跨平臺(tái)礦井應(yīng)急救援路徑尋優(yōu)方案研究

郝天軒， 趙立楨

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000； 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 焦作 454000)

0 引言

應(yīng)急救援路徑優(yōu)化是煤礦緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于災(zāi)害發(fā)生時(shí)遇險(xiǎn)人員和救援人員的路徑選取具有指導(dǎo)意義[1-2]。目前煤礦使用的應(yīng)急救援路徑一般是在煤礦運(yùn)轉(zhuǎn)初期確定的，與災(zāi)害發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況有一定偏差。當(dāng)實(shí)際事故發(fā)生時(shí)，事先確定的應(yīng)急救援路徑會(huì)被各種因素影響，必須綜合考慮后規(guī)劃出最可靠的路徑，以減少災(zāi)害所造成的損失[3]。

煤礦應(yīng)急救援路徑優(yōu)化是一個(gè)經(jīng)典問題，常用的路徑尋優(yōu)算法有粒子群算法、蟻群算法[4]、遺傳算法[5]等。粒子群算法的學(xué)習(xí)過程較簡(jiǎn)單，但粒子數(shù)量較少時(shí)易陷入局部最優(yōu)。蟻群算法適用于在圖上搜索最優(yōu)路徑，但由于受多種因素影響，計(jì)算量較大[6]。遺傳算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力，適用于離散問題，但對(duì)新空間的探索能力不足?，F(xiàn)有研究多處于計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算階段[7-9]，要在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用，仍需進(jìn)一步研究。

Dijkstra算法是圖論的經(jīng)典算法，非常適用于圖論中的解算，計(jì)算負(fù)載小，對(duì)硬件要求不高，可以部署在輕量級(jí)平臺(tái)[10-11]。本文提出一種跨平臺(tái)礦井應(yīng)急救援路徑尋優(yōu)方案，使用綜合考慮了巷道實(shí)際長(zhǎng)度與通行難度的當(dāng)量值作為路徑長(zhǎng)度，采用Dijkstra算法求解礦井應(yīng)急救援路徑，并結(jié)合Unity引擎的跨平臺(tái)特性，在計(jì)算機(jī)、移動(dòng)端等平臺(tái)運(yùn)行應(yīng)急救援路徑尋優(yōu)算法，為井下避險(xiǎn)和救援提供支持。

1 巷道當(dāng)量值計(jì)算

巷道實(shí)際長(zhǎng)度L是判斷巷道最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)，此外還要分析巷道通行難度[12]。在巷道出現(xiàn)災(zāi)情時(shí)，不同巷道區(qū)段會(huì)受到不同程度的影響，其通行難度會(huì)發(fā)生變化。引起通行阻力的因素有很多，在實(shí)際巷道行進(jìn)過程中，巷道高度、寬度、坡度、風(fēng)速、局部障礙物(礦用機(jī)械設(shè)備、風(fēng)墻、風(fēng)門等)的數(shù)量、實(shí)時(shí)災(zāi)害(如火災(zāi)時(shí)的高溫?zé)煔?、水?zāi)時(shí)的巷道積水、巷道坍塌等)都會(huì)對(duì)井下人員的通行速度造成影響。因?yàn)閷?shí)時(shí)災(zāi)害對(duì)巷道能否通行的影響是決定性的，所以在程序中將發(fā)生災(zāi)害的點(diǎn)或段設(shè)置為不可通行。將巷道通行影響因素抽象為方便計(jì)算的影響因子，設(shè)巷道高度為γ1，巷道坡度為γ2，巷道泥濘度為γ3，機(jī)械數(shù)量為γ4，風(fēng)門數(shù)量為γ5，則通行難度因子γ為

γ=γ1+γ2+γ3+γ4+γ5

(1)

γi(i=1～5)的計(jì)算公式為[13-14]

γi=(Ti-ti)/ti

(2)

式中：Ti為存在某因素時(shí)通行需要的時(shí)間，s；ti為不存在某因素時(shí)通行需要的時(shí)間，s。

巷道當(dāng)量Ls為

Ls=L(1+γ)

(3)

2 Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)

Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) 讀取包含巷道當(dāng)量信息的csv文件并將其處理為二維矩陣R。

(2) 初始化5個(gè)集合S，U，D，P，I。其中S存放已計(jì)算過的節(jié)點(diǎn)的下標(biāo)，U存放尚未計(jì)算的節(jié)點(diǎn)的下標(biāo)，D為某一點(diǎn)到下一位置的最小距離集合，P存放前一個(gè)點(diǎn)的下標(biāo)，I為Bool集合，表示是否已為最短路徑。

(3) 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)圖中的起點(diǎn)m和終點(diǎn)n。

(4) 將起點(diǎn)m加到集合S中，標(biāo)記I[m]=true。將其他點(diǎn)加到集合U中，遍歷集合U，從矩陣R中篩選出m點(diǎn)到其他各點(diǎn)的距離并添加到集合D中。若兩點(diǎn)之間不直接連通，則以一個(gè)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響的極大值代替，本文用9 999填充矩陣。

(5) 求出集合D中的最小值，將最小值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)x加入集合S中，標(biāo)記I[x]=true。如果x點(diǎn)到集合U中i點(diǎn)的距離與m點(diǎn)到x點(diǎn)的距離之和小于D[i]的值，則將D[i]值更新為前者，并將P[x]的值更新為m。

