郝天軒， 趙立楨

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院， 河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000； 3.煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 焦作 454000)

0 引言

應急救援路徑優(yōu)化是煤礦緊急避險系統(tǒng)的重要組成部分，對于災害發(fā)生時遇險人員和救援人員的路徑選取具有指導意義[1-2]。目前煤礦使用的應急救援路徑一般是在煤礦運轉初期確定的，與災害發(fā)生時的實際情況有一定偏差。當實際事故發(fā)生時，事先確定的應急救援路徑會被各種因素影響，必須綜合考慮后規(guī)劃出最可靠的路徑，以減少災害所造成的損失[3]。

煤礦應急救援路徑優(yōu)化是一個經典問題，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。粒子群算法的學習過程較簡單，但粒子數量較少時易陷入局部最優(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，計算量較大[6]。遺傳算法具有較強的全局搜索能力，適用于離散問題，但對新空間的探索能力不足。現(xiàn)有研究多處于計算機模擬計算階段[7-9]，要在實際應用中發(fā)揮作用，仍需進一步研究。

Dijkstra算法是圖論的經典算法，非常適用于圖論中的解算，計算負載小，對硬件要求不高，可以部署在輕量級平臺[10-11]。本文提出一種跨平臺礦井應急救援路徑尋優(yōu)方案，使用綜合考慮了巷道實際長度與通行難度的當量值作為路徑長度，采用Dijkstra算法求解礦井應急救援路徑，并結合Unity引擎的跨平臺特性，在計算機、移動端等平臺運行應急救援路徑尋優(yōu)算法，為井下避險和救援提供支持。

1 巷道當量值計算

巷道實際長度L是判斷巷道最優(yōu)路徑的基礎，此外還要分析巷道通行難度[12]。在巷道出現(xiàn)災情時，不同巷道區(qū)段會受到不同程度的影響，其通行難度會發(fā)生變化。引起通行阻力的因素有很多，在實際巷道行進過程中，巷道高度、寬度、坡度、風速、局部障礙物(礦用機械設備、風墻、風門等)的數量、實時災害(如火災時的高溫煙氣、水災時的巷道積水、巷道坍塌等)都會對井下人員的通行速度造成影響。因為實時災害對巷道能否通行的影響是決定性的，所以在程序中將發(fā)生災害的點或段設置為不可通行。將巷道通行影響因素抽象為方便計算的影響因子，設巷道高度為γ1，巷道坡度為γ2，巷道泥濘度為γ3，機械數量為γ4，風門數量為γ5，則通行難度因子γ為

γ=γ1+γ2+γ3+γ4+γ5

(1)

γi(i=1～5)的計算公式為[13-14]

γi=(Ti-ti)/ti

(2)

式中：Ti為存在某因素時通行需要的時間，s；ti為不存在某因素時通行需要的時間，s。

巷道當量Ls為

Ls=L(1+γ)

(3)

2 Dijkstra算法實現(xiàn)

Dijkstra算法實現(xiàn)步驟如下：

(1) 讀取包含巷道當量信息的csv文件并將其處理為二維矩陣R。

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

(3) 設置網絡圖中的起點m和終點n。

(4) 將起點m加到集合S中，標記I[m]=true。將其他點加到集合U中，遍歷集合U，從矩陣R中篩選出m點到其他各點的距離并添加到集合D中。若兩點之間不直接連通，則以一個不會對系統(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，將最小值對應的點x加入集合S中，標記I[x]=true。如果x點到集合U中i點的距離與m點到x點的距離之和小于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，則重復步驟(3)；若不存在，則結束計算，并將結果拼接為字符串，選擇終點為點n的結果輸出并顯示。

3 跨平臺實現(xiàn)

Unity是應用非常廣泛的實時內容開發(fā)平臺，利用Unity底層的跨平臺機制，可將同一套程序發(fā)布到計算機端、移動端等不同平臺。將礦井巷道CAD圖導入Unity引擎，設置相關參數并計算巷道當量值；利用C#編程實現(xiàn)Dijkstra算法，求解礦井應急救援路徑并在用戶界面標記和顯示。

若選擇在計算機端發(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。計算機端發(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)；在打開的窗口中導航到外部工具(External Tools);點擊“Browse”，找到安裝Android SDK Tools的文件夾，注意不要細分進去，選擇到SDK文件夾即可。

圖1 計算機端發(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，切換平臺所需時間與項目大小正相關。以上設置完畢，就可將程序發(fā)布為移動端使用的APK文件。

對于大型的全礦計算，可將程序部署在高性能計算機端，以加快運行速度。而井下避災和救援人員可使用移動端發(fā)布的軟件來選擇最優(yōu)路徑。

4 應用實例

4.1 當量值計算

選取河南永煤集團股份有限公司新橋煤礦的部分礦圖，共選出37個節(jié)點，組成47段巷道，其CAD圖如圖2所示，巷道當量長度見表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算法計算結果

根據表1中的當量值數據將巷道信息編制為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中的巷道信息并進行計算，完成后顯示最優(yōu)路徑及該路徑的當量值。計算得出從掘進巷36到副井0的最優(yōu)路徑為36→23→22→26→27→28→29→30→14→15→0,路徑當量值為2 393 m;由掘進巷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,路徑當量值為3 165 m;由工作面32到達副井0的最優(yōu)路徑為32→31→10→11→12→13→14→15→0,路徑當量值為3 524 m；由工作面32到達避難硐室8的最優(yōu)路徑為32→31→10→8,路徑當量值為2 499 m。

表1 巷道當量長度Table1 Roadway equivalent values

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

井下膠帶運輸巷是礦井主要易發(fā)火災區(qū)域，由于其發(fā)生突然，發(fā)展迅速，極易對井下工作人員造成威脅[15]。假設27—28段膠帶上山巷道中的帶式輸送機故障造成火災事故，則該段巷道無法通行。計算時需將28—27段膠帶上山巷道當量值設為9 999 m，再次運行后得出從掘進巷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，從而繞過了因火災而無法通行的28—27路段，給出了準確有效的井下避災路徑。

5 結語

提出一種跨平臺礦井應急救援路徑尋優(yōu)方案，介紹了巷道當量長度的計算方法、Dijkstra算法的實現(xiàn)步驟和基于Unity引擎的跨平臺部署方法。該方案可部署于計算機端和各種移動平臺，為井下避險和救援路徑選擇提供支持。實際應用結果表明，該方案能夠繞過因事故而無法通行的路段，在發(fā)生災情時及時找到最優(yōu)路徑。