CN102393926A - 井下应急撤人安全路线智能决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下应急撤人安全路线智能决策方法，先通过地理信息软件将已有的CAD电子地图自动转换并导入井下巷道地理信息系统GIS的信息库中，转化为井下巷道网络信息模型并输入SQL数据库中；再建立临时数据表，对SQL数据库中的有向连通图数据进行筛选优化处理，将经过筛选优化的网络有向连通图数据读入并保存到临时数据表中；最后用一个二维数组存放临时数据表中的每两节点间的路径长度，依次搜索并试探两节点之间是否有中间结点的更短路径，迭代完毕后求得最短的撤人安全路路线；本发明将多目标判断变为单目标判断，降低算法的复杂度，实地、精确地描述煤矿井下的基本信息，方便地决策水、火、瓦斯三种事故发生时的安全通道。

Description

井下应急撤人安全路线智能决策方法

技术领域

本发明属于矿难救援决策计方法，具体涉及井下应急逃生最佳路线决策方法。 

背景技术

目前，矿山企业瓦斯、水、火、冲击地压等突发性自然灾害事故较多，且危害性大，波及范围广，当发生矿难时，由于灾情发展的动态性和避难人员在灾变时期的恐慌心理状态，所以人工选择逃生路线会有很大的盲目性。矿难救援的首要任务就是引导事故发生地人员迅速撤离到安全区域，因此，要在最短的时间里选择一条最佳的逃生路线即最短距离的、受灾影响最小的安全通道是至关重要的。 

文献《矿井应急救援中最佳避灾路线的Dijkstra算法的改进实现》，工矿自动化，2008，王玉琨、吴锋著，采用启发式搜索算法和Dijkstra（最短路径）来找出一条最佳逃生路线，该方法中参数的设定对算法效果起着至关重要的作用，并且要给定一个评价函数，估计待扩展节点在问题求解中的价值，控制下一步扩展方向，指导搜索过程向最有希望到达目标节点的方向进行，压缩搜索空间，形成最优的搜索过程，快速地选择一条最佳逃生路线；但是该方法的缺陷是： 

1、由于在各个煤矿中，各自的具体情况不相同，导致参数和评估函数的确定有一定的难度，并且对于复杂多层次、超过1000个节点（路口称为节点）的矿井，搜索速度很慢，决策时间很长，因此，该方法不适合实时应急逃生时的决策。

2、该方法的最短路径算法本身属非确定性问题，计算较复杂，而该方法又没有考虑水、火、瓦斯三种事故的安全通道，水、火、瓦斯三种事故的安全通道又属于多目标、多约束的非确定性问题，决定了不同井巷道路的安全通行性，其复杂度就更大，而实际矿井避灾路线的选择是与不同灾情的发生、灾情的发展趋势和井巷的通道条件有密切的关系，因此，该方法仅仅计算出最短逃生路线是不适合实际应用且并非是最大安全可靠的。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术中井下应急最佳的逃生路线计算方法没有考虑水、火、瓦斯不同类型事故发生时对不同通道的安全影响且算法过于复杂、计算速度慢的不足而提供一种井下应急撤人安全路线智能决策方法，能根据水、火、瓦斯爆炸等威胁造成的道路中断以及井巷道路可通行性条件，实时、快速地决策出一条最短安全撤离路线，并通过井下广播对事故发生地人员进行语音导航撤离。 

本发明为实现上述目的采用了如下步骤： 

（1）通过地理信息软件将已有的CAD电子地图自动转换并导入井下巷道地理信息系统GIS的信息库中，形成地理信息库；

（2）将地理信息库转化为井下巷道网络信息模型并输入SQL数据库中，网络信息模型的信息包括由井下巷道的各路口节点、通道、层抽象成的二维节点、线的网络有向连通图；SQL数据库中有节点编号、节点名称、节点坐标、节点度、关联节点、灾情通道、距离、方向、工作区的字段表示图，将网络有向连通图的信息输入SQL数据库的字段表示图中；

