CN103955144B - 基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统包括数据库模块、信息处理中心模块、系统初始化模块、通信模块、环境信息监测模块、数据统计模块、智能体产生模块、智能体消亡模块、学习模块、仿真模块、显示模块；所述数据库模块包含综合数据库、学习知识库和推理数据库，综合数据库包含危险源子库、系统资源子库和初始配置资源子库。本发明能够在仿真环境中提供准确的煤矿环境、危险源以及井下具体巷道以及相应设施的描述，提供更高效的矿工避难行为仿真，使仿真系统能更有效的体现煤矿井下发生灾难时的真实情况，从而为真实的煤矿应急疏散提供理论指导和依据；本发明具有通用性和扩展性，弥补局域性，较小范围内煤矿应急疏散仿真系统的不足。

Description

基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域的仿真系统，具体涉及一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统。

背景技术

随着当前社会的发展，科技的进步，信息化进程的不断推进，煤矿井下安全已经越来越受到人们的关注。现代化煤矿井下的环境通常很复杂，人口众多，煤矿工作人员的生命安全显得尤其重要。一旦发生事故后果严重，救助不及时，将会带来巨大的生命和财产的损失。近几年来，虽然煤矿事故发生率有所降低，但是每年仍然有多起煤矿事故发生，造成了很多煤矿工作人员的伤亡。无论是井下的正常运行，还是危险信息的实时采集与传输都面临着巨大的挑战。随着计算机仿真的发展，群体仿真技术受到越来越多的关注。群体仿真研究在煤矿井下的虚拟现实仿真是辅助矿井规划、设计以及安全评估等应用的重要补充工具。开展煤矿井下大规模人员应急疏散的研究，利用现代化信息技术进行模拟仿真，将仿真结果用于制定更合理、更科学、更高效的应急疏散方案，提高煤矿对突发事件的应变能力，具有十分重要的研究意义。

目前，多采用计算机建模理论与技术对煤矿安全问题进行研究。如蔡林沁应用基于人工生命方法和Agent理论，建立了集感知、运动、行为、认知为一体的智能虚拟矿工模型，该模型能产生逼真的拟人行为，能进行层次化的行为控制和路径规划。蔡丽则对基于多Agent技术的煤矿安全生产执行系统的方案设计进行了探讨。

经对现有文献的查阅和检索发现，张俊瑞、陈立潮等在《计算机工程与设计》2012年第12期4657到4662页发表的“基于多Agent的煤矿井下矿工逃生模型研究”一文针对火灾这一危险进行矿工逃生模型的建立，并对矿工的属性进行了分类，但缺乏对具体的系统工作进行实时而又高效的控制和分类。

为了能够方便的开展多智能体系统的研究，国外的一些研究机构也开发了基于多智能体的工具软件，如Repast、NetLogo、SWARM等。这些软件为研究人员提供了非常便利的多智能体开发环境。然而直接利用这些工具软件进行紧急疏散的仿真建模工作仍然有一定难度，因为有许多功能，诸如地理信息数据格式化存储、显示和人机交互等，它们并不能直接提供。换言之，基于多智能体的工具软件可以作为紧急疏散建模工具的一部分，但若要运行仿真，我们显然需要更多的模块和功能。

发明内容

本发明提供一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，解决当前煤矿应急仿真系统功能单一、系统中应急实体行为规则缺乏智能性的问题，以弥补对于区域性、较大范围内的煤矿井下应急疏散仿真研究的不足。

本发明将虚拟煤矿应急疏散仿真系统中各类实体如:煤矿工人、救护人员、救护媒介、交通指示灯、信息监测站和信息中心，等，定义为相应的智能体(Agent)。

本发明提供一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，包括数据库模块、信息处理中心模块、系统初始化模块、通信模块、环境信息监测模块、数据统计模块、智能体产生模块、智能体消亡模块、学习模块、仿真模块、显示模块，其特征在于:

所述数据库模块包括综合数据库、学习知识库和推理数据库，用于为虚拟煤矿应急疏散仿真系统提供数据支持，其中综合数据库又包含危险源子库、系统资源子库和初始配置资源子库，危险源子库用于存储煤矿井下的各种危险源信息，包括煤矿井下危险源的种类、分布及数量，当系统出现危险源子库之外的危险时，系统会主动记录并把新的危险源信息增加到危险源子库中；初始配置资源子库的功能是配置系统各部分的初始参数，包括初始危险源的种类、初始危险源的分布和数量、配置信息处理中心的初始参数、系统初始化模块的初始参数、环境监测模块的初始监测种类和采样时间间隔、数据统计模块的初始统计信息、智能体产生模块的初始智能体产生信息、智能体消亡模块的初始阈值、学习模块的初始学习方法、显示模块的初始显示内容。

