基于Dijkstra算法的矿井最佳避灾路线分类求取.pdf

第第44卷 第卷 第4期期 2018年年4月月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 文 章 编 号 671-251X201804-0094-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17314 基 于Dijkstra算 法 的 矿 并 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 童 兴 ， 原 帅 琪 ， 方 伟 鹏 ， 马晋钰 中 国 矿 业 大 学 （ 北 京 ）资 源 与 安 全 工 程 学 院 ，北京100083 摘 要 为 使 矿 井 避 灾 路 线 有 更 好 的 适 用 性 ， 探 讨 了 矿 井 面 临 不 同 类 型 灾 害 危 险 时 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 方 法 。根 据 不 同 灾 变 的 特 点 ， 将 矿 井 灾 害 分 为 突 水 灾 害 ， 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯 或 煤 尘 爆 炸 、 矿 井 火 灾 ， 冒顶事 故 三 大 类 ； 绘 制 三 类 灾 害 的 可 行 避 灾 路 线 拓 扑 图 ， 并 计 算 各 条 巷 道 的 当 量 长 度 ； 将 巷 道 当 量 长 度 作 为 可 行 路 线 各 边 的 权 值 代 入 拓 扑 图 中 ， 用 最 短 路 径 算 法D ij k s t r a算 法 求 解 各 拓 扑 图 对 应 的 最 佳 避 灾 路 线 。分 析 结 果 表 明 ， 基 于Dijkstra算 法 的 矿 井 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 方 法 扩 大 了 避 灾 路 线 的 选 取 范 围 ， 在 避 灾 人 员 较 多 时 ， 可 使 巷 道 系 统 的 通 行 能 力 得 以 充 分 发 挥 。 关 键 词 煤 矿 紧 急 避 险 ；最 佳 避 灾 路 线 ；分 类 求 取 ；最 短 路 径 算 法； Dijkstra算法 中 图 分 类 号 TD77 文 献 标 志 码A 网 络 出 版 时 间 018-03-26 1 6 7 网 络 出 版 地 址 http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180326. 1132. 001. html 收稿日期收稿日期2018-02-01;修回日期修回日期 2018-02-15;责任编辑 胡娴。责任编辑 胡娴。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（基金项目 国家自然科学基金资助项目（11502283。。 作者筒介 童兴作者筒介 童兴（1986 ， 女 ， 江苏淮安人， 博士研究生， 研究方向为矿山安全，， 女 ， 江苏淮安人， 博士研究生， 研究方向为矿山安全，-4416〇〇1\丨丨1163€436163.1〇〇4。。 引用格式 童 兴 ， 原帅琪， 方伟鹏， 等引用格式 童 兴 ， 原帅琪， 方伟鹏， 等.基 于基 于D ijkta算 法 的 矿 井 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 工 矿 自 动 化 ，算 法 的 矿 井 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 工 矿 自 动 化 ，2018,4444-99. TONG Xing， YUAN Shuaiqi， FANG Weipenget al. Classification and calculation of the best escape route of coal mine based on Dijkstra algorithm]. Industry and Mine Automation2018,444 94-99. XU Jin. Research of architecture of coal mine safety monitoring and control system based on Internet of things J] .Industry and Mine Automation2013 39127-100. [ 6 ] 阙建立.