基于行为轨迹挖掘的煤矿井下作业区域火灾风险预测方法与流程

本发明涉及煤矿安全，具体是指基于行为轨迹挖掘的煤矿井下作业区域火灾风险预测方法。

背景技术：

1、煤矿井下火灾是矿山消防救援处置难度最高、伤亡风险最大的灾害类型，具备隐蔽起火、烟气快速扩散、巷道空间密闭、有毒有害气体积聚、爆炸风险耦合等特征，火灾发生后极易造成井下人员被困、救援队伍内攻伤亡、巷道垮塌封闭等重大事故，是矿山消防救援核心防控痛点。

2、当前煤矿井下火灾监测预警、消防救援辅助技术存在四大核心短板，无法满足消防救援全流程实战需求：

3、现有预警完全依托温度、co、瓦斯等环境传感器阈值报警，属于起火后被动告警，仅能反馈火灾已发生状态，无法提前识别人员违规动火、设备过热、高危区域长期滞留等火灾前置诱发行为；消防救援队伍到场前无区域动态风险研判数据，指挥员无法提前掌握全域隐患分布，错失初期疏散、先期处置黄金窗口。

4、传统技术采用统一全局风险打分，未结合消防救援核心要素（巷道疏散通道、避险硐室、消防供水点位、灭火器材布设、救援行进路线、瓦斯爆炸风险分区）差异化评估；无法区分“高风险易起火区”“火灾后高危烟流扩散区”“人员被困重点区域”，难以支撑救援力量分区布控、内攻路线规划。

5、井下人员、采掘设备持续移动，作业区域、人员分布实时变化；静态监测模型无法同步更新被困人员位置、设备热源点位、通道占用状态，火灾发生后无法动态生成安全疏散路线、救援最优行进路径，易出现疏散拥堵、救援队伍误入高毒高温灾区。

6、现有系统仅实现告警推送，未联动消防救援全流程：无分级救援调度策略、被困人员精准溯源、火区封堵/惰性气体灭火辅助决策、救援队伍安全阈值预警等功能；风险数据无法直接转化为救援指令，指挥人员需人工整合多平台信息，处置效率低、误判风险高。

7、目前行业缺少一套兼顾事前隐患预判、事中疏散引导、事后消防救援指挥的一体化技术方案，未将人员/设备行为轨迹、环境火情参数、消防救援资源三者耦合建模，无法实现火灾风险预测、被困人员定位、救援路线智能规划、分级处置联动一体化，严重制约煤矿井下消防救援科学化、精准化作战能力。

8、基于此，研发一种面向消防救援实战、基于行为轨迹挖掘的煤矿井下作业区域火灾风险预测方法，填补现有技术在救援辅助决策层面的空白，提升矿山消防救援事前防控、事中处置、事后复盘全链条能力。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于行为轨迹挖掘的煤矿井下作业区域火灾风险预测方法，以井下人员、设备动态轨迹为核心挖掘前置火灾隐患，耦合环境火情参数、井下消防救援资源、巷道疏散拓扑数据构建耦合预测模型；同步实现火灾事前风险预判、井下被困人员动态定位、分区域火情演化预测、最优疏散/救援路径智能规划、分级消防处置联动、救援全要素风险溯源，为矿山消防救援指挥提供量化决策依据，从源头减少火灾事故，同时大幅提升火场救援安全性与处置效率。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于行为轨迹挖掘的煤矿井下作业区域火灾风险预测方法，包括以下步骤：

3、s1、多源轨迹与消防救援全域数据实时同步采集：通过井下人员定位基站、采掘/机电设备姿态定位传感器、分布式环境火情传感器、井下消防设施监测终端，同步采集人员/设备时空轨迹数据、环境火情监测数据、消防救援静态基础数据、动态救援辅助数据，所有数据统一时间戳对齐；

4、s2、轨迹数据预处理与救援分区单元建模：对采集的原始轨迹数据开展小波阈值去噪、盲区断点插值补全、三维坐标统一校准；以消防救援作战分区为边界，结合作业工序将连续轨迹拆分为单救援分区、单工序对应的单元轨迹，每段单元轨迹绑定包含疏散、灭火、爆炸风险信息在内的消防属性标签，构建标准化消防轨迹数据集；

5、s3、作业行为轨迹特征挖掘与消防高危异常行为识别：从单元轨迹中提取时空特征、运动状态特征、定点停留特征、消防关联操作特征四类多维特征；采用改进k-means聚类算法对多维轨迹特征聚类，区分正常作业、一般隐患、消防高危火灾诱发三类行为模式，识别违规动火、疏散通道占用、设备过热、跨瓦斯危险区作业等前置火灾高危行为；

6、s4、构建行为-火情-消防资源三维耦合火灾风险预测模型：搭建分层差异化风险权重体系，所述权重体系包括环境火情基础权重、异常行为动态风险权重、消防救援兜底修正权重；以异常行为轨迹特征为核心动态变量、火情参数为实时修正变量、消防设施与巷道疏散拓扑为救援约束变量，融合井下巷道拓扑关系，动态计算各消防救援分区标准化火灾风险值，并同步输出疏散难度系数、内攻安全风险系数、烟气扩散预判系数；

7、s5、分区火灾风险量化分级与消防救援态势时序预测：将分区风险值划分为低风险、中风险、较高风险、高风险四级风险等级；采用时序卷积神经网络以连续时段轨迹、火情、消防设施状态数据为输入，预测未来1~3小时火灾风险、烟气扩散、疏散通道拥堵三类救援态势，并动态生成人员疏散路线、消防救援内攻备选行进路线；