所述学习知识库用于存储由学习模块学习得到的新内容，并将新内容与知识库中现有内容进行比较、分类，最终将信息存储到学习知识库中，系统通过学习知识库将学习模块与整个系统紧密联系起来。

所述推理数据库用于记录信息处理中心模块产生的推理数据信息，系统工作时，信息处理中心模块会对实时的信息做出处理，并会根据实际的数据做出一些评价和推理，从而产生推理数据。

所述信息处理中心模块对系统的信息进行转换和处理，并做出决策，信息的处理包括对数据库模块产生的信息进行处理以及对数据统计模块的实时信息进行处理；系统的决策包括对数据库模块数据的重新写入和更新、对智能体产生模块发送实时的智能体产生类型和数目、对智能体消亡模块发出待消亡智能体的信息和数目，以及向学习模块写入有待改进和增加的新内容、向显示模块写入待显示的控制信息和数据信息。

所述系统初始化模块当系统启动时会将初始各模块的参数配置为一个预设定的值，同时系统初始化模块会将初始配置的参数信息储存在数据库模块中，并通过数据库模块向信息处理中心模块发送当前的配置信息。

所述通信模块为环境信息监测模块和数据统计模块提供数据通信接口，保证信息通过串口进行传送。

所述环境信息监测模块包括信息采集传感器，分别对环境的温度、湿度、压力、压强、瓦斯浓度和巷道顶板压力进行实时监测，并利用自身的模数转换功能将监测的模拟量转换为数字量，进而通过通信模块将实时数据传送到数据统计模块。

所述数据统计模块包括数据采集模块和统计模块，数据采集模块负责统计和记录由环境信息监测模块传输过来的数据，统计模块负责对智能体产生模块、智能体消亡模块和学习模块传来的数据进行统计和分类处理，并将最终的数据发送给数据库模块。

所述智能体产生模块接收到信息处理中心模块发出的命令后，会根据命令产生相应类型和相应数量的智能体。

所述智能体消亡模块在接收到信息处理中心模块发出的命令后，会对指定的智能体进行消除，并切断该智能体与系统的联系，被切断联系的智能体随后会自动消亡并释放所占用的系统资源。

所述学习模块对系统运行进行监测并对一些新的信息进行处理，利用嵌入在学习模块内的一些智能算法对信息进行转换和处理，并将转换后的信息发送给数据统计模块和数据库模块。

所述仿真模块用于对预设置的一些参数和危险条件对虚拟煤矿危险进行仿真，仿真结果可通过计算机形象的呈现出来。

所述显示模块用于对实际运行时的一些参数配置信息、实时监测数据、当前系统的运行状态以及可执行的操作进行实时显示。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述数据库模块包括综合数据库、学习知识库以及推理数据库，其中综合数据库存储初始的配置资源信息、系统资源信息和危险源信息，学习知识库存储系统运行过程中所获取的一些新的信息，推理数据库是学习模块对新获取的信息进行处理之后所做出的一些对将来可能发生情况的预测及相应的参数配置信息。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述环境信息监测模块包括信息采集传感器，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、压力变送器和瓦斯传感器；环境信息监测模块具有模数转换功能，将传感器采集到的实时环境参数转换为数字量，并将信息通过通信模块发送给数据统计模块。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述数据统计模块包括数据采集模块和统计模块，其中数据采集模块由巷道路段数据采集表、节点数据采集表和矿区数据采集表三个数据表组成，统计模块由记录模块和处理模块组成，记录模块用于记录数据，处理模块用于对数据进行简洁化、标准化的处理。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述智能体产生模块根据信息处理中心发送的待产生智能体的类型和数量进行处理，根据智能体的类型进行相应参数的配置，之后对智能体的数目进行设定。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述智能体消亡模块会根据信息处理中心发送的待处理的智能体的类型和数量执行相应动作，首先确定待消除的智能体对象，然后切断该智能体与系统的联系，当智能体与系统失去联系之后会对自己进行关闭处理。

所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述学习模块内部嵌入智能算法，会对信息处理中心发送的新的危险源信息进行处理，并且预测该危险再次发生的概率以及危险程度，以便为信息处理中心的决策提供可靠的数据依据。

