基于實(shí)時數(shù)據(jù)的井下避災(zāi)路線動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布方法研究?

王金華汪有剛張 雷疏禮春

(1.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.中煤科工能源投資有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

★煤炭科技·機(jī)電與信息化★

基于實(shí)時數(shù)據(jù)的井下避災(zāi)路線動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布方法研究?

王金華1汪有剛2張 雷2疏禮春3

(1.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.中煤科工能源投資有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

煤礦井下發(fā)生事故時,井下避災(zāi)路線的合理制定直接關(guān)系到遇險(xiǎn)人員的生命安全,這是煤礦安全生產(chǎn)與管理的一個重要課題。本文將巷道類型、高度、坡度以及通道障礙物等因素納入指標(biāo)體系,并根據(jù)井下的有害氣體、溫度、煙霧和風(fēng)向等監(jiān)測數(shù)據(jù),研究形成了動態(tài)的井下避災(zāi)路線規(guī)劃方法,該方法能夠及時動態(tài)地調(diào)整避災(zāi)路線,并運(yùn)用多種技術(shù)手段將實(shí)時信息發(fā)布給井下人員,確保遇險(xiǎn)人員能夠安全快速地逃生。

井下避災(zāi)路線 動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布 實(shí)時數(shù)據(jù) 逃生信息發(fā)布

避災(zāi)路線是事故發(fā)生后供遇險(xiǎn)人員迅速撤離的安全和可行的路線,生產(chǎn)礦井通常根據(jù)礦井開拓部署情況和災(zāi)害類型提前規(guī)劃避災(zāi)路線并制定應(yīng)急預(yù)案,從而使井下人員在災(zāi)害發(fā)生時可以按照規(guī)劃的避災(zāi)路線進(jìn)行逃生。然而,這種避災(zāi)路線的規(guī)劃也存在一些問題:一是由于煤礦井下巷道環(huán)境的復(fù)雜性以及安全出口數(shù)量的限制,導(dǎo)致井下避災(zāi)路線常常被臨時災(zāi)情及災(zāi)變生成物所阻斷;二是由于井下情況隨時可能變化,某條通路也許會在短時間內(nèi)受災(zāi)變影響,按照既定路線繼續(xù)逃生很可能會遇到危險(xiǎn)。

本文針對避災(zāi)路線無法根據(jù)井下實(shí)時條件進(jìn)行智能調(diào)整的問題,在將巷道類型、高度、坡度以及通道障礙物等傳統(tǒng)因素納入避災(zāi)路線規(guī)劃體系的同時,還需根據(jù)井下監(jiān)測的有害氣體、溫度、煙霧和風(fēng)向等實(shí)時數(shù)據(jù),形成一套動態(tài)的井下避災(zāi)路線規(guī)劃方法,在逃生過程中及時調(diào)整避災(zāi)路線,并結(jié)合井下多媒體設(shè)備進(jìn)行信息發(fā)布,確保井下人員安全快速地逃生。

1 井下巷道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立

本文以山西天地王坡煤業(yè)有限公司的井下巷道模擬圖為例,展示本方法的計(jì)算和運(yùn)行過程。首先要針對井下巷道建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將井下巷道轉(zhuǎn)變成一個帶權(quán)拓?fù)鋱D,并根據(jù)安全情況對巷道進(jìn)行篩選,按照最短路徑算法進(jìn)行規(guī)劃。本方法節(jié)選出王坡煤礦的部分巷道作為實(shí)例,將巷道分岔與匯合點(diǎn)設(shè)置為頂點(diǎn),建立的拓?fù)鋱D如圖1所示。

由圖1可見,01和101節(jié)點(diǎn)分別表示主井口和副井口,48和98節(jié)點(diǎn)為避難硐室,68、78和88節(jié)點(diǎn)為工作面,其余節(jié)點(diǎn)為交叉路口節(jié)點(diǎn)。由此,對于最短避災(zāi)路線的規(guī)劃問題可描述如下:在井下巷道中有n個拓?fù)漤旤c(diǎn),根據(jù)當(dāng)前拓?fù)鋱D的信息,選出巷道內(nèi)的指定位置節(jié)點(diǎn)到達(dá)01和101節(jié)點(diǎn)或48和98節(jié)點(diǎn)的安全且最短的路徑。

圖1 王坡煤礦巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(節(jié)選)

