本发明涉及一种路径规划系统与方法，尤其涉及一种应用于地下矿井救援的路径规划系统和方法。
背景技术
随着国家经济发展速度的加快，工业方便对能源的需求量增大，开发矿井的数量增多。在矿井内工作存在很多危险，环境变化具有很多不确定性，保障矿井内工作人员的安全尤为重要。当发生突发状况时，面对矿井内复杂的地理环境，工作人员凭借自己的判断和现有的技术，想要迅速找到一条合适的逃生路线实属不易，场外救援人员希望在最快时间内找到受难人员，也存在着困难。因此，研究一种能够快速规划多种路线的系统和方法很有必要。
已有的各种路径规划方法如人工势场法、自由空间法、粒子群算法等，都存在一定的缺陷，实现的规划路径条件单一，不能应用于矿井工作的实际中。所以，开发一种能够将多种路径规划算法结合的系统，并与矿井内工作人员保持实时通讯，满足他们对路线规划的不同要求，就能为矿井内工作人员提供基本的安全保障。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明公开了一种应用于地下矿井救援的路径规划系统和方法，解决地下矿井内工作人员的安全保障问题，实现工作人员快速撤离矿井，场外人员快速实施救援。
本发明的技术方案如下：
一种应用于地下矿井救援的路径规划系统，包括可视化腕表和路径规划软件；可视化腕表佩戴在矿井内工作人员的手腕上；路径规划软件包括显示模块、通信模块、控制模块和处理模块；显示模块显示矿井内的实时监控录像和矿井内的地图；通信模块与可视化腕表之间通讯连接，建立起矿井外监管人员与矿井内工作人员的通讯连接；监管人员通过控制模块对路径规划软件软件进行操控；处理模块存有路径规划算法，完成路线的计算。
一种应用于地下矿井救援的路径规划方法，包括：
步骤s1，监管人员启动路径规划软件，导入矿井地图；导入方法包括手动导入和自动导入；如果选择手动导入方法，则监管人员手动导入；如果选择自动导入方法，则路径规划软件根据监管人员所处位置，自动导入距离最近的矿井地图；路径规划软件通过通信模块与多个可视化腕表通讯连接；
步骤s2，如果地下矿井发生灾害时，矿井内工作人员通过可视化腕表向路径规划软件的通信模块发出信号；路径规划软件根据是否收到矿井内工作人员的信号判断矿井内是否发生灾害；矿井内未发生灾害时，路径规划软件的显示模块显示矿井内部多个摄像头的监控画面；矿井内发生灾害时，进入步骤s3；
步骤s3，矿井内发生灾害时，路径规划软件向其他可视化腕表发出警报信息，通知矿井内工作人员撤离；
步骤s4，矿井内工作人员在可视化腕表之上对自己的撤离路线进行选择，选择完毕后，撤离路线的选择信息发送到路径规划软件上，对路径规划软件发出路径规划请求；
步骤s5，路径规划软件接收到矿井内工作人员的路径规划的请求，处理模块运行，根据每位矿井内工作人员对撤离路线的选择，对他们的路线开始计算和规划；
步骤s6，路径规划软件对路线完成计算和规划后，将路线信息发送到相应的矿井内工作人员的可视化腕表上，矿井内工作人员在可视化腕表上查看路线图；
步骤s7，路径规划软件对已经规划的路线进行错误检查；如没有错误，路径规划软件继续运行，如出现错误，路径规划软件的显示模块弹出选择校正窗口提示监管人员进行校正；校正方法包括手动校正和自动校正；如果选择手动校正，则监管人员手动改正已规划的路线图，如果选择“自动校正”，则路径规划软件系统根据更新的矿井地图，重新规划路线。
其进一步的技术方案为，监管人员在路径规划软件运行前，手动选择导入矿井内工作人员的信息；所述信息包括矿井内工作人员的编号和位置信息；当矿井内工作人员向路径规划软件发出路径规划请求时，路径规划软件接收到的信息带有有矿井内工作人员编号，由此实现路径规划软件与可视化腕表之间一对多的通讯。
其进一步的技术方案为，在所述步骤s7中，监管人员通过路径规划软件所显示的矿井内的实时画面，人为判断出合理的路线，自行在软件的地图上为矿井内工作人员手动绘制路线，或对已计算出路线的不合理处进行更改，避免矿井内环境实时变化而导致的路线规划误差。
其进一步的技术方案为，所述步骤s4中，撤离路线包括路程最短路线，时间最短路线，同行最易路线和/或环境最优路线。
其进一步的技术方案为，所述步骤s4中，路程最短路线的规划方法为：先进行蚁群路径规划算法，对矿井内多条路线间节点进行搜索汇总，将路径信息进行迭代更新，利用惯性优化排除多余节点，产生多条初始路径；再对初始路径通过人工蜂群算法继续迭代，得到路程最短路线。