煤炭集团公司安全生产运营指挥平台的设计 与实现）] 煤炭工程，2015,47439-141. QUE Jianli. Design and implementation of safety production and operation command plat for coal group company [J]. Coal Engineering, 2015 , 47 4 139-141. 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Feasible topological maps for the three types of disasters are plotted, and equivalent length of each roadway is calculated. The equivalent length of the roadway is taken into the topological map as weight of each side of the feasible route, and the shortest path algorithm Dijkstra algorithm is used to solve the best escape route of each topology. Analysis result shows that the expands selection of escape routes and make capacity of roadway system be fully developed with more refugees. Key w ords coal mine emergency avoidance; best escape route; classification and calculation; shortest path algorithm; Dijkstra algorithm 〇引 言〇引 言 煤 矿 紧 急 避 险 系 统 对 矿 井 灾 害 的 应 急 救 援 具 有煤 矿 紧 急 避 险 系 统 对 矿 井 灾 害 的 应 急 救 援 具 有 重 要 作 用 ， 高 效 、 快 速 确 定 避 难 人 员 到 紧 急 避 险 设 施重 要 作 用 ， 高 效 、 快 速 确 定 避 难 人 员 到 紧 急 避 险 设 施 内 的 最 佳 避 灾 路 线 有 利 于 充 分 发 挥 紧 急 避 险 系 统 的内 的 最 佳 避 灾 路 线 有 利 于 充 分 发 挥 紧 急 避 险 系 统 的 作 用 ， 因 而 最 佳 避 灾 路 线 的 求 取 对 矿 井 灾 害 的 应 急作 用 ， 因 而 最 佳 避 灾 路 线 的 求 取 对 矿 井 灾 害 的 应 急 救 援 格 外 重 要救 援 格 外 重 要[13]。 目 前 ， 避 灾 路 线 大 多 利 用 各 种 最。 目 前 ， 避 灾 路 线 大 多 利 用 各 种 最 短 路 径 算 法 求 解 ， 为 使 避 灾 路 线 有 更 好 的 适 用 性 ， 本短 路 径 算 法 求 解 ， 为 使 避 灾 路 线 有 更 好 的 适 用 性 ， 本 文 研 究 了 当 矿 井 面 临 多 种 灾 害 危 险 时 ， 如 何 运 用 最文 研 究 了 当 矿 井 面 临 多 种 灾 害 危 险 时 ， 如 何 运 用 最 短 路 径 算 法 求 取 最 佳 避 灾 路 线 ， 从 而 有 效 缩 短 避 难短 路 径 算 法 求 取 最 佳 避 灾 路 线 ， 从 而 有 效 缩 短 避 难 人 员 的 逃 生 时 间 ， 减 少 生 命 财 产 损 失 。人 员 的 逃 生 时 间 ， 减 少 生 命 财 产 损 失 。 