本发明提供一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其积极有益效果在于：

1、高效性和准确性：

本发明将智能体(Agent)按职能定义为6类，分别为煤矿工人、救护人员、救护媒介、交通指示灯、信息监测站和信息中心。每一类智能体各自分工明确，且都是基于信念、期望及目标推理和独立性强的Agent进行建模，同时对仿真环境信息进行有效的过滤，高效而准确的对虚拟煤矿井下应急疏散仿真环境进行模拟仿真。

2、智能性：

本发明将各类智能体的初始状态设置为随机，当系统智能体在对实际环境进行判断并与内部数据进行比较，进而作出相应动作，并将重点放在智能体的行为、通信、协作和学习上，增加系统的智能性。

3、形象性和直观性：

本发明通过对系统建立三维仿真模型，并具有二维的仿真模型结构，将二维模型与三维模型对应，用户根据实际需要在二维仿真场景和三维仿真场景之间进行切换，使仿真系统更加形象和直观。

4、通用性：

本发明针对不同类型、等级的突发应急事件，系统会根据实际情况将具体的参数信息与数据库模块中的数据进行比较、统计，并对相应模块进行参数配置，系统可以完成参数的自我整定、配置，并根据设置的状态、场景和危险类型进行仿真模拟，增强系统的通用性。

5、扩展性：

本发明具有学习模块、学习知识库和推理数据库，当系统运行时遇到系统未知的突发事件时，学习模块会将新获得的突发事件的相关数据进行处理，并储存在学习知识库中，尽管目前多数应急疏散仿真系统的具体应用现状和条件不尽相同，但针对不同的情况只要改变相应的数据接口即可在仿真平台上对相应的突发事件应急疏散系统进行仿真，由此可以体现出系统具有很强的扩展性。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明执行过程结构示意图

图3是本发明Agent交互行为发送图

图4是本发明Agent交互行为接收图

图5是本发明Agent建模与控制工作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明，本实施例在本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方案和过程，但本发明所保护的范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例把高层仿真结构/运行环境(HLA/RTI)与Agent技术相结合作为整体的煤矿应急疏散仿真运行环境，包括数据库模块、信息处理中心模块、系统初始化模块、通信模块、环境信息监测模块、数据统计模块、智能体产生模块、智能体消亡模块、学习模块、仿真模块、显示模块，其特征在于:

所述数据库模块包括综合数据库、学习知识库和推理数据库，用于为虚拟煤矿应急疏散仿真系统提供数据支持，其中综合数据库又包含危险源子库、系统资源子库和初始配置资源子库，危险源子库用于存储煤矿井下的各种危险源信息，包括煤矿井下危险源的种类、分布及数量，当系统出现危险源子库之外的危险时，系统会主动记录并把新的危险源信息增加到危险源子库中；初始配置资源子库的功能是配置系统各部分的初始参数，包括初始危险源的种类、初始危险源的分布和数量、配置信息处理中心的初始参数、系统初始化模块的初始参数、环境监测模块的初始监测种类和采样时间间隔、数据统计模块的初始统计信息、智能体产生模块的初始智能体产生信息、智能体消亡模块的初始阈值、学习模块的初始学习方法、显示模块的初始显示内容。

如图2所示，本实施例的主要实施过程如下：

1.准备阶段

分布在煤矿各个部分的环境信息监测模块分别对煤矿井下实时的温度、湿度、压力、压强、瓦斯浓度、巷道顶板压力和煤矿井下工作人员的具体分布等初始参数进行采集，将采集到的参数通过数据统计模块统计后发送给数据库模块，初始数据库模块会将信息与初始的综合数据库、学习数据库和推理数据库中的信息进行比较，选择出与初始数据不同的部分在数据库模块进行存储。

数据库模块根据采集的初始数据对系统的各个部分如数据统计模块、信息处理中心模块、智能体产生模块、智能体消亡模块、学习模块和显示模块进行初始化参数配置。

根据初始配置将信息通过信息处理中心模块发送给智能体产生模块产生相应种类和数量的Agent。

所述Agent系统模型可采用JADE6.5软件实现(可从http://pan.baidu.com/share/link？shareid＝2744453826&uk＝2418412961下载)。

所述高层仿真体系/运行环境，采用HLA/BHRTI 2.3软件实现(可从http://www.vr3i.com/bhrti_software.php发送邮件索要序列号下载)。

