综合安全决策方法在安全装备设计中的应用研究.docx

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综合安全决策方法在安全装备设计中的应用研究

本科毕业论文（设计）

题目：

综合安全决策方法在安全装备设计中的应用研究

姓名：

学号：

专业：

安全工程

院系：

土木与环境工程学院

指导老师：

职称学位：

完成时间：

2015年5月

教务处制

安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书

本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：

综合安全决策方法在安全装备设计中的应用研究

摘要

国家的发展的离不开能源，因此在当今社会中，煤炭产业是国家能源发展的重要支柱之一。

但是，由于安全投入和安全管理水平的低下是影响煤矿安全状况的两大重要因素,从而导致我国煤矿安全事故频频发生,主要是我国煤矿企业的安全资金缺乏造成的。

而安全决策作为一门将管理技术与经济效益相结合的方法,无疑是解决以上问题的有力工具。

本文针对煤矿中所发生的事故设计了一种救生舱，在矿难发生时，能用于紧急避难的一种安全场所。

在遇险人员无法撤离危险区域时可以迅速躲进救生舱，救生舱无需外部能源补给，就可以为幸存人员躲避有毒有害气体、浓烟烟尘及氧气缺乏等危害，提供一段时间的生命生存保障。

对于挽救井下幸存人员的生命具有积极而重大的意义。

在本文中主要运用安全决策中的评分法和决策树法对该设备进行评分和分析。

评分法中将运用到0-4评分法对救生舱进行评分，从而得出组成救生舱各系统的重要性程度；决策树法中先画出决策树，在利用决策树对救生舱进行研发分析，从而选择经济适用行的研发方案。

关键词：

安全决策；救生舱；评分法；决策树法

ResearchonApplicationof ComprehensiveSecurity DecisionMethodin theDesignof Safety Equipment

Abstract

National development cannotdowithout energy, so intoday'ssociety, thecoalindustry isanimportantpillarofnational energydevelopment. However,becauseofsafetyinvestmentandsafetymanagementlevelislowarethetwomostimportantfactorsaffectingcoalminesecuritysituation,leadingtocoalminesafetyaccidentshappenfrequentlyinourcountry,mainlyisthesafetyofthecoalenterprisesinourcountryduetolackoffunds.Andsafedecisionasagoalkeepermanagementmethodofcombiningthetechnicalandeconomicbenefits,isapowerfultooltosolvetheaboveproblem.

Accidentsincoalmines,thispaperdesignedakindofcapsule,inminedisasteroccurs,canbeusedforemergencyshelterasafeplace.Indistresspersonnelcannotwithdrawdangerousareacanquicklyhideinthecapsule,thecapsulewithoutexternalpowersupply,canbesurvivedforpersonneltoavoidtoxicorharmfulgases,smokedustandlackofoxygentoharm,foraperiodoflifesecurity.Tosavesurvivedundergroundstaff'slifehasapositiveandsignificantmeaning.

 This thesis mainly applies the point method and decision tree method in the security decision-making to analyze and evaluate the device. The author applied 0-4 point method to evaluate the capsule to get the importance degree of the systems that make up of the capsule; and in the decision tree method, the author firstly draws the tree then use the tree to analyze the development of the capsule, finally choose the most economical and practical development project. 

Keywords:

 SafetyDecision; Capsule; Evaluation; DecisionTree

1绪论

1.1论文背景

煤炭在近代工业发展历程中成为造福人类的“黑色金子”，有“工业粮食”的美誉。

我国是一个多煤缺油少天然气的国家，煤炭是中国最主要、最安全和最可靠的能源。

这就决定了煤炭工业必然在我国国民经济中起着极其重要的作用。

2001-2002年，煤炭行业在所有行业增长景气指数排名中名列第一，是收入增长最为迅速的行业。

己经成为我国重要的能源支柱产业之一[1]。

但是，当前我国煤矿行业信息化水平仍然较低，信息技术应用不平衡，由于煤矿长期粗放经营和国家在煤矿信息技术应用上投入不足，适用于煤矿井下的信息技术、电子信息产品和信息系统的研发及产业化水平非常落后，煤矿井下安全生产的技术支撑保障较为脆弱，这在一定程度上制约着煤矿安全生产工作。

从系统集成来看，有关生产、管理的自动化与信息化水平相对较低[2]；从产业角度看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对滞后，研发力量薄弱，适合煤矿行业特点和需求的软硬件与电子专用设备、仪器目前仍比较缺乏，还难以满足煤矿安全生产的需求和技术升级的需要[3]。

