一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法与流程

本发明涉及一种采煤安全技术，尤其涉及一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法。
背景技术：
：据统计，“十一五”期间全国煤矿共发生10人及以上重特大突透水灾害26起，平均每年发生5.2起，共死亡506人。虽然目前煤矿突透水灾害发生频率和致死人数总体呈下降和减弱趋势，但其防治形势依然不容乐观，重大突透水灾害事故时有发生。必须持之以恒地加强矿井突透水灾害的综合预防和治理技术研究。在事故发生后，由于井上、下无法正常通信，井下遇险人员无法及时得到地面调度工作人员统一指挥，非突透水采区作业人员不清楚突透水地点所发生的灾害事故，突透水地点作业人员不了解井下采掘总体情况和动态优化逃生线路，造成井下遇险人员未能及时撤离或选择了错误的逃生线路，而不幸遇难。因此，在煤矿突透水灾害抢险救援时，及时、准确地掌握灾害的发生地点、灾害特性、灾害规模、灾害对煤矿井下巷道的扰动破坏程度和可能影响到的区域范围、事故发生地点的环境参数及水位动态变化情况是进行科学决策的前提。目前，以Hi3512处理器为设计基础进行矿井救援多媒体采集系统的硬件设计，采用MicrosoftVisualC、双码流网络视频服务器配套SDK、微软基础类(MFC)之类软件开发工具，开发具有搜索发现服务器设备地址、视频录像、音频对讲传输、传感器采集数据显示的软件系统。结合通用平台项目，建立非煤地下矿山安全管理“一站式”服务平台。从预警角度，建立矿山动态综合预警体系，采取主动预防的战术，降低矿山事故的发生率，减少人员伤亡；对于已经发生的事故，建立三维动态救援辅助决策系统，采取被动防御的方式，降低事故的危害，最大限度的降低各种损失。现有技术中的方法主要存在的问题是：矿井水灾模拟方法的研究主要集中在突透水灾害的发生机理和预测研究方面，包括在分析矿井充水机理和水害成因的基础上，提出相应的防治和管理措施，探讨煤矿水害产生机理和防治方法，这些方法主要是针对矿山水灾的形成原因和防治措施，而对于水灾事故发生后的应急处置和抢险救援方法比较少见。矿井水灾的模拟方法主要是利用数值模拟技术，针对地质材料和岩土工程的力学行为、水的赋存及运动规律进行模拟；在水灾的防治理论方面，以水灾预防与治理为主，尚未形成系统的灾变演化和扩散理论，只是系统分析和整理了水文地质数据和资料，形成的可视化系统也仅仅是针对水灾的预防进行的可视化模拟，与实际的事故灾害、救灾现场有很大的差别。技术实现要素：本发明的目的是提供一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，包括步骤：A、数据采集与识别：根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据；B、3D模型构建：为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，构建矿区地质环境与井下场景，利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建包括地层和构造的3D地质体，采用点云、导线点和巷道线构建3D巷道网络模型，利用硐室、井、障碍物数据建立设备模型以及来自3DMAX的人员模型；C、应急疏散模拟：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟，包括突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索；突透水点及其相关信息获取方式为：通过物联网实时监测数据、通过矿井地下水数值模拟、通过系统提供的交互式工具，相关信息主要包括突透水量、突透水类型相关信息；巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则能计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；人员逃生行为模拟是基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；智能动态路径搜索需要综合分析最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；D、VR仿真环境设计实现：VR仿真环境中包括地质体、巷道、部分设备的静态对象，同时，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；所述快速碰撞检测包括2类检测：人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测：将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人-人群碰撞检测，通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生；突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化检测：在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真；E、安全信息平台构建：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，采用先进的前沿技术方法，与煤矿实际情况相结合，为矿井灾害的防治、人员培训、应急救援辅助决策提供技术支撑平台。