系统所述Agent类总共包括煤矿工人Agent、救护人员Agent、救护媒介Agent、交通指示灯Agent、信息监测站Agent和信息中心Agent，各类Agent所需配置的参数信息和所具备的职能均不一样。其中，煤矿工人Agent模拟的是在煤矿井下实际工作的工作人员，具体包括井下采掘工人Agent、辅助工人Agent、安检人员Agent、井下采掘队和辅助队的基层干部Agent、技术人员Agent、管理人员Agent，各Agent分工明确，在模拟环境中均配置为相应专属职能的Agent，模拟真实煤矿工人的工作场景；救护人员Agent包括救护指挥人员Agent、救护医生Agent、救护护士Agent，在执行过程中需要与其他各Agent进行交互；救护媒介Agent包括救护拖车Agent、救护指挥车Agent和救护通讯Agent，各Agent需要保证其运输的稳定性和通信的安全性；交通指示灯Agent固定在巷道的各个节点上，并与巷道连接表或车段连接表绑定，一个指示灯Agent只负责一个路段或一个巷道的信息发布工作；信息监测站Agent固定在每个需要监测环境参数的地方，对煤矿各种环境参数进行实时的监测，为其他Agent的工作提供参考依据；煤矿井下的各个信息中心Agent是整个系统的核心，负责整个系统的信息控制工作，可通过数据传输模块与其他所有Agent进行交互。

2.执行阶段

信息处理中心模块根据准备阶段采集和转换的信息，并通过数据库模块中数据库的内容设置初始的危险源种类，包括火灾事故、透水事故、瓦斯事故、顶板事故等。危险源种类设定完成后信息处理中心模块即会通过相应的算法选择Agent的运行方式和工作方式，其中运行方式包括Agent的移动，分为向前、向后、向左和向右，工作方式包括轮询式工作方式、竞争式工作方式和定时查询式工作方式。

设置智能体(Agent)的配置，包括其运行方式和交互模式，其中交互模式下的发送图和接收图如图3、图4所示：

a)发送者:图3

1)Send_msg:Request(attr,req)；

2)while(timeout()！＝0)//若时间未到，则等待

3)Send_msg:cancle()；//若时间到，则取消

4)exit().

b)接收者:图4

1)Send_req(attr,req)；//发送请求消息

2)While(Get_msg＝＝Request(attr,req))//若接收请求消息

Agent建模与控制工作流程如图5所示，当开始Agent方法建模之后，将对实际Agent类型和数量进行确定，通过Agent生成模块分别生成个体Agent模型和Agent交互模型进行确定，并利用个体Agent模型构造系统的宏观模型，当系统的模型建立完成后即可利用疏散仿真软件进行仿真模拟。在仿真结束后通过信息处理模块对仿真结果进行分析并输出仿真结果，判定输出结果是否符合实际并充分，若不充分则继续判断模型是否合理，若模型合理则修改Agent的内部策略和规则，并重新利用个体Agent模型构造系统宏观模型，若模型不合理则修改Agent模型，并重新生成个体Agent模型和Agent交互模型；若充分，则停止仿真并输出实验结果。

设置仿真环境下的仿真参数，包括仿真时间、步长、方式、算法、二维或三维场景选择，根据之前设置的模型选择合适的仿真时间，仿真时间的长短将直接影响仿真的真实效果，根据使用者的需要将仿真画面在二维和三维场景之间切换。

启动仿真，通过计算机对仿真运行过程进行观测。

3.输出阶段

当仿真进行时，通过系统的显示模块对实时仿真二维画面或三维画面进行显示，对仿真过程进行实时的监测；当仿真结束后，系统将处于输出阶段，由数据统计模块中的统计模块对系统各模块的参数、环境参数和仿真参数进行统计，并将数据送到数据库模块进行存储；同时由学习模块对该次仿真过程中新出现的信息进行分类和计算，并将信息送到数据库模块进行存储。

Claims (7)

1.一种基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，包括数据库模块、信息处理中心模块、系统初始化模块、通信模块、环境信息监测模块、数据统计模块、智能体产生模块、智能体消亡模块、学习模块、仿真模块、显示模块，其特征在于:

所述数据库模块包括综合数据库、学习知识库和推理数据库，用于为虚拟煤矿应急疏散仿真系统提供数据支持，其中综合数据库又包含危险源子库、系统资源子库和初始配置资源子库，危险源子库用于存储煤矿井下的各种危险源信息，包括煤矿井下危险源的种类、分布及数量，当系统出现危险源子库之外的危险时，系统会主动记录并把新的危险源信息增加到危险源子库中；初始配置资源子库的功能是配置系统各部分的初始参数，包括初始危险源的种类、初始危险源的分布和数量、配置信息处理中心模块的初始参数、系统初始化模块的初始参数、环境信息监测模块的初始监测种类和采样时间间隔、数据统计模块的初始统计信息、智能体产生模块的初始智能体产生信息、智能体消亡模块的初始阈值、学习模块的初始学习方法、显示模块的初始显示内容；

