智能信息化在非煤礦山火災(zāi)救援路徑的應(yīng)用研究

樊雯婧，劉 敏，徐 毅

（1.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司/陜西黃金集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710000；2.西安西北有色物化探總隊(duì)有限公司，陜西 西安 710000）

關(guān)健詞：井下火災(zāi)；最短路徑；群智能算法；雙重預(yù)防機(jī)制

礦山安全生產(chǎn)管理一直是國(guó)家安全生產(chǎn)管理中的重點(diǎn)監(jiān)管領(lǐng)域，礦山井下是災(zāi)害發(fā)生的高頻部位，特別是井下火災(zāi)，巷道中會(huì)產(chǎn)生大量的高溫和有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅到被困人員的生命安全[1]。在井下火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如何快速確定被困人員實(shí)時(shí)位置，選擇最優(yōu)應(yīng)急救援路徑，及時(shí)開展緊急救援，是應(yīng)對(duì)礦山災(zāi)害事故的首要任務(wù)。本文通過對(duì)井下火災(zāi)災(zāi)變時(shí)期影響人員井巷通行時(shí)間的基本因素進(jìn)行總結(jié)分析，利用雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息管理平臺(tái)對(duì)被困人員進(jìn)行定位，建立出合理的應(yīng)急救援路徑模型，通過粒子群優(yōu)化蟻群的群智能算法，在智能化信息平臺(tái)中，用最短的時(shí)間解算出最優(yōu)應(yīng)急救援路徑，對(duì)被困人員實(shí)施緊急救援，縮短了救援時(shí)間，減少了人員傷亡，提高了井下應(yīng)急救援的實(shí)效性，為非煤礦山災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論支撐。

1 雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息平臺(tái)

安全管理，一向是企業(yè)管理的重中之重，推動(dòng)企業(yè)安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)建設(shè)，開展隱患自查自改、在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控、安全生產(chǎn)臺(tái)帳等信息系統(tǒng)建設(shè)等信息技術(shù)推廣應(yīng)用勢(shì)在必行[2]。雙重預(yù)防機(jī)制體系是近年來推廣的一項(xiàng)重要理論，主要包含兩方面的基本內(nèi)容，即風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理。非煤礦山企業(yè)開展雙重預(yù)防機(jī)制體系的建設(shè)是保障礦山生產(chǎn)安全的一項(xiàng)重要工作，該體系的應(yīng)用一般是和井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，這樣可以更好的改善礦山生產(chǎn)環(huán)境，保障人員在井下工作的安全性。

雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息平臺(tái)是基于隱患排查治理、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、危險(xiǎn)源預(yù)警、井下人員定位、應(yīng)急救援、安全教育考試，設(shè)備設(shè)施，危險(xiǎn)作業(yè)，職業(yè)健康，勞動(dòng)防護(hù)用品等多種功能為一體的礦山智能化信息管理平臺(tái)，是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)“四化”的必然趨勢(shì)。特別是在應(yīng)急管理中，雙重預(yù)防機(jī)制智能信息化管理平臺(tái)能夠發(fā)揮重要作用。在礦井出現(xiàn)災(zāi)變時(shí)，該平臺(tái)會(huì)對(duì)井下被困人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，確定人員被困巷道的準(zhǔn)確地點(diǎn)，再利用平臺(tái)模擬出最優(yōu)應(yīng)急救援路徑，確保及時(shí)對(duì)被困人員進(jìn)行緊急救援。

2 建立救援路徑模型

2.1 井下巷道的可通行性

非煤礦山井下火災(zāi)發(fā)生時(shí)，依據(jù)被困人員在巷道通行的難易程度，將逃生巷道分為理想型、可行型、逃生型3種類型。

（1）理想型巷道—未被火災(zāi)風(fēng)流影響的可通行性井下巷道[3]。

（2）可行型巷道—被困人員利用自救器,可在一定條件火災(zāi)風(fēng)流中通行[3]。井下人員允許通行時(shí)間。

T—允許通行時(shí)間(min)；t—井巷中空氣溫度(℃)；ξ—巷道坡度影響系數(shù)。

（3）逃生型巷道—依據(jù)被困人員對(duì)溫度承受的極限時(shí)間，挑選的逃生巷道[3]。人在礦山井下承受高溫的最大時(shí)間。

Tmax—最大耐受高溫時(shí)間；t——巷中空氣溫度。

2.2 井下巷道的當(dāng)量長(zhǎng)度

影響人員在井巷通行速度的因素有被困人員人數(shù)、斷面長(zhǎng)寬高、坡度、風(fēng)煙濃度和速度、高溫、阻礙物等[4]，βi為通行難易度系數(shù)。

T(Eij)—有該影響因素時(shí)通過巷道Eij的通行時(shí)間[3]； t(Eij)—無該影響因素時(shí)通過巷道Eij的通行時(shí)間[4]。

