基于模糊理论的供水施救系统Simulink仿真研究.pdf

中图分类号 旦2 Z U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 圣三 密级公开 基于模糊理论的供水施救系统S i m u l i n k 仿真研究 R e s e a r c ho nW a t e rR e s c u eS y s t e mSi m u l a t i o nb y S i m u l i n kB a s e do nF u z z yT h e o r y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 指导教师 副指导教师 周英烈 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 胡建华教授 史秀志教授 论文答辩日期丝 三篁 皇答辩委员会主席 中南大学 2 0 13 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名困垫型日期型L 年』月垄日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 日期羔堕年上月盟日 基于模糊理论的供水施救系统S i m u l i n k 仿真研究 摘要金属非金属矿山供水施救系统作为安全避险“六大系统“ 的一 个重要环节，能够在矿山灾变急救时，通过为受困矿工提供充足的生 活饮用水而达到抢险施救的目的。如何保证系统的优化运行依然是一 个有待研究的课题。然而矿山井下条件错综复杂，具有诸多的模糊不 确定性，如何准确地求解出矿山井下各个时刻以及未来某年供水施救 系统水量需求和管网供水压力等主要参数，并实现供水施救系统应对 紧急灾变的自动控制，是保证系统有效运行的关键。 针对上述问题，介绍了金属非金属矿山供水施救系统在铜坑矿的 建设情况以及模糊理论和S i m u l i n k 仿真技术的理论与应用知识。在 现有的模糊理论对城市供水优化配置的基础上，通过M A T L A B 软件 的S i m u l i n k 仿真工具箱，分别建立了供水施救系统各个环节的仿真 模型，应用铜坑矿的实际数据对模型进行仿真检验。研究内容和取得 的研究成果如下 首先，建立了基于模糊聚类理论和基于时间序列法的供水施救系 统水量短期预测S i m u l i n k 仿真模型，建立了基于模糊多项式理论和 基于神经网络理论的水量长期预测S i m u l i n k 仿真模型，结合铜坑矿 的井下时用水量和年用水量资料进行了仿真预测分析； 其次，建立了基于模糊T - S 模型的供水施救系统管网工作状况的 S i m u l i n k 仿真模型，以井下监测监控系统对供水管网相关监测点的监 测压力为数据库，仿真得到未来时刻各中段水箱出水压力，取得了较 好的仿真结果。 最后，建立了基于模糊P I D 控制的供水施救系统自动控制的 S i m u l i n k 仿真模型，为实现供水施救系统系统应对紧急灾变的自动控 制打下了良好的基础。 研究表明，基于模糊理论的S i m u l i n k 仿真技术用于金属非金属 矿山供水施救系统的优化运行是可行的，且符合矿山实际，能够为矿 山安全生产提供更好的保障。图5 2 幅，表1 0 个，参考文献9 2 篇 关键词供水施救系统；模糊理论；S i m u l i n k 仿真；水量预测；管网 工况模拟；模糊P I D 控制 分类号T D 7 7 R e s e a r c ho nW a t e rR e s c u eS y s t e mS i m u l a t i o nb yS i m u l i n k B a s e do nF u z z yT h e o r y A b s t r a c t A sa ni m p o r t a n tp a r to fe m e r g e n c y “s i xs y s t e m s “ ，m e t a la n d n o n m e t a lm i n ew a t e rr e s c u es y s t e mc a nr e a c ht h eg o a lo fe m e r g e n c y r e s c u eb yp r o v i d i n ga d e q u a t ed r i n k i n gw a t e rf o r t h et h et r a p p e dm i n e r sa t t h et i m eo fm i n ed i s a s t e rr e s c u e ．A tp r e s e n t ，w a t e rr e s c u es y s t e mo fm i n e h a sb e e nb a s i c a l l yc o m p l e t e dt h ec o n s t r u c t i o n ，a n dh o wt oe n s u r et h e o p t i m u mo p e r a t i o no ft h es y s t e mi ss t i l lat o p i ct ob es t u d i e d ．H o w e v e r ， t h ec o n d i t i o ni nt h ep i ti sp e r p l e x i n g ，a n di th a sm u c hf u z z yu n c e r t a i n t y ． H o wt oa c c u r a t e l yc a l c u l a t et h em a i np a r a m e t e r so fw a t e rd e m a n de a c h t i m ea n df u t u r ey e a r sa n dw a t e rs u p p l yp r e s s u r eo fm i new a t e rr e s c u e s y s t e m ，a n dr e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fw a t e rr e s c u es y s t e mt od e a l w i t ht h ed i s a s t e r ，i st h ek e yt oe n s u r et h e e f f e c t i v eo p e r a t i o no ft h i s s y s t e m ．