与此同时，应用在煤矿当中的安全设备，其研究成本高，应用局限性也相对比较大等因素。

在一定程度上制约了我国煤矿行业的发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1安全装备研究现状

1.2.1.1国外

煤矿的安全问题一直受到重视，但是对于安全设备的开发最近几年才受到人们的重视，在目前煤矿的安全装备主要有监测设备和救生设备，前者有瓦斯监测设备和顶板设备等，后者有救生舱和避难硐室等。

在国外对安全设备的研究是继20世纪50年代采煤技术的出现才开始的。

然而在目前煤矿的监测系统多数采用有限信号传输方式，使监测系统的移动性变差，从而监测系统在井下许多区域的监测受到限制。

以瓦斯为例，监测系统很难对采空区、综采工作面等瓦斯气体大量聚集的区域进行监测，针对监测系统的难以移动这问题，国外一些专业人士提出ZigBee技术，ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性的无线网络技术，能够对一些短距离、特殊工作条件下的环境参数进行检测和对工作人员的实时跟踪。

在监测系统融入了ZigBee技术，使监测系统在煤矿中的应用价值更加明显。

国外煤矿中运用的安全设备（救生舱），其一般分为硬体式和软体式。

其具备基本功能包括气密性、隔热性、供氧、空气调节、动力系统、CO2处理、气体监测、通讯指标、附属设施，但具体指标不同。

在隔热性能方面一般涂抹一层隔热材料；在供氧方面一般是通过压缩空气和氧气这俩种方式，同时还配置一个氧烛（应急氧源）；在电力提供方面一般多采取矿山电源和蓄电池供电，并且蓄电池多采用铅酸蓄电池；对救生舱中的废弃排放多采用化学方法进行处理等。

救生舱在国外经历俩个阶段，俩个阶段最明显的区别是：

一、结构改进，承重能力增强；二、制冷系统。

在制冷系统中，澳大利亚某公司研制了干冰为介质的制冷系统。

将干冰放在救生舱的独立隔舱中，利用干冰吸热蒸发的原理，来达到降温的效果。

而有的是改变救生舱的设计尺寸，来实现降温的。

还有的将救生舱设计成底面与井下地板直接接触，加快舱内的散热。

1.2.1.2国内

我国国内的安全监测技术应用较晚，主要是通过向外引进的方式发展起来的。

我国近几年来向国外引进了数十套监控监测系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF-200系统、加拿大的森透里昂系统等。

我国在安全监测系统方面技术较为落后，在中国的大型煤矿救生设备，就可移动式救生舱而言，现阶段配备较低。

在可移动式救生舱的研究中，主要对其功能进行定位，以及对舱内的设施进行研究。

舱内设施研究主要是对舱内的供氧系统、排泄物的收集和处理、空调系统以及对有害气体的除去等进行研究。

然而在空调系统这部分中国内主要运用二氧化碳制冷除湿系统以及冰蓄冷空调系统这俩类。

如中澳合资迈安科安全设备制造公司生产的救生舱采用液态二氧化碳喷射制冷，并利用释放的正压气体驱动舱内的风扇从而来进行降温的。

国内煤矿中运用到的安全设备（救生舱），一般是用钢制材料制造而成，不仅成本高，而且在矿井中使用也会受到空间的限制。

国内救生舱的氧气提供一般采用压风供氧，在压风系统损坏的情况下才采用压缩氧气瓶供氧；在电力供给方面采用矿用隔爆兼本安电源，在外部电源可用的情况下，可用外部电源供电，并对矿用隔爆电源进行充电，只有外部电源损坏，才会用隔爆电源进行供电。

与国外相比，国内缺乏大型研发安全设备的企业，只能依靠各个部门的共同合作来完成；并且国外救生舱产品多数应用于金属矿山，煤矿用产品较少或不够成熟，且国外煤矿多为房柱式开采，与我国煤矿长臂式开采存在巨大差异。

因此直接引进国外现有救生舱产品并不能很好的适应我国煤矿生产条件。

所以，我国的救生舱研发工作必须针对本国煤矿的复杂生产条件。

而且国外的安全氛围浓厚，经济实力强大，相关人才较多。

1.2.2设计方法研究

随着社会的发展，新产品、新工艺、新技术的不断涌出，研发的方式也将随着它们的不断涌出而逐渐得到发展。

集成产品研发（IntegratedProductDevelopment,简称IPD）是一种产品研发的理念、方法与模式，由美国PRTM公司在《产品及生命周期优化法》（简

