煤礦井下人員安全疏散建模與仿真

王宛平，　李世豪

(1.河南質量工程職業學院 信息工程系， 河南 平頂山　467000；

2.平頂山工業職業技術學院 計算機與軟件工程學院， 河南 平頂山　467001)

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煤礦井下人員安全疏散建模與仿真

王宛平1，李世豪2

(1.河南質量工程職業學院 信息工程系， 河南 平頂山467000；

2.平頂山工業職業技術學院 計算機與軟件工程學院， 河南 平頂山467001)

摘要：針對煤礦井下出現安全事故時人員的安全疏散問題，建立了煤礦井下人員安全疏散模型。該模型中井下巷道被劃分為網格，通過設置“成員流勢”來反映網格距離疏散出口的位置，從而確定疏散人員移動方向和路徑，同時結合疏散成員移動速度、成員響應時間、災害檢測時間獲得疏散時間。仿真結果表明，該模型能直觀呈現人員疏散動態過程，為制定安全疏散方案提供數據參考。

關鍵詞：井下疏散； 疏散模型； 成員流勢； 疏散路徑； 疏散時間

0引言

煤礦生產是一種安全事故頻發的高風險作業，當災難發生時，有效的疏散通道和應急設施是確保礦工安全的重要保障。然而煤礦井下巷道布局復雜，無法開展大規模的疏散演練。參考文獻[1]以避難硐室為基礎，建立了以時間為主要參數的人員疏散模型，得出了評價人員逃生效率的安全疏散系數；參考文獻[2]對煤礦井下人員疏散進行了計算機仿真模擬，驗證了采用人員疏散模擬技術對礦井人員流動和疏散行為進行研究的可行性。為了評估井下人員安全疏散流程和應急設施布局的合理性，本文建立了煤礦井下人員安全疏散模型，并利用計算機模擬的疏散場景進行仿真，可為井下人員疏散提供有效參考。

1模型構建

人員疏散的最基本特征是一種群體性的災害逃生行為。由于環境、人員響應初始位置和個體行為都存在差異，建立煤礦井下人員安全疏散模型時，將群體劃分為個體并研究疏散過程中的個體行為。采用拉格朗日法描述個體即成員的運動軌跡。

(1)

式中：x(i,t),y(i,t)分別為t時刻成員i在x和y方向的位置，i=1，2，…，n(n為疏散成員數量)；U，V分別為t時刻成員i在x和y方向的速度。

1.1網格設置

設置網格大小時考慮每個成員肩寬及成員之間適當的間隙，將巷道分成0.5 m×0.5 m網格，每個網格表示巷道的位置，網格可以為空，也可以被礦工或障礙物占用。

1.2成員移動方向

物理學中正電荷總是從高電位流向低電位。鑒此，本文提出用“成員流勢”代表疏散時成員與出口的距離。規定出口處網格的“成員流勢”為0，與其相鄰網格的“成員流勢”遞增1；若網格被障礙物占用，則“成員流勢”設定為最大值1 000 000。依據此規定，網格的“成員流勢”不斷增加，可獲得煤礦井下不同位置的“成員流勢”分布情況如圖1所示(陰影區域表示障礙物占用的空間)。

圖1　“成員流勢”分布

成員可以在4個相鄰網格間自由移動，但在疏散時任何成員的有效移動方向由“成員流勢”和網格實際占用的可能性確定。疏散模型中的成員總是向未被占用且滿足一定概率的低“成員流勢”的網格移動。成員在方向j(j=1，2，3，4分別表示前、后、左、右4個方向)上移動的概率為

(2)

式中：Bmin用于確定任何4個相鄰網格是否存在“成員流勢”最低的網格，若存在Bmin=1，若不存在Bmin=0；Oj用于確定任何4個相鄰網格是否被占用，若占用Oj=0，若未占用Oj=1。

成員疏散過程中從其當前位置開始，每一步都選擇其相鄰的低“成員流勢”的網格作為移動的目標網格[3]，直至到達安全出口，這樣該成員的疏散路徑才最短、最省時、最安全。

1.3成員移動速度

成員移動速度是疏散模型的一個重要參數，不同人群密度的成員移動速度不同。日本學者Togawa開發了基于網格矩陣分析的成員移動速度和人群密度的模擬系統[4]，成員移動速度為

(3)

式中：v0為成員正常步行速度；ρ為人群密度。

當人群密度減小時成員移動速度會增加，但實際上成員移動速度不會無限制地增加，當其達到一定程度時將保持一個最大值。考慮到在災難和特殊地理條件下的人員響應，成員移動速度最大值設定為1.5 m/s(可根據實際情況重新設置)，成員正常步行速度設定為1.3 m/s。

1.4疏散時間

當危險情況發生時周圍環境會對人的行為產生影響。因此，對成員行為變化的推測，要在響應時間方面進行必要的調整[5]。將響應時間引入疏散模型中，則成員i的疏散時間為

(4)

式中：tp為災害檢測時間；ta(i)為成員i響應時間；trs(i)為成員i疏散到安全區域所需的時間。

其中

(5)

式中：int表示取整數；tmax，tmin分別為最大和最小響應時間；R為0～1的隨機數。

疏散人群中某一成員從當前所處位置移動到安全出口處所需的疏散時間計算流程如圖2所示。人群疏散時一個很重要的參數是最后一個成員疏散到安全區域的時間，其決定了總的疏散時間。