I nr e c e n ty e a r s ，f u z z yt h e o r yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d o fc i t yw a t e rs u p p l y ，b u ti th a sl e s sa p p l i c a t i o ni nt h eo p t i m a lo p e r a t i o no f m i n ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，a n di tl e s s l yc o m b i n e dw i t ha p p l i c a t i o no f S i m u l i n ks i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ． I nt h ev i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r y a n da p p l i c a t i o no fw a t e rr e s c u es y s t e mi nm e t a la n dn o n m e t a lm i n e s c o n s t r u c t i o ni n T o n g k e n g M i n ea n d f u z z yt h e o r y a n dS i m u l i n k s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ．O nt h eb a s i so fe x i s t i n gf u z z yt h e o r yo p t i m i z a t i o n o fc i t yw a t e rd i s t r i b u t i o n ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fe a c hl i n ko fw a t e r r e s c u es y s t e ma r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h eS i m u l i n ks i m u l a t i o nt o o l b o xo f M A T L A B s o f t w a r e ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e li st e s t e db yt h ea c t u a ld a t a i nT o n g k e n gM i n e ，w h i l et h er e s u l t sa c c o r dw i t ht h er e a l i t yo ft h em i n e ． F i r s t l y ，t h e s h o r t - t e r mw a t e r p r e d i c t i o n s i m u l a t i o nm o d e lb y S i m u l i n ko fw a t e rr e s c u es y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h et h e o r yo f f u z z yc l u s t e r i n ga n dt i m es e r i e s ．T h el o n g - t e r mp r e d i c t i o ns i m u l a t i o n m o d e lb yS i m u l i n ko fw a t e rr e s c u es y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h e t h e o r yo ff u z z yp o l y n o m i a la n dn e u r a ln e t w o r k ．A n dt h o s em o d e l sa r e s i m u l a t e dp r e d i c t i v ea n a l y s i e dc o m b i n i n gw i t ht h eh o u r l ya n da n n u a l w a t e rd a t ai nt h eh i to fT o n g k e n gM i n e ，w h i l et h ep r e d i c t i o nr e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r yp r e c i s i o n ．I ti sf o u n dt h a tw a t e rp r e d i c t i o no fw a t e rr e s c u e s y s t e mb yf u z z yc l u s t e r i n gt h e o r ya n df u z z yp o l y n o m i a lt h e o r yi sm o r e t a l l i e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h em i n e ． S e c o n d l y ，t h ep i p e l i n ew o r k i n gc o n d i t i o nS i m u l i n km o d e lo fw a t e r r e s c u es y s t e mb a s e do nf u z z yT - Sm o d e l i Se s t a b l i s h e d ．