1最 短 路 径 算 法最 短 路 径 算 法 最 短 路 径 算 法 有最 短 路 径 算 法 有A 算 法 算 法、Dijkstra算 法算 法、Floyd 算 法 等 ， 其 中 最 经 典 的 算 法 是算 法 等 ， 其 中 最 经 典 的 算 法 是Dijkstra算 法 。 通 常算 法 。 通 常 情 况 下 ， 使 用情 况 下 ， 使 用Dijkstra算 法 可 求 出 图 中 一 个 顶 点 到算 法 可 求 出 图 中 一 个 顶 点 到 其 他 各 顶 点 的 最 短 路 径 长 度 ， 而 并 不 能 求 出 从 一 个其 他 各 顶 点 的 最 短 路 径 长 度 ， 而 并 不 能 求 出 从 一 个 顶 点 到 其 他 各 顶 点 的 最 短 路 径顶 点 到 其 他 各 顶 点 的 最 短 路 径[4]。 本 文 对。 本 文 对Dijkstra 算 法 进 行 改 进 后 ， 可 求 得 起 始 点 到 其 他 各 顶 点 的 最算 法 进 行 改 进 后 ， 可 求 得 起 始 点 到 其 他 各 顶 点 的 最 短 路 径 及 其 长 度 。短 路 径 及 其 长 度 。 利 用利 用D ijkstra算 法 求 解 最 短 路 径 的 原 理 设算 法 求 解 最 短 路 径 的 原 理 设 GV，，表 示 一 个 无 向 图 ， 其 中表 示 一 个 无 向 图 ， 其 中V表 示 无 向 图 中表 示 无 向 图 中 所 有 顶 点 的 集 合 ，所 有 顶 点 的 集 合 ，表 示 所 有 边 的 集 合 ，表 示 所 有 边 的 集 合 ，[ ] 表 示[ ] 表 示 第第z条 边 的 距 离 。 将条 边 的 距 离 。 将V分 为分 为2组 第组 第1组 为 已 求 解组 为 已 求 解 的 最 短 路 径 顶 点 集 合 ， 用的 最 短 路 径 顶 点 集 合 ， 用S表 示 ， 初 始 时 只 包 含 起表 示 ， 初 始 时 只 包 含 起 始 点始 点V ;第第2组 为 待 求 解 的 最 短 路 径 顶 点 集 合 ， 用组 为 待 求 解 的 最 短 路 径 顶 点 集 合 ， 用 T表 示 。 对表 示 。 对T中 的 顶 点 按 最 短 路 径 长 度 递 增 排 序 ，中 的 顶 点 按 最 短 路 径 长 度 递 增 排 序 ， 将 距 起 始 点 最 近 的 顶 点 加 入将 距 起 始 点 最 近 的 顶 点 加 入S中 ； 对 剩 下 的 顶 点 重中 ； 对 剩 下 的 顶 点 重 新 排 序 ， 再 次 选 择 出 路 线 最 短 的 顶 点 。 重 复 上 述 步新 排 序 ， 再 次 选 择 出 路 线 最 短 的 顶 点 。 重 复 上 述 步 骤 ， 直 至骤 ， 直 至T中 所 有 顶 点 都 加 入中 所 有 顶 点 都 加 入S中 [5]。 需 要 说 明 的中 [5]。 需 要 说 明 的 是 ， 在 向是 ， 在 向S中 加 入 顶 点 时 ， 必 须 符 合 以 下 原 则中 加 入 顶 点 时 ， 必 须 符 合 以 下 原 则V〇到〇到 S中 各 顶 点 的 最 短 路 径 长 度 不 大 于中 各 顶 点 的 最 短 路 径 长 度 不 大 于V 到到T中 任 一中 任 一 点 的点 的 路路 度度 。。 以以V 为 起 始 点 的 无 向 图 如 图为 起 始 点 的 无 向 图 如 图1所 示 。 无 向 图所 示 。 无 向 图 最 短 路 径 求 解 过 程 见 表最 短 路 径 求 解 过 程 见 表1。。 Fig. 1 Undirected graph starting from V0 2矿 井 最 佳 避 灾 路 线 求 取矿 井 最 佳 避 灾 路 线 求 取 当 矿 井 突 发 事 故 时 ， 可 能 会 遇 到 避 灾 路 线 被 灾当 矿 井 突 发 事 故 时 ， 可 能 会 遇 到 避 灾 路 线 被 灾 变 或 次 生 灾 变 所 阻 断 的 情 况 ， 使 原 处 于 安 全 状 态 的变 或 次 生 灾 变 所 阻 断 的 情 况 ， 使 原 处 于 安 全 状 态 的 区 域 变 为 危 险 区 域 。 从 灾 害 发 生 区 到 安 全 区 的 路 线区 域 变 为 危 险 区 域 。 