附图说明图1为本发明实施例提供的煤矿突透水灾害应急疏散模拟的架构设计示意图；图2为本发明实施例中建模基础数据示意图；图3为本发明实施例中3D地质体模型示意图；图4a为本发明实施例中巷道线数据示意图；图4b为本发明实施例中叠加导线点示意图；图4c为本发明实施例中3D巷道线示意图；图4d为本发明实施例中3D巷道网络模型示意图；图4e为本发明实施例中巷道内部的空间结构示意图；图4f为本发明实施例中存储形式及其部分数据示意图；图5为本发明实施例中突透水点获取示意图；图6a、图6b、图6c、图6d分别为本发明实施例中4个时刻水位＞0.5m的动态分布情况示意图；图7a为本发明实施例中部分疏散最优路径的3D显示结果示意图；图7b为本发明实施例中部分疏散最优路径在X-Y方向上的投影结果示意图；图8为本发明实施例中快速碰撞检测示意图；图9a、图9b、图9c、图9d分别为本发明实施例中个体p从起点s3至终点o1的模拟逃生动态过程4个时刻示意图；图9e、图9f、图9g、图9h分别为本发明实施例中动态疏散过程中的群体行为4个时刻示意图。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，其较佳的具体实施方式是：包括步骤：A、数据采集与识别：根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据；B、3D模型构建：为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，构建矿区地质环境与井下场景，利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建包括地层和构造的3D地质体，采用点云、导线点和巷道线构建3D巷道网络模型，利用硐室、井、障碍物数据建立设备模型以及来自3DMAX的人员模型；C、应急疏散模拟：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟，包括突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索；突透水点及其相关信息获取方式为：通过物联网实时监测数据、通过矿井地下水数值模拟、通过系统提供的交互式工具。相关信息主要包括突透水量、突透水类型相关信息；巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则可计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；人员逃生行为模拟是基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；智能动态路径搜索需要综合分析最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；D、VR仿真环境设计实现：VR仿真环境中包括地质体、巷道、部分设备的静态对象，同时，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；所述快速碰撞检测包括2类检测：人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测：将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人-人群碰撞检测，通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生；突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化检测：在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真；E、安全信息平台构建：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。所述步骤A中：所述建模基础数据用于构建应急疏散模拟所需的基础环境，包括钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像、点云、导线点、巷道线、硐室、井、障碍物和人员数据，通过去噪、识别和不确定性分析，对来自多源、异构系统的数据实现集成，为3D模型构建提供基础数据。所述动态监测数据包括实时采集的水位、水流速与流量以及煤矿突透水灾害发生时突透水点、突透水量、突透水类型，并跟踪识别井下人员位置及状态，保持通信畅通，这些数据能够有效提高应急疏散模拟精度，为煤矿突透水灾害应急救援提供科学依据。