A n dad a t a b a s e f o r m e dw i t hm o n i t o r i n gp r e s s u r eo ft h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k r e l e v a n tm o n i t o r i n gp o i n t sb yd o w n h o l em o n i t o r i n gs y s t e mt o s i m u l a t e t h en e x tt i m eo u t l e tp r e s s u r eo fe a c hm i d d l ew a t e rt a n k ，w h i l ei to b t a i n e d ag o o ds i m u l a t i o nr e s u l t ． F i n a l l y ．S i m u l i n ks i m u l a t i o n m o d e lo fw a t e rr e s c u ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mi Sb u i l tb a s e do nf u z z yP I Dc o n t r o l ，i no r d e rt or e a l i z et h e w a t e rr e s c u es y s t e m ’Sa u t o m a t i cc o n t r 0 1t od e a lw i t he m e r g e n c y ． T h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns h o wt h a t ，Si m u l i n k s i m u l a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nf u z z yt h e o r yf o rw a t e rr e s c u es y s t e mi nm e t a la n d n o n m e t a lm i n ei Sf e a s i b l e ，a n di ta c c o r d sW i t ht h er e a l i t yo ft h em i n e ， w h i c hc a np r o v i d eab e t t e rp r o t e c t i o nf o rm i n es a f e t yp r o d u c t i o n ． K e y w o r d s W a t e rr e s c u es y s t e m ，f u z z yt h e o r y ，S i m u l i n ks i m u l a t i o n ； p r e d i c t i o no fw a t e r ；p i p en e t w o r kw o r k i n gc o n d i t i o ns i m u l a t i o n ；f u z z y P I Dc o n t r o l C l a ss i f i c a t i o n T D 77 V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱ A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．H I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2矿山安全避险六大系统的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 “六大系统”建设存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．4 “六大系统”建设发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．5模糊理论和S i m u l i n k 仿真技术在供水系统的应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．5 ．1 模糊理论在供水系统中应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．5 ．2S i m u l i n k 在供水系统领域研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．6 研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．7研究的内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．7 ．1研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．7 ．2 研究的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2金属非金属矿山供水施救系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1系统定义及其作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 系统构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3系统建设要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．4 系统验收标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．5 系统建设重点注意点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．