（3）建立临时数据表，对SQL数据库中的有向连通图数据进行筛选优化处理，将经过筛选优化的网络有向连通图数据读入并保存到临时数据表中； 

（4）用一个二维数组arcs[i,j]存放每两节点i、j之间路径长度，依次搜索并试探节点i到节点j之间是否有以节点1、2…n为中间节点的更短路径，n次迭代完毕，求得所有节点间的最短路径，即最短的撤人安全路路线；

（5）将最短路径在CAD电子地图上用图形线条动态显示，通过井下广播进行语音广播导航撤离。

本发明的有益效果是： 

1、通过将煤矿提供的井下CAD地图生成GIS地理信息库，再自动导入SQL数据库中，在数据库中设置了煤矿井下所有可通行通道的关联信息，且将水、火、瓦斯三种事故发生时的可行通道的经验信息等存入数据库中，因此，所建的数据库可以精确、实地描述煤矿井下的所有巷道、工作面及设备等基本信息，能方便决策水、火、瓦斯三种事故发生时的安全通道。

2、计算时将数据库数据读入内存中的临时数据表，进行数据优化筛选，无需在计算时频繁调用数据库，并能保证原数据库的完整性，减少了计算量。 

3、采用灾情类型与灾情通道进行“与”运算，自动根据灾情类型从数据库中筛选出节点间连通数据，最后，临时数据表存放的是安全逃生的井下巷道的网络有向连通图数据。这样，进行最短路径计算中，将多目标判断变为单目标判断，大大降低算法的复杂度，提高算法的搜索速度。 

4、本发明采用插点法（FLOYD）算法快速算出最优最短路径，更适用于稠密图的情况，即复杂的多层多出口的矿井情况，与目前已有的基于Dijkstra算法的救援方法相比，本发明无需设定相关参数和估计函数，降低了难度，提高了具体问题的可操作性和普遍性，效率高于Dijkstra算法。 

5、本发明能够根据火灾、水灾、瓦斯爆炸、坍塌等多种威胁的复杂情况，以较快的速度准确地做出正确的计算，得到最符合当前事故情况的快捷和直接的最优安全撤离路径，并可由地面人员迅速通过井下广播通知引导事故现场所有受威胁人员迅速安全地疏散和撤离，采取的是及时正确的撤离和抢救处理措施，可最大限度地减少灾害影响，减少人员和财产损失。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 

图1是井下应急撤人安全路线智能决策系统框图；

图2是井下巷道网络信息模型的SQL数据库表示图；

图3是最佳安全路线决策实时算法流程图。

具体实施方式

整个井下应急撤人安全路线智能决策方法框图如图1所示，由煤矿提供井下巷道CAD电子地图，先根据已有的井下巷道CAD电子地图，通过地理信息软件将CAD电子地图自动转换并导入井下巷道地理信息系统GIS的信息库中，形成地理信息库，此时，地理信息库能够精确表述井下巷道的地物形状，即各点、线、面的三维坐标及长度，同时，也自动将CAD电子地图中的巷道名称标注出来。由于地理信息库只能表示井下巷道的地物形状，不能直接用于最佳路径计算算法中，因此，必须将地理信息库转化为井下巷道网络信息模型才能进行计算，然后将井下巷道网络信息模型的信息输入后台SQL数据库中并作存储，井下巷道网络信息模型的信息主要内容有： 

（1）井下巷道网络有向连通图表示。将井下巷道的各路口、通道、层抽象成二维节点、线的网络有向连通图，其中的线表示路径，即通道；节点表示路口。以“节点编号、节点名称、节点坐标”描述每个节点的信息。以“路径距离”描述每条路径的信息，“路径距离”是指实际距离，当通道是斜坡时，“路径距离”便是斜坡的长度；此外，路径的信息还包括有些道路人能通行，有些道路人不能通行的信息。

（2）考虑水、火、瓦斯事故发生时可通行的通道。当井下发生渗水时，由于水往低处流，尽量不要选择下层的路径进行逃生；发生火灾时会产生大量的热空气，由于空气受热会往上层流动，所以尽量不要选择向上的路径，以防被热气灼伤；当瓦斯爆炸时，要根据井下巷道的通风口位置，避开瓦斯流动方向的路径。此外，井下巷道CAD电子地图中标有经多年专家们论证的“水”、“火”、“瓦斯”三种事故时的可通行路线标记或紧急撤离通道，将这些信息存放在SQL数据库中，在发生事故时，即刻根据不同事故类型，选出能走的安全通道。 

