智能信息化在非煤礦山火災救援路徑的應用研究

樊雯婧，劉 敏，徐 毅

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

關健詞：井下火災；最短路徑；群智能算法；雙重預防機制

礦山安全生產管理一直是國家安全生產管理中的重點監(jiān)管領域，礦山井下是災害發(fā)生的高頻部位，特別是井下火災，巷道中會產生大量的高溫和有毒有害氣體，嚴重威脅到被困人員的生命安全[1]。在井下火災發(fā)生時，如何快速確定被困人員實時位置，選擇最優(yōu)應急救援路徑，及時開展緊急救援，是應對礦山災害事故的首要任務。本文通過對井下火災災變時期影響人員井巷通行時間的基本因素進行總結分析，利用雙重預防機制智能化信息管理平臺對被困人員進行定位，建立出合理的應急救援路徑模型，通過粒子群優(yōu)化蟻群的群智能算法，在智能化信息平臺中，用最短的時間解算出最優(yōu)應急救援路徑，對被困人員實施緊急救援，縮短了救援時間，減少了人員傷亡，提高了井下應急救援的實效性，為非煤礦山災害應急救援系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論支撐。

1 雙重預防機制智能化信息平臺

安全管理，一向是企業(yè)管理的重中之重，推動企業(yè)安全生產信息系統(tǒng)建設，開展隱患自查自改、在線監(jiān)測監(jiān)控、安全生產臺帳等信息系統(tǒng)建設等信息技術推廣應用勢在必行[2]。雙重預防機制體系是近年來推廣的一項重要理論，主要包含兩方面的基本內容，即風險分級管控和隱患排查治理。非煤礦山企業(yè)開展雙重預防機制體系的建設是保障礦山生產安全的一項重要工作，該體系的應用一般是和井下人員定位系統(tǒng)進行結合，這樣可以更好的改善礦山生產環(huán)境，保障人員在井下工作的安全性。

雙重預防機制智能化信息平臺是基于隱患排查治理、風險分級管控、危險源預警、井下人員定位、應急救援、安全教育考試，設備設施，危險作業(yè)，職業(yè)健康，勞動防護用品等多種功能為一體的礦山智能化信息管理平臺，是礦山企業(yè)實現(xiàn)“四化”的必然趨勢。特別是在應急管理中，雙重預防機制智能信息化管理平臺能夠發(fā)揮重要作用。在礦井出現(xiàn)災變時，該平臺會對井下被困人員進行實時定位，確定人員被困巷道的準確地點，再利用平臺模擬出最優(yōu)應急救援路徑，確保及時對被困人員進行緊急救援。

2 建立救援路徑模型

2.1 井下巷道的可通行性

非煤礦山井下火災發(fā)生時，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—未被火災風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,可在一定條件火災風流中通行[3]。井下人員允許通行時間。

T—允許通行時間(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)被困人員對溫度承受的極限時間，挑選的逃生巷道[3]。人在礦山井下承受高溫的最大時間。

Tmax—最大耐受高溫時間；t——巷中空氣溫度。

2.2 井下巷道的當量長度

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

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

Eij實際長度為l，當量長度為。

設井下火災被困人員逃生所經過的路徑P含有n條可通行巷道，巷道k當量長度為L(Ek)，則總應急救援路徑當量長度為。

3 設計群智能優(yōu)化算法

近年來，隨著對群智能算法的深入研究，針對路徑優(yōu)化問題，我們經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，擅長解決離散問題的優(yōu)化[8]，但是該算法收斂速度慢，計算時間長，易于出現(xiàn)停滯、陷入局部最優(yōu)等現(xiàn)象[8]。

設計群智能優(yōu)化算法，即是先即利用粒子群算法對蟻群算法參數(shù)進行多次搜索，得到多種組合，再將參數(shù)組合分別代入到蟻群算法中，從而實現(xiàn)蟻群算法對路徑的解算，得到最短路徑min F(α、β、ρ）。

4 解算實例

選取某非煤礦山井下作為火災發(fā)生地點，設計甲、乙、丙、丁4組應急救援隊，對井下火災9處被困人員實施緊急救援，利用雙重預防機制智能化信息平臺對井下危險源辨識，并對發(fā)生火災區(qū)域影響人員通行時間的因素分析，通過對被困人員實時定位，建立出合理的路徑模型。

表1 當量長度鄰接矩陣

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

在雙重預防機制智能化信息平臺中，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蟻群算法參數(shù)進行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，實現(xiàn)蟻群算法對路徑的解算，計算出6組路徑當量長度和運行時間。

表2 最優(yōu)路徑模型參數(shù)

通過對4組救護隊總路徑當量長度、平均路徑當量長度和軟件運行時間進行對比，軟件運行時間最短和救護隊平均路徑當量長度最短的路徑模型為第1組。其中，甲隊最優(yōu)應急救援路徑為1-4-8-4-1，共3243.6m；乙隊最優(yōu)應急救援路徑為1-7-1，共1975.2m；丙隊最優(yōu)應急救援路徑為1-2-5-6-5-2-1，共2516.8m；丁隊最優(yōu)應急救援路徑為1-3-9-3-1，共2666.4m；最短救援路徑總當量長度為10402.0m；平均路徑當量長度為2600.5m。圖2為最優(yōu)路徑模型。

圖2 最優(yōu)路徑模型圖示

5 結論

（1）智能信息化建設是礦山企業(yè)安全生產管理發(fā)展的必然局勢，雙重預防機制智能信息化管理平臺在企業(yè)安全生產管理中，集危險源辨識、應急救援等眾多功能為一體，提高了礦山企業(yè)安全風險防范和應急管理能力。

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

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

（4）在雙重預防機制智能化信息平臺中，對被困人員進行實時定位，及時建立最優(yōu)應急救援模型，對被困人員開展緊急救援。