基于ABMS的煤礦井下逃生模型研究

張俊瑞，陳立潮，潘理虎,3

(1.晉中學(xué)院 信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西 晉中 030619；2.太原科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024；3.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

中國煤炭工業(yè)協(xié)會會長王顯政在出席2016年世界煤炭協(xié)會技術(shù)委員會會議時表示，雖然中國一直在減少煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，但2015年中國的煤炭消費(fèi)量仍占世界的一半。煤礦從業(yè)人數(shù)眾多，因此煤礦安全仍是需要重點討論的一個問題。雖然現(xiàn)在的研究成果很多[1-4]，并在數(shù)學(xué)建模、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality,VR)[5-6]、疏散模擬[7]、計算機(jī)建模[8-9]等方面取得了一定的研究成果，但是利用ABMS方法(Agent-based modeling and simulation)對煤礦安全逃生問題進(jìn)行研究的卻很少。

利用ABMS方法設(shè)計了煤礦井下逃生模型的總體架構(gòu)和仿真程序中的主要類，然后對模型的UML類圖和時序圖進(jìn)行了分析，最后通過RePast仿真平臺對模型進(jìn)行仿真，實現(xiàn)了井下礦工的逃生模擬。

1 ABMS簡介

ABMS是基于Agent的建模和仿真方法，它是復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(complex adaptive system，CAS)與分布式人工智能技術(shù)兩種理論相融合的結(jié)果，是研究復(fù)雜系統(tǒng)的新途徑和新方法。基于Agent的建模和仿真包括基于Agent的建模(Agent-based modeling)和基于Agent的仿真(Agent-based simulation)兩方面，二者相互聯(lián)系但又有所不同，不可分割。

2 模型架構(gòu)分析

2.1 模型組成模塊

煤礦井下逃生模型的組成模塊如圖1所示。模型包括系統(tǒng)初始化模塊、運(yùn)行模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊[10]。

圖1 模型組成模塊

系統(tǒng)初始化模塊用于對模型進(jìn)行初始化設(shè)置。首先將巷道地圖數(shù)字化處理后生成的柵格地圖導(dǎo)入模型中作為Agent的空間活動環(huán)境[10]；然后對模型進(jìn)行初始參數(shù)配置，模型中的初始參數(shù)包括井下Agent的數(shù)量、不同類型Agent所占的比例、Agent的行走速度、災(zāi)害的類型和參數(shù)(如災(zāi)害是否火災(zāi)、火災(zāi)的蔓延速度)等；最后對Agent的屬性進(jìn)行初始設(shè)置，如Agent的工號、年齡、婚否、受教育程度、是否帶班組長等[10]。

運(yùn)行模塊是煤礦井下逃生模型的核心模塊，負(fù)責(zé)整個模型的運(yùn)行。模型仿真結(jié)果的顯示、Agent行為決策的量化實現(xiàn)、模型的時鐘控制(可參考文獻(xiàn)[11])等都在這個模塊實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊用于統(tǒng)計模型運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如火災(zāi)的蔓延情況、Agent逃生和死亡的數(shù)量等[10-11]。

2.2 模型中的主要類

在RePast提供的類庫基礎(chǔ)上，針對煤礦井下逃生模型開發(fā)了CoalMineDemo類包，用于實現(xiàn)模型的初始化設(shè)置、模型的運(yùn)行控制和模型中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。CoalMineDemo類包中包括CoalMineModel類、CoalMineSpace類和CoalMineAgent類。CoalMineModel類最復(fù)雜，因為它是整個模型運(yùn)行的起點，是被最優(yōu)先執(zhí)行的，控制著整個仿真模型的運(yùn)行。在CoalMineModel類中包括了Private void buildModel()方法、Private void buildDisplay()方法和Private void buildSchedule()方法等，分別負(fù)責(zé)創(chuàng)建模型的底層結(jié)構(gòu)、向用戶顯示表層結(jié)構(gòu)和模型的狀態(tài)時間表。CoalMineSpace類用于模型空間的初始化、災(zāi)害的初始發(fā)生地、Agent在空間活動環(huán)境中的初始化分布等的設(shè)置[10]，用到的主要方法有public void setFire()、public boolean addAgent()、public int getTypeAt()和public boolean moveAgentAt()等[10]，分別用于火災(zāi)的設(shè)置、Agent的添加、災(zāi)害類型的設(shè)置以及Agent移動情況的統(tǒng)計[10]等。CoalMineAgent類用于實現(xiàn)Agent的活動，用到的主要方法有public void step()、public void setVxVy()、public void draw()和public void report()等，用于實現(xiàn)每一個“tick”(RePast仿真平臺的時間單位)模型要執(zhí)行的內(nèi)容、Agent的移動方向及位移量、顯示方式及狀態(tài)報告等的設(shè)置。

