礦井通風(fēng)理論預(yù)算法

1、計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用齊金龍 211101010001 安全科學(xué)與工程學(xué)院【摘要】近年來，計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用越來越體現(xiàn)出巨大的作用，用電子計算機對礦井復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行解算和優(yōu)化，是近年來通風(fēng)學(xué)科的重要進展之一，也是通風(fēng)管理現(xiàn)代化和科學(xué)化的一個基本手段，文章簡要論述了利用計算機系統(tǒng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，計算機在礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論補充和拓展了傳統(tǒng)的通風(fēng)理論，正發(fā)展成為通風(fēng)學(xué)科的一個重要分支。利用計算機解算通風(fēng)網(wǎng)路，速度快，精度高，解決了人工計算的種種弊端?！娟P(guān)鍵詞】計算機 礦井通風(fēng)系 優(yōu)化設(shè)計 統(tǒng)穩(wěn)定性 軟件開發(fā)前言礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計程序，就是為了尋找礦山通風(fēng)

2、的電能消耗低、投資少，安全可靠，管理方便的最佳方案，計算機技術(shù)的應(yīng)用是優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一個重要手段和方法。隨著高性能、廉價計算機的出現(xiàn)，在礦山工程科研設(shè)計中應(yīng)用計算機已比較普遍。實踐證明，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)優(yōu)化計算后，通風(fēng)效果有較大改觀，還具有明顯的節(jié)能效果。通過計算機研究和軟件開發(fā)之后，手工輸入的原始數(shù)據(jù)可大繳減少；實現(xiàn)了計算機自動圈定通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖；尤其是對于大型復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)立體圖真正地實現(xiàn)了計算機三維成圖和圖紙繪制，從網(wǎng)格計算到圖紙生成形成了完整的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計計算機軟件系統(tǒng)，并配置了良好的用戶界面以及計算機軟硬件系統(tǒng)，易于推廣使用。評價一個礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，關(guān)鍵是在于當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜參量變化時

3、系統(tǒng)其他參量的影響程度。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)極為復(fù)雜，參數(shù)眾多，采用人工方法很難得到各參數(shù)值，難以判斷系統(tǒng)是否達到預(yù)定功能，基于數(shù)字計算機技術(shù)的礦井通風(fēng)軟件應(yīng)運而生。數(shù)字計算機技術(shù)用于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析開始于1953年。20世紀60年代末，在世界范圍內(nèi)，計算機廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和分析。到目前為止已有大量有關(guān)礦井通風(fēng)的軟件，用于在礦井開采中出現(xiàn)的不同問題。1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計計算機系統(tǒng)1.1 礦井通風(fēng)優(yōu)化沒計任務(wù)一般而言，礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)如圖l所示。礦井通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計是一個非常繁雜的工作，將計算機技術(shù)應(yīng)用到礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中來將可以避免人工操作的很多弊端。1.2井通風(fēng)系統(tǒng)

4、優(yōu)化設(shè)計計算機軟件及硬件系統(tǒng)1.2.1優(yōu)化設(shè)計用戶軟件計算機軟件由用戶軟件和系統(tǒng)軟件組成，用戶軟件即由用戶建立在計算機硬件及系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上而編制出的計算機程序的集合，通風(fēng)優(yōu)化計算軟件和圖形繪制軟件就屬于此范疇。（1） 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)常采用多級機站通風(fēng)方式，主扇通風(fēng)和其他方式的通風(fēng)都可看成是多級機站通風(fēng)的特例，礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件編制方法是：建立多級機站通風(fēng)系統(tǒng)總體優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，其中以風(fēng)機優(yōu)化和阻力調(diào)節(jié)優(yōu)化為主，按照一定的約束條件求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，得到的結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)量分配結(jié)果，最佳風(fēng)機，網(wǎng)絡(luò)阻力調(diào)節(jié)結(jié)果以及通風(fēng)系統(tǒng)總指標。軟件有網(wǎng)孔圈定、工況初擬、風(fēng)機優(yōu)選以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選

5、等一批功能程序組成。（2）通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖生成軟件通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是指一個有向強連通的賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖，記為：式中，G為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)關(guān)系，即節(jié)點和分支的關(guān)系；f為各分支權(quán)函數(shù)的集合。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖其實是通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，有了它才能進行通風(fēng)有關(guān)計算。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖形成的過程是：對通風(fēng)系繞立體圖(空間幾何)進行變換，其中包括合并、設(shè)置偽節(jié)點和設(shè)置偽分支等過程，重新形成點線的關(guān)聯(lián)矩陣和權(quán)值矩陣，所得到的網(wǎng)絡(luò)圖數(shù)據(jù)傳遞到下一級通風(fēng)計算軟件以及網(wǎng)絡(luò)圖繪制軟件，通風(fēng)網(wǎng)終生成軟件即完成這些工作。在軟件生成的網(wǎng)絡(luò)圖數(shù)據(jù)中，節(jié)點仍含有原始節(jié)點的空闕坐標，故網(wǎng)絡(luò)圖圖形生成也容易實現(xiàn)：用平行投影法將所有節(jié)點投影在平面上，過于稠密的

