGM (1,1)c prediction model suggests that if the negligence on the maintenance of SCSRs due to human error happens, it results into the SCSRs failures. The grey precision index suggests that it can predict close to accurate results for the SCSRs failure or the said conditions.

This analysis implies that on an average 50 people are at risk of carrying failed SCSRs, which might not work or might not work in full capacity during the actual escape. Accidents in the mines cannot be assessed in advance and people working underground if they are carrying failed SCSRs; they are risking their lives and it can result into big fatal accident.

Conclusion

Mines are vulnerable to accidents and people’s safety becomes one of the priority assignments in case of mine accidents. With the help of an appropriate SCSR, a person can easily escape in various accident conditions such as influx of toxic gases or increase in explosive gases or when the mine environment has become suffocating. Given the life of the apparatus which is 10 years and maintaining such apparatus manually for such long period and following all the norms of the regulatory authority is a daunting task although it is in the benefit of the people.

Therefore, the time has come to think beyond to use a SCSR which is smart and which need not to be monitored all the time which can diagnose the faults by itself and can raise alarm in case of any fault. By using such SCSRs, miners can always be updated of the health of the SCSRs and it will give ultimate confidence to their preparedness of self-escape.

×

Об авторах

Валерий Григорьевич Матвейкин

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: terehova.aa@mail.tstu.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные процессы и управление»

Россия, Тамбов

Правин Кумар Правин

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Email: terehova.aa@mail.tstu.ru

аспирант кафедры «Информационные процессы и управление»

Россия, Тамбов

Борис Сергеевич Дмитриевский

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Email: terehova.aa@mail.tstu.ru

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационные процессы и управление»

Россия, Тамбов

Анастасия Андреевна Терехова

ФГБОУ ВО «ТГТУ»

Email: terehova.aa@mail.tstu.ru

аспирант кафедры «Информационные процессы и управление»

Россия, Тамбов

Список литературы

  1. Matveykin, V. G. Development and implementation of network based underground mines safety, rescue and aided rescue system / V. G. Matveykin, V. A. Nemtinov, B. S. Dmitrievsky, P. K. Praveen // J. Phys: Conf. Ser. – 2019. – Vol. 1278, No. 1. – P. 012017. doi: 10.1088/1742-6596/1278/1/012017
  2. Design Theory of Network Based Smart Self-Contained Self-Rescuer with Sensor Technology / V. Matveykin, V. Samarin, V. Nemtinov [et al.] // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies (EMMFT 2019). – 2020. – Vol. 2. – P. 178 – 186. doi: 10.1007/978-3-030-57453-6_15
  3. Битюков, В. К. Обобщенная математическая модель сетевой системы управления с конкурирующим методом доступа / В. К. Битюков, А. Е. Емельянов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2012. – Т. 18, № 2 – С. 319 – 326.
  4. Метод моделирования многосвязной цифровой системы управления процессом синтеза аммиака / В. С. Кудряшов [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2017. – Т. 23, № 4. – С. 572 – 580. doi: 10.17277/vestnik.2017.04.pp.572-580
  5. Попов, Н. С. К методике конструирования экспертной системы оценки промышленной безопасности / Н. С. Попов, Н. В. Лузгачева, М. Т. Чан // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2013. – Т. 19, № 1. – С. 43 – 51.
  6. Серов, А. Ю. Действующая компьютерная модель производственного предприятия / А. Ю. Серов, А. В. Сморгонский // Экономика и математические методы. – 2009. – Т. 45, № 3. – С. 40 – 47.
  7. Дмитриевский, Б. С. Бизнес-модель управления планированием на наукоемком предприятии / Б. С. Дмитриевский // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. – 2007. – № 5. – С. 66 – 68.
  8. Математические модели многосвязных объектов управления / М. Н. М. Саиф, В. Г. Матвейкин, Б. С. Дмитриевский, А. В. Башкатова, А. А. Мамонтов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2019. – Т. 25, № 1. – С. 53 – 62. doi: 10.17277/vestnik. 2019.01.pp.053-062
  9. Панченко, И. С. Математическое моделирование и алгоритмизация организационно-технологических систем, производящих инновационную продукцию : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.13.06 / И. С. Панченко. – Тамбов, 2012. – 16 с.
  10. Джамбеков, А. М. Оптимальное управление процессом каталитического риформинга бензиновых фракций / А. М. Джамбеков, И. А. Щербатов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2017. – Т. 23, № 4. – С. 557 – 571. doi: 10.17277/vestnik. 2017.04.pp.557-571
  11. Управление объектами с взаимосвязанными величинами / М. Н. М. Саиф, В. Г. Матвейкин, Б. С. Дмитриевский, А. В. Башкатова, А. А. Мамонтов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2019. – Т. 25, № 2. – С. 206 – 218. doi: 10.17277/vestnik. 2019.02.pp.206-218
  12. Матвейкин, В. Г. Проектирование системы управления инновационно-производственной системой / В. Г. Матвейкин, Б. С. Дмитриевский, И. С. Панченко // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. – 2011. – Т. 17, № 2. – С. 289 – 296.
  13. Jiang, X.-C. Application of Weighted Markov SCGM(1,1)c Model to Predict Drought Crop Area / X.-C. Jiang, S.-F. Chen // Systems Engineering – Theory & Practice. – 2009. – Vol. 29, No. 9. – P. 179 – 185, doi: 10.1016/S1874-8651(10)60072-5
  14. The research of the application of grey Markov SCGM (1,1) model in the prediction of source water quality / J. Wang, D. Liang, Y. Xu [et al.] // Proc. 2nd International Conference on Applied Mathematics, Modelling, and Intelligent Computing (CAMMIC 2022). – 2022. – Vol. 12259. doi: 10.1117/12.2641081.
  15. Azadeh, A. A simulated-based neural network algorithm for forecasting electrical energy consumption in Iran / A. Azadeh, S.F. Ghaderi, S. Sohrabkhani // Energy Policy. – 2008. – Vol. 36, No. 7. – P. 2637 – 2644, doi: 10.1016/j.enpol. 2008.02.035

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».