6 系统管理与维护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．7系统建设实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．7 ．1 铜坑井下供水系统现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．7 ．2 系统建设方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3模糊理论和S i m u l i n k 仿真技术应用简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1模糊基本理论及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1 模糊理论基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 ．2 模糊理论基本应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2S i m u l i n k 应用简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．1 S i m u l i n k 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．2 ．2S i m u l i n k 简单模型的建立及模型特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 V 3 ．2 ．3S i m u l i n k 仿真过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4供水施救系统水量模糊预测及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1水量预测的方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2水量需求短期预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．1 基于模糊c 均值聚类算法的水量预测及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．2 基于时间序列法的水量预测及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．3 水量短期预测方法的优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3水量需求长期预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 基于模糊多项式的水量预测及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 ．2 基于B P 神经网络的水量预测及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 ．3 水量长期预测方法的优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5供水施救系统管网工作状况的S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．1供水管网工作状况分析的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2模糊理论在供水管网工作状况分析中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3基于模糊T - S 的供水管网模型及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．1 模糊推理系统 F I S 的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．2S i m u l i n k 仿真模型模块设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 ．3 管网工作状况分析S i m u l i n k 仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 ．4 实例应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6供水施救系统模糊P I D 控制及其S i m u l i n k 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．1模糊控制基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 ．1 智能控制的三元论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．1 ．2 模糊控制的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．1 ．3 模糊控制的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 6 ．1 ．4 模糊控制原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 6 ．2常规P I D 控制基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．3模糊P I D 控制基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．4供水施救系统模糊P I D 控制器的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．