从 灾 害 发 生 区 到 安 全 区 的 路 线 可 能可 能 ，， 路路 线线 中中 选选 为为 可可 避避 灾灾 路 线 是 十 分 必 要 的路 线 是 十 分 必 要 的[ ]。 为 了 扩 大 避 灾 路 线 的 选 择 范。 为 了 扩 大 避 灾 路 线 的 选 择 范 围 ， 除 可 在 进 风 巷 道 内 选 择 避 灾 路 线 外 ， 在 某 些 矿 井围 ， 除 可 在 进 风 巷 道 内 选 择 避 灾 路 线 外 ， 在 某 些 矿 井 灾 害 发 生 时 ， 在 保 证 安 全 的 条 件 下 ， 也 可 在 回 风 巷 道灾 害 发 生 时 ， 在 保 证 安 全 的 条 件 下 ， 也 可 在 回 风 巷 道 内 选 择 避 灾 路 线 ， 以 增 大 避 难 人 员 逃 生 概 率 [7]。内 选 择 避 灾 路 线 ， 以 增 大 避 难 人 员 逃 生 概 率 [7]。 矿 井 避 灾 路 线 的 选 择 受 灾 变 影 响 范 围 、 灾 变 扩矿 井 避 灾 路 线 的 选 择 受 灾 变 影 响 范 围 、 灾 变 扩 96 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 表1无向图最短路径求解过程 Table 1 The shortest route solving process of undirected graph 合S s {y〇〇} 1 最短路径V〇〇V〇〇0 Vo为更新中间点 S{V〇 ，〇 ，Vi} 2 最短路径Vo 6 V〇〇 0，Vo 6 Vi 2 V i为更新中间点 S{V〇 ，〇 ，V i，，V3} 3 最短路径V〇〇 v〇〇 0，V〇〇 Vi 2，V〇〇 Va 4 V3 为更新中间点 S{V〇 ，〇 ，Vi，，V2，，Va} 4 最短路径V〇〇 v〇〇 0，V〇〇 Vi 2，V〇〇 Va 4，V〇〇 Vi V“ 5，，V“为更新中间点 S{V0，，V i，，V2，，V3，，V4} 集 合H H {Vi V2 V3 V4，，V}，，V0Vi 2，，V0Va 4,V。。到 其 他 各 点 距 离 为 无 穷 大 ，V0V i 2最 短 ，V i加 入S H {V2，，V3，，V4，，V}，，▽ ◎ ▽“▽之二之二5，，Vo6Vl6V3 5，，比上一一 步V0V 34大，，V3更 新 为V0V3 4，，V i到 其 他 各 点 距 离 为 无 穷 大 ，V0V34最 短 ，V3加 入S T {V2，，V4，，V5}，，Vo6V36V2 9 ,比 上 一 步 Vo6Vl6V2 5 大，，V2更 新 为Vo6Vl6V2 5，，Vo6V36V5 6，，V i到其他点距 离 为 无 穷 大 ，Vo6Vl6V2 5最 短 ，V2加 入S T{V4, V5}，V0 Vi V2 V4 7 , V0 Vi V2 V 9 , V0 Vl6V2 6V4 7 最 短 ，V4 加入 S T {V}，V0 Vi V2 V4 v 10，比上一步 V0 Vi V2 5 最短路径V0 V0 0，V0 Vi 2，V0 V3 4，V0 Vi v 9 大，，V更新为 V0 Vi V2 V 9，，V0 Vi V2 V V2 5，Vo6Vl6V26V4 7，V4为更新中间点 9最 短 ，V5加 入S S{V0，，V i，，V2，，V3，，V4，，V5} 6 最短路径Vo6Vo 0，V o6V l2，Vo6V3 4，V o6V l6 集 合 已 空 ， 查 找 完 毕。。 V2 5 , V0 Vi V2 V4 7 , V0 Vi V2 V5 9 散 情 况 、 有 毒 有 害 气 体 及 巷 道 特 性 等 影 响 ， 因 此 ， 要散 情 况 、 有 毒 有 害 气 体 及 巷 道 特 性 等 影 响 ， 因 此 ， 要 结 合 路 线 的 安结 合 路 线 的 安 效 率 等效 率 等 合 判合 判 解 。 本 文解 。 