基于上述井下巷道网络信息模型的信息内容，SQL数据库的字段表示图如图2所示，字段表示图中：“节点编号”字段以阿拉伯数字按顺序编号。“节点名称”字段是各路口的命名。“节点坐标”字段用节点三维坐标（x,y.z）表示。“节点度”字段表示当前节点与其它节点之间的连接通道数，即与当前节点关联的节点数目。“关联节点1” 字段表示与当前节点连通的前一个节点编号，下一个节点是“关联节点2”，以此类推，如果两个节点之间没有联通的路径，则自动赋为“null”（空）。“灾情通道”表示发生水、火、瓦斯灾情时可通行路径标记，用三位二进制数字表示，依次按水、火、瓦斯顺序排列，即数字的第一位代表“水”、第二位代表“火”、第三位数字代表“瓦斯”。每一数字中的“1”表示可通行，“0”表示不可通行，比如：灾情通道表示为“101”时，则表示：当前节点与某一个节点的通道在发生火灾时不可通行，在发生渗水和瓦斯事故时可以通行。“距离”字段是指关联节点之间的实际路径长度，由于两个节点之间的高度不同，由系统自动根据两个关联节点的(x, y, z)坐标计算出两个节点之间距离长度，即实际长度距离，坡度长度也需考虑到。“方向”字段表示输入顺风或逆风（根据通风口位置判断）。表示图中的关联节点的最大数设置为6个。“工作区”字段代表矿工开采煤、装煤等工作的区域。为了保证顺序，并方便用户输入，定制的输入界面为“多项选择”方式，将网络有向连通图的信息输入SQL数据库的表示图中，以完成井下巷道地物形状的网络信息模型和数据库表示，对井下巷道信息数据进行标识。 

SQL数据库中每个当前节点的节点编号、节点名称、节点坐标的信息是通过地理信息库直接读入到SQL数据库的相应字段中存放。但是，“节点度”、“关联节点”、“灾情通道”、“方向”和所在的“工作区”的信息需人工输入。“距离”的信息不需要人工输入，系统自动根据两节点坐标计算出距离，此外，不能通行的道路，“距离”信息就为“null”（空）。 

SQL数据库字段中设置了6个关联节点，图2中列出了关联节点1的相关信息，省略号一栏代表关联节点2~关联节点6的相关信息，每一个关联节点信息包含关联节点的编号、灾情通道、距离、方向。即关联节点2、灾情通道、距离、方向；关联节点3、灾情通道、距离、方向；关联节点4、灾情通道、距离、方向；关联节点5、灾情通道、距离、方向，关联节点6、灾情通道、距离、方向。这样，SQL数据库就完整保存了井下巷道网络信息模型的信息。然后，当实时运行“最优安全路线计算程序”时，要对数据库中的数据 进行 ，数据筛选优化处理的方法是：先建立临时数据表，临时数据表是发生灾情事故时，在计算机内存中由程序动态建立的井下巷道网络有向连通图信息的临时表，在SQL数据库与临时数据表之间，设计一个数据筛选优化功能模块；SQL数据库中的数据量非常大，发生灾情事故时，并不需要对整个SQL数据库数据进行计算搜索；计算时，计算机无需频繁调用SQL数据库，可直接调用临时数据表以提高运行速度，同时，根据事故类型，筛选出关联的通道，同时，将经过筛选优化的数据保存到临时数据表中，大大减少数据量和计算量。 

当发生事故时，启动最优安全路线计算程序，如图3所示，由人工通过该程序软件界面输入事故发生地节点号和发生的灾情类型读入到程序变量中（程序变量是指可以保存数据值的计算机内存存储区域），程序系统根据变量中信息自动在内存中建立临时数据表，从后台SQL数据库中读取事故发生地节点到井口的网络有向连通图数据，将井下巷道网络有向连通图读入到临时数据表中，读入时自动对数据进行筛选优化处理，采取以下筛选优化方法： 