6、點局部疏散，綜合布點，在關(guān)聯(lián)點之間搜索一條最佳路徑擬合成一條曲線(主要是圓弧線)，兩線相交時，選擇其一斷開并繪制半圓弧，再標注有關(guān)信息。（3）通風(fēng)系統(tǒng)立體圖生成軟件通風(fēng)系統(tǒng)立體圖計算機三維成圖一真是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大課題之一，其復(fù)雜性不亞于機械部件復(fù)雜形體的立體圖繪制。立體圖是指空間形體投影到平面上所得到的圖形。投影方法有平行投影和中心投影，平行投影用得很廣，常用的立體圖繪制方法如正等測、斜二側(cè)就屬于平行投影。繪制立體圖時除按照投影原理準確繪出物體的輪廓線外，還必須進行立體圖消隱。立體圖消隱是個復(fù)雜的問題，尤其是在復(fù)雜形體的立體圖中線與面的消隱問題迄今仍困擾著計算機圖形學(xué)界。通風(fēng)系統(tǒng)立體圖不存在

7、面的消隱問題，消隱算法簡單一些。可以在建立空間形體的齊次坐標系基礎(chǔ)上，利用通風(fēng)系統(tǒng)立體圖生成軟件VCAD，實現(xiàn)三軸方向按比例繪制的真三維圖形的舷成。概括起來，軟件VCAD有如下特點：a可用單線、雙線和粗線生成大型復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)立體圖，圖形逼真，立體感強。b通風(fēng)空間網(wǎng)絡(luò)可繞中心沿X、Y、Z三軸方向旋轉(zhuǎn)任意角度后投影成圖。c生成的圖形數(shù)據(jù)不依賴子任何繪圖軟停工具，可獨立顯示圖形和抽出圖形，亦可將圖形數(shù)據(jù)輸?shù)綄Ｓ美L圖軟件(如AutoCAD)環(huán)境中成圖、修改圈形積標注文字。d立體圖按比例會制，可從圖中測量巷道長度、夾角以及方向，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可局部放大。1.2.2優(yōu)化設(shè)計計算機系統(tǒng)硬件礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計計算機

8、系統(tǒng)硬件由計算機和外圍設(shè)備組成，計算機由主視(主要部分)、輸出設(shè)備(顯示器)、輸入設(shè)備(鍵盤和鼠標)三大件組成。而主機是計算機的主體，在主機箱中有：主板、CPU、內(nèi)存、電源、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤、光驅(qū)等硬件。常用的外部設(shè)備有；打印楓、繪圖儀、數(shù)字化儀、圖形掃描儀等。1.3礦井通風(fēng)計算機優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)1.3.1透風(fēng)系統(tǒng)計算機優(yōu)化設(shè)計程序礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計一般均應(yīng)按下列步驟進行：(1)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)查查明現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題是進行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的前提。故應(yīng)通過通風(fēng)阻力測定、風(fēng)機特性測定、分風(fēng)測定、風(fēng)機裝置參數(shù)測定、通風(fēng)構(gòu)筑物漏風(fēng)測定和質(zhì)量檢查等來獲得第一手資料，為分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)制定優(yōu)化設(shè)計方案

9、提供可靠依據(jù)。(2)通風(fēng)系統(tǒng)分析將獲得的原始資料用計算機進行分析，以近一步了解現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，應(yīng)用計算機對優(yōu)化方案進行模擬，檢驗其合理性和科學(xué)性。如果提出了多個技術(shù)方案，還可以用多目標決策法等優(yōu)化方法對比提出不定期的所有方案進行優(yōu)選，充分考慮各方案經(jīng)濟、技術(shù)、安全的撓缺點后，確定出最優(yōu)方案。礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計程序如圖2所示。1.3.2礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計計算杌系統(tǒng)框架礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計計算機系統(tǒng)的框架由礦井通風(fēng)設(shè)計環(huán)境數(shù)據(jù)庫，設(shè)計過程控制，解釋機制，知識獲取機制等部分構(gòu)成，具體框架如圖3新示。1.3.3礦井通風(fēng)優(yōu)化計算機設(shè)計系統(tǒng)礦井通風(fēng)是采礦工程中不可缺少的重要組成部分，礦井通風(fēng)安全設(shè)計是一個