8、s6、分级消防联动预警与救援全维度风险溯源：针对四级风险分别匹配差异化巡检、整改、局部疏散、全域撤离与消防队伍调派联动处置机制，联动井下通风、灭火、断电、应急广播、密闭管控设备；对高风险分区反向解析单元轨迹数据，自动生成包含诱因定位、被困人员清单、消防设施短板、灭火战术建议的消防救援溯源报告。

9、进一步地，步骤s1中，所述消防救援静态基础数据包括井下三维巷道拓扑、安全出口、避险硐室、消防供水管路、灭火点位、救援集结点、防爆密闭设施坐标；所述动态救援辅助数据包括消防器材存量、通风机运行参数、风门启闭状态、分区实时人员数量。

10、进一步地，步骤s2中，所述盲区断点插值补全采用运动速率、行进方向、巷道通行边界三重约束下的趋势拟合插值算法；轨迹坐标统一校准至井下三维巷道消防救援坐标系，实现轨迹点位与疏散通道、救援内攻路线、灭火点位精准匹配。

11、进一步地，步骤s2中，所述消防救援作战分区包括采掘工作面、机电硐室、进风/回风巷道、避险硐室、消防器材存放点；所述消防属性标签包括分区安全出口数量、消防供水覆盖范围、瓦斯爆炸风险等级、就近避险硐室距离。

12、进一步地，步骤s3中：

13、所述时空特征包括轨迹覆盖救援分区、跨危险巷道移动频次、高危硐室作业时长；

14、所述运动状态特征包括人员移动速率、设备启停频率、重型设备连续运行时长；

15、所述定点停留特征包括高危区域滞留时长、设备定点静置时长、疏散通道占用时长；

16、所述消防关联操作特征包括无监护动火轨迹偏移、设备超负载运行、遮挡消防器材、违规跨爆炸危险区作业轨迹特征。

17、进一步地，步骤s4中，所述环境火情基础权重依据分区可燃物存量、瓦斯涌出量、通风排烟能力、爆炸风险赋值；

18、所述异常行为动态风险权重依据煤矿火灾救援事故统计得到的各类违规行为起火概率赋值；

19、所述消防救援兜底修正权重依据分区安全出口数量、固定灭火装置覆盖、消防供水压力、避险硐室距离反向修正，无消防设施、单出口狭长巷道上浮风险权重。

20、进一步地，步骤s5中所述风险等级的分级标准为：风险值0~30分为低风险，31~60分为中风险，61~80分为较高风险，81~100分为高风险；所述时序卷积神经网络输出的疏散路线、内攻行进路线自动规避高温、高瓦斯、垮塌风险区域，并标注路线通行时长、沿途消防水源点位。

21、进一步地，步骤s6中，所述联动处置机制具体为：

22、低风险：后台存档，推送安全员分区巡检清单；

23、中风险：调度后台弹窗预警，推送现场隐患整改指引；

24、较高风险：井下声光疏散预警、管理人员app推送，自动规划就近避险硐室路线，启动局部通风调控，矿山专职消防队备勤；

25、高风险：全域声光报警与应急广播循环播报逃生路线，自动向属地消防救援大队发送调派指令，联动细水雾、惰性气体抑爆系统，切断灾区供电、关闭危险区域风门，指挥终端展示全域风险热力图、被困人员分布、可用灭火点位。

26、进一步地，步骤s5中所述时序卷积神经网络以连续时段单元轨迹特征、环境火情参数波动、消防设施运行状态作为输入，拟合风险时序演化规律，输出未来1~3小时区域火灾风险上升/平稳/下降、有毒烟气扩散方向、疏散通道拥堵三类预测结果。

27、本发明与现有技术相比的优点在于：

28、本发明打破传统仅依靠环境传感的被动预警模式，以人员、设备行为轨迹挖掘火灾前置隐患，在火情参数异常前识别风险；提前为矿山专职消防队、属地消防救援队伍提供全域风险研判数据，实现隐患前置治理、火灾初期疏散引导、救援力量前置调度，大幅缩短消防救援响应窗口。

29、本发明叠加疏散通道、消防设施、避险硐室、爆炸风险等救援核心参数构建三维耦合权重体系，不再采用统一全局评估标准；可精准区分起火风险区、人员被困高危区、救援危险内攻区域，输出疏散难度、内攻风险等指挥指标，解决传统技术无救援导向、分区精度不足的缺陷，风险研判适配矿山消防救援作战指挥逻辑。

30、本发明依托时序卷积神经网络预测烟气、风险演化趋势，实时动态更新最优逃生路线、消防内攻行进路线，自动规避高温、有毒、爆炸危险区域；火灾发生后自动广播疏散指引，避免通道拥堵、人员误入灾区，同时降低救援队伍内攻伤亡风险，完全契合《矿山救援规程》安全处置要求。

31、本发明的四级风险对应分层消防处置动作，低风险巡检、中风险整改、较高风险局部疏散、高风险全域撤离+消防队伍调派；联动井下通风、灭火、断电、广播、密闭设施等消防硬件，无需人工逐项操作，大幅提升初期火灾处置效率，避免小火蔓延为重大火场。

32、本发明在高风险场景自动生成带救援战术建议的溯源报告，明确火源诱因、被困人员分布、消防设施短板、火区封堵点位，替代指挥员人工整合碎片化信息；同时为火灾事故调查、消防隐患常态化排查提供完整轨迹数据支撑，兼顾现场救援与事后复盘。