智能信息化在非煤矿山火灾救援路径的应用研究

樊雯婧，刘 敏，徐 毅

（1.西北有色地质矿业集团有限公司/陕西黄金集团股份有限公司，陕西 西安 710000；2.西安西北有色物化探总队有限公司，陕西 西安 710000）

关健词：井下火灾；最短路径；群智能算法；双重预防机制

矿山安全生产管理一直是国家安全生产管理中的重点监管领域，矿山井下是灾害发生的高频部位，特别是井下火灾，巷道中会产生大量的高温和有毒有害气体，严重威胁到被困人员的生命安全[1]。在井下火灾发生时，如何快速确定被困人员实时位置，选择最优应急救援路径，及时开展紧急救援，是应对矿山灾害事故的首要任务。本文通过对井下火灾灾变时期影响人员井巷通行时间的基本因素进行总结分析，利用双重预防机制智能化信息管理平台对被困人员进行定位，建立出合理的应急救援路径模型，通过粒子群优化蚁群的群智能算法，在智能化信息平台中，用最短的时间解算出最优应急救援路径，对被困人员实施紧急救援，缩短了救援时间，减少了人员伤亡，提高了井下应急救援的实效性，为非煤矿山灾害应急救援系统的优化提供理论支撑。

1 双重预防机制智能化信息平台

安全管理，一向是企业管理的重中之重，推动企业安全生产信息系统建设，开展隐患自查自改、在线监测监控、安全生产台帐等信息系统建设等信息技术推广应用势在必行[2]。双重预防机制体系是近年来推广的一项重要理论，主要包含两方面的基本内容，即风险分级管控和隐患排查治理。非煤矿山企业开展双重预防机制体系的建设是保障矿山生产安全的一项重要工作，该体系的应用一般是和井下人员定位系统进行结合，这样可以更好的改善矿山生产环境，保障人员在井下工作的安全性。

双重预防机制智能化信息平台是基于隐患排查治理、风险分级管控、危险源预警、井下人员定位、应急救援、安全教育考试，设备设施，危险作业，职业健康，劳动防护用品等多种功能为一体的矿山智能化信息管理平台，是矿山企业实现“四化”的必然趋势。特别是在应急管理中，双重预防机制智能信息化管理平台能够发挥重要作用。在矿井出现灾变时，该平台会对井下被困人员进行实时定位，确定人员被困巷道的准确地点，再利用平台模拟出最优应急救援路径，确保及时对被困人员进行紧急救援。

2 建立救援路径模型

2.1 井下巷道的可通行性

非煤矿山井下火灾发生时，依据被困人员在巷道通行的难易程度，将逃生巷道分为理想型、可行型、逃生型3种类型。

（1）理想型巷道—未被火灾风流影响的可通行性井下巷道[3]。

（2）可行型巷道—被困人员利用自救器,可在一定条件火灾风流中通行[3]。井下人员允许通行时间。

T—允许通行时间(min)；t—井巷中空气温度(℃)；ξ—巷道坡度影响系数。

（3）逃生型巷道—依据被困人员对温度承受的极限时间，挑选的逃生巷道[3]。人在矿山井下承受高温的最大时间。

Tmax—最大耐受高温时间；t——巷中空气温度。

2.2 井下巷道的当量长度

影响人员在井巷通行速度的因素有被困人员人数、断面长宽高、坡度、风烟浓度和速度、高温、阻碍物等[4]，βi为通行难易度系数。

T(Eij)—有该影响因素时通过巷道Eij的通行时间[3]； t(Eij)—无该影响因素时通过巷道Eij的通行时间[4]。

Eij实际长度为l，当量长度为。

设井下火灾被困人员逃生所经过的路径P含有n条可通行巷道，巷道k当量长度为L(Ek)，则总应急救援路径当量长度为。

3 设计群智能优化算法

近年来，随着对群智能算法的深入研究，针对路径优化问题，我们经常采用群智能算法中的蚁群算法(ACO)[6]和粒子群算法(PSO)[6]。粒子群算法具有较强的全局搜索能力，能够以较快的收敛速度逼近最优解，擅长解决连续问题的优化[7]，但是该算法局部寻优能力较差，易于出现早熟收敛、陷入局部最小等现象[7]。蚁群算法具有通用性、鲁棒性、群体性、并行性等特性，擅长解决离散问题的优化[8]，但是该算法收敛速度慢，计算时间长，易于出现停滞、陷入局部最优等现象[8]。

设计群智能优化算法，即是先即利用粒子群算法对蚁群算法参数进行多次搜索，得到多种组合，再将参数组合分别代入到蚁群算法中，从而实现蚁群算法对路径的解算，得到最短路径min F(α、β、ρ）。

4 解算实例

选取某非煤矿山井下作为火灾发生地点，设计甲、乙、丙、丁4组应急救援队，对井下火灾9处被困人员实施紧急救援，利用双重预防机制智能化信息平台对井下危险源辨识，并对发生火灾区域影响人员通行时间的因素分析，通过对被困人员实时定位，建立出合理的路径模型。

表1 当量长度邻接矩阵

其中，Eij—邻接节点i、j间巷道，i=1时，为井口节点；Inf—邻接节点i、j间由于危险因素导致巷道不可通行。

在双重预防机制智能化信息平台中，通过粒子群优化蚁群的群智能算法，即利用粒子群算法对蚁群算法参数进行6次搜索，得到6种组合，再将参数组合分别代入到蚁群算法中，实现蚁群算法对路径的解算，计算出6组路径当量长度和运行时间。

表2 最优路径模型参数

通过对4组救护队总路径当量长度、平均路径当量长度和软件运行时间进行对比，软件运行时间最短和救护队平均路径当量长度最短的路径模型为第1组。其中，甲队最优应急救援路径为1-4-8-4-1，共3243.6m；乙队最优应急救援路径为1-7-1，共1975.2m；丙队最优应急救援路径为1-2-5-6-5-2-1，共2516.8m；丁队最优应急救援路径为1-3-9-3-1，共2666.4m；最短救援路径总当量长度为10402.0m；平均路径当量长度为2600.5m。图2为最优路径模型。

图2 最优路径模型图示

5 结论

（1）智能信息化建设是矿山企业安全生产管理发展的必然局势，双重预防机制智能信息化管理平台在企业安全生产管理中，集危险源辨识、应急救援等众多功能为一体，提高了矿山企业安全风险防范和应急管理能力。

（2）通过对影响井下被困人员通行时间的因素进行分析，建立非煤矿山井下火灾救援模型，最优路径是逃生巷道总当量长度最短的路径。

（3）设计出群智能混合算法，即提取粒子群算法和蚁群算法的优点，按照混合算法流程图，求解最优路径。

（4）在双重预防机制智能化信息平台中，对被困人员进行实时定位，及时建立最优应急救援模型，对被困人员开展紧急救援。