10、十分復(fù)雜而細致的過程，其系統(tǒng)選擇、風(fēng)量計算、風(fēng)量分配、風(fēng)壓計算、設(shè)備選擇、費用概算、網(wǎng)絡(luò)圖繪制、立體圖繪制、特征圖繪制、風(fēng)機性能測定計算、系統(tǒng)測定計算安全管理與綜合評價等一系列工作，計算量大而繁，重復(fù)勞動較多，手工繪圖，繁瑣且易出錯，質(zhì)量差，效率低。將計算機技術(shù)應(yīng)用到礦井通風(fēng)中來，開發(fā)出一個功能強、速度快、智能化程度高、集成化程度高、運行安全可靠的礦井通風(fēng)計算機系統(tǒng)，既可以提高設(shè)計質(zhì)量和管理效率，又可以減少設(shè)計管耀人員的勞動量，避免重復(fù)性勞動，網(wǎng)時也是礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全運行的要求。礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計計算機系統(tǒng)包括設(shè)計和測定計算、專家系統(tǒng)、圖形繪制、管理評價等。并應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)開發(fā)一套用

11、戶界面自生成系統(tǒng)用予礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計計算機系統(tǒng)的用戶界面。該系統(tǒng)可完成專家質(zhì)詢、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、系統(tǒng)方案優(yōu)化、通風(fēng)圖形繪制、管理評價等一系列工作。該系統(tǒng)如圖4所示。1.4通風(fēng)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)配備了完整的計算機軟硬件系統(tǒng)后，其余要考慮的就是原始數(shù)據(jù)及其錄入的問題。通風(fēng)計算和繪圖最基本的原始數(shù)據(jù)是巷道參數(shù)、巷道兩端點空間坐標以及巷道與端點的關(guān)聯(lián)關(guān)系，詳細見表1；其他通風(fēng)數(shù)據(jù)是風(fēng)機模擬參數(shù)和系統(tǒng)綜合參數(shù)。在所有原始數(shù)據(jù)中，表1數(shù)據(jù)占據(jù)了絕大部分，對于復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)，意味著要準備和錄入上于個數(shù)據(jù)，若逐個數(shù)據(jù)從計算機鍵盤輸入工作量很大，這里綜合了幾種有效的數(shù)據(jù)輸入方法，可以把工作量減少到最低限度：(1)用數(shù)字化儀

12、輸入巷道兩端點空間坐標。(2)巷道編號及瑞點編號由軟件生成。(3)在輸入端點坐標時，也輸入端點與巷道的關(guān)聯(lián)關(guān)系。(4)用關(guān)鍵字方法輸入斷面、周長及支護型。這是一種高效率的數(shù)據(jù)輸入方法，一般礦山通風(fēng)系統(tǒng)，其巷道斷面、周長和巷道支護形式都是有限的，可用代碼替代長串的數(shù)據(jù)。(5)字符掃描識別儀，這是計算機多媒體技術(shù)產(chǎn)品，可通過聲音、手寫及光電掃描等方法錄入已準備好的原始數(shù)據(jù)、文稿及圖表。2 計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用計算機技術(shù)在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：(1)礦井通風(fēng)設(shè)計；(2)建立計算機專家決策系統(tǒng)；(3)通風(fēng)系統(tǒng)改造；(4)監(jiān)測監(jiān)控。21在礦井通風(fēng)設(shè)計中的計算機應(yīng)用2.1.1礦井通風(fēng)設(shè)計

13、的內(nèi)容礦井通風(fēng)設(shè)計的內(nèi)容包括擬定礦井通風(fēng)系統(tǒng)、計算礦井總量和風(fēng)量分配、計算礦井通風(fēng)總阻力、選擇礦井通風(fēng)機和計算機礦井通風(fēng)費用等。計算機在通風(fēng)設(shè)計中，其設(shè)計的內(nèi)容和方法未發(fā)生大的變化，但由于其采用了計算機的計算手段，使得設(shè)計王作更加規(guī)范化和科學(xué)化，這樣也就保證了計算機結(jié)果更加符合實際。2.1.2用計算機進行通風(fēng)設(shè)計與傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計的比較在新礦井的設(shè)計階段，傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計，也可以提出多種通風(fēng)方案，并對其進行科學(xué)的比較和分析，選擇最優(yōu)通風(fēng)設(shè)計方案，而使用計算機運用網(wǎng)絡(luò)理論，可使得每一種方案的具體參數(shù)計算更加合理。礦井風(fēng)量分配的傳統(tǒng)方法僅考慮各用風(fēng)地點的需風(fēng)量，其它地點風(fēng)量則按自然分配，而利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方

