一种面向地下矿山救援时变风险路网构建及路径更新方法

背景技术：

1、地下矿山发生灾害后，迅速规划出一条安全可靠的救援路径，使救援人员或救援装备能够以最短时间抵达被困人员位置，是矿山应急救援的核心任务。与地面救援相比，地下矿山救援面临更加复杂的空间环境和安全条件，巷道狭窄、通风受限、灾害动态演化、环境参数实时变化等因素均会对救援路径的可行性和安全性产生显著影响。

2、现有矿山救援路径规划方法多采用静态路网模型，即根据矿井巷道空间结构预先构建固定的路网拓扑，再利用dijkstra算法、a*算法等经典路径搜索算法规划救援路径。这类方法在数据完备、环境稳定的理想条件下能够有效工作。然而，在实际矿山灾害场景中，瓦斯浓度、一氧化碳浓度、氧气含量、温度、水位等环境参数会随着灾害发展和通风措施的实施而持续变化，静态路网模型难以反映这些动态环境因素对路段可通行性的影响。当某一路段因环境参数超限而变得不可通行时，预先规划好的路径可能在实际执行过程中失效，导致救援延误甚至二次事故。

3、申请公布号为cn122392236a的发明专利《一种基于多传感器融合的井工矿山灾害实时监测与智能预警方法》，通过部署在井下的各类传感器实时采集环境数据，并在环境参数超限时发出预警信号。然而，该方案的功能局限于环境监测与报警，仅能在环境参数已经超限后提示风险，未能将实时监测数据与井下路网结构进行关联，也未进一步将环境参数的实时数据及变化趋势用于救援路网的动态更新和路径的重规划。

4、因此，如何将井下实时环境监测数据与路网模型深度耦合，根据各路段环境参数的当前状态和变化趋势预测路段在未来时段内的可通行窗口期，结合救援主体进入各路段的预计时刻动态判定通行状态，构建随时间变化的路网模型，并在救援过程中根据实时更新的监测数据持续优化救援路径，是目前矿山应急救援路径规划技术领域中亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提出了一种面向地下矿山救援的时变风险路网构建及路径更新方法及系统，以解决现有问题。

2、本发明的一种面向地下矿山救援时变风险路网构建及路径更新方法采用如下技术方案：

3、本发明申请实施例提供了一种面向地下矿山救援时变风险路网构建及路径更新方法，包括如下步骤：

4、获取地下矿山巷道空间结构数据，根据巷道的空间分布和连接关系构建初始救援路网；

5、获取固定监测设备和移动救援装备采集的矿山环境监测数据，根据采集位置和风流方向将监测数据关联至对应路段，得到各路段的综合环境参数；

6、根据各路段环境参数的当前状态及变化趋势，预测各路段达到预设风险控制条件的预测时刻，确定各路段的剩余可通行时长；

7、根据救援主体的位置、移动速度和防护能力，计算其进入及离开各候选路段的预计时刻，将该预计时刻与候选路段的剩余可通行时长进行匹配比较，判定候选路段的通行状态，构建与救援主体对应的时变风险路网；

8、基于所述时变风险路网规划所述救援主体的救援路径；

9、在救援过程中，实时更新环境监测数据，动态更新各路段的剩余可通行时长及通行状态，对所述时变风险路网和救援路径进行动态更新。

10、所述获取地下矿山巷道空间结构数据，根据巷道的空间分布和连接关系构建初始救援路网，具体包括：获取地下矿山巷道空间结构数据，以巷道交叉口和通风设施位置为节点，以相邻节点之间的巷道为边，构建初始救援路网。

11、可选的，所述获取固定监测设备和移动救援装备采集的矿山环境监测数据，将所述监测数据关联至对应的路段，具体包括：

12、获取固定监测设备和移动救援装备采集的矿山环境监测数据，所述环境监测数据包括有毒有害气体浓度、氧气浓度、温度、风速、水位中的一种或多种；

13、根据各监测数据的采集位置，计算所述采集位置到各路段中心线的空间距离，将所述监测数据关联至距离最近的路段；当风流方向与巷道路段的延伸方向满足预设夹角条件时，将位于风流上游的监测数据同时关联至风流下游的相邻路段；