其进一步的技术方案为，所述步骤s4中，时间最短路线的规划方法为：先进行蚁群路径规划算法，对矿井内多条路线间节点进行搜索汇总，将路径信息进行迭代更新，利用惯性优化排除多余节点，产生多条初始路径；再经过遗传规划算法对初始路径中的障碍物边界进行排查，找到存在障碍物最少的路线，得到时间最短路线。
其进一步的技术方案为，所述步骤s4中，通行最易路线的规划方法为：经过遗传规划算法对路径中的障碍物边界进行排查，找出存在障碍物最少的路线，即最易通行路线。
其进一步的技术方案为，所述步骤s4中，环境最优路线的规划方法为：在矿井内的各个道路上安装多个烟雾传感器和温度传感器，并将传感器数据传送到路径规划软件；路径规划软件根据矿井内的传感器采集到的矿井内部各路段的烟雾数据及温度数据，得到环境最优路线。
本发明的有益技术效果是：
1.本发明构造简单，实物设备仅包括可视化腕表，便于工作人员携带，工作人员通过腕表就能与场外人员进行沟通和协调，解决了携带对讲机的不便。
2.本发明采用的通信技术具有稳定、迅速的优点，能够实现多个腕表实时与路径规划软件对接。
3.本发明具有多种路径规划方法，工作人员不仅可以选择路程最短的路线，而是可以根据自己的需要选择适合自己的路线，还能选择两种条件兼有的路线。
4.本发明的路径规划软件能够显示矿井地图、人员分布、矿井内实时画面、完成工作人员的路线规划，以及为场外救援人员提供规划路线，为场外人员的救援工作减小难度。
附图说明
图1为本发明的地下矿井救援路径规划系统的结构示意图。
图2为本发明的可视化腕表界面图。
图3为本发明的地下矿井救援路径规划方法的原理流程图。
图4为路程最短路线的规划流程图。
图5是时间最短路线的规划流程图。
图6是通行最易路线的规划流程图。
图7是环境最优路线的规划流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及功能更加清晰明确，以下参照附图来对发明做进一步的详细说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明。
图1为本发明的地下矿井救援路径规划系统的结构示意图。如图1所示，地下矿井救援系统包括可视化腕表和路径规划软件。可视化腕表佩戴在矿井内工作人员的手腕上，具有的功能包括：可实现与矿井外工作人员的通讯，可供矿井内工作人员选择路径规划条件，可显示矿井内部可以调整比例的局部地图和已规划路线等。具体的，可视化腕表采用4g通信技术与路径规划软件进行通讯，能够快速、高质量的传送接收信息。为供矿井内工作人员提供的规划路径条件包括路程最短路径、时间最短路径、通行最易路径、环境最优路径，矿井内工作人员可以对路径规划条件进行一种选择或多种选择。
路径规划软件包括显示模块、通信模块、控制模块、处理模块。
显示模块在路径规划软件的软件窗口显示矿井内的实时监控录像和矿井内的全局地图。进一步的，显示模块能够在窗口界面的三维空间地图上显示地下人员在矿井内部的分布，根据用户需要还能调出矿井内的监控录像。
通信模块与可视化腕表之间连接，建立起与矿井内工作人员的通讯连接。通信模块能够根据腕表的编号对多条信息同时进行处理，实现多个可视化腕表与路径规划软件的实时数据传输。
监管人员通过控制模块对路径规划软件软件进行操控。控制模块可以控制路径规划软件和矿井内工作人员的可视化腕表，对路径规划软件可以进行导入矿井内地图、视频以及人员信息的操作，当发生紧急情况时，可以在直接路径规划软件上对可视化腕表进行操作。
处理模块存有路径规划算法，完成路线的计算。处理模块之内储存的算法包括有混合人工蚁群-蜂群算法、遗传路径规划算法等。
通信模块和处理模块编译于软件中，不会在软件界面显示。
具体的，路径规划软件在visualc++环境下完成开发，功能强大，性能稳定。
图2为本发明的可视化腕表界面图。如图2所示，该图展示了矿井内工作人员佩戴的可视化腕表的初始界面，中间部分用于进行路径规划条件选择，可供选择的条件有：路程最短、时间最短、通行最易、环境最优，勾选相应的选项可产生对应的路线，也可同时选择两种规划条件。界面下方的第一个“电话”按键，用于与场外监管人员进行语音沟通，点击此按键即可与监管人员进行对话；界面下方的第二个“警铃”按键，用于发生突发状况的报警，点击此按键后，会向场外的路径规划软件发出警报信息，提示监管人员该处发生险情需要救援；界面下方的第三个“信息”按钮用于接收场外监管人员发出的文字信息。
图3为本发明的地下矿井救援路径规划方法的原理流程图。如图3所示，本发明还公开了一种应用于地下矿井救援的路径规划方法，包括以下步骤：