2 計(jì)算路徑權(quán)重

在井下巷道轉(zhuǎn)化成的拓?fù)鋱D中,標(biāo)記井下巷道的交點(diǎn),將兩個交點(diǎn)之間的通路作為有向圖中的一條帶權(quán)邊,因?yàn)榫旅織l路徑在長度、高度、寬度、坡度、有害氣體濃度以及巷道障礙物等因素上的不同,這些因素將影響該路徑的安全性和通過速度,從而導(dǎo)致各邊的權(quán)重有差異。對這些因素用行進(jìn)難易度系數(shù)表示,使之與巷道的實(shí)際長度相乘后,得到的長度為相對長度。最短路徑問題便轉(zhuǎn)化為求最短相對長度的問題。在計(jì)算最優(yōu)避災(zāi)路線時,依次考慮下列條件。

2.1 計(jì)算巷道高度影響

巷道高度影響工人逃生的基本速度,根據(jù)一般測試情況,在巷道高度達(dá)到2 m以上時,工人可以奔跑,常人速度大約在Vrun＝2.25 m/s左右;在2 m以下時,工人奔跑可能會撞傷頭部導(dǎo)致受傷,故只能采取快速行進(jìn)的方式,速度大約為Vwalk＝1.5 m/s左右。

2.2 計(jì)算巷道類型影響

井下巷道基本可分為礦井軌道運(yùn)輸巷、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷、回風(fēng)大巷以及聯(lián)絡(luò)巷等,不同類型的巷道對行走速度是有影響的,如對于設(shè)置風(fēng)門的巷道,由于打開風(fēng)門需要一定時間,所以需要考慮增加通行的時間。因此,針對每一種巷道類型,單獨(dú)設(shè)置巷道類型行進(jìn)難易系數(shù)Kd對巷道進(jìn)行修正。針對不同的巷道進(jìn)行設(shè)置的Kd具體值見表1。

2.3 計(jì)算巷道障礙物影響

設(shè)n為第i條巷道中的局部障礙個數(shù);lij為第i條巷道中第j個局部障礙的長度值,因此巷道障礙物對逃生的影響表現(xiàn)為長度的增加,即增加了

表1 巷道類型對應(yīng)難易系數(shù)Kd

2.4 計(jì)算巷道坡度影響

巷道坡度對逃生的速度、時間以及工人的體力等都會產(chǎn)生一定程度的影響。為了方便計(jì)算,確定當(dāng)上坡角度小于5°時,可認(rèn)為速度沒有削減;在5°～8°之間時,則行進(jìn)速度為水平速度的2/3;在8°以上時,則行進(jìn)速度為水平速度的1/3。綜上可知,角度對行進(jìn)距離的影響可表現(xiàn)為坡度行進(jìn)難易系數(shù)其中α為水平面與坡面的夾角。

2.5 計(jì)算路徑綜合權(quán)重

通過上述條件的計(jì)算,可歸納巷道路徑的相對長度見式(1):

式中:L——巷道路徑的相對長度,m;

Ks——坡度行進(jìn)難易系數(shù);

Kd——巷道類型行進(jìn)難易系數(shù);

l——巷道路徑的實(shí)際長度,m;

li——第i條巷道中所有局部障礙物的長度之和,m。

則工人通過一段巷道所需的時間可由式(2)計(jì)算:

式中:t——通過路徑所需的時間,min;

L——巷道路徑的相對長度,m;

Vp——工人的平均行走速度(根據(jù)巷道高度不同取Vrun或Vwalk),m/s。

式(2)中計(jì)算得到的t即為各條路徑的權(quán)重。王坡煤礦拓?fù)鋱D各路徑權(quán)重計(jì)算如圖2所示。

圖2 王坡煤礦井下路徑權(quán)重(節(jié)選)

3 最優(yōu)路線計(jì)算與動態(tài)調(diào)整

3.1 確定逃生出口

在計(jì)算最優(yōu)路線前,先從監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取避難硐室內(nèi)外的實(shí)時環(huán)境監(jiān)測信息,當(dāng)避難硐室處于安全狀態(tài)時,則將距離該避難硐室最近的人的逃生出口設(shè)置為逃到避難硐室,其余人設(shè)置為逃生到井口出口。選擇前往避難設(shè)施的人數(shù)不應(yīng)大于避難設(shè)施能承載的核定人數(shù)。在可到達(dá)的情況下,王坡煤礦選取01和101節(jié)點(diǎn)為逃生出口。

3.2 確定可通行巷道路徑

在計(jì)算最佳避災(zāi)路線前,需要預(yù)先判斷安全的可通行巷道?？梢酝ㄟ^甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和風(fēng)向傳感器等井下各類實(shí)時傳感器,采集甲烷濃度、一氧化碳濃度、巷道實(shí)時溫度、煙霧濃度和風(fēng)流方向等實(shí)時數(shù)據(jù),如果被采集的數(shù)據(jù)數(shù)值出現(xiàn)異常,則可判定相應(yīng)傳感器的路段可能受災(zāi)變影響無法通行。