称PACE—ProductAndCycle-timeExcellence）一书中首次提出。

根据迈克尔.E.麦克格拉斯提出了产品周期优化PACE（ProductAndCycleExcellence）的研发模式中的思想而产生的一种研发方式[4]。

精益研发是实现了第一次系统地以质量数据总线（QBUS）来整合各种产品质量信息（如几何信息、物理信息、系统可靠性等）的一种研发方式。

是一种以精益为目标的研发方法，它集成了技术创新、协同仿真以及立体质量设计三大核心技术，实现产品质量跨越式的提升。

安世亚太作为这一理念的倡导者。

敏捷研发方法产生于20世纪的30年代以前，就产品研发方面，与传统的瀑布式开发模式相比，敏捷研发方法则被认为是一种新生的、现代的开发模式。

此方法曾被引入到开发的项目中去。

主要是采用迭代及增量开发方法,主要是运用在非软件项目。

如在20世纪60年代美国航天局的“水星”计划中就引入了此种研发方法。

1.3本课题研究的内容及技术路线

1.3.1研究内容

本文的研究主要内容是关于在我国煤矿中的安全装备设计的研究，重点研究可移动式救生舱内部结构设计特点，以及在煤矿中的使用性能状况。

利用安全决策中的评分法和决策树法这俩种方法，对可移动式救生舱进行定量分析和定性分析。

从而选择一个经济最优化的方案。

1.3.2本课题技术路线

救生舱的组成、功能以及技术原理

图1.3技术路线图

2救生舱工作原理及结构特点分析

2.1救生舱

2.1.1救生舱的概念

救生舱指具有一定容积和一定密闭性，且还具有良好的牢固性、隔热性、防水性、保温性、动力性、耐压性等，通常为钢、合金等坚固材料制成舱体结构。

2.1.2救生舱的分类

根据救生舱的用途不同，大致可分为太空救生舱、潜艇救生舱、航海救生舱、航空救生舱、矿用救生舱等。

救生舱舱体内又可根据需要，设置休息舱、储水舱、氧气舱、动力舱、能源舱、空调舱、食品舱等。

我国用的较多的救生舱主要是应用于煤矿紧急安全避险用矿用救生舱。

在本文中对矿用救生舱的设计进行研究。

矿用救生舱一般可分为固定式和移动式这俩类。

由于移动式救生能够随着场所的变动而移动，具有方便灵活的特点，所以在目前应用越来越来广泛。

可移动式救生舱按外壳材质可分为硬体式和软体式；按机械结构特点可分为组装式、整体式、其他。

图2.2软体式救生舱

硬体式一般是用钢材等硬质材料制成的，具有一体式、分节组装式等类型，如图2.1所示。

软体式采用阻燃、抗静电、耐高温帆布等材质制成，在遇到突发状况时，依靠快速自动充气膨胀架设，如图2.2所示。

不论哪种装置，在井下发生灾难时，都能保护工作人员的生命安全。

图2.1硬体式救生舱

2.2可移动式救生舱的设计

2.2.1可移动式救生舱的概念

矿用可移动式救生舱是设置在矿井下各危险工作区域的密闭空间，一般为钢制腔体，舱体应具有抗爆炸冲击性能、整体气密性要求、持续耐高温能力等特殊的安全防护功能。

如KJYF96/8矿用可移动式救生舱舱体设计依据潜艇结构进行设计，整舱均采用双层钢结构，由壳版加框架组成，框架为实肋带纵骨式，填充有效的隔热保温材料。

设计中采用了抗爆、抗冲击结构优化设计技术、密封结构优化设计技术、救生舱专用快速封闭防爆水密门技术、舱体模块化快装技术和基于数值模拟的抗爆、抗冲击结构可靠性技术等关键技术。

整舱由过渡舱、生存舱、隔离舱三部分组成，由九节舱体基本单元连接组装而成。

2.2.2可移动式救生舱的技术原理

通过监视系统、氧气供给系统、空气净化系统、温度湿度调节系统、生存保障系统、废物处理系统、动力保障系统与舱体的有机结合，从而实现在矿难发生时能给遇险人员提供避难场所；给遇险人员提供可靠的生存环境（包括空气、食物、水等）；同时也提供遇险人员的生理排泄场所；舱内温湿度具有可调控，以保证遇险人员在避险装置中温湿度的适宜性；具有通信、联络功能；具有舱内视频、语音记录功能；具有可拆卸、移动功能。