所述步骤B包括：所述3D模型构建的方法如下：根据矿区地质条件以及突透水灾害应急疏散模拟需求，对地层进行概化分层，并将钻孔数据依照分层进行提取，基于地质构造、3D地震剖面数据，推演并刻画出断层及褶皱的空间分布，结合钻孔数据，构建各个地层的网格模型，利用遥感影像对地表进行精细化建模和渲染，获得可靠的3D地质体模型；所述巷道网络模型构建有2种方法：利用点云，通过去噪处理，直接产生3D巷道网络模型，再经过渲染技术可以获得逼真的巷道场景；或者，基于巷道线数据，以导线点为样本，插值得到3D巷道线；并以此为中线，结合巷道的截面形状，构建巷道的网格模型；再经过布尔运算，产生3D巷道网络模型，将巷道的交叉处概化为节点，巷道概化为线段，自动转化生成巷道的拓扑结构。所述来自3DMAX的人员模型包括：通过构建截面，历经挤压拉伸、网格平滑、布尔操作，构建人员以及设备模型，包括轨道、带式运输机、风门和风桥在内的硐室、井和障碍物。所述步骤C包括：突透水点及其相关信息获取：通过下列方法获取突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息：通过物联网实时监测数据，一旦突透水灾害发生，迅速获取真实的突透水点及其相关信息，应用于应急疏散辅助决策；通过矿井地下水数值模拟，识别并获取可能的突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息，应用于应急疏散辅助决策或井下人员的安全培训演练；通过系统提供的交互式工具，设置突透水点及其相关信息，主要应用于井下人员的安全培训演练；巷道水流模拟：以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则可计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；突透水蔓延线路生成算法主要考虑水流蔓延的基本控制为突透水水流的重力作用，水流蔓延分为下向漫流模型和上向漫流模型，突透水蔓延的过程路径可以看作对巷道拓扑结构的遍历，以确定被淹没的巷道，突透水后，如果突透水点在平巷中且存在多个巷道，水流则会在同水平的多个巷道中蔓延，直到水流蔓延的多个巷道中的网络节点中有高程小于该水平的节点，水流则进入下向蔓延方式，如果水流在斜线或者竖井中，那么水流自动进入向下蔓延状态。通过计算突透水蔓延线路，揭示水灾灾情演变规律，为制定应急逃生提供科学依据；人员逃生行为模拟：基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；井下人员特征包括人员行为和人员与井下环境关系。人员行为，包括具有相同属性的群体行为、以及包括心理、体能、IQ信息的个体行为，人员与井下环境关系的认知度和适应度；智能动态路径搜索：智能动态路径搜索需要综合考虑最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；通过人员定位系统或交互式工具获得人员位置。应急疏散出口主要包括副井、风井、主井、避险洞室、移动救生仓，其优先级及其权值可根据实际应用情况确定，且各时刻各出口可分配的逃生人数应保持均衡；以巷道的拓扑结构为搜索图，人员位置为搜索起点，应急疏散出口为终点，对于拓扑结构中任意连通的节点，其权值的主要影响因素为：巷道空间分布，包括节点间距离、坡度、巷道断面及巷道类型、拥堵程度；水流因素，包括水位、流速、水流路径；人员逃生行为，包括人员逃生速度、人员行走的动态距离；障碍物、通风系统通行难度系数；各因素对疏散的影响程度可根据矿区实际应用而定，假设环境可监测或可预测，在最短路径搜索过程中，可根据途经节点及其估算时间，得到权值对应时刻的水位、流速、水流路径、人员逃生行为、巷道拥堵程度信息，以便动态调整权值，避免发生回溯。当搜索从所有起点到达某个终点时，即可获得疏散最优路径；根据疏散最优路径及其相应的时间，通过网络传输系统，分别对各个逃生人员进行基于水流实时信息的疏散引导，依次通知人员撤离，以避免发生拥堵，保证全员顺利撤离；如果矿区可以实时获取动态监测数据，则依据数据情况，对巷道水流模拟、人员逃生行为模拟进行实时动态修正，以确保疏散行动高效。所述步骤D包括：VR仿真环境中包括地质体、巷道和部分设备的静态对象，同时，要刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真，所述人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；突透水灾害仿真涉及水流在巷道、采空区的可视化，在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学和纹理波纹的技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真。所述步骤E包括：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，也可构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。本发明的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，采用先进的前沿技术方法，与煤矿实际情况相结合，为矿井灾害的防治、人员培训、应急救援辅助决策提供技术支撑平台。一、本发明的设计思路：1.1、总体架构煤矿突透水灾害应急疏散模拟涉及地质学、水文学、计算机科学、数学领域，是一个交叉性的前沿技术。