3.2.1 傳感器數(shù)值超限的路徑

針對不同的災(zāi)害類型,分析其易發(fā)生的地點(diǎn),并在相應(yīng)巷道內(nèi)安裝反映受災(zāi)變影響程度的傳感器,設(shè)置傳感器的報(bào)警值,當(dāng)傳感器監(jiān)測的數(shù)值大于等于設(shè)定的報(bào)警值時,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動判定該路徑為無效路徑并從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中移除。

3.2.2 傳感器失靈的路徑

在緊急逃生過程中,傳感器如果突然失靈,可能包含以下幾種情況:

(1)瓦斯氣體瞬時大量沖擊傳感器,導(dǎo)致傳感器失靈;

(2)當(dāng)傳感器在通電狀態(tài)時,如果接觸到氣體濃度遠(yuǎn)超出其量程的氣體時,有可能造成傳感器的化學(xué)物質(zhì)失去活性,無法再對氣體濃度的變化產(chǎn)生反應(yīng),稱為傳感器中毒;

(3)伴生的瓦斯爆炸和巷道冒頂事故導(dǎo)致傳感器、井下輸電線路或通信網(wǎng)絡(luò)損壞,信號中斷。

根據(jù)可能出現(xiàn)的情況,可以對原始巷道拓?fù)鋱D進(jìn)行篩選,得到一個具備安全可通行路徑的拓?fù)鋱D,用于進(jìn)行最優(yōu)避災(zāi)路線的計(jì)算和選擇。

3.3 計(jì)算最優(yōu)路線

在計(jì)算最優(yōu)路線的時候,使用典型的最短路徑選擇算法——Dijkstra算法,計(jì)算出當(dāng)前條件下的最短逃生路徑P1。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時,系統(tǒng)在自動排除危險(xiǎn)路段和路況未知路段后,通過Dijkstra算法為井下工人選擇一條從該工人所在位置到安全逃生出口(井口或避難硐室)安全且路徑權(quán)重之和最短的路徑作為最優(yōu)避災(zāi)路線。由Dijkstra算法計(jì)算出的逃生路徑概念示意圖如圖3所示。由圖3可以看出,Dijkstra算法為處于工作面68節(jié)點(diǎn)的工人提供了一條到井口的最短安全逃生路徑,分別經(jīng)過68、67、57、56、46、36、35、34、33、32、12和02節(jié)點(diǎn)到達(dá)01節(jié)點(diǎn);為處于工作面78節(jié)點(diǎn)的工人提供的最短安全路徑經(jīng)過78、88、87、86、85、84、94、104和103節(jié)點(diǎn)到達(dá)101節(jié)點(diǎn)。圖中沒有標(biāo)注權(quán)重的路徑表示該路徑存在危險(xiǎn),不可通行。

圖3 逃生路徑概念示意圖

3.4 路線動態(tài)調(diào)整

避災(zāi)路線很有可能發(fā)生新的險(xiǎn)情,導(dǎo)致路線中斷,因此在逃生過程中,可能需要根據(jù)實(shí)際情況對避災(zāi)路線進(jìn)行臨時修改。傳感器采集周期為1～5 s,當(dāng)采集的數(shù)據(jù)被解析后未出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況,則路線不變;如果出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況,則自動重新計(jì)算路徑,并在第一時間發(fā)出通知和警告。

如圖3所示,當(dāng)35和36節(jié)點(diǎn)之間路徑的傳感器產(chǎn)生報(bào)警超限,則系統(tǒng)立即將其定為危險(xiǎn)路段,并自動重新計(jì)算最短安全路線。此時,從46節(jié)點(diǎn)經(jīng)45、44、34、33、32、12和02節(jié)點(diǎn)到達(dá)01節(jié)點(diǎn)的路線最短,因此可獲得重新計(jì)算后的路線為68、67、57、56、46、45、44、34、33、32、12、 02和01節(jié)點(diǎn),傳感器超限后動態(tài)調(diào)整的逃生路徑概念示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器超限后動態(tài)調(diào)整的逃生路徑概念示意圖

4 發(fā)布井下逃生信息

4.1 發(fā)布逃生信息到井下廣播系統(tǒng)

井下出現(xiàn)險(xiǎn)情時,調(diào)度中心部署的避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)與井下廣播系統(tǒng)聯(lián)動,通過井下廣播裝置對全礦井下范圍進(jìn)行廣播通知,廣播的內(nèi)容包括井下災(zāi)害的類型與等級、災(zāi)害位置、采用何種應(yīng)急預(yù)案以及井下實(shí)時危險(xiǎn)地帶等信息。