采用了潜艇用空气净化系统、供氧系统、仪表控制系统、防水密闭系统、生存保障系统等多种专项产品的核心技术，使产品可靠性更高，防护效果更好。

2.3氧气供给系统

2.3.1氧气供给系统概述

救生舱是一个有限密闭空间，由于舱内人员的呼吸，需要不断消耗舱内氧气，为保证舱内人员正常的呼吸，必须不断向舱内供应氧气，并且救生舱内的氧浓度维持在18.5%~22%的要求范围内，救生舱内必须设计3级供氧装置向生存舱内接替式的进行供氧以持续保证8人96小时的耗氧量。

舱内供氧过程中会不断的提升舱内气体压力，同时还为保证舱内气体压力在200~1000Pa范围内，在救生舱不同位置设置了手动及自动泄压装置，以便控制舱内的压力。

图2.3供氧系统

2.3.2系统组成及功能

救生舱供氧系统设计最终解决的是救生舱内避险人员呼吸用氧的保障。

整个供氧系统分为3级独立工作的供氧装置，如下图。

1、第一级供氧装置，是通过原矿井压风自救系统向舱内供氧，为此，救生舱设计专用的矿井压风自救的引入装置，并对引入气体经过减压、节流、消噪音、过滤处理输送至救生舱避难人员生存终端，以达到适宜人呼吸的状态。

2、第二级自备供氧装置，是为了防止矿井压风供氧装置遭到事故破坏后救生舱内储备的继续给舱内避险人员提供呼吸的氧源。

3、第三级紧急供氧预案则是在前两级供氧系统失效时采用救生舱内过渡舱空气幕压缩空气向舱内供气以达到应急供氧，再则采取舱内自备压缩氧气自救器作为短时间应急供氧功能，用以延长等待救援时间。

2.4空气净化系统

2.4.1空气净化概述

可移动式救生舱（以下简称救生舱）需要在与外界环境完全隔离的条件下额定8人生存96h以上，避难人员在舱内时，呼吸会产生大量的二氧化碳气体，并且人体自身代谢也会产生微量的一氧化碳。

此外，在避难人员进入舱内时，不可避免的会带入一些舱外的空气，这时舱外一些可能存在的有毒有害气体就有可能进入舱内。

为解决上述问题，救生舱内必须设置空气净化系统，保持舱内空气成分适合生存，保障避难人员在舱内的正常呼吸需要。

因此在空气净化系统设计中采用了空气幕、压气喷淋装置、非再生式二氧化碳净化技术和微量污染控制技术等关键技术。

2.4.2系统组成及功能

空气净化系统用来维持舱内空气质量，吸收有毒有害气体，须包含以下几种功能：

1）锁气及洗气功能。

避难人员进入舱内时，舱外的有毒有害气体可能会在打开舱门时进入舱内，或者附着在人体衣物上被带入舱内。

因此锁气的功能是能够使舱门打开时，舱外空气不会进入舱内，并且对人体附着的有害气体有一定的清洗作用。

洗气的功能是能够在舱内有害气体含量过高时，有效的净化舱内空气，使舱内空气指标适宜人体生存。

2）二氧化碳吸收功能。

避难人员在舱内生存，最基础的条件之一就是要保障正常呼吸。

供氧系统提供了人体所需吸入的氧气，相应地，空气净化系统就要处理人体呼出的二氧化碳。

因此，供氧系统和空气净化系统是相辅相成的，共同构建了舱内的呼吸系统，在与外界完全隔绝的状况下，保障救生舱在额定防护时间内的空气质量。

二氧化碳吸收功能要求在救生舱与外界隔离的状态下，能吸收10人96小时以上呼出的二氧化碳气体，并且不能产生其他对人体有害的物质。

吸收装置对二氧化碳的吸收能力应不低于0.5L/（min·人），舱内二氧化碳浓度要求不超过1%。

3）一氧化碳吸收功能。

在密闭环境中人员生存最重要的问题是氧气的供应与二氧化碳的去除（《航天环境控制与生命保障工程基础》），但是经过大量实验证明，人体在密闭空间会自身代谢出一氧化碳。

一氧化碳（CO）是一种常见的有害气体，无色、无味、无臭，可燃烧，当含量在13％～75％时，遇火能引起爆炸。

一氧化碳被人体吸入后会和血液中的血红蛋白结合，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡（《低浓度一氧化碳对人体生理功能的影响》）。