2仿真實驗

2.1仿真條件

某煤礦井下工作面示意如圖3所示。其中采煤工作面長100 m、寬2 m；軌道運輸巷寬4 m，被障礙物(如電纜、發電機、通風機、水泵等設備)占據的軌道運輸巷允許疏散礦工通過的最大寬度為1 m；主巷道寬6 m；與主巷道相連的避難硐室面積為10 m×4 m=40 m2，且只有1個進入避難硐室的出口。由于災難發生時回風巷可能充滿污濁的空氣，礦工疏散時通過由實線箭頭和虛線箭頭指示的2條路徑自由選擇進入避難硐室。

圖2　單個成員疏散時間計算流程

考慮到煤礦井下的實際情況，將采煤工作面及附近區域的所有礦工添加到疏散成員組。假設有身體狀況相同或相近的40個礦工在采煤工作面、10個礦工在主巷道和軌道運輸巷，通過式(6)獲取成員的坐標。仿真時設定災害檢測時間為10 s，最大響應時間為20 s，最小響應時間為5 s，當最后一個礦工疏散到安全區域后整個安全疏散過程結束。

圖3　某煤礦井下工作面示意

(6)

式中：Px，Py分別為成員在x，y方向的坐標；Xmin，Xmax分別為x坐標的最小值和最大值；Ymin，Ymax分別為y坐標的最小值和最大值；R1，R2為0～1的隨機數。

2.2仿真結果

通過仿真獲得所有成員疏散到避難硐室的時間為520 s，疏散過程中不同時刻成員的分布情況如圖4所示(圓點表示疏散成員所處的位置)。同時通過仿真獲取疏散人數、出口流量與疏散時間的關系曲線，分別如圖5、圖6所示。

(a) 0 s

(b) 60 s

(d) 300 s

(f) 510 s

圖5　疏散人數隨時間變化曲線

圖6　出口流量隨時間變化曲線

從圖4和圖6可看出，距避難硐室較近的位于主巷道和軌道運輸巷的10個礦工在400 s內全部到達避難硐室，此階段最大出口流量為3 人/s；從圖5和圖6可看出，400 s后疏散人數和出口流量急劇增加，400～450 s時出口流量達到最大為20人/s，整個仿真過程中疏散人數和出口流量激增主要集中在400～520 s，這是由于距離避難硐室最遠的人員疏散時間最長，其決定了整個人群的疏散時間。

3結語

煤礦井下人員安全疏散模型中采用網格對疏散通道進行劃分，通過設置“成員流勢”模擬人員通過出口的路徑選擇，同時考慮安全疏散時成員響應時間、移動速度和周圍環境的影響，從而能直觀顯示井下人員疏散過程的動態變化，獲取人員疏散時間及各時刻出口流量，可幫助評估煤礦井下人員疏散的影響因素，并為制定安全疏散方案提供數據參考。

參考文獻：

[1]李隆庭.基于井下避難硐室系統的煤礦應急模型研究[D].北京:首都經濟貿易大學,2012.

[2]武爽,季經緯,趙平,等.基于數值模擬的礦井火災疏散路徑選取研究[J].中國煤炭,2011,37(10):89-92.

[3]楊雪,李占國,盧亞麗.多障礙情境下礦工緊急疏散建模及仿真[J].工業工程,2014,17(6):1-6.

[4]江成玉,李春輝,蘇恒瑜.基于GIS的煤礦火災救援管理系統設計[J].中國煤炭,2010,36(4):99-102.

[5]屈云超.密集人群疏散行為建模與動態特性研究[D].北京:北京交通大學,2015.

王宛平，李世豪.煤礦井下人員安全疏散建模與仿真[J].工礦自動化，2016,42(1)：20-23.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1553.007.html

Modeling and simulation of underground personnel safety evacuation

WANG Wanping1，LI Shihao2

(1.Department of Information Engineering, Henan Quality Polytechnic, Pingdingshan 467000, China;

2.College of Computer and Software Engineering, Pingdingshan Industrial College of Technology,

Pingdingshan 467001, China)

Abstract:In view of problem of underground personnel safety evacuation when accident occurs, an underground personnel safety evacuation model was established. Underground tunnels are divided into grids, and distance between the grids and evacuation exit is reflected by setting members potential flow, so as to determine moving direction and evacuation route of evacuees. Evacuation time is obtained through combination of moving speed and response time of evacuees and detection time of disaster. The simulation results show that the model can directly present dynamic process of evacuation and provide data reference for safety evacuation scheme.

Key words:underground evacuation; evacuation model; members potential flow; evacuation route; evacuation time

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2012EEM021)。

作者簡介：王宛平(1983-)，女，河南南陽人，講師，碩士，主要研究方向為計算機技術，E-mail:707382401@qq.com。 公茂法(1959-)，男，山東蒙陰人，教授，博士研究生導師，主要從事電氣測量技術、信號檢測技術和電力系統自動化方面的研究工作，E-mail：1520837108@qq.com。通信作者：周立人(1992-)，男，山東鄒城人，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化，E-mail： 617209069@qq.com。

收稿日期：2015-09-22；修回日期：2015-12-15；責任編輯：盛男。 2015-10-15；修回日期：2015-11-20；責任編輯：張強。

中圖分類號：TD77

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:53

文章編號：1671-251X(2016)01-0020-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.007