如图1所示，本发明设计了一个基于物联网的架构，主要包括：数据采集与识别，主要负责各种数据的采集、物体及人员的识别与监测；网络传输，通过诸如互联网、网络管理系统和云平台，传递和处理各种信息；智能应用，主要完成3D模型构建、应急疏散模拟、VR仿真环境设计实现、以及决策与演练、评价与预警。涉及的软硬件主要包括：AutoCAD、3DMAX、GIS、Oracle、OpenGL、VC++平台、以及传感器、人员定位系统、地质勘探设备、GPS、三维激光扫描仪、PC机、服务器、以及网络传输系统。1.2具体方法1、数据采集与识别根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据。1)、建模基础数据主要用于构建应急疏散模拟所需的基础环境，包括钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像、点云、导线点、巷道线、硐室、井、障碍物、人员数据。通过去噪、识别和不确定性分析，对来自多源、异构系统的数据实现集成，为3D模型构建提供基础数据。2)、动态监测数据主要包括实时采集的水位、水流速与流量，以及煤矿突透水灾害发生时突透水点、突透水量、突透水类型，并跟踪识别井下人员位置及状态，保持通信畅通。这些数据能够有效提高应急疏散模拟精度，为煤矿突透水灾害应急救援提供科学依据。2、3D模型构建为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，需要构建矿区地质环境与井下场景。利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建3D地质体(包括地层、构造)；主要采用点云、导线点、巷道线构建3D巷道网络模型；利用硐室、井、障碍物数据建立各种设备模型；以及来自3DMAX的人员模型。3D模型构建的主要方法如下：1)根据矿区地质条件以及突透水灾害应急疏散模拟需求，对地层进行概化分层，并将钻孔数据依照分层进行提取。基于地质构造、3D地震剖面数据，推演并刻画出断层及褶皱的空间分布，结合钻孔数据，构建各个地层的网格模型。利用遥感影像对地表进行精细化建模和渲染，获得可靠的3D地质体模型。2)巷道网络模型构建可以有2种方法。利用点云，通过去噪处理，直接产生3D巷道网络模型；再经过渲染技术可以获得逼真的巷道场景。或者，基于巷道线数据，以导线点为样本，插值得到3D巷道线；并以此为中线，结合巷道的截面形状，构建巷道的网格模型；再经过布尔运算，产生3D巷道网络模型。将巷道的交叉处概化为节点，巷道概化为线段，则可自动转化生成巷道的拓扑结构。3)利用诸如3DMAX建模工具，通过构建截面，历经挤压拉伸、网格平滑、布尔操作，构建人员以及设备模型，包括硐室、井、障碍物(如轨道、带式运输机、风门、风桥)。3、应急疏散模拟基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟。主要步骤如下：1)突透水点及其相关信息获取可通过下列方法获取突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息：①通过物联网实时监测数据，一旦突透水灾害发生，可以迅速获取真实的突透水点及其相关信息，应用于应急疏散辅助决策；②通过矿井地下水数值模拟，识别并获取可能的突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息，应用于应急疏散辅助决策或井下人员的安全培训演练；③通过系统提供的交互式工具，设置突透水点及其相关信息，主要应用于井下人员的安全培训演练。2)巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则可计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径。突透水蔓延线路生成算法主要考虑水流蔓延的基本控制为突透水水流的重力作用，水流蔓延分为下向漫流模型和上向漫流模型，突透水蔓延的过程路径可以看作对巷道拓扑结构的遍历，以确定被淹没的巷道。突透水后，如果突透水点在平巷中且存在多个巷道，水流则会在同水平的多个巷道中蔓延，直到水流蔓延的多个巷道中的网络节点中有高程小于该水平的节点，水流则进入下向蔓延方式；如果水流在斜线或者竖井中，那么水流自动进入向下蔓延状态。通过计算突透水蔓延线路，揭示水灾灾情演变规律，为制定应急逃生提供科学依据。3)人员逃生行为模拟基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度。井下人员特征包括人员行为和人员与井下环境关系。人员行为，包括具有相同属性的群体行为、以及具有个性的个体行为，如心理、体能、IQ信息；人员与井下环境关系，主要指人员对井下环境的认知度、适应度。4)智能动态路径搜索智能动态路径搜索需要综合考虑最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用。可通过人员定位系统或交互式工具获得人员位置。应急疏散出口主要包括副井、风井、主井、避险洞室、移动救生仓，其优先级及其权值可根据实际应用情况确定，且各时刻各出口可分配的逃生人数应保持均衡。以巷道的拓扑结构为搜索图，人员位置为搜索起点，应急疏散出口为终点。对于拓扑结构中任意连通的节点，其权值的主要影响因素为：①巷道空间分布，包括节点间距离、坡度、巷道断面及巷道类型、拥堵程度；②水流因素，包括水位、流速、水流路径；③人员逃生行为，包括人员逃生速度、人员行走的动态距离；以及④障碍物、通风系统通行难度系数。