一氧化碳极毒，当其含量达0.4％时，人在短时间内就可中毒死亡。

《煤矿安全规程》规定其最高容许浓度为0.0024％（24ppm）。

在常见有害气体中，一氧化碳毒性大，易导致死亡，因此在舱内设置一氧化碳吸收装置，应在短时间内将空气中一氧化碳浓度降低到24ppm以下。

一氧化碳吸收功能要求在救生舱与外界隔离的状态下，能在20min内将一氧化碳浓度从400ppm降低到24ppm。

2.5动力保障系统

2.5.1动力保障系统的概述

救生舱的动力保障系统，是在失去外部供电的情况下，救生舱内部电源能够提供维持救生舱额定工况下的能源需要。

为救生舱内环境监测系统，通讯系统，空气循环系统，照明系统等所有用电设备供电。

当外界交流电源供电中断时，电源将自动转化为备用蓄电池为救生舱内环境监测系统，通讯系统，空气循环系统，照明系统等所有用电设备供电。

图2.5动力保障系统

2.5.2系统组成及功能

2.5.2.1系统组成

动力保障系统采用KDW-660/12B矿用隔爆兼本安不间断电源装置，它有装置由主控箱、电池组组成。

2.5.2.2系统功能

主控箱是完成整机功能控制驱动的核心，对备用电池充电,同时经稳压环节得到稳定的电压输出,采用高速微控制器作为控制核心器件，实现交、直流的切换投入,电池充电自动控制,并提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号。

充电器:

AC/DC转换,经整流滤波后输出直流电，分别作为本安板、控制板及电池充电的电源。

2.6生存保障系统

2.6.1生存保障系统概述

救生舱生存保障系统，就是在矿难发生时，为躲避在密封舱内的矿工创造一个接近地面大气的生存环境。

避难人员在舱内工作、生活时消耗氧气，排出二氧化碳产热产湿，环境控制和生存保障系统通过供氧系统、空气调节系统、其余设施等子系统的设备达到供气调压、通风净化、温湿度控制、测量控制等必备功能，将密封舱内的大气总压、氧分压、二氧化碳分压、温度和湿度等关系矿工生存的大气环境指标，控制在与地面基本一致的水平。

对外能够抵御爆炸冲击、高温烟气、冒顶坍塌、隔绝有毒有害气体，对内能为被困矿工提供氧气、食物、水，去除有毒有害气体，赢得较长的生存时间，同时通过舱内通讯监测设备，引导外界救援。

2.6.2系统功能

1、为避险人员提供可满足96小时生存的食物；

2、为避险人员提供可满足96小时生存的饮用水；

3、可收集处理避险人员生理排泄的废物；

4、提供舱内灭火设施，可扑灭舱内火灾事故；

5、可为避险人员提供基本的急救设施及药品，满足现场急救需要；

6、提供舱内照明、逃生应急照明、舱外警示照明。

2.7监测系统

2.7.1监测系统概述

为了保障救生舱内避险人员的生命安全，必须对舱内的环境参数进行实时监测及调控，并可超限报警提醒舱内人员根据不同情况做出相应决策，生命安全；同时对舱外的环境进行检测，以便舱内人员了解外部实时环境，配合救援及时展开自救。

救生舱内，外环境检测系统宜独立运行。

救生舱内生存舱环境检测的参数应包括CO、CO2、O2、CH4、温度；舱内过渡舱环境检测的参数应包括CO、O2；舱外环境检测参数应包括CO、CO2、O2、CH4。

救生舱内环境检测系统应超限自动声光报警。

图2.6监测系统

2.7.2系统组成及功能

矿用可移动式救生舱的环境监控系统是由舱内监控装置和舱外监测装置组成。

生存舱内监控装置主要是对舱内环境进行监控，通过对生存舱内的一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、温度以及安装在设备舱内的井下监控分站对舱内环境参数进行监控，以保证人员在舱内的正常活动；舱外监控装置主要是对舱外环境进行监控，通过对在舱外的一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、以及安装在设备舱内的井下监控分站对舱外环境参数进行监控。

对舱外环境参数——CO、CO2、O2、CH4进行检测。

对舱外环境的监测，以便舱内人员了解外部环境。

2.8本章小结

本章对救生舱的概念及其设计原理进行了介绍，主要对救生舱的氧气供给系统、空气净化系统、动力保障系统、生存保障系统、监测系统介绍，并逐一对其组成及功能进行了分析。

3救生舱的设计研发方式

3.1研发的概念

研发，英文为Research&Development，简称R&D，即研究开发、研究与开发、研究发展，是指各种研究机构、企业为获得科学技术（不包括人文、社会科学）新知识，创造性运用科学技术新知识，或实质性改