步骤s1，启动路径规划软件，导入矿井地图；导入方法包括手动导入和自动导入。系统弹出“是否选择手动导入地图”窗口供操作人员选择，如果点击“是”则操作人员自己手动导入地图，点击“否”系统将根据操作人员所处位置，自动导入距离最近的矿井地图。
路径规划软件可以与多个可视化腕表相连接，具体的，路径规划软件在运行前可以由监管人员手动选择导入矿井内人员的信息，该信息包括矿井内工作人员的编号和位置信息，当矿井内工作人员向软件发出路径规划请求时，路径规划软件接收到的信息标有工作人员编号，由此实现路径规划软件与腕表之间一对多的准确通讯。
步骤s2，如果地下矿井发生灾害时，矿井内工作人员点击可视化腕表上的“警铃”按钮向场外的监管人员发出信号。路径规划软件根据矿井内工作人员所反馈的信息判断矿井内是否发生灾害。矿井内未发生灾害时，路径规划软件界面显示矿井内部多个摄像头的监控画面；操作人员可以切换观看不同摄像头的画面，也可以放大观看某一摄像头拍摄的画面。矿井内发生灾害时，进入步骤s3。
步骤s3，矿井内发生灾害时，路径规划软件向其他可视化腕表发出警报信息，通知矿井内工作人员迅速撤离；
步骤s4，矿井内发生灾害时，可视化腕表的界面上显示“路程最短”、“时间最短”、“通行最易”、“环境最优”四个选项，矿井内工作人员在可视化腕表之上对自己的撤离路线进行选择，选择完毕后，撤离路线的选择信息快速发送到路径规划软件上，对路径规划软件发出路径规划请求。
步骤s5，路径规划软件接收到矿井内工作人员的路径规划的请求，处理模块随即运行，根据每位矿井内工作人员对撤离路线的选择，对他们的路线开始计算和规划；
步骤s6，路径规划软件对路线完成计算和规划后，将路线信息发送到相应的矿井内工作人员的可视化腕表上，矿井内工作人员在可视化腕表上查看自己选择的路线以及路线所在的矿井内局部地图；
为了掌控矿井内部各个位置的实时情况，场外监管人员可以单击路径规划软件上的“监控实时画面”，软件将自动导入矿井内部的摄像头拍摄的画面，并实时更新到窗口界面上，监管人员可以切换观看各个位置的情况，并通过对讲机与矿井内工作人员进行沟通，便于发生突发状况时，对人员进行及时的调配。
步骤s7，由于矿井内环境复杂，地图会随时出现变化，每隔特定的时间间隔，路径规划软件对已经规划的路线进行错误检查；如没有错误，系统继续运行，如出现错误，系统弹出选择校正窗口提示监管人员进行校正；校正方法包括手动校正和自动校正；选择手动校正，则监管人员自己改正已规划的路线图，点击“自动校正”；选择自动校正，系统根据更新的矿井地图，重新规划路线。
路径规划软件还支持人工绘制路线，监管人员可以通过路径规划软件所显示的矿井内的实时画面，人为判断出合理的路线，自行在软件的地图上为工作人员手动绘制路线，或对已计算出路线的不合理处进行更改，避免了矿井内环境实时变化而导致的路线规划误差。
在步骤s4中，撤离路线包括路程最短路线，时间最短路线，同行最易路线和环境最优路线。
图4为路程最短路线的规划流程图。路程最短路线的规划方法为：先进行蚁群路径规划算法，对矿井内多条路线间节点进行搜索汇总，将路径信息进行迭代更新，利用惯性优化排除多余节点，产生多条由矿井内工作人员的起始点与到达点之间的初始路径；再通过人工蜂群算法对已经得到的多条初始路径继续迭代，进行二次计算，更新出最优的路程最短路线。
图5是时间最短路线的规划流程图。时间最短路线的规划方法为：先进行蚁群路径规划算法，对矿井内多条路线间节点进行搜索汇总，将路径信息进行迭代更新，利用惯性优化排除多余节点，产生多条由矿井内工作人员的起始点与到达点之间的初始路径；再经过遗传规划算法对路径接触到的障碍物边界进行排查，找出障碍物最少的路线，排除存在障碍物的路段，即得到时间最短路线。
图6是通行最易路线的规划流程图。通行最易路线的规划方法为：经过遗传规划算法对路径中的障碍物边界进行排查，找出存在障碍物最少的路线，即最易通行路线。
图7是环境最优路线的规划流程图。环境最优路线的规划方法为：在矿井内的各个道路上安装多个烟雾传感器和温度传感器，并将传感器数据传送到路径规划软件；路径规划软件根据矿井内的传感器采集到的矿井内部各路段的烟雾数据及温度数据，找到有害气体最少、温度舒适的路线，得到环境最优路线。
如需要完成两种条件下的路径规划，软件将对两种条件的计算方法进行融合，得出相应条件下的路线。
本文中提到的蚁群路径规划算法、人工蜂群算法、遗传规划算法等均为现有技术，本领域的技术人员可根据公开的文献等资料得知，所以具体的计算方法不再赘述。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。