各因素对疏散的影响程度可根据矿区实际应用而定。假设环境可监测或可预测，在最短路径搜索过程中，可根据途经节点及其估算时间，得到权值对应时刻的水位、流速、水流路径、人员逃生行为、巷道拥堵程度信息，以便动态调整权值，避免发生回溯。当搜索从所有起点到达某个终点时，即可获得疏散最优路径。5)根据疏散最优路径及其相应的时间，通过网络传输系统，分别对各个逃生人员进行基于水流实时信息的疏散引导，依次通知人员撤离，以避免发生拥堵，保证全员顺利撤离。6)如果矿区可以实时获取动态监测数据，则可依据数据情况，对巷道水流模拟、人员逃生行为模拟进行实时动态修正，以确保疏散行动高效。4、VR仿真环境设计实现VR仿真环境中包括诸如地质体、巷道、部分设备之类的静态对象；同时，需要刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象。采用视点跟踪方法，可实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案。以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式。快速碰撞检测需要进行2类检测，人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测。将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人-人群碰撞检测。通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生。突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化。在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真。5、安全信息平台构建在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者需要依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域。在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，也可构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训。针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。二、具体实施例，以位于河北某煤矿为例。具体步骤如下：步骤1：通过对矿区相关数据分析，进行下列数据采集与识别：步骤101：建模基础数据采集与识别，包括钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像、点云、导线点、巷道线、硐室、井、障碍物、人员数据。通过去噪、识别和不确定性分析，对来自多源、异构系统的数据实现集成。图2展示了部分数据的情况，其中，*p_BData指向存储建模基础数据的地址，以便实现对各类数据的访问。可以通过p_BData->p_Bore使用钻孔数据，包括钻孔编号、位置、揭示的地层信息；将导线点导入p_BData->p_Point->p_PointTraverse所分配的空间，并通过OpenGL、VC++平台可视化数据。步骤102：动态监测数据采集与识别，包括实时采集的水位、水流速与流量，以及煤矿突透水灾害发生时突透水点、突透水量、突透水类型，通过各种传感器采集后传输到计算机进行处理、存储、分析。通过人员定位系统，跟踪识别井下人员位置及状态，保持通信畅通。步骤2：3D模型构建，主要方法如下：步骤201：根据矿区地质条件以及突透水灾害应急疏散模拟需求，对地层进行概化分层，分为第四系、含水层、隔水层、煤层、隔水层，将钻孔数据依照分层进行提取，构建各个地层的网格模型，通过精细化建模和渲染，获得可靠的3D地质体模型(图3)。步骤202：基于巷道线数据(图4a)，以导线点(图4b中点数据)为样本，插值得到3D巷道线(图4c)；并以此为中线，结合巷道的截面形状，构建巷道的网格模型；再经过布尔运算，产生3D巷道网络模型(图4d)，其中，图4e显示了巷道内部的空间结构。将巷道的交叉处概化为节点，巷道概化为线段，则可自动转化生成巷道的拓扑结构G(P，E)，其中，P为构成巷道的节点集合，p为节点个数，而E为构成巷道中线的线段集合，e为线段个数。在内存中的存储形式及其部分数据如图4f所示。对拓扑结构G需要进一步进行连通性测试，如果存在问题，需要重新概化、自动转化生成，直到通过连通性测试。步骤203：利用诸如3DMAX建模工具，通过构建截面，历经挤压拉伸、网格平滑、布尔操作，构建人员以及设备模型，包括硐室、井、障碍物。将所构建模型导入3D巷道网络模型中，并进行移动定位。步骤3：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟。主要步骤如下：步骤301：通过物联网实时监测数据，一旦突透水灾害发生，可以迅速获取真实的突透水点位置及其相关信息；通过矿井地下水数值模拟，识别并获取可能的突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息；通过系统提供的交互式工具，设置突透水点位置及其相关信息。