矿山平行系统理论及其在通风智能管理中的应用研究.pdf

中图分类号 U D C X 7 5 1 6 2 2 硕士学位论文 学校代码1 0 5 3 3 矿山平行系统理论及其在通风智能管理中的应用研 究 T h eS t u d yo nI n t e l l i g e n tM a n a g e m e n to fV e n t i l a t i o n S y s t e r mB a s e d o nM i n e - - p a r a l l e l - - s y s t e m sT h e o r y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 赵书刚 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 王李管教授 中南大学 二零一四年五月 ，毖／ 藉 晦 万方数据 I 万方数据 原创性声明 | | I i ll II I II II l UI IUl l Y 2 6 8 7 3 4 7 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它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。 作者签名丝整日1 日期塑 兰年羔月丝日 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。 ／一、 作者签名盘蛳 导师签名型么丝叠日期2 坐年羔月垫日 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 矿山平行系统理论及其在通风智能管理中的应用研究 摘要随着信息技术在传统矿业改造中的应用与迅速发展，数字矿山 技术越来越广泛地被矿山行业所认可和接受，进行数字矿山建设成为 矿山信息化、智能化发展的趋势。数字矿山技术自提出之后发展迅速， 国内涌现了一批数字矿山科技成果和商业成果，如矿山采矿软件 D I M I N E 、3 D m i n e 等，但是就数字矿山调度技术研究并未取得较为理 想的成果，矿山基本完成六大系统建设，在此背景之下，建设科学、 合理的调度系统，对数字化背景下调度技术的研究有着重要的现实意 义。 平行系统理论作为一种新兴的理论，旨在通过建立与现实相对应 的人工虚拟系统模