4.2 發(fā)布逃生信息到井下指示牌

在井下交叉路段的重要路口處設(shè)置井下智能信息指示牌,指示牌可滾動顯示人工編輯的信息,也可以發(fā)布由避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)自動發(fā)送的路線安全信息。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時,有危險(xiǎn)的路段入口處的智能信息指示牌將顯示為禁止通行標(biāo)志,表示該路段危險(xiǎn)禁止進(jìn)入;未探測到危險(xiǎn)的路段入口處智能信息指示牌顯示為通行暢通標(biāo)志,表示該路段暢通。在井下工人撤離過程中,一旦系統(tǒng)探測到某路段出現(xiàn)新的危險(xiǎn),則將指示牌由通行暢通變?yōu)榻雇ㄐ?從而對逃生中的工人給予警示,避免他們在逃生過程中不慎闖入危險(xiǎn)區(qū)域。

4.3 發(fā)布逃生信息到移動終端

針對深處不同位置的井下工人個體,通過工人持有的井下智能終端進(jìn)行信息發(fā)布。避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)通過與人員定位系統(tǒng)聯(lián)動獲取工人所在的位置區(qū)域,并將位置信息發(fā)送到工人所持智能終端中,由智能終端設(shè)備上安裝的客戶端路線規(guī)劃程序進(jìn)行實(shí)時路線規(guī)劃,生成從工人實(shí)際位置到最近逃生出口的最安全和最短路線。一旦避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)通過傳感器探測到新的危險(xiǎn),則將新的危險(xiǎn)所在位置與工人當(dāng)前位置信息重新發(fā)送給工人所持終端,并由終端生成新的避災(zāi)路線,從而最大程度地避免工人在逃生過程中誤入危險(xiǎn)路段的情況發(fā)生。

5 結(jié)語

井下避災(zāi)路線動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布方法在王坡煤礦進(jìn)行了應(yīng)用測試,模擬井下掘進(jìn)工作面發(fā)生火災(zāi)的情況,同時在井下人員逃生可選擇的巷道上模擬了部分測點(diǎn)瓦斯監(jiān)測值超過3%,在避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)(集成了井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù))中選擇安全出口為行人斜井底。系統(tǒng)根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)的人員分布位置自動提示井下各地點(diǎn)人員到行人斜井底的避災(zāi)路線,路線除了遵循最短路徑原則外,還自動避開了人為設(shè)定的瓦斯監(jiān)測值達(dá)到3%的路徑,在井下采掘圖上動態(tài)顯示逃生路徑,同時把發(fā)生災(zāi)害掘進(jìn)工作面的位置,井下瓦斯監(jiān)測值3%的位置 以及最優(yōu)避災(zāi)路線的路徑信息通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到井下廣播系統(tǒng)上位機(jī),廣播系統(tǒng)自動把上述信息進(jìn)行全礦井廣播,要求全礦井人員撤離,并提示逃生路線。全體井下人員根據(jù)井下廣播的提示,按照避災(zāi)路線規(guī)劃軟件提示的避災(zāi)路線進(jìn)行了撤離,全部安全撤到行人斜井口。由于受井下實(shí)際情況的限制,在與井下指示牌與移動終端聯(lián)動方面沒有測試,下一步可尋找有條件的煤礦,把避災(zāi)路線信息發(fā)布到多種井下終端。

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Dynamic programming and release system of underground emergency escape route based on real-time data

Wang Jinhua1,Wang Yougang2,Zhang Lei2,Shu Lichun3
(1.China Coal Technology and Engineering Group Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Energy Investment Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 3.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

When an accident happened in coal mine,an escape route formulated scientifically is directly related to the safety of miners in the coal mine,and is also an important issue not only for the safe production but management.In this paper,the roadway＇s style,altitude and slope as well as obstacle in tunnel were covered in the index system,and the dynamic programming of escape routes was built up,based on the real-time monitoring data such as harmful gas,temperature,smoke and wind direction.By using this method,the escape routes could be timely adjusted and the relevant information could be sent to the underground miners in different ways so as to ensure the miners to escape safely and fastly.

underground escape routes,dynamic programming and release system,real-time data,information release about escape

TD77

A

王金華(1957－),男,河北衡水人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任中國煤炭科工集團(tuán)有限公司董事長,國家能源專家咨詢委員會委員,享受國務(wù)院政府特殊津貼專家。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2013ZD010)