图5显示了获取的突透水点位置p0，突透水量Q＝204m3/h。步骤302：以所获取的突透水点的位置p0(x,y,z)、突透水量Q为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构G，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑水流影响因素，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则可计算出任意时刻的各个节点pj∈P(j＝1，...，p)的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径。水流影响因素包括采空区类型，如采空区的动态变化对水流/水位产生影响；采掘区排水系统的排水能力，如排水量的影响；巷道空间分布对水流的影响，如①分叉、②巷道呈水平、向下、向上情况。突透水蔓延线路生成算法主要考虑水流蔓延的基本控制为突透水水流的重力作用，水流蔓延分为下向漫流模型和上向漫流模型，突透水蔓延的过程路径可以看作对巷道拓扑结构G的遍历，以确定被淹没的巷道。突透水后，如果突透水点在平巷中且存在多个巷道，水流则会在同水平的多个巷道中蔓延，直到水流蔓延的多个巷道中的网络节点中有高程小于该水平的节点，水流则进入下向蔓延方式；如果水流在斜线或者竖井中，那么水流自动进入向下蔓延状态。下向漫流模型：设i为巷道坡度，n巷道粗糙系数，h水深，b巷道宽度，A巷道断面面积，l突透水点到蔓延位置的距离，v流速，g为重力加速度。①当i<45°时：Q＝vA＝vbh②当i>＝45°时：蔓延时间：上向漫流模型：设V为向上蔓延从最低点到蔓延位置历经的路程与断面面积的乘积，Q夹、Q排为突透水和排水的水量。向上蔓延从最低点到蔓延位置所需时间：图6a、图6b、图6c、图6d为其中4个时刻水位＞0.5m的动态分布情况。步骤303：基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，可获得ti时刻j群体人员在ek线段上的逃生速度其中，j＝(1，...，n)，n为群体个数，ek∈E，k＝(1，...，e)。是j群体人员在ek线段上的正常行驶速度，和根据ek线段上的水位、流速、突透水类型、以及群体人员特征进行设置。井下人员特征包括人员行为和人员与井下环境关系。人员行为，包括具有相同属性的群体行为、以及具有个性的个体行为，如心理、体能、IQ信息；人员与井下环境关系，主要指人员对井下环境的认知度、适应度。步骤304：设井下人员位置集合S，人员位置可通过人员定位系统或交互式工具获得。设应急疏散出口集合O，应急疏散出口主要包括副井、风井、主井、避险洞室、移动救生仓，其优先级及其权值可根据实际应用情况确定；同时，在ti时刻各出口可分配的逃生人数应保持均衡。本矿应急疏散出口的优先级分为5级，依次是(表1)：优先级出口数量权值1副井10.4～0.52风井10.23主井10.1～0.154避险洞室1-30.15移动救生仓2-30.1以巷道的拓扑结构G为搜索图，为搜索起点，oj∈0(j＝1，...，o)为终点，其中，S、0∈P。对于拓扑结构中任意连通的2节点pi、pj∈P(i，j＝1，...，p)，其权值W(pi)＝f(F)是影响因素F(Factor)的函数，主要涉及：①巷道空间分布，包括节点间距离、坡度、巷道断面及巷道类型、拥堵程度；②水流因素，包括水位、流速、水流路径；③人员逃生行为，包括人员逃生速度、人员行走的动态距离；以及④障碍物、通风系统通行难度系数。各因素对疏散的影响程度可根据矿区实际应用而定。假设环境可监测或可预测，在最短路径搜索过程中，可根据途经节点及其估算时间，得到对应W(pi)时刻的水位、流速、水流路径、人员逃生行为、巷道拥堵程度动态信息，以便动态调整W(pi)。f由矿区数据情况确定，可采用线性或非线性函数，如其中，ci为影响因素Fi的系数，根据矿区具体情况及专家知识而定。当搜索从si起点到达某个oj终点时，即可获得疏散最优路径。图7a、图7b显示了部分疏散最优路径，图7a为3D显示结果，可见疏散出口；而图7b为在X-Y方向上的投影结果，可见疏散最优路径的整体分布。步骤305：根据疏散最优路径及其相应的时间，通过网络传输系统，分别对各个逃生人员进行基于水流实时信息的疏散引导，依次通知人员撤离，以避免发生拥堵，保证全员顺利撤离。步骤306：如果矿区可以实时获取动态监测数据，则可依据动态数据情况，分别转入步骤302或步骤303，对巷道水流模拟、人员逃生行为模拟，进行实时动态修正，以确保疏散行动高效。步骤4：VR仿真环境设计实现步骤401：VR仿真环境中包括诸如地质体、巷道、部分设备之类的静态对象；同时，需要刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象。设*p_Segment->p_Path[i](i＝1，...，m)指向第i条疏散最优路径，m为疏散最优路径个数，在其大曲率处进行样条插值，以确保人员行径时流畅而不抖动；采用视点跟踪方法，可实现以人员为第一视角的疏散仿真(图4e)。