当发生事故时，输入事故发生地节点，根据该节点所在的工作区（一般，工作区与工作区之间没有直接通道），以该节点为起始节点，将该工作区中所有节点到出井口的所有安全通道数据读入到临时数据表中，这样可以大大减少搜索计算量。

根据灾情事故类型，筛选该事故情况下的可以通行的安全通道，在临时数据表结构中去掉灾情通道字段，方法是：采用“灾情类型”与“灾情通道”进行“与”运算，自动根据灾情类型从SQL数据库中筛选出节点间连通数据，根据灾情类型运算出连通或不连通，连通就仍然保持“距离”字段中的数据，不连通就在“距离”字段中置“null”。同时，可将已被破坏的通道在显示的CAD电子图中阻断操作（相当于人工输入），程序自动在临时表中相应的关联节点“距离”字段中置“null”。临时数据表存储的就是一张网络有向连通图数据。这样处理减少了数据计算量，不需要频繁地调用SQL数据库，大大提高了运算速度，而且不会破坏原始数据库数据。 

根据灾情类型筛选安全通道的具体方法是：灾情类型用三位二进制位数字表示，透水数字为：100，火灾数字为：010，瓦斯数字为：001，然后灾情类型数字与数据库中的灾情通道数字进行“与”运算，便可得到在不同灾情下可通行的安全通道。例如：假设“灾情类型”为火灾，则数字表示为010，SQL数据库中当前节点与下一节点的“灾情通道”数字是110，表示水、火都可通行。两者进行“与”运算：010×110＝010，此时，运算结果为010，表明火灾时该道路可通行，将运算结果读入到临时数据表中关联节点“距离”字段中数据。如果，SQL数据库中当前节点与下一节点的“灾情通道”是101，表示水、瓦斯都可通行。此时，两者进行“与”运算：010×101＝000， 此时，运算结果为000，表明火灾时该道路不可通行，则在临时数据表中关联节点“距离”字段中置“null”。此方法在同时发生两种事故类型时也可计算。例如：同时，发生瓦斯爆炸引起火灾，“灾情类型”表示为：011，然后再与“灾情通道”进行“与”运算。经过上述筛选和优化处理后，临时数据表存放了所有安全通道的网络有向连通图信息。再将临时数据表的有向连通图信息读入到程序中定义的数组变量中，进行最短路径计算，即在临时数据表中的这些安全通道中选择最短的路径。 

最短路径计算采用插点法算法，插点法算法采用三重循环紧凑结构，效率高，适用于稠密图的情况，即复杂的多节点、多层煤矿。插点法算法不需要设定相应的参数和估计函数，其核心思想是通过建立临时数据表中的每两点之间路径长度的一个二维数组来求出某两点间的最短路径。具体方法是： 

步骤1：设置数组arcs记录两点间的路径长度，把每两点之间长度用二维数组arcs[i,j]表示，i和j分别表示i节点和j节点，若i到j之间有一条路径，则从i到j的路径长度存在二维数组arcs[i,j]变量中，但它不一定是从节点i到j的最短路径长度。再设置另一个数组D记录每一次求得当前两点间最短路径时，前一个点的后继节点。

步骤2：依次搜索并试探i到j能否有以节点1.、2…n为中间节点的更短路径。详细的搜索试探方法是： 

首先考虑从节点i到j是否有以节点1为中间节点的路径。即是否有节点i到1的路径和1到j的路径，若有，则比较节点i到j之间的直接路径的长度和节点i到1的直接路径加上节点1到j直接路径的长度，两者之间的较短者为当前所求得的最短路径。此时应修正二维数组中关于i和j节点之间路径的值，并记下i的后继节点1。此时arcs[i,j]的值是从i到j、中间节点数不大于1时的最短路径。