14、法，可以求出滿足需風(fēng)量前提下的最優(yōu)風(fēng)量分配方案。在阻力計算中，用人工方法計算，只能憑經(jīng)驗選擇最大阻力路線，利用節(jié)點壓力分析等方法，在風(fēng)量確定后可計算出最大阻力路線，且不考慮風(fēng)量調(diào)節(jié)問題，而使用計算機運用網(wǎng)絡(luò)理論，可在確定最優(yōu)風(fēng)量和計算阻力時自動解算出最優(yōu)的調(diào)節(jié)參數(shù)。在通風(fēng)設(shè)計中，主要通風(fēng)機的選型尤其重要，利用計算機進行風(fēng)機優(yōu)選，可以對所有的風(fēng)機進行比較選擇，從而選出最適合礦井條件且技術(shù)經(jīng)濟指標最佳的風(fēng)機。2.1.3運用計算機進行通風(fēng)設(shè)計的一般步驟(1)根據(jù)礦井概況及采掘工程布置繪制出礦井通風(fēng)容易時期與困難時期的通風(fēng)系統(tǒng)圖及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。(2)根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)圖及網(wǎng)絡(luò)圖以及巷道尺寸，求出各風(fēng)道的風(fēng)阻值

15、，再根據(jù)生產(chǎn)要求確定各地的需風(fēng)量及礦井需風(fēng)量。(3)確定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)中用風(fēng)地點的風(fēng)量以后，應(yīng)先計算出系統(tǒng)中其他分支的風(fēng)量，再計算出各分支通風(fēng)阻力，采用計算機進行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，這兩步可同時進行，而且還可同時計算出系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)參數(shù)。具體方法是將第二步所得出的基礎(chǔ)參數(shù)按通風(fēng)容易時期和困難時期分別輸入計算機，對其分別進行計算，風(fēng)量分配的計算采用斯考特恒斯雷法，總阻力計算和調(diào)節(jié)計算采用節(jié)點壓力分析法。(4)通風(fēng)機選擇，是根據(jù)第三步計算的通風(fēng)容時期和困難時期的礦井通風(fēng)總阻力和礦井總風(fēng)量選擇。用計算機選擇可用以下幾步：選出所能滿足容易時期的風(fēng)壓和風(fēng)量要求的若干臺風(fēng)機，并計算出各風(fēng)機和工況點參數(shù)，然后將這些

16、風(fēng)機按功率大小進行排序，并進行分類處理，再將各類風(fēng)機功率最小的一臺記下來，可得出一組風(fēng)機。選出滿足通風(fēng)困難時期的風(fēng)壓和風(fēng)量要求的若干臺風(fēng)機，并將這些風(fēng)機按上述方法進行排序和分類，也可得出一組能滿足困難時期風(fēng)壓風(fēng)量要求的最小功率韻風(fēng)機。從上面得出的兩組風(fēng)機中選出同時出現(xiàn)在兩組風(fēng)機中的，將其按風(fēng)機功率大小的順序打印出來最后根據(jù)打印結(jié)果，綜合考慮各臺風(fēng)機的功率大小，調(diào)節(jié)性能、反風(fēng)性能、價格等技術(shù)、經(jīng)濟指標，結(jié)合礦井實際，從中選出最優(yōu)風(fēng)機。其他如電機選型和通風(fēng)費用等的計算方法與傳統(tǒng)手工算法一樣。214運用計算機進行礦井通風(fēng)設(shè)計應(yīng)注意的問題在使用計算機進行礦井通風(fēng)設(shè)計時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)必須做到準確可靠，為了保

17、證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確可靠，應(yīng)做到：(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理得當(dāng)，繪制網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)正確反映實際。(2)盡可能使用可靠數(shù)據(jù)，如巷道的磨擦阻力系數(shù)，盡可能進行類似條件礦井的實測或比較，選出合適數(shù)據(jù)。(3)計算結(jié)束后，應(yīng)檢查原始數(shù)據(jù)在輸入過程中有無錯誤。2.2 計算機在礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用評價一個礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，關(guān)鍵在于當(dāng)系統(tǒng)參量變化時系統(tǒng)其他參量的影響程度。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)極為復(fù)雜，參數(shù)眾多，采用人工方法很難得到個參數(shù)值，難以判斷系統(tǒng)是否達到預(yù)定功能，基于數(shù)字計算技術(shù)的礦井通風(fēng)軟件應(yīng)運而生。數(shù)字計算技術(shù)用于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析始于1953年。20世紀60年代末，在世界范圍內(nèi)，計算機廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)系