步骤402：以所获得的为人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式。通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境参数，如水位、流速、障碍物、坡度，从而控制人员的行动模式。快速碰撞检测需要进行2类检测：人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测。设第i条疏散最优路径中存在节点pj∈P(j＝1，...，p)，通过深度优先搜索，获得与的关联网格单元(图8)。于是，可通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，如果重叠则采用3D包围盒法，如图8中A处所示；否则采用2D包围盒法，如图8中B处所示，实现人-人群碰撞检测，以加快检测速度。可通过检测同单元中人与物(如巷道、障碍物)的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生。步骤403：突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化。在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来(图6a至图6d)，实现矿井突透水灾害动态仿真。步骤5：安全信息平台构建方法如下：步骤501：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者需要依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域。步骤502：在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，进行个体行为和群体行为模拟逃生，完成疏散演练，代替传统的安全培训。构建个体行为模拟逃生，如图9a至图9d所示，通过步骤301可获得突透水点位置p0，结合步骤302、步骤303的计算结果，设为搜索起点，即突透水灾害发生时井下人员作业位置，o1∈O为终点，个体p为模拟逃生人员。经过步骤304可获得一条疏散最优路径，步骤305保证人员撤离，采用步骤4可实现疏散仿真。图9a至图9d依次展示了个体p绕开巷道中的水流，从s3至o1的模拟逃生过程，最终顺利疏散。构建群体行为模拟逃生，如图9e至图9h所示，突透水灾害发生时井下人员分散在巷道不同位置，且各个位置有不同人员。经过步骤3、步骤4，模拟了动态疏散过程中的群体行为，最终相互协作安全撤离，避免拥堵情况发生。步骤503：针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，主要包括：1)逃生路径可靠性，测试可通行性、危险程度；2)逃生路径通行效率，获得并分析人员数目及其平均行走速度、单位面积平均密度、单位宽度平均流量；以及3)人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。三、本发明的特点及有益效果1、本发明设计了一个基于物联网的架构，主要包括：数据采集与识别，主要负责各种数据的采集、物体及人员的识别与监测；网络传输，通过诸如互联网、网络管理系统和云平台，传递和处理各种信息；智能应用，主要完成3D模型构建、应急疏散模拟、VR仿真环境设计实现、以及决策与演练、评价与预警。2、根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，将煤矿可采集的数据分为建模基础数据和动态监测数据。建模基础数据主要用于构建应急疏散模拟所需的基础环境，通过去噪、识别和不确定性分析，对来自多源、异构系统的数据实现集成，为3D模型构建提供基础数据。动态监测数据主要包括实时采集的水位、水流速与流量，以及煤矿突透水灾害发生时突透水点、突透水量、突透水类型，并跟踪识别井下人员位置及状态，保持通信畅通。能够有效提高应急疏散模拟精度，为煤矿突透水灾害应急救援提供科学依据。3、以突透水点及其突透水量、突透水类型相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，揭示水灾灾情演变规律，为制定应急逃生提供科学依据。结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度。在此基础上，综合考虑最短路径求解和均衡优化因素，根据途经节点及其估算时间，得到权值对应时刻的水位、流速、水流路径、人员逃生行为、巷道拥堵程度信息，动态调整权值，智能动态路径搜索，获得疏散最优路径。4、根据疏散最优路径及其相应的时间，通过网络传输系统，分别对各个逃生人员进行基于水流实时信息的疏散引导，在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域。矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体和群体行为模拟逃生，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训。针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。当前第1页1 2 3