其次考虑从节点i到j是否有包含节点2为中间节点的路径。若无，则从i到j的最短路径是上述第

步中求得的；若有，则节点i到2到j可分解为两条路径：i到2和2到j，这两条路径的最短路径是在第

步求得的，即节点i到2、2到j可分别看做第

步中的节点i，j，做一个整体代换，它们之间有数量不超过1的节点，用arcs1[i,j]表示从节点i到j、中间节点数不大于1时的最短路径，然后比较中间节点数小于等于2的情况下，节点i到j之间的路径arcs1[i,j] 与节点i到2的路径加上节点2到j路径的长度arcs1[i,2]+ arcs[2,j]，然后修正arcs1[i,j]的值为arcs2[i,j]（它是当前求得的从i到j、中间节点数不大于2时的最短路径）。 

 依次类推，直到考虑了节点n加入当前从节点i到j之间经过的节点数不大于n时的最短路径长度，因为现已经考虑了所有节点作为中间节点的可能性，因而它必是从节点i到j的最短路径。 

步骤3：n次（n个节点）迭代完毕，求得所有（n个）节点间的最短路径。 

计算出一条最短的安全撤离路线后，将计算结果在软件界面的电子地图上用图形线条动态显示出来。最后由指挥专家看后，确认后，才能井下广播进行语音导航撤离。系统采用语音模块自动依次朗读安全撤离路线的各路口名称、通道名称，向井下出事地点的矿工进行语音导航。 

本发明能以较快的速度实时决策出水灾、火灾、瓦斯爆炸灾难事故下的安全撤离路径，实时确定出一条最符合现有环境条件下的最短最优路径，计算速度比其它算法快，计算1000个节点的最短路径，所花时间为40秒。 

Claims (3)

1.一种井下应急撤人安全路线智能决策方法，其特征是按如下步骤：

（1）通过地理信息软件将已有的CAD电子地图自动转换并导入井下巷道地理信息系统GIS的信息库中，形成地理信息库；

（2）将地理信息库转化为井下巷道网络信息模型并输入SQL数据库中，网络信息模型的信息包括由井下巷道的各路口节点、通道、层抽象成的二维节点、线的网络有向连通图；SQL数据库中有节点编号、节点名称、节点坐标、节点度、关联节点、灾情通道、距离、方向、工作区的字段表示图，将网络有向连通图的信息输入SQL数据库的字段表示图中；

（3）建立临时数据表，对SQL数据库中的有向连通图数据进行筛选优化处理，将经过筛选优化的网络有向连通图数据读入并保存到临时数据表中； 

（4）用一个二维数组arcs[i,j]存放临时数据表中的每两节点i、j之间的路径长度，依次搜索并试探节点i到节点j之间是否有以节点1、2…n为中间节点的更短路径，n次迭代完毕，求得所有节点间的最短路径，即最短的撤人安全路路线；

（5）将最短路径在CAD电子地图上用图形线条动态显示，通过井下广播进行语音广播导航撤离。

2.根据权利要求1所述的井下应急撤人安全路线智能决策方法，其特征是：所述筛选优化处理的方法是：

 根据事故发生地节点所在的工作区，以该节点为起始节点，将该节点所在的工作区中所有节点到出井口的所有通道数据读入到临时数据表中；

 将灾情类型和灾情通道字段均用三位二进制数字表示，灾情类型的透水为100，火灾为010，瓦斯为001；灾情通道依次按水、火、瓦斯顺序排列，“1”是可通行，“0”是不可通行；将灾情类型的数字与灾情通道的数字进行与运算，得出在不同灾情下可通行的安全通道，在临时数据表中去掉灾情通道字段，可通行就保持距离字段中的数据，不可通行就在距离字段中置“null”，将不可通行的通道在CAD电子地图中进行人工阻断操作；

经筛选优化处理后，临时数据表存放所有安全通道的网络有向连通图信息。

3.根据权利要求1所述的井下应急撤人安全路线智能决策方法，其特征是：所述搜索并试探的方法是： 

若从节点i到j有以节点1为中间节点的路径，则比较节点i到j间直接路径的长度和节点i到1间直接路径加上节点1到j间直接路径的长度，两者之间的较短者为当前所求得的最短路径；

 

 若从节点i到j包含节点2为中间节点的路径，则节点i到2到j分解为两条路径：i到2和2到j，根据步骤

求出这两条路径的最短路径；

 依次类推，直到节点n加入当前从节点i到j之间经过的节点数不大于n时的最短路径。

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