18、統(tǒng)的設(shè)計和分析。到目前為止，已有大量有關(guān)礦井通風(fēng)的軟件，用于解決低下或露天開采中出現(xiàn)的不同問題。2.2.1 國外礦井通風(fēng)軟件研究綜述1953年，Scott和Hinsley首先使用計算機來解決礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問題。1967年Wang和Harmtman開發(fā)出計算機包含多風(fēng)機和自然通風(fēng)的立體礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序，該軟件表明用于解決礦井通風(fēng)基本參數(shù)的應(yīng)用程序走向一個成熟的階段。之后，世界上很多通風(fēng)研究人員開發(fā)出大量用于更加復(fù)雜的礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析軟件。1974年，賓夕法尼亞州州立大學(xué)，Stefanko和Ramani對通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析的發(fā)展做了很大貢獻。論文“礦井通風(fēng)系統(tǒng)中柴油廢氣濃度的數(shù)值模擬”研究了井下柴油機

19、對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，并提出一系列相關(guān)的數(shù)學(xué)公式，這些公式的有效性得到了相關(guān)實測數(shù)據(jù)的檢驗。1981年，Greue發(fā)表了題為“礦井通風(fēng)系統(tǒng)污染物和燃燒實時分布的計算”的文章，該軟件是礦井發(fā)生火災(zāi)時，污染模擬最具代表性的程序之一。在美國，20世紀90年代以前，代表性的礦井通風(fēng)模擬軟件有：PUS/MVS (DIDYK,1974)、VENTSIM (BCKLEN,1986)、MINES (Hitchcock and Hoover，1976)、VENTS (Wang and Saperstein,1970；Hartman,1982)、VENTPC (Anon,1988)、MTU/Mine Ventilat

20、ion Network Simulation (Greuer,1977)、CSM/Vent (Hall,1976)和PENVEN (Anderson and Dvorkin,1978)。目前，在印度尼西亞，普遍采用的是VentPC2000通風(fēng)軟件。在西方，大多數(shù)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算應(yīng)用軟件已經(jīng)商業(yè)化，很有影響力的為 MinTech、DataMine兩款軟件。2.2.2 國內(nèi)礦井通風(fēng)軟件綜述我國科技人員在這方面也做了大量工作。1984年，沈斐敏等編寫了微電子計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用的講義，并于1992年改編為采礦專業(yè)本科生的教材礦井通風(fēng)微機程序設(shè)計與應(yīng)用，為更多人接觸有關(guān)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的知識

21、開了方便之門。中南大學(xué)吳超1986年在瑞典律勒歐工業(yè)大學(xué)做訪問學(xué)者期間，完成了專著Mine Ventilation Network Analysis And Polluton Simulation。該專著回顧了國內(nèi)外礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析的發(fā)展歷史，闡述了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本理論并給出了相關(guān)的源代碼，使用的計算機語言主要是Fortran77。1991年中國礦業(yè)大學(xué)的張惠忱編寫了計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用，為計算機在礦井通風(fēng)領(lǐng)域進一步發(fā)展應(yīng)用也提供了技術(shù)支持。國內(nèi)礦井通風(fēng)軟件-通風(fēng)專家3.0采用匯編語言、編譯BASIC、數(shù)據(jù)庫（ForPro）等計算機語言綜合編程，兼容DOS 6.22/Windows9x操作

22、系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)全部為菜單結(jié)構(gòu)，界面友好，使用簡單，支持鍵盤及鼠標操作、程序代碼簡單、運算速度極快等好處。通風(fēng)專家系統(tǒng)主要由于是數(shù)據(jù)處理、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算、通風(fēng)繪圖、結(jié)果報表、風(fēng)機數(shù)據(jù)庫、知識庫等六大系統(tǒng)組成，可對復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)生成、網(wǎng)孔圈定、風(fēng)機優(yōu)選、網(wǎng)絡(luò)結(jié)算、結(jié)果報表生成等；系統(tǒng)自動記錄原始節(jié)點坐標、自動組建通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。此外，通風(fēng)專家還可以采用任意角度和比例生成通風(fēng)立體示意圖以及通風(fēng)平面圖等大量輔助性報表。除通風(fēng)專家3.0外，國內(nèi)還有很多其他軟件，從不同角度反映、解決了礦井通風(fēng)中的不同實際問題，以下是國內(nèi)通風(fēng)軟件一覽表（表2）。作者推出時間語言和數(shù)據(jù)庫主要結(jié)構(gòu)和功能趙以蕙1992F