除此之外，還有Disaster類和Point類，均用于對災(zāi)害的類型和巷道環(huán)境中的避災(zāi)硐室[12-13]等進(jìn)行描述[10]。

2.3 模型的UML類圖

文中引入了UML(unified modeling language，統(tǒng)一建模語言)類圖對模型中的CoalMineModel、CoalMineSpace、CoalMineAgent、Disaster和Point五個類之間的關(guān)系加以介紹，類描述情況如圖2所示。

模型中各個類之間是關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中，CoalMineModel類與CoalMineSpace類是一對一的關(guān)系，即一個Model(模型)對應(yīng)一個Space(空間活動環(huán)境)；CoalMineModel類與CoalMineAgent類是一對多的關(guān)系，一個Model可以對應(yīng)多個Agent(主體對象)；CoalMineSpace類與CoalMineAgent類是一對多的關(guān)系，一個Space上可能有若干個Agent進(jìn)行活動；CoalMineModel類與Disaster類是一對多的關(guān)系，一個Model中可能同時有多個Disaster(井下災(zāi)害)發(fā)生；CoalMineModel類與Point類也是一對多的關(guān)系，即一個Model中涉及到多個Point(井下硐室)；CoalMineSpace類與Disaster類是一對多的關(guān)系，一個Space上可以有多個Disaster；CoalMineSpace類與Point類是一對多的關(guān)系，即一個Space上有多個Point。

2.4 模型的時序圖

煤礦井下逃生模型中，不同類型的Agent對象存儲在不同的對象列表中，由CoalMineModel對象統(tǒng)一進(jìn)行存儲和調(diào)用。

模型啟動后，CoalMineModel對象調(diào)用buildModel()方法對模型的參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后調(diào)用buildDisplay()方法對CoalMineSpace對象進(jìn)行初始化，最后調(diào)用buildSchedule()方法啟動模型。buildSchedule()方法里有一個內(nèi)部類CoalMineAgentStep，該類能夠?qū)τ脩舻牟僮鬟M(jìn)行響應(yīng)。模型啟動后，當(dāng)用戶點擊RePast工具條上的“開始”按鈕時，CoalMineAgentStep類開始執(zhí)行，一個“tick”之后，space.update()方法完成對CoalMineSpace空間對象的更新。最后，CoalMineModel對象調(diào)用updateDisplay()方法對模型空間的顯示界面進(jìn)行更新并顯示。

在模型執(zhí)行過程中，模型對象model始終處于活動狀態(tài)，所有Agent的活動都在模型對象model的管理之下，由model統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。模型對象的執(zhí)行內(nèi)容和時序非常重要，它決定了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

模型的時序圖如圖3所示。

3 模型仿真實現(xiàn)

3.1 模型的仿真平臺

RePast仿真平臺是在Java開發(fā)平臺Eclipse的基礎(chǔ)上導(dǎo)入RePast類庫實現(xiàn)的。其仿真界面與Eclipse相似但又有所不同。一個Demo程序在RePast平臺上的運(yùn)行界面，包括顯示界面、圖表和直方圖三個顯示部分。RePast可以顯示模型的運(yùn)行情況，還可以通過圖表和直方圖對模型運(yùn)行中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。因此，RePast能夠較好地對模型進(jìn)行仿真。

圖3 模型的時序圖

3.2 模型的仿真界面

圖4是模型的仿真界面，其中的灰色柵格表示井下巷道，巷道旁突出的黑色柵格為井下硐室，巷道中的黑色柵格表示火災(zāi)的發(fā)生地和蔓延地，巷道最上方的黑色柵格為出口位置。仿真結(jié)果顯示，Agent會在火災(zāi)發(fā)生時向著出口或者避災(zāi)硐室的位置逃生，因此該模型能夠?qū)崿F(xiàn)井下逃生模擬。

圖4 模型的仿真界面

圖5為火災(zāi)發(fā)生后Agent的逃生情況統(tǒng)計，分別用于統(tǒng)計活著的Agent、死亡的Agent、逃到出口的Agent及逃到避災(zāi)硐室的Agent數(shù)量。每有一個Agent成功逃到出口，模型中統(tǒng)計的活著Agent的數(shù)量相應(yīng)減少，而逃到出口的Agent數(shù)量相應(yīng)增加，火災(zāi)發(fā)生時死亡的Agent數(shù)量為零。統(tǒng)計井下火災(zāi)發(fā)生時Agent的逃生情況對研究煤礦井下逃生具有一定的參考價值。

圖5 模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié)束語

使用ABMS方法對煤礦逃生問題進(jìn)行研究是研究煤礦安全問題的一個較好的手段。通過對模型的總體架構(gòu)進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了模型的UML類圖和時序圖，并設(shè)計了實現(xiàn)模型所需的所有類對象，最后在RePast仿真平臺上利用Java語言對模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，模型架構(gòu)設(shè)置較合理，可以較好地對煤礦安全逃生問題進(jìn)行研究。

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