所述学习知识库用于存储由学习模块学习得到的新内容，并将新内容与学习知识库中现有内容进行比较、分类，最终将信息存储到学习知识库中，系统通过学习知识库将学习模块与整个系统紧密联系起来；

所述推理数据库用于记录信息处理中心模块产生的推理数据信息，系统工作时，信息处理中心模块会对实时的信息做出处理，并会根据实际的数据做出一些评价和推理，从而产生推理数据；

所述信息处理中心模块对系统的信息进行转换和处理，并做出决策，信息的处理包括对数据库模块产生的信息进行处理以及对数据统计模块的实时信息进行处理；系统的决策包括对数据库模块数据的重新写入和更新、对智能体产生模块发送实时的智能体产生类型和数目、对智能体消亡模块发出待消亡智能体的信息和数目，以及向学习模块写入有待改进和增加的新内容、向显示模块写入待显示的控制信息和数据信息；

所述系统初始化模块当系统启动时会将初始各模块的参数配置为一个预设定的值，同时系统初始化模块会将初始配置的参数信息储存在数据库模块中，并通过数据库模块向信息处理中心模块发送当前的配置信息；

所述通信模块为环境信息监测模块和数据统计模块提供数据通信接口，保证信息通过串口进行传送；

所述环境信息监测模块包括信息采集传感器，分别对环境的温度、湿度、压力、压强、瓦斯浓度和巷道顶板压力进行实时监测，并利用自身的模数转换功能将监测的模拟量转换为数字量，进而通过通信模块将实时数据传送到数据统计模块；

所述数据统计模块包括数据采集模块和统计模块，数据采集模块负责统计和记录由环境信息监测模块传输过来的数据，统计模块负责对智能体产生模块、智能体消亡模块和学习模块传来的数据进行统计和分类处理，并将最终的数据发送给数据库模块；

所述智能体产生模块接收到信息处理中心模块发出的命令后，会根据命令产生相应类型和相应数量的智能体；

所述智能体消亡模块在接收到信息处理中心模块发出的命令后，会对指定的智能体进行消除，并切断该智能体与系统的联系，被切断联系的智能体随后会自动消亡并释放所占用的系统资源；

所述学习模块对系统运行进行监测并对一些新的信息进行处理，利用嵌入在学习模块内的一些智能算法对信息进行转换和处理，并将转换后的信息发送给数据统计模块和数据库模块；

所述仿真模块用于对预设置的一些参数和危险条件对虚拟煤矿危险进行仿真，仿真结果可通过计算机形象的呈现出来；

所述显示模块用于对实际运行时的一些参数配置信息、实时监测数据、当前系统的运行状态以及可执行的操作进行实时显示。

2.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述的数据库模块包括综合数据库、学习知识库以及推理数据库，其中综合数据库存储初始的配置资源信息、系统资源信息和危险源信息，学习知识库存储系统运行过程中所获取的一些新的信息，推理数据库是学习模块对新获取的信息进行处理之后所做出的一些对将来可能发生情况的预测及相应的参数配置信息。

3.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述的环境信息监测模块包括信息采集传感器，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、压力变送器和瓦斯传感器；环境信息监测模块具有模数转换功能，将传感器采集到的实时环境参数转换为数字量，并将信息通过通信模块发送给数据统计模块。

4.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述数据统计模块包括数据采集模块和统计模块，其中数据采集模块由巷道路段数据采集表、节点数据采集表和矿区数据采集表三个数据表组成，统计模块由记录模块和处理模块组成，记录模块用于记录数据，处理模块用于对数据进行简洁化、标准化的处理。

5.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述智能体产生模块根据信息处理中心模块发送的待产生智能体的类型和数量进行处理，根据智能体的类型进行相应参数的配置，之后对智能体的数目进行设定。

6.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述智能体消亡模块会根据信息处理中心模块发送的待处理的智能体的类型和数量执行相应动作，首先确定待消除的智能体对象，然后切断该智能体与系统的联系，当智能体与系统失去联系之后会对自己进行关闭处理。

7.如权利要求1所述的基于多Agent的虚拟煤矿应急疏散仿真系统，其特征在于:

所述学习模块内部嵌入智能算法，会对信息处理中心模块发送的新的危险源信息进行处理，并且预测该危险再次发生的概率以及危险程度，以便为信息处理中心模块的决策提供可靠的数据依据。