本 文 同 灾 变 的 特 点 ， 选 择 避 灾同 灾 变 的 特 点 ， 选 择 避 灾 点 ， 判 断 能 否点 ， 判 断 能 否 大 巷 内 选 择 可 行 避 灾 路 线 ， 绘大 巷 内 选 择 可 行 避 灾 路 线 ， 绘 可 行 避 灾 路 线 拓 扑 图可 行 避 灾 路 线 拓 扑 图 1为 巷 道 类为 巷 道 类 型 决 定 的 通 行 难 易 系 数型 决 定 的 通 行 难 易 系 数 2为 风 速 决 定 的 通 行 难 易为 风 速 决 定 的 通 行 难 易 系 数系 数; 3为 坡 度 决 定 的 通 行 难 易 系 数为 坡 度 决 定 的 通 行 难 易 系 数V为 第 ％ 条 巷为 第 ％ 条 巷 道 的 实 际 长 度 ，道 的 实 际 长 度 ，m33 m。 11 1 75411 1 754 -1-1-1 1 001 01 1 223 021 223 02 1 365 0231 365 023 1 073 0141 073 014 1491 1491 om 1 570 02361 570 0236 1 682 023671 682 02367 1 747 01411981 747 0141198 1 690 0141191 690 014119 1 733 0 14 11 9101 733 0 14 11 910最佳避灾路线 1 584 014111 584 01411 1 352 01 121 352 01 12 1 437 01 12131 437 01 1213 1331 02141331 0214 1 548 0214151 548 021415 1 462 014161 462 01416 1 627 01 12171 627 01 1217 1 788 02367181 788 0236718 图图6突 水 灾 害 时 的 最 佳 避 灾 路 线突 水 灾 害 时 的 最 佳 避 灾 路 线 Fig. 6 The best route during water inrush disaster 发 生 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯 或 煤 尘 爆 炸 和 矿 井 火 灾 时 避 灾 路 线 求 取 结 果 如 图 ；所 示 。该 条 件 下 的 最 避 灾 路 为 0 61 64 611 69 610 0 61 64 6 11。最 佳 避 灾 路 线 1 的 当 量 长 度 为 1 584 m， 最佳避 灾 路 线 2 的 当 量 长 度 为 1 733 m。 11 9 106 -1-1-1 1001 01 1 223 0 2 1 365 023 1 073 0 14 1491 om 1 570 0236 1 682 02367 1 747 0 14 1198 1 690 0 14 119 1 733 0 14 119 10最佳避灾路线2 1 584 0 14 11最佳避灾线 1 2 341 02367 18 17 12 1 543 0 14 16 13 1 831 0235 15 14 1 614 0235 15 1 462 0 14 16 2 066 02367 18 17 1 788 02367 18 图图7发 生 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯 或 煤 尘 爆 炸 和 矿 井发 生 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯 或 煤 尘 爆 炸 和 矿 井 火 灾火 灾 时的时的 避避 灾灾 路线路线 Fig. 7 The best route during coal and gas outburst，， gas or coal dust explosion and mine fire 灾 害 时 避 灾 路 线 求 取 结 果 如 图 8 所 示 。 冒 顶 灾 害 发 生 时 的 最 佳 避 灾 路 线 为 0 6 1 6 4 6 1 1 6 11 1 754 -1-1-1 1001 0 叫 1 223 02 1 365 0H 1 073 0 14 1491 0235 1 570 0236 1 682 02367 1 747 0 14 1198 1 690 0 1 * 4 11 9 1 733 0 14 119 10最佳避灾路线2 1 584 0 14 11最佳避灾鉍线1 1 352 0 1 12 1 437 0 1 12 13 1331 02 14 1 548 0 2 1 4 1 5 1 462 0 14 16 1 627 0 1 12 17 1 788 02367 18 图图 8 灾灾 时的时的 避避 灾灾 路线路线 Fig. 8 The best route during roof fall disaster 2 0 1 8 年 第 期童 兴 等 基 于 D ijk s tra 算 法 的 矿 井 最 佳 避 灾 路 线 分 类 求 取 99 9 1 0或或0 6 1 4 11。