23、ortran77根據(jù)多孔介質(zhì)流體動力學(xué)理論，把采空區(qū)看成是非均勻連續(xù)介質(zhì)；風(fēng)流在介質(zhì)中的流動是過度流，領(lǐng)近層瓦斯穩(wěn)定的涌入采空區(qū)，瓦斯在介質(zhì)中的擴散符合fick定律，由此建立了系列穩(wěn)態(tài)條件下的數(shù)學(xué)模型范明訓(xùn)1993程序為菜單式結(jié)構(gòu)，具有漢字自動提示功能；巷道可按任意順序排列和調(diào)整；具有風(fēng)路解算和繪圖功能；具有參數(shù)及圖形修改功能；可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解算與繪圖的計算機自動控制。劉劍1993FortranCAD系統(tǒng)可查詢采場刨分信息，根據(jù)漏風(fēng)源、匯位置坐標，可查詢對應(yīng)的單元號，是否為邊界單元等等；根據(jù)漏風(fēng)源、匯的位置和漏風(fēng)量，計算單元號，確定單元地質(zhì)區(qū)號及滲透參數(shù)等，繪制二維和三維的采場區(qū)域圖等劉師少199

24、4Foxbase+2.10程序設(shè)計模塊化；舒適可靠的人機交互工作環(huán)境；具有較強的圖形處理功能譚國運FortranDbase-III采用通路法進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，在計算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的同時可以發(fā)現(xiàn)通風(fēng)阻力最大的區(qū)段和地點，為降低阻力，改造通風(fēng)系統(tǒng)提供途徑；其次，該系統(tǒng)采用一體化通風(fēng)管理方法。曾無畏1994Dbase包含礦井通風(fēng)管理中的礦井通風(fēng)、礦井防突、瓦斯抽放、礦井防滅火、礦井防塵、安全技術(shù)措施和礦井通風(fēng)質(zhì)量評比幾個項目，每個項目中均具有數(shù)據(jù)編輯、修改數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)和打印數(shù)據(jù)功能。蔣軍成1995Fortran可用于生產(chǎn)礦井風(fēng)量優(yōu)化調(diào)節(jié)和新井通風(fēng)設(shè)計時的調(diào)風(fēng)計算；既可以進行局部的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)量調(diào)節(jié)計

25、算，也可以進行全礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)計算。謝賢平1995GWBASIC計算機集散控制系統(tǒng)的管理程序，下級計算機的采樣及控制程序。兩者之間利用通訊軟件相互聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞戚宜欣1995利用專家系統(tǒng)技術(shù)，把火災(zāi)救援專家經(jīng)過多年實踐得出經(jīng)驗和教訓(xùn)收集起來，經(jīng)過整理加工，形成有關(guān)控風(fēng)措施的知識庫；此外根據(jù)巷道供風(fēng)作用給巷道分類，從而形成數(shù)據(jù)庫，最后編織成推理機黃繼生1995自動完成數(shù)據(jù)處理、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、數(shù)據(jù)選擇傳遞、編制風(fēng)機風(fēng)壓計算表并繪制礦井通風(fēng)系統(tǒng)立體圖等一系列工作；操作簡單，輸入數(shù)據(jù)文件后，只需少量的人機對話選擇，其他一切皆自動完成；采用鏈式回路輸入法、代碼法、統(tǒng)計法和編輯輸入法后，

26、使輸入數(shù)據(jù)減少80%以上。黃元平1995C語言軟件用戶界面良好，使用方法簡便；采用動態(tài)內(nèi)存管理技術(shù)可以直接使用擴展內(nèi)存，因而原則上可用于任意大小的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題。楊娟2001VisualC+ODBC主要包括動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)繪制系統(tǒng)等模塊。段東2004針對實時性有一定的要求的通風(fēng)仿真系統(tǒng)中必須滿足的時間空間發(fā)雜要求，提出了一種基于多Agent系統(tǒng)的分析和解決方案。采用了一種“投票式”的協(xié)同策略，解決礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中存在的問題，并構(gòu)筑了一個通風(fēng)仿真系統(tǒng)。李剛2004VC+6.0利用VC+6.0系統(tǒng)設(shè)計礦井通風(fēng)需風(fēng)量計算軟件。按照礦井風(fēng)量計算的方法和步驟，并引用特殊特殊條件下的

