企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度的影響建模分析

段雅莎

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027)

煤炭工業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，其在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，易出現(xiàn)爆炸、火災(zāi)和突水等礦井災(zāi)害，給礦井下工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大威脅，因此需加強(qiáng)企業(yè)對(duì)礦井應(yīng)急預(yù)案的制定和實(shí)施強(qiáng)度。礦井應(yīng)急預(yù)案的制定和實(shí)施是影響礦井災(zāi)害人員疏散速度的關(guān)鍵，根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些重大災(zāi)難事故可以看出，企業(yè)的管理漏洞易造成嚴(yán)重的礦井災(zāi)難，還會(huì)對(duì)人員的疏散造成嚴(yán)重影響。

近些年國(guó)內(nèi)外關(guān)于企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度影響的研究越來越多，但大多數(shù)研究都是針對(duì)應(yīng)急路線的選取、疏散路線的規(guī)劃以及企業(yè)管理的加強(qiáng)等方面，關(guān)于企業(yè)管理疏漏對(duì)災(zāi)難人員疏散速度影響的研究較少。張學(xué)鋒等[1]中基于智能體技術(shù)的多重災(zāi)難人員疏散感知模型，利用智能體技術(shù)結(jié)合社會(huì)力模型，同時(shí)考慮人物的心理活動(dòng)，提出一種改進(jìn)的路徑規(guī)劃算法，并建立一個(gè)能夠正確反映疏散人員行為的模型，該模型通過視覺、聽覺和嗅覺信息模擬人員在災(zāi)難環(huán)境中所能感知到的信息，但是該模型容易出現(xiàn)感知信息獲取錯(cuò)誤，對(duì)災(zāi)難人員疏散分析效果不準(zhǔn)確的問題。鄧云峰等[2]基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型與仿真，基于事故區(qū)域疏散的特點(diǎn)，引入疏散亞區(qū)域的概念，構(gòu)建事故區(qū)域疏散優(yōu)化模型，研究不同環(huán)境因素對(duì)人員疏散效率的影響，該模型未考慮企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度影響，分析結(jié)果可信度較低。

為解決上述問題，本文構(gòu)建企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度的影響模型，促使企業(yè)加強(qiáng)對(duì)礦井安全的管理。

1 企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度的影響模型

1.1 多智能體(Multi-Agent)模型構(gòu)建

依照企業(yè)管理出現(xiàn)漏洞時(shí)礦井災(zāi)難人員疏散特點(diǎn)和多智能體模型的構(gòu)建規(guī)則，設(shè)置包括road Agent、node Agent和person Agent在內(nèi)的三種Agent，road Agent和node Agent分別代表礦井地下的巷道、節(jié)點(diǎn)，二者為礦井下工作人員提供工作環(huán)境[3-4]；person Agent用于表示災(zāi)難人員的多智能體，眾多的person Agent對(duì)礦井地下巷道的了解程度均不相同，因此在企業(yè)管理出現(xiàn)漏洞時(shí)，礦井下人員在疏散過程中采用不同的逃生方式。Person Agent 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：person Agent可對(duì)企業(yè)管理漏洞造成的外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行讀取，并對(duì)外部環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和更新，person Agent根據(jù)自身感受到的外部環(huán)境接收礦井信息，并根據(jù)自身的決策做出疏散行為。

1.2 礦井巷道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

選取我國(guó)西部某礦井，將該礦井工作面隅角處的某點(diǎn)作為疏散起始點(diǎn)，疏散終點(diǎn)為斜井副斜井口，連接疏散起始點(diǎn)與終點(diǎn)的多條巷道構(gòu)成本文模型的疏散巷道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[5]，礦井巷道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。其中節(jié)點(diǎn)1為疏散模擬的起始點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)27為疏散終點(diǎn)，圖中巷道表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪?，巷道的連接和分支代表巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞捻旤c(diǎn)，當(dāng)由于企業(yè)管理漏洞而造成井下發(fā)生煙霧時(shí)，災(zāi)難人員的疏散過程為無目的的自主移動(dòng)[6]，因此圖2的拓?fù)鋱D為無方向圖，即巷道無方向。

圖1 person Agent 結(jié)構(gòu)

圖2 礦井網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

圖3 摩爾(Moore)鄰域及擴(kuò)展的Moore鄰域

1.3 花費(fèi)時(shí)間最少的疏散算法

企業(yè)出現(xiàn)管理漏洞時(shí)，管理人員可通過礦井災(zāi)難人員疏散模型對(duì)真實(shí)的礦井網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字化和柵格化處理,對(duì)巷道柵格處理后的結(jié)果作為災(zāi)難人員運(yùn)動(dòng)空間環(huán)境為本文模型提供運(yùn)行的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度影響的建模分析，對(duì)礦井下發(fā)生災(zāi)難時(shí)的疏散路線進(jìn)行研究[7]，運(yùn)用一種最低時(shí)間花費(fèi)的疏散算法，生成災(zāi)難人員的疏散路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)疏散時(shí)間的分析。

1.3.1 算法思想

本文將礦井下的巷道圖視為柵格地圖，不同的柵格代表災(zāi)難人員能夠疏散移動(dòng)的位置如圖3所示。圖3中黑色部分表示此處有災(zāi)難人員，白色部分表示無災(zāi)難人員，任意一個(gè)災(zāi)難人員的附近均為該種柵格，左側(cè)圖像白色柵格部分表示災(zāi)難人員的摩爾鄰域[8]，除此之外，還包括如右側(cè)所示的擴(kuò)展摩爾鄰域，整體的礦井巷道地圖為圖3所示的柵格形式。

本文構(gòu)建的模型中包括四類災(zāi)難人員，分別是中年有經(jīng)驗(yàn)、中年無經(jīng)驗(yàn)、青年有經(jīng)驗(yàn)和青年無經(jīng)驗(yàn)[9]，且四類人員的比例是固定的，在生成災(zāi)難人員時(shí)需構(gòu)建一個(gè)隨機(jī)數(shù)變量computerRate-Math.random(),然后依照computerRate結(jié)果獲取上述四種類型災(zāi)難人員，并將其放置于柵格中。

本文以健康成年人在無負(fù)重壓力下的跑步速度為例，其滿足如下的關(guān)系式：

v=-0.01o+3.444。

(1)

式中：ν表示無負(fù)重狀態(tài)下的初始疏散速度，ο表示災(zāi)難人員的年齡。

當(dāng)企業(yè)管理出現(xiàn)疏漏時(shí)，礦井下災(zāi)難人員通常身負(fù)重物、且疏散巷道有上、下坡，災(zāi)難人員除克服自身重力做功外，還需額外克服大量的阻力做功[10-11]，假設(shè)人體的總輸出功率一定，忽略外界因素對(duì)疏散速度的影響，存在式(2)和式(3)所示關(guān)系式：

μmgv+mgΔh=μg(m+l)vt+(m+l)gΔh；

(2)

(3)

式中：m表示人體自重，l表示負(fù)重，μ表示摩擦系數(shù)，Δh為單位時(shí)間內(nèi)中心的變化高度，νt表示人體處于負(fù)重狀態(tài)時(shí)的疏散速度，g為重力加速度。

1.3.2 算法流程

完成礦井災(zāi)難人員疏散過程，需要在柵格地圖中對(duì)災(zāi)難人員的疏散速度進(jìn)行分析，并將其與礦井下的巷道特點(diǎn)相結(jié)合[12]，算法為：

(1)在柵格地圖上隨機(jī)生成num Agent個(gè)災(zāi)難人員，并將災(zāi)難人員的坐標(biāo)設(shè)置為(Agent X，Agent Y)；

(2)運(yùn)用Get()法獲取由于企業(yè)管理疏漏發(fā)生危險(xiǎn)的位置坐標(biāo)(Fire X，F(xiàn)ire Y)；

(3)假設(shè)一個(gè)控制變量J，并設(shè)置其初始值為0；

(4)對(duì)第j個(gè)災(zāi)難人員進(jìn)行災(zāi)難人員類型判斷[13-14]，對(duì)其疏散方向進(jìn)行設(shè)置；將災(zāi)難人員的位置修正為當(dāng)前所疏散位置；

(5)標(biāo)記災(zāi)難人員的所有疏散柵格；

(6)j=j+1，若出現(xiàn)j

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

為驗(yàn)證本文提出的企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度影響模型的有效性，采用本文模型對(duì)不同企業(yè)管理狀態(tài)下礦井人員的逃生速度進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)采用Pathfinder軟件對(duì)礦井人員的疏散路徑進(jìn)行仿真模擬。

實(shí)驗(yàn)以西部某地區(qū)的某礦井為例，從該礦井工作人員中選取3組人員，20人一組，礦工的年齡段分別在30～35歲、36～40歲、41～45歲和46～50歲之間，從各個(gè)年齡段之間選取5人，每名礦工負(fù)重5 kg，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置3組人員將他們分別安排在實(shí)驗(yàn)礦井的3個(gè)不同區(qū)域，實(shí)驗(yàn)礦井下人員分布如圖5所示，本文模型分析企業(yè)正常管理?xiàng)l件下礦井災(zāi)難人員疏散結(jié)果如圖6所示。分析圖6曲線可知，當(dāng)企業(yè)管理人員對(duì)礦下進(jìn)行常規(guī)管理時(shí)，通過本文模型分析可以得出礦下人員接收疏散信號(hào)后的60 s即開始有組織的疏散，在80 s內(nèi)即可全疏散完畢，該過程耗時(shí)較短。

圖4 礦井災(zāi)難人員疏散算法流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)礦井下的人員分布

圖6 企業(yè)管理正常時(shí)的人員疏散情況

當(dāng)企業(yè)礦井管理出現(xiàn)疏漏時(shí)，礦井下可能會(huì)發(fā)生泄露從而引起大火，出現(xiàn)大量的濃煙，采用本文模型對(duì)此時(shí)礦井人員逃生速度進(jìn)行分析，將此時(shí)的人員疏散礦井巷道劃分為煙霧籠罩區(qū)域和無煙區(qū)域，煙氣區(qū)域與非煙氣區(qū)域劃分情況如圖7所示，三組工作人員的所處位置與圖5中的分布一致。此時(shí)采用本文模型分析企業(yè)正常管理?xiàng)l件下礦井災(zāi)難人員疏散結(jié)果如圖8所示。分析圖8曲線可知，當(dāng)?shù)V井疏于管理，局部出現(xiàn)煙氣環(huán)境時(shí)，礦下人員從發(fā)現(xiàn)危情到開始疏散的反應(yīng)時(shí)間在60 s左右，但三組人員全部疏散完的用時(shí)大約需要200 s，煙氣環(huán)境下礦井人員的疏散時(shí)間較安全情況下的長(zhǎng)120 s，本文模型耗費(fèi)的疏散時(shí)間相對(duì)較低，主要是因?yàn)楸疚哪Ｐ湍苡行Х治銎髽I(yè)管理疏漏對(duì)礦井災(zāi)難人員的速度影響，同時(shí)得出由于企業(yè)管理不當(dāng)導(dǎo)致的危險(xiǎn)發(fā)生會(huì)對(duì)礦井人員的生命造成嚴(yán)重威脅。

圖7 煙氣區(qū)域與非煙氣區(qū)域劃分

圖8 煙氣環(huán)境下人員的疏散情況

在上述采用本文模型對(duì)礦井正常時(shí)和出現(xiàn)煙氣時(shí)礦井人員疏散結(jié)果基礎(chǔ)上，為突出顯示本文模型分析企業(yè)管理漏洞導(dǎo)致的危險(xiǎn)對(duì)人員疏散速度的效用，將圖7中的煙氣區(qū)域與非煙氣區(qū)域進(jìn)行區(qū)段劃分，劃分結(jié)果如圖9所示，將本文模型的分析結(jié)果與傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型的分析結(jié)果進(jìn)行比較。如圖9所示，區(qū)域劃分后該礦井劃分為不同的路段，實(shí)驗(yàn)在企業(yè)管理未出現(xiàn)漏洞礦井安全的情況下和管理出現(xiàn)漏洞礦井出現(xiàn)濃煙的狀況下，分別采用本文模型和傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型對(duì)礦井人員疏散時(shí)間進(jìn)行精密測(cè)試，并將兩種模型的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)礦井人員疏散時(shí)間進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)礦井人員疏散時(shí)間測(cè)試結(jié)果

圖9 區(qū)域劃分后的礦井圖

分析表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)企業(yè)處于正常管理狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用本文模型分析得出礦井人員在礦井下不同路徑的疏散時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)疏散結(jié)果較接近，整體用時(shí)在77 s；當(dāng)企業(yè)管理出現(xiàn)疏漏時(shí)，礦井下產(chǎn)生大量的濃煙，此時(shí)將表1數(shù)據(jù)與圖9相結(jié)合可以看出，在濃煙無覆蓋區(qū)域礦井人員的疏散時(shí)間較正常管理時(shí)疏散時(shí)間長(zhǎng)。因?yàn)榭諝庵械姆肿訑U(kuò)散時(shí)無濃煙覆蓋區(qū)域也會(huì)有少量的煙霧，對(duì)礦井人員的疏散有一定的影響，在濃煙嚴(yán)重覆蓋路段，煙霧對(duì)礦井人員的正常呼吸和能見度的影響較大。當(dāng)空氣中煙霧濃度較高且礦井人員未在短時(shí)間內(nèi)疏散到安全區(qū)域時(shí)，對(duì)礦井人員的生命造成極大威脅，因此企業(yè)管理人員應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)運(yùn)行管理。將傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型在企業(yè)管理正常時(shí)的疏散時(shí)間和管理出現(xiàn)漏洞時(shí)的疏散時(shí)間分別與標(biāo)準(zhǔn)疏散時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，可以看出，傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型的疏散時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)疏散時(shí)間相差較大，因此說明本文模型可用于分析企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度的影響。

此外一些企業(yè)為擴(kuò)大經(jīng)營(yíng)收益，未按照安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)礦井工作人員進(jìn)行嚴(yán)格控制，導(dǎo)致井下人員數(shù)量超出安全標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)采用本文模型對(duì)礦井在不同數(shù)量工作人員下的疏散時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，將出口流量隨疏散時(shí)間變化結(jié)果用圖11表示。分析圖10曲線可知，當(dāng)?shù)V井在管理出現(xiàn)疏漏時(shí)礦井下人數(shù)為安全核定的60人，測(cè)試人員疏散時(shí)間與上述實(shí)驗(yàn)中圖6的結(jié)果一致，當(dāng)?shù)V井下人員超出該安全值后，隨著井下人數(shù)的不斷增加，人員安全疏散的用時(shí)越來越長(zhǎng)，時(shí)間越長(zhǎng)濃煙對(duì)礦井人員的生命威脅越嚴(yán)重；當(dāng)?shù)V井下不存在安全威脅時(shí)，在安全核定人數(shù)下，礦井人員在80 s左右會(huì)快速疏散，當(dāng)人數(shù)超出負(fù)荷時(shí)，疏散時(shí)間也顯著增加，分析圖10曲線可知，當(dāng)企業(yè)安全管理出現(xiàn)管理疏漏時(shí)，隨著礦井人數(shù)的增加，曲線變化斜率較快，此時(shí)人員疏散速率較快，說明本文模型能對(duì)災(zāi)難人員疏散速度進(jìn)行有效分析，具有一定的實(shí)用性。分析圖11可以看出，當(dāng)企業(yè)處于安全管理狀態(tài)下，疏散時(shí)間在250 s之內(nèi)時(shí)，隨著疏散過程的開展，出口處的人流量變化不大，礦井人員都能快速安全的疏散，隨著礦井人數(shù)的逐漸增長(zhǎng)，超出安全人數(shù)后，疏散時(shí)間的增長(zhǎng)造成出口處人流量的不斷提升，出口處人流激增，會(huì)對(duì)人員的疏散帶來一定的影響；當(dāng)企業(yè)發(fā)生疏漏時(shí)，疏散時(shí)間在300 s內(nèi)時(shí)，雖然管理疏漏造成的濃煙會(huì)對(duì)疏散造成影響，但由于人員數(shù)量較少，還可以有序的疏散，只是出口處人流量較高；當(dāng)?shù)V井下人數(shù)嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)后，隨著疏散時(shí)間的增長(zhǎng)，出口處的人流量激增達(dá)到35人，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出出口的最大容載量，此時(shí)進(jìn)行人員疏散極易觸發(fā)踩踏事故，應(yīng)減緩疏散速度。

圖10 疏散人數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖11 出口流量隨疏散時(shí)間變化曲線

3 結(jié) 論

本文提出的企業(yè)管理漏洞對(duì)礦井災(zāi)難人員疏散速度的影響模型,獲取外界環(huán)境變化參數(shù)后對(duì)礦井下巷道進(jìn)行柵格處理，采用一種花費(fèi)時(shí)間最少的疏散算法對(duì)災(zāi)難人員進(jìn)行疏散，實(shí)現(xiàn)在企業(yè)管理漏洞背景下災(zāi)難人員疏散速度的影響分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文模型能對(duì)企業(yè)管理正常和出現(xiàn)漏洞時(shí)的人員疏散情況進(jìn)行有效分析，且分析得出當(dāng)?shù)V井疏于管理局部出現(xiàn)煙氣時(shí)，采用所構(gòu)建模型后礦下人員發(fā)現(xiàn)危情開始疏散的反應(yīng)時(shí)間在60 s左右，三組人員全部疏散完的用時(shí)在200 s左右；本文模型在分析疏散時(shí)間上的精度較傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的區(qū)域疏散分析模型高，說明本文模型在分析由于企業(yè)管理出現(xiàn)漏洞造成的人員疏散建模分析的效果佳，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。