4 ．1 模糊控制的实现方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4 ．2 模糊规则设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4 ．3 水箱水位模糊P I D 控制器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．5供水施救系统模糊P I D 控制S i m u l i n k 仿真实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 7 ．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 V 7 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 V 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 矿产资源是国民经济的命脉，我国矿产资源十分丰富，目前己开发和利用的 矿种有1 8 1 种，资源总量占世界的1 2 ％，储量居世界第三位【l 】。但是由于历史的 原因和现实的问题，我国金属非金属矿山矿难时有发生，严重威胁着矿井安全生 产和社会和谐。当前，各种先进技术的普及与应用无疑是降低遇险人员伤亡率的 最有效途径。 2 0 1 0 年8 月5 日，智利圣何塞铜矿发生坍塌事故，3 3 名被困矿工在经过长 达6 9 天的漫长等待后，终于迎来了获救的一天。当地时间1 3 日0 时1 0 分，首 名矿工弗洛伦西奥阿瓦洛斯随“凤凰2 ”号搭载舱，穿过长达6 2 2 米的救生隧 道，重见天日【2 】。救援过程中，现代高科技产品起到了至关重要的作用。 安全生产是金属非金属矿山矿山发展的首要任务。为了提高金属非金属矿山 企业安全保障能力，减少金属非金属矿山安全事故和损失，提高地下矿山抵御各 种风险和灾害的能力，建设金属非金属地下矿山安全避险系统显得更加迫切【3 】。 针对我国金属非金属矿山严峻的安全形势，2 0 1 0 年7 月1 9 日，国务院印发国 务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知 国发 2 0 1 0 2 3 号 【4 】，要求“煤 矿和非煤矿山要在3 年之内完成“六大系统”安装。随后，国家安全监管总局还 专门出台了金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂 行规定的通知【5 】与关于切实加强金属非金属地下矿山安全避险“六大系统“ 建设的通知【6 】，明确了安全避险“六大系统“ 具体建设进程和要求。温总理也 做出批示“要在做好事故抢险救援、调查处理、开展安全生产大检查的同时，结 合转变发展方式，从根本上提高企业技术水平、安全标准和管理能力。“ 2 0 1 1 年7 月1 5 日，国家安监总局发布金属非金属地下矿山“六大系统” 建设规范【7 】。 “六大系统”建设规范以安全生产行业标准的形式发布，属国家强制性标准， 金属非金属地下矿山企业必须遵照执行。“六大系统”建设是进一步贯彻落实金 属非金属矿山安全规程 G B l 6 4 2 3 - - 2 0 0 6 相关要求的有力补充，是继续深化 矿山安全专项整治工作的有效措施。 供水施救系统作为“六大系统”的重要组成部分，能够在井下灾变时为井下 受困矿工提供饮用水 8 】。广西华锡集团铜坑矿供水施救系统目前已建设完毕，然 而系统尚未真正运行，因而对系统各个环节的运行过程进行仿真以及对相关参数 的优化是刻不容缓的。 硕士学位论文1 绪论 1 ．2 矿山安全避险六大系统的发展现状 “六大系统”应用到金属非金属矿山前，国内外已有很多应用安全避险系统 紧急避险的成功案例，如 2 0 0 7 年7 月2 9 日河南陕县支建煤矿发生了灾变，6 9 人被困井下，在应急救 援中利用井下压风管道向被困人员供给新鲜空气和营养液，保证了被困人员的身 体健康和生命安全，最后由救护队将6 9 人全部营救出井，安全避险系统在救灾 中发挥了十分重要的作用【9 】。 2 0 1 0 年3 月2 8 日，山西省临汾市乡宁县王家岭煤矿发生透水事故。1 5 3 人 被困井下，其中1 1 5 人成功获救，死亡3 8 人【1 0 1 。 2 0 1 0 年8 月5 日，智利圣何塞铜矿3 3 名矿工被困位于地面以下7 0 0 米处，6 9 天后成功获救，在营救过程中，井下应急避难所发挥重要作用【2 】。 由此可见，金属非金属矿山建设安全避险“六大系统”是能够全面提升矿山抗 灾能力的一项基础性工作，也是依靠科技进步和先进适用技术强化安全保障能力 提高本质安全水平的有效措施，国家安监总局对“六大系统“ 有明确的建设规范 和时限要求，对于未按期完成的，要暂扣安全生产许可证。国家安全监管总局印 发的关于金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行 规定的通知 安监总管 2 0 1 0 1 6 8 号 规定了六大系统的建设进度f 5 1 ，如表 1 1 所示。 表1 - 1 “六大系统”建设进度要求 目前，各地矿山正在紧锣密鼓地进行着“六大系统“的建设，部分省市相继 出现了一批具有代表性的建设项目，切实推动了金属非金属矿山“六大系统”建 设进程。 1 ．3 “六大系统“ 建设存在的问题 目前金属非金属矿山安全避险“六大系统”进入了全面建设阶段，同时也随 硕士学位论文1 绪论 着一些制约工作进度的问题。目前各地金属非金属矿山“六大系统”建设发展过 程存在如下一系列问题【1 1 】 1 “六大系统“ 范围界定 监测监控系统在规范中的定义列举的范围过窄，甚至没有包含规范中有明确 建设要求的视频监控。监测监控系统除了包含规范提到的部分监N ； I - ，还应当包 含为矿山安全生产服务的其它各类监测监控系统，如矿山矿山供供排水监控系统， 这样结合起来能够实现对供水施救系统的全程监控。 2 建设规范及技术标准问题 “六大系统”的建设是按照国家安监总局出台的相关规范进行的，但是规范 存在一些不合理、执行难的问题。供水施救系统建设规范要求水质满足饮用 需求。