27、一些經(jīng)驗公式，利用DAO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，訪問團原始數(shù)據(jù)，計算出符合礦井需要的風(fēng)量，設(shè)計人員可從中選取一個最適宜的風(fēng)量。該軟件可以用于新礦井的通風(fēng)設(shè)計及生產(chǎn)礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)。袁梅2005VB6.0分別用牛頓法、斯考特-恒斯雷法及斯考特-恒斯雷+塞德爾技巧三種算法編制了礦井自然分風(fēng)自網(wǎng)絡(luò)的電子程序（MVNP）王剛2005針對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算過程中最小生成樹的生成過程采用傳統(tǒng)的“破圈法”計算時間長的問題，提出了應(yīng)用貪心算法結(jié)算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，以期縮短計算時間，提高程序運算速度。杜學(xué)勝2005VB6.0GIS在Windows平臺上采用組件化程序設(shè)計方法，將地理信息系統(tǒng)(GIS)和矢量化的概念引進礦井通風(fēng)當(dāng)

28、中，以VB6.0和地理信息系統(tǒng)控件MapX,開發(fā)出礦井通風(fēng)管理軟件，同時利用MapXTheme，開發(fā)出 WebGIS系統(tǒng)2.2.3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析的幾項基本原則及其對通風(fēng)管理工作的指導(dǎo)意義（1）礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，能夠獨立地確定風(fēng)量的分支只有b=n-m+1條，而且這b條分支必須能構(gòu)成一棵余樹。因此，在進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析計算時，無論采用何種算法，網(wǎng)絡(luò)中有固定風(fēng)量的風(fēng)道數(shù)不得超過b條，而且這b條分支必須能構(gòu)成一棵余樹。對礦井風(fēng)流進行調(diào)節(jié)時，只要控制了b條余樹邊的風(fēng)量，則整個網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)量就全部得到了控制。因此，全礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施，最多有b個已足夠。對全礦井的風(fēng)量測定時，只要準確測出b條余樹邊的風(fēng)量，其

29、它分支風(fēng)量就可以計算出來。（2）進行礦井網(wǎng)絡(luò)分析計算時，與某一節(jié)點相關(guān)聯(lián)的所有分支，或構(gòu)成一基本割集的所有分支的風(fēng)量不能同時給定。（3）礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，能夠獨立確定風(fēng)壓的分支數(shù)只有m-1條，而且這m-1條分支必須能構(gòu)成一棵生成樹。因此，在網(wǎng)絡(luò)分析計算時，有固定風(fēng)壓要求的分支數(shù)不能超過m-1條。另外，在進行礦井通風(fēng)阻力測定時，只要準確地測出m-1條樹枝邊的風(fēng)壓，則整個網(wǎng)絡(luò)各分支的風(fēng)壓都可以計算出來。（4）進行網(wǎng)絡(luò)分析計算時，構(gòu)成一獨立回路或基本割集的所有分支的風(fēng)壓不能同時給定，這是因為余樹邊的風(fēng)壓不能獨立確定。井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計關(guān)系著礦井通風(fēng)負壓、基建投資，運行成本。對礦井生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)面貌、

30、安全狀況及技術(shù)經(jīng)濟效益也有長遠的影響，因此礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題，一直是從事礦井通風(fēng)工作的專業(yè)人員所關(guān)注得研究課題之一。近年來，計算機在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用越來越體現(xiàn)出巨大的作用，用電子計算機對礦井復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行解算和優(yōu)化，是近年來通風(fēng)學(xué)科的重要進展之一，也是通風(fēng)管理現(xiàn)代化和科學(xué)化的一個基本手段，文節(jié)簡要論述了利用計算機系統(tǒng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。利用計算機解算通風(fēng)網(wǎng)路，速度快，精度高，解決了人工計算的種種弊端。2.3 礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計2.3.1 礦井通風(fēng)優(yōu)化沒計任務(wù)一般而言，礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)如圖5所示。礦井通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計是一個非常繁雜的工作，將計算機技術(shù)應(yīng)用到礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)

31、計中來將可以避免入工操作的很多弊端。2.3.2礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案的優(yōu)化根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的評價指標，可對礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案進行評價和優(yōu)化。但礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價指標間存在著不可公度性和矛盾性。所謂指標間的不可公度性，是指各個指標沒有統(tǒng)一的度量標準，因而難于進行比較，一般只能根據(jù)多個目標所產(chǎn)生的綜合效用去估量。指標間的矛盾性則是指當(dāng)采用一種方法去改進某一指標的值時，可能會使另一指標的值變壞。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)多個指標之間的矛盾性和不可公度性，因此不能把多個指標歸并為單個指標，而不能采用單指標決策方法去優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案，以及采用單指標決策方法去優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案，必須采用多目標決策法。多目標決策法是利用