14、对于关联至同一路段的多个监测数据，根据各监测数据的数据可信度进行加权融合，得到该路段的综合环境参数；所述加权融合的权重系数与各监测数据的数据可信度正相关；

15、对于未设置固定监测设备的路段，根据其相邻路段的风流方向、环境参数及距离，通过空间插值方法估算该路段的综合环境参数。

16、所述数据可信度根据数据来源、数据时效、设备状态、空间距离和数据一致性中的一种或多种因素确定，具体包括：

17、数据来源可信度：固定监测设备的可信度高于移动救援装备的可信度；

18、数据时效可信度：采集时刻距当前时刻越近的监测数据，其时效可信度越高；

19、设备状态可信度：根据监测设备的自检状态信号确定，设备工作正常的监测数据高于设备异常状态的数据可信度；

20、空间距离可信度：监测数据的采集位置与目标路段中心线的距离越近，其空间距离可信度越高；

21、数据一致性可信度：将各监测数据与历史数据及同类传感器数据进行比对，偏差越小的一致性可信度越高；

22、综合可信度为上述多种可信度的加权和。

23、所述根据各路段的环境参数及参数变化趋势，预测各路段达到预设风险控制条件的预测时刻，并根据所述预测时刻确定各路段的剩余可通行时长，具体包括：

24、根据各路段当前的综合环境参数，判断所述环境参数是否超过预设的安全阈值；

25、若所述环境参数未超过预设的安全阈值，则根据所述环境参数的历史数据和变化趋势，采用时间序列预测方法预测各路段的环境参数达到预设风险控制条件的预测时刻；

26、根据所述预测时刻和当前时刻，计算各路段的剩余可通行时长；

27、若所述环境参数已超过预设的安全阈值，则确定该路段的剩余可通行时长为零。

28、所述根据救援主体的自身参数，确定所述救援主体进入及离开各候选路段的预计时刻，将所述预计时刻与所述候选路段的剩余可通行时长进行比较，确定所述候选路段的通行状态，构建与所述救援主体对应的时变风险路网，具体包括：

29、获取救援主体的当前位置、移动速度和防护能力参数；

30、根据所述救援主体的位置和移动速度，计算所述救援主体到达各候选路段入口的预计时刻以及离开各候选路段出口的预计时刻；

31、若所述救援主体进入候选路段的预计时刻早于或等于该候选路段的风险临界时刻，则确定该候选路段在所述救援主体通行期间为可通行状态；否则确定该候选路段为不可通行状态，所述风险临界时刻根据所述候选路段的剩余可通行时长确定；

32、根据各候选路段的通行状态，构建与所述救援主体对应的时变风险路网。

33、所述基于所述时变风险路网规划所述救援主体的救援路径，具体包括：

34、根据所述时变风险路网中各路段的通行状态和通行代价，确定各路段的权值；

35、以救援起点为起始节点、救援目标点为终止节点，采用路径搜索算法在所述时变风险路网中搜索总权值最小的路径，作为所述救援主体的救援路径。

36、所述在救援过程中，实时更新环境监测数据，动态更新各路段的剩余可通行时长及通行状态，对所述时变风险路网和救援路径进行动态更新，具体包括：

37、在救援过程中，持续获取固定监测设备和移动救援装备采集的实时环境监测数据；

38、根据所述实时环境监测数据，更新各路段的综合环境参数；

39、根据更新后的环境参数，重新预测各路段达到预设风险控制条件的预测时刻，并更新各路段的剩余可通行时长；

40、根据所述救援主体的实时位置，重新确定所述救援主体进入及离开各候选路段的预计时刻，并更新各候选路段的通行状态；

41、根据更新后的通行状态，对所述时变风险路网进行动态更新；

42、基于更新后的时变风险路网，采用路径搜索算法重新规划所述救援主体的救援路径，实现救援路径的动态滚动优化。

43、所述固定监测设备包括设置在巷道内的气体传感器、温度传感器、风速传感器、水位传感器中的一种或多种；

44、本发明的技术方案的有益效果是：本发明通过固定监测设备和移动救援装备实时采集井下环境数据，将离散的传感器数据关联至路网各路段并融合为综合环境参数，实现路网通行状态随灾害演化的动态更新；根据环境参数变化趋势预测各路段达到风险阈值的剩余可通行时长，采用“时空匹配”策略将救援主体到达各路段的预计时刻与路段风险临界时刻进行对比判定通行状态，构建与救援主体位置、速度及防护能力相对应的个性化时变风险路网，使路径规划从“当前是否可通行”提升为“到达时是否可通行”；在救援过程中通过“感知-预测-决策-执行”滚动更新闭环，随环境监测数据的实时更新动态刷新各路段的通行状态并滚动重规划路径。本发明通过时变风险路网与滚动更新策略实现救援路径的自适应优化，解决了传统静态路网无法反映灾害动态演化过程、无法根据未来风险窗口期进行前瞻性决策的问题，有效避免了救援主体按静态路径行进途中因环境恶化而陷入危险的情形，提高了矿山应急救援路径规划的安全性和环境适应性。