Eij實(shí)際長(zhǎng)度為l，當(dāng)量長(zhǎng)度為。

設(shè)井下火災(zāi)被困人員逃生所經(jīng)過的路徑P含有n條可通行巷道，巷道k當(dāng)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)(Ek)，則總應(yīng)急救援路徑當(dāng)量長(zhǎng)度為。

3 設(shè)計(jì)群智能優(yōu)化算法

近年來，隨著對(duì)群智能算法的深入研究，針對(duì)路徑優(yōu)化問題，我們經(jīng)常采用群智能算法中的蟻群算法(ACO)[6]和粒子群算法(PSO)[6]。粒子群算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力，能夠以較快的收斂速度逼近最優(yōu)解，擅長(zhǎng)解決連續(xù)問題的優(yōu)化[7]，但是該算法局部尋優(yōu)能力較差，易于出現(xiàn)早熟收斂、陷入局部最小等現(xiàn)象[7]。蟻群算法具有通用性、魯棒性、群體性、并行性等特性，擅長(zhǎng)解決離散問題的優(yōu)化[8]，但是該算法收斂速度慢，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，易于出現(xiàn)停滯、陷入局部最優(yōu)等現(xiàn)象[8]。

設(shè)計(jì)群智能優(yōu)化算法，即是先即利用粒子群算法對(duì)蟻群算法參數(shù)進(jìn)行多次搜索，得到多種組合，再將參數(shù)組合分別代入到蟻群算法中，從而實(shí)現(xiàn)蟻群算法對(duì)路徑的解算，得到最短路徑min F(α、β、ρ）。

4 解算實(shí)例

選取某非煤礦山井下作為火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，設(shè)計(jì)甲、乙、丙、丁4組應(yīng)急救援隊(duì)，對(duì)井下火災(zāi)9處被困人員實(shí)施緊急救援，利用雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息平臺(tái)對(duì)井下危險(xiǎn)源辨識(shí)，并對(duì)發(fā)生火災(zāi)區(qū)域影響人員通行時(shí)間的因素分析，通過對(duì)被困人員實(shí)時(shí)定位，建立出合理的路徑模型。

表1 當(dāng)量長(zhǎng)度鄰接矩陣

其中，Eij—鄰接節(jié)點(diǎn)i、j間巷道，i=1時(shí)，為井口節(jié)點(diǎn)；Inf—鄰接節(jié)點(diǎn)i、j間由于危險(xiǎn)因素導(dǎo)致巷道不可通行。

在雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息平臺(tái)中，通過粒子群優(yōu)化蟻群的群智能算法，即利用粒子群算法對(duì)蟻群算法參數(shù)進(jìn)行6次搜索，得到6種組合，再將參數(shù)組合分別代入到蟻群算法中，實(shí)現(xiàn)蟻群算法對(duì)路徑的解算，計(jì)算出6組路徑當(dāng)量長(zhǎng)度和運(yùn)行時(shí)間。

表2 最優(yōu)路徑模型參數(shù)

通過對(duì)4組救護(hù)隊(duì)總路徑當(dāng)量長(zhǎng)度、平均路徑當(dāng)量長(zhǎng)度和軟件運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，軟件運(yùn)行時(shí)間最短和救護(hù)隊(duì)平均路徑當(dāng)量長(zhǎng)度最短的路徑模型為第1組。其中，甲隊(duì)最優(yōu)應(yīng)急救援路徑為1-4-8-4-1，共3243.6m；乙隊(duì)最優(yōu)應(yīng)急救援路徑為1-7-1，共1975.2m；丙隊(duì)最優(yōu)應(yīng)急救援路徑為1-2-5-6-5-2-1，共2516.8m；丁隊(duì)最優(yōu)應(yīng)急救援路徑為1-3-9-3-1，共2666.4m；最短救援路徑總當(dāng)量長(zhǎng)度為10402.0m；平均路徑當(dāng)量長(zhǎng)度為2600.5m。圖2為最優(yōu)路徑模型。

圖2 最優(yōu)路徑模型圖示

5 結(jié)論

（1）智能信息化建設(shè)是礦山企業(yè)安全生產(chǎn)管理發(fā)展的必然局勢(shì)，雙重預(yù)防機(jī)制智能信息化管理平臺(tái)在企業(yè)安全生產(chǎn)管理中，集危險(xiǎn)源辨識(shí)、應(yīng)急救援等眾多功能為一體，提高了礦山企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急管理能力。

（2）通過對(duì)影響井下被困人員通行時(shí)間的因素進(jìn)行分析，建立非煤礦山井下火災(zāi)救援模型，最優(yōu)路徑是逃生巷道總當(dāng)量長(zhǎng)度最短的路徑。

（3）設(shè)計(jì)出群智能混合算法，即提取粒子群算法和蟻群算法的優(yōu)點(diǎn)，按照混合算法流程圖，求解最優(yōu)路徑。

（4）在雙重預(yù)防機(jī)制智能化信息平臺(tái)中，對(duì)被困人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，及時(shí)建立最優(yōu)應(yīng)急救援模型，對(duì)被困人員開展緊急救援。