32、專家集體智慧，對某些復(fù)雜的命題進行決策方法，主是依靠專家的經(jīng)驗，知識和綜合分析能力進行直觀判斷的方法。當(dāng)進行多因素，多目標問題的決策時，由于眾多因素或目標各有不同的比重，因而最優(yōu)決策的結(jié)果并不是唯一的。因此，在方案優(yōu)選之前，必須由專家首先確定各影響因素或各目標函數(shù)在本決策問題中的重要程度，即確定“權(quán)值”?！皺?quán)值”確定以后，根據(jù)各方案定量指標的具體數(shù)值，即可計算出每個指標的評價值；對于定性指標，可利用“專家評議法”確定其“評價值”。根據(jù)各指標的“權(quán)值”和“評價值”，進行綜合分析，即可確定出最優(yōu)方案。下面介紹多目標決策中簡便的最高積分法2.3.2.1最高積分法優(yōu)化思想設(shè)被評價的方案數(shù)目為n個，對礦

33、井通風(fēng)系統(tǒng)影響較大的重要評價指標為m個，則每個方案的評判結(jié)果都由指標具體值構(gòu)成。則n個方案的評價指標具體值便構(gòu)成了m×n階預(yù)選方案評判指標矩陣A，A=式中：i=1,2,m，評判指標序號j=1,2,，n，方案序號fiJ第j方案第I指標值。在擬定方案前，由專家評定出各評判指標的“權(quán)值”，記為W1，W2Wm。由fij指標值，計算得出的評價值同樣組成mxn階矩陣B：每個方案的各項評價值與“權(quán)值”的乘積之和構(gòu)成綜合性指標M其中mj最大者為最優(yōu)方案，即：2.3.2.2基本步驟（1）確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案評判指標及權(quán)值（2）計算各方案的指標值，根據(jù)擬定的通風(fēng)系統(tǒng)方案，確定風(fēng)道的各參數(shù)值，用風(fēng)地點風(fēng)量

34、及風(fēng)機有關(guān)參數(shù)，計算出各方案的技術(shù)，經(jīng)濟、安全等的各項評判指標值。定量的指標，上機解網(wǎng)可直接計算得到，定性的指標，采用專家評議法獲得，給予定量化。（3）將fiJ轉(zhuǎn)化為評價值EiJ。由于fij中各項指標的量綱不統(tǒng)一，其中有些指標值（如等積孔）是越大越好，而有些指標值（如礦井風(fēng)壓，噸煤電費）是越小越好。為了便于用統(tǒng)一的綜合指標計算，采用如下處理方法；當(dāng)指標值為越小越好時，令各方案中同一指標的最小值為最好值fibj,即：minfiJ=fibj (I=1,2,，m，1jn)則：（最好值給10分，十分之十）當(dāng)指標值為越大越好時令各方案中同一指標的最大值為最好值fibJ,即：則：當(dāng)方案中任一方案的工程費為

35、0時，工程的評價值計算為：（4）按最高積分確定最優(yōu)方案。2.3.2.3 計算示例某礦利用多目標決策法對礦井19902000年10年間的通風(fēng)系統(tǒng)，提出了多個方案，去掉技術(shù)上不合理的方案，剩下的4個案各有優(yōu)點，需進行多目標決策優(yōu)化。（1）根據(jù)各方案的通風(fēng)系統(tǒng)圖繪出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，并進行了計算機解網(wǎng)依據(jù)解算結(jié)果得出的各方案的評價指標值見下表。其中定性指標由專家根據(jù)各方案的實際評定。評判指標值 表3序號評判指標指標值方案I方案II方案III方案1礦井風(fēng)壓（Pa）12731441126414262礦井風(fēng)量（m3/min）109201044610644103923礦井等積孔m26.075.55.95.54礦井

36、風(fēng)量供需比1.091.051.071.045通風(fēng)方式2151181502176通風(fēng)機功率kw350.8417.3407.3351.47通風(fēng)機效率%64.5605570.48噸煤主要風(fēng)機電費元/t0.240.290.280.249通風(fēng)井巷工程費萬元84.76133.3013.3013.3010風(fēng)機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性16515414118011用風(fēng)地點風(fēng)流穩(wěn)定性2096920821412礦井抗災(zāi)能力1906555190(2)計算評判指標的評價值（作統(tǒng)一性處理）各方案評判指標的評價值 表4序號評判指標評價值方案I方案II方案III方案1礦井風(fēng)壓9.98.8108.92礦井風(fēng)量109.69.79.53礦井等積孔109.19.79.14礦井風(fēng)量供需比109.69.89.55通風(fēng)方式9.