一种基于BiLSTM-Attention煤矿外因火灾的预警系统和应急处理方法与流程

本发明属于火灾监测，尤其是涉及一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统和应急处理方法。

背景技术：

1、煤矿外因火灾是由于外来热源，如明火、放炮、沼气煤尘爆炸、机电设备运转不良、机械摩擦、电流短路等造成的火灾。它可发生在矿井任何地点，但多发生在井口楼、井筒、机电硐室、火药库及安有机电设备的巷道或工作面内。由于外因火灾引火源众多,且发生地点一般风流比较通畅,所以外因火灾发展十分迅猛,它所造成的财产损失和人员伤亡是相当严重的。

2、传统监测预警方法采集的监测数据量庞大，但数据处理和分析能力有限，通常在火灾发生后才发出预警，难以发现潜在的火灾风险和异常情况，对于矿井下发展迅猛的外因火灾，其预警的时效性较低。

3、同时，一般的时序预测算法存在预测精度低、泛化性弱等问题，这进一步降低了传统监测预警方法的准确性和实时效性。此外，当出现外因火灾预警时，难以有效的通知井下工作人员，同时，大部分矿井缺乏及时有效的应急处理措施，导致井下工作人员延误最佳的逃生时间，进一步增加了火灾事故发生的风险。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：降低矿井外因火灾事故风险。

2、为此，本发明提供一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统和应急处理方法。

3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，包括，监测模块：用于采集矿井下各测点的与火灾相关的环境数据；预警模块：通过算法预测未来火灾发生的可能性，并发出预警信号；信息传递模块：将预警模块发出的预警信号，传递至工作人员。

4、通过上述技术方案，根据对矿井下环境数据的实时监测，利用预警模块中的算法，对火灾未来的一段时间内，火灾发生的可能性进行预测生成预警信号，并将预警信号传递给工作人员，从而使得工作人员可以在火灾发生前提前进行逃生，从而降低了矿井外因火灾事故风险。

5、进一步地，所述监测模块中采集的环境数据主要包括井下机电硐室、胶带运输巷道和辅助运输巷等易发生外因火灾区域的实时环境数据以及储存在influxdb时序数据库中的历史环境数据。

6、进一步地，所述预警模块中包括bilstm-attention火灾预测模型，所述bilstm-attention火灾预测模型包括输入层、双向lstm层、attention层和输出层部分，将采集到的实时环境数据以及历史环境数据进行数据整理和预处理后输入bilstm-attention火灾预测模型，能够输出监测区环境参数的预测值，所述预警模块中对外因火灾监测区域测点参数阈值进行设定，若所述bilstm-attention火灾预测模型的预测值超过阈值，则生成测点所在位置的预警信息。

7、进一步地，所述bilstm-attention火灾预测模型的构建包括以下过程：构建初始化模型：该模型包括bilstm输出权重wo、遗忘权重wf、输入权重wi和候选记忆权重wg和偏置值b，输入权重用于控制输入信息的更新，遗忘权重用于控制之前的记忆单元的遗忘，输出权重用于控制从记忆单元中读取的信息的输出，候选记忆权重用于生成候选记忆向量；输出预测结果：将初始化值和监测历史数据值输入到bilstm-attention模型中，最后通过输出层输出预测结果；更新模型参数：计算损失函数，通过使用均方差(mse)损失函数计算初始模型输出的误差和偏导数，对初始模型中的参数进行更新，减小模型误差，从而完成预测模型的训练，最终完成模型的建立。

8、进一步地，所述双向lstm层包括向前训练序列结构和向后训练序列结构，两种结构对称，信息传输方向相反，所述前向训练序列结构用于向前计算当前时刻信息，所述后向训练序列结构用于向后计算相同的序列，所述双向lstm层能根据输入特征的时序预测所有输入向量，整合过去和未来的信息输出到输出层，最后整合前向和反向信息输出预测结果。

9、进一步地，所述信息传递模块包括发送模块、在线人员管理模块、消息记录模块，其中、发送模块分为内网发送模块和公网发送模块，所述内网发送哟用于实现客户端与服务端消息的接收，所述在线人员管理模块对各类型消息的应收人员的管理；所述消息记录模块主要实现实时、历史消息的查询，消息的批量确认、维护代发消息缓存以及消息权限的配置。

10、本发明还提供一种应急处理方法，包括以下步骤：接收并处理信息：根据矿井实际巷道gis图生成抽象的巷道拓扑网络图，gis图上的人员定位分站为拓扑图的节点，节点之间的巷道为拓扑图的链路，终点节点为避灾硐室或者井口；接收到预警系统发出的预警信息，所述预警信息包括测点名称、测点的环境数据、测点所在位置，根据测点所在位置，依据拓扑网络图生成避灾路线；信息同步模块：将步骤接收并处理信息中生成的避灾路线通过信息传递模块发送至井下相关人员。

11、同过采用上述技术方案，根据预警消息结合矿井gis拓扑图，依据拓扑图生成最佳避灾路线发送至井下人员，当出现险情时该方法能够减少井下人员伤亡，增加矿井外因火灾的应急处理能力。

12、进一步地，所述拓扑网络图中设置各节点之间的长度和主副巷道宽度、通行难易程度设置链路之间的权值，巷道长度为l，宽度为d，用户自定义巷道通行难易程度e，e的值在0-1之间，则该巷道的权值为

13、进一步地，在所述接收并处理信息步骤中，将与预警测点所在位置相邻链路权值设为无穷大，生成预警测点相邻位置到最近避难硐室或井口避灾路线，则相邻节点生成的避灾路线会避开预警测点所在位置。