然而，矿山所提供的生产供水码组不了人对饮用水的水质要求，即便按照 要求先排出生产用水再接入满足要求的生活用水，因管道中残留生产用水以及锈 迹污垢，到达救灾地的水质也难以满足饮用要求。另外如果改造生产用水源，会 造成浪费水资源和加大成本等问题。 3 政府部门监管方式问题 各级政府及相关部门对于金属非金属矿山“六大系统“ 建设的监管方式存在 不统一的问题 ①政府直接掌控。由于缺乏经验和专业人才，独自建设成本高、难度大，政 府对相关矿山的“六大系统”建设项目就进行统一招标建设，从而实现直接掌管。 ②实行监督管理。政府部门对于金属非金属矿山“六大系统“ 建设项目只是 起到监督作用。具体监督内容和方式视情况而定，如整体规划、督促落实、组织 方案评审、项目竣工报备等。 ③进行宏观指导。从技术上和政策上宏观指导金属非金属矿山“六大系统” 的建设。 ④企业自行建设。政府部门完全不管，任由矿山企业自行建设。 政府部门对于金属非金属矿山“六大系统”建设的监管应该是监督和指导的 厶士2 0 ；口口0 4 矿山对于“六大系统”的认识问题 部分矿山没能认识到“六大系统“ 的建设意义，只是因强制而建设，因此建 设过程中不乏存在敷衍应付，降低投资，进度滞后，工程不合格的现象。 5 “六大系统”配套产品问题 由于“六大系统“ 建设起步较晚，因此目前市场上的配套产品通过认证的较 少，无法满足建设需求，而且产品价格相对都较高，这大大增加了系统建设的成 本。 硕士学位论文l 绪论 6 市场混乱问题 参与金属非金属矿山“六大系统”建设的承建公司鱼龙混杂，一是扰乱了整 个“六大系统”建设市场的秩序；二是部分建设的系统实为耗费人力物力财力的 劣质烂尾工程。这些混乱的企业既没能使得矿山的“六大系统”没能满足避灾目 的，也阻碍了“六大系统”的推广应用。 1 ．4“六大系统“ 建设发展趋势 针对上述问题，“六大系统”未来具有如下发展趋势 1 矿山与企业的逐渐分化 随着金属非金属矿山“六大系统”建设的推广和投入使用，各个矿山的建设 成果以及认识水平和对待建设的态度都出现了很大的差异。 2 规范管理逐步完善 “六大系统”建设市场、“六大系统’’建设规范、政府部门管理监督都将更 加完善，并更加复合金属非金属矿山的实际情况。 3 矿山物联网 金属非金属矿山“六大系统”的建成以后的使用情况还有待观望。会有一些 矿山忽视六大系统的作用及其维护管理，因此需要有关部门的实时监管。这时远 程联网监管方式就可以发挥作用了。政府部门对管辖矿山利用物联网进行实时监 管，大型集团公司也可以通过物联网对其下属矿山进行监督。 1 ．5 模糊理论和S i m u l i n k 仿真技术在供水系统的应用现状 1 ．5 ．1 模糊理论在供水系统中应用 模糊系统基于模糊集合理论，模拟近似人的推理和决策过程，它以自然语言 方式表达信息，又以数值计算方式处理信息，从而使得数据处理方式能达到统一 的目的。近年来模糊系统在各个领域都取得了不容小觑的应用，如模糊建模、自 动控制、信号处理、图像处理等领域。模糊理论适合于解决那些系统庞大，影响 因素多而复杂且具有诸多不确定性的系统优化调度问题[ 13 1 ，这与矿山井下的条 件是符合的，虽然模糊理论还较少应用于金属非金属矿山供水施救系统的优化运 行研究，但是其在城市供水优化调度领域的应用却是较为深入的。 目前，模糊理论已经应用于城市的供水领域各个环节，并且逐步走向成熟， 主要有水量需求模糊预测、管网模糊优化、供水系统模糊控制等方面。 1 在水量需求预测方面 刘洪波，张宏伟等依据模糊聚类理论提出了城市水量短期预测的一种新方法。 4 硕士学位论文 1 绪论 该方法应用模糊隶属度来描述城市未来二十四小时水量需求与影响需求的因素 之间的关系，能够较大地提高预测的精确度【1 钔。岳娟，钱自立等基于模糊多项 式理论建立了城市长期水量需求的预测模型，并以南京市历年水量需求作为样本 对2 0 1 0 、2 0 2 0 、2 0 3 0 年的需水量进行验证，预测结果表明改模型的符合精度要 求【l5 1 。方浩，李蓓等建立了基于模糊神经网络的水量需求长期预测模型，并以 盐城市历年水量需求作为样本对2 0 1 0 年的需水量进行验证，预测结果表明改模 型的符合精度要求【16 】。 2 在管网优化方面 徐得潜、周恒良等建立了基于模糊线性规划理论的供水管网优化模型，作者 考虑到相关影响因素具有诸多模糊不确定性，有昵人对模糊变量和相应的目标函 数进行了模糊线性化处理，并对最终进行了模糊优化，结果令人满意。这一方法 具有创新性，且能够很好地解决诸多供水管道优化设计过程中存在的模糊不确定 性问题【1 7 ] 。郜志云，刘波等综合考虑了以往管网工作状况仿真模型的许多不足， 以及影响管网工作因素的模糊不确定性，建立了基于模糊理论的S i m u l i n k 仿真 模型，该模型是采用S u g e n o 模糊模型基本原理建立的，并运用这一方法对城市 短期用水量需求进行预测并对供水系统的管网工作状况进行了仿真模拟，其结果 令人满意【1 8 1 。 3 在模糊控制方面 模糊控制原理在城市供水系统中也具有普遍的应用，如伊连云在充分利用了 模糊控制、P L C 和交流变频等高新技术的基础上，结合模糊控制和相关变频器组 成了模糊P I D 供水系统，该系统具有节水节电，节省弓箭，减少成本，操作简 单，运行可靠等诸多优点，具有良好的经社会经济效益[ 19 1 。徐国强在能够有效 测出管网压力变化的基础上，比较了实测压力值与理想压力值。并对相关计算进 行模糊处理，最终通过控制变频器输出频率和改变交流异步电机转速来达到恒压 供水的目的。该技术具有减少能耗、减轻设备磨损、提高电网功率因数等诸多优 点，对煤矿安全高效生产具有重要意义【20 1 。李全，吴今培分析了基于模糊控制 理论的恒压供水自动控制系统的工作原理，表明该系统具有节约能耗、结构简单、 运行稳定等优点【2 1 1 。 1 ．5 ．2S i m u l i n k 在供水系统领域研究现状 S i m u l i n k 集成了动态系统的建模、仿真与综合分析等诸多功能，能够诸多系 统，如线性、非线性；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散时间系统 [ 2 2 1 。和M A T L A B 7 ．X 的其他组件比较，S i m u l i