最 佳 避 灾 路 线最 佳 避 灾 路 线1的 当 量 长的 当 量 长 度 为度 为1 5 8 m，最佳避灾路线最佳避灾路线2的 当 量 长 度 为的 当 量 长 度 为 1 733 m。 3路 线 分 类 求 取 有 效 性 分 析路 线 分 类 求 取 有 效 性 分 析 在 矿 井 避 灾 路 线 的 实 际 求 解 当 中 ， 若 采 用 通 常在 矿 井 避 灾 路 线 的 实 际 求 解 当 中 ， 若 采 用 通 常 的 避 灾 路 线 选 取 方 法 ， 将 会 限 制 避 灾 路 线 选 取 的 灵的 避 灾 路 线 选 取 方 法 ， 将 会 限 制 避 灾 路 线 选 取 的 灵 活 性 ， 使 得 巷 道 系 统 的 通 行 能 力 不 能 有 效 发 挥活 性 ， 使 得 巷 道 系 统 的 通 行 能 力 不 能 有 效 发 挥。在在 上 述 计 算 应 用 实 例 中 ， 采 用 避 灾 路 线 分 类 求 取 方 法上 述 计 算 应 用 实 例 中 ， 采 用 避 灾 路 线 分 类 求 取 方 法 后 ， 矿 井 发 生 突 水 灾 害 时 ， 避 灾 可 行 路 线 由 原 来 的后 ， 矿 井 发 生 突 水 灾 害 时 ， 避 灾 可 行 路 线 由 原 来 的 1 2条 变 为条 变 为3 8条 ， 发 生 冒 顶 灾 害 时 ， 避 灾 可 行 路 线 由条 ， 发 生 冒 顶 灾 害 时 ， 避 灾 可 行 路 线 由 原 来 的原 来 的1 8条 变 为条 变 为5 8条 ， 扩 大 了 避 灾 路 线 的 选 取 范条 ， 扩 大 了 避 灾 路 线 的 选 取 范 围 ， 在 避 灾 人 员 较 多 时 ， 可 使 巷 道 的 通 行 能 力 得 以 充围 ， 在 避 灾 人 员 较 多 时 ， 可 使 巷 道 的 通 行 能 力 得 以 充 分 发 挥分 发 挥。 4结 语结 语 根 据 不 同 灾 变 的 特 点 ， 分 析 避 灾 终 点 的 选 择 ， 判根 据 不 同 灾 变 的 特 点 ， 分 析 避 灾 终 点 的 选 择 ， 判 断 回 风 大 巷 能 否 作 为 可 行 避 灾 路 线断 回 风 大 巷 能 否 作 为 可 行 避 灾 路 线。根 据 分 析 结根 据 分 析 结 果 ， 将 矿 井 灾 害 分 为 突 水 灾 害 ， 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯果 ， 将 矿 井 灾 害 分 为 突 水 灾 害 ， 煤 与 瓦 斯 突 出 、 瓦 斯 或 煤 尘 爆 炸 、 矿 井 火 灾 ， 冒 顶 事 故 三 大 类 ， 绘 制 与 可或 煤 尘 爆 炸 、 矿 井 火 灾 ， 冒 顶 事 故 三 大 类 ， 绘 制 与 可 行 避 灾 路 线 相 对 应 的 拓 扑 图行 避 灾 路 线 相 对 应 的 拓 扑 图。通 过通 过Dijkstra算 法 求算 法 求 解 出 到 达 避 灾 终 点 当 量 长 度 最 短 的 路 线 ， 即 为 相 应解 出 到 达 避 灾 终 点 当 量 长 度 最 短 的 路 线 ， 即 为 相 应 灾 害 发 生 时 的 最 佳 避 灾 路 线灾 害 发 生 时 的 最 佳 避 灾 路 线。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *王振平， 李 伟 ， 郝迎格， 等.煤矿井下紧急避险系统建 设模式探讨[J].煤炭科学技术，2012,405 66-69. 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