14、进一步地，所述避灾路线的生成采用迪杰斯特拉算法实现方式：选取所有与避灾路线起点vs相邻的权重最小的节点vk，其权重为wk，将该节点加入路线；并选取所有与vk相邻的权重最小的节点vm，其权重为wkm，以vk为新的中间节点，修改起点避灾路线起点vs到vm的权重wm；如果vs到vm经过中间节点vk，比较起点vs到vm的权重wm与起点vs到中间节点vk和中间节点vk到vm的权重wk+wkm，修改起点到vm的权重为较小的权重，并加入路线。

15、本发明的有益效果是，首先改进传统的时序预测方法，根据井下重点区域测点预测结果通过训练时序模型，使得时序模型能够通过实时的环境数据以及历史环境数据计算出未来一端时间内的环境数据，并通过计算出的环境数据与预定的环境数据阈值进行对比，从而及时有效的生成井下火灾预警信息，然后设计消息中心模块，将预警消息通过矿井内网与公网及时发送至井下工作人员，从而使得工作人员可以在火灾发生前提前进行逃生，从而降低了矿井外因火灾事故风险。同时，根据预警消息结合矿井gis拓扑图，使用改进的迪杰斯特拉算法生成最佳避灾路线发送至井下人员，当出现险情时该方法能够减少井下人员伤亡，增加矿井外因火灾的应急处理能力。

技术特征：

1.一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：包括，

2.根据权利要求1中所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：所述监测模块中采集的环境数据主要包括井下机电硐室、胶带运输巷道和辅助运输巷等易发生外因火灾区域的实时环境数据以及储存在influxdb时序数据库中的历史环境数据。

3.根据权利要求1中所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：所述预警模块中包括bilstm-attention火灾预测模型，所述bilstm-attention火灾预测模型包括输入层、双向lstm层、attention层和输出层部分，将采集到的实时环境数据以及历史环境数据进行数据整理和预处理后输入bilstm-attention火灾预测模型，能够输出监测区环境参数的预测值，所述预警模块中对外因火灾监测区域测点参数阈值进行设定，若所述bilstm-attention火灾预测模型的预测值超过阈值，则生成测点所在位置的预警信息。

4.根据权利要求3中所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：所述bilstm-attention火灾预测模型的构建包括以下过程：

5.根据权利要求4中所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：所述双向lstm层包括向前训练序列结构和向后训练序列结构，两种结构对称，信息传输方向相反，所述前向训练序列结构用于向前计算当前时刻信息，所述后向训练序列结构用于向后计算相同的序列，所述双向lstm层能根据输入特征的时序预测所有输入向量，整合过去和未来的信息输出到输出层，最后整合前向和反向信息输出预测结果。

6.根据权利要求1中所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统，其特征在于：所述信息传递模块包括发送模块、在线人员管理模块、消息记录模块，其中、发送模块分为内网发送模块和公网发送模块，所述内网发送用于实现客户端与服务端消息的接收，所述在线人员管理模块对各类型消息的应收人员的管理；所述消息记录模块主要实现实时、历史消息的查询，消息的批量确认、维护代发消息缓存以及消息权限的配置。

7.一种应用于权利要求1-6任意一项所述的一种基于bilstm-attention煤矿外因火灾的预警系统的应急处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种应急处理方法，其特征在于：所述拓扑网络图中设置各节点之间的长度和主副巷道宽度、通行难易程度设置链路之间的权值，巷道长度为l，宽度为d，用户自定义巷道通行难易程度e，e的值在0-1之间，则该巷道的权值为

9.根据权利要求8所述的一种应急处理方法，其特征在于：在所述接收并处理信息步骤中，将与预警测点所在位置相邻链路权值设为无穷大，生成预警测点相邻位置到最近避难硐室或井口避灾路线，则相邻节点生成的避灾路线会避开预警测点所在位置。

10.根据权利要求9所述的一种应急处理方法，其特征在于：所述避灾路线的生成采用迪杰斯特拉算法实现方式：选取所有与避灾路线起点vs相邻的权重最小的节点vk，其权重为wk，将该节点加入路线；并选取所有与vk相邻的权重最小的节点vm，其权重为wkm，以vk为新的中间节点，修改起点避灾路线起点vs到vm的权重wm；如果vs到vm经过中间节点vk，比较起点vs到vm的权重wm与起点vs到中间节点vk和中间节点vk到vm的权重wk+wkm，修改起点到vm的权重为较小的权重，并加入路线。

技术总结
本发明属于火灾监测技术领域，尤其是涉及一种基于BiLSTM‑Attention煤矿外因火灾的预警系统和应急处理方法，一种基于BiLSTM‑Attention煤矿外因火灾的预警系统包括监测模块：采集矿井下的环境数据；预警模块：通过算法预测火灾并发出预警；信息传递模块：将预警模块发出的预警信号传递至工作人员。应急处理方法，包括以下步骤：接收并处理信息：生成矿井巷道拓扑网络图，GIS图上的人员定位分站为拓扑图的节点，节点之间的巷道为拓扑图的链路；接收到预警系统发出的预警信息，根据测点所在位置，依据拓扑网络图生成避灾路线；信息同步模块：将避灾路线通过信息传递模块发送至工作人员。本发明可以提前对火灾进行预测预警，并生成避灾路线指挥逃生，降低矿井外因火灾事故风险。

技术研发人员：王志强,吕天鹤,蔺江涛,田昕辉,袁璐,黄锐,鲍俊达,王保保,徐鹏飞,刘兴,杨晓,杨晓东,张恒滔
受保护的技术使用者：天地（常州）自动化股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15