(6) 判斷集合U中是否還存在元素。若存在，則重復(fù)步驟(3)；若不存在，則結(jié)束計(jì)算，并將結(jié)果拼接為字符串，選擇終點(diǎn)為點(diǎn)n的結(jié)果輸出并顯示。

3 跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

Unity是應(yīng)用非常廣泛的實(shí)時(shí)內(nèi)容開發(fā)平臺(tái)，利用Unity底層的跨平臺(tái)機(jī)制，可將同一套程序發(fā)布到計(jì)算機(jī)端、移動(dòng)端等不同平臺(tái)。將礦井巷道CAD圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并計(jì)算巷道當(dāng)量值；利用C#編程實(shí)現(xiàn)Dijkstra算法，求解礦井應(yīng)急救援路徑并在用戶界面標(biāo)記和顯示。

若選擇在計(jì)算機(jī)端發(fā)布，可直接打開Unity, 依次選擇File→Build Settings→PC, Mac & Linux Standalone，直接發(fā)布即可輸出可執(zhí)行程序。計(jì)算機(jī)端發(fā)布菜單界面如圖1所示。

若選擇在安卓端發(fā)布，首先需要配置Unity的Android環(huán)境，在開發(fā)機(jī)上安裝Android軟件開發(fā)工具包(Android SDK Tools)與Java軟件開發(fā)工具包JDK。菜單選擇：Unity→Preferences (on OSX) or Edit→Preferences(on Windows)；在打開的窗口中導(dǎo)航到外部工具(External Tools);點(diǎn)擊“Browse”，找到安裝Android SDK Tools的文件夾，注意不要細(xì)分進(jìn)去，選擇到SDK文件夾即可。

圖1 計(jì)算機(jī)端發(fā)布菜單界面Fig.1 Computer-side release menu interface

配置好Android環(huán)境后，依次選擇File→Build Settings→Android，在打開的頁面底部選擇“Switch Platform”切換平臺(tái)，切換平臺(tái)所需時(shí)間與項(xiàng)目大小正相關(guān)。以上設(shè)置完畢，就可將程序發(fā)布為移動(dòng)端使用的APK文件。

對(duì)于大型的全礦計(jì)算，可將程序部署在高性能計(jì)算機(jī)端，以加快運(yùn)行速度。而井下避災(zāi)和救援人員可使用移動(dòng)端發(fā)布的軟件來選擇最優(yōu)路徑。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 當(dāng)量值計(jì)算

選取河南永煤集團(tuán)股份有限公司新橋煤礦的部分礦圖，共選出37個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成47段巷道，其CAD圖如圖2所示，巷道當(dāng)量長(zhǎng)度見表1。

圖2 新橋煤礦部分巷道CAD圖
Fig.2 CAD drawings of some roadways in Xinqiao Coal Mine

4.2 Dijkstra算法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1中的當(dāng)量值數(shù)據(jù)將巷道信息編制為csv文件，并將其處理為二維矩陣R：

(4)

Dijkstra算法程序讀取矩陣R中的巷道信息并進(jìn)行計(jì)算，完成后顯示最優(yōu)路徑及該路徑的當(dāng)量值。計(jì)算得出從掘進(jìn)巷36到副井0的最優(yōu)路徑為36→23→22→26→27→28→29→30→14→15→0,路徑當(dāng)量值為2 393 m;由掘進(jìn)巷36到永久避難硐室8的最優(yōu)路徑為36→23→22→21→20→19→18→4→5→6→7→8,路徑當(dāng)量值為3 165 m;由工作面32到達(dá)副井0的最優(yōu)路徑為32→31→10→11→12→13→14→15→0,路徑當(dāng)量值為3 524 m；由工作面32到達(dá)避難硐室8的最優(yōu)路徑為32→31→10→8,路徑當(dāng)量值為2 499 m。

表1 巷道當(dāng)量長(zhǎng)度Table1 Roadway equivalent values

救援路徑與避災(zāi)路徑相反，如從副井0到掘進(jìn)巷36的最佳救援路徑為0→15→14→30→29→28→27→26→22→23→36。

井下膠帶運(yùn)輸巷是礦井主要易發(fā)火災(zāi)區(qū)域，由于其發(fā)生突然，發(fā)展迅速，極易對(duì)井下工作人員造成威脅[15]。假設(shè)27—28段膠帶上山巷道中的帶式輸送機(jī)故障造成火災(zāi)事故，則該段巷道無法通行。計(jì)算時(shí)需將28—27段膠帶上山巷道當(dāng)量值設(shè)為9 999 m，再次運(yùn)行后得出從掘進(jìn)巷36到副井0的最優(yōu)路徑為36→23→22→21→20→19→18→17→4→3→2→1→0，從而繞過了因火災(zāi)而無法通行的28—27路段，給出了準(zhǔn)確有效的井下避災(zāi)路徑。

5 結(jié)語

提出一種跨平臺(tái)礦井應(yīng)急救援路徑尋優(yōu)方案，介紹了巷道當(dāng)量長(zhǎng)度的計(jì)算方法、Dijkstra算法的實(shí)現(xiàn)步驟和基于Unity引擎的跨平臺(tái)部署方法。該方案可部署于計(jì)算機(jī)端和各種移動(dòng)平臺(tái)，為井下避險(xiǎn)和救援路徑選擇提供支持。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方案能夠繞過因事故而無法通行的路段，在發(fā)生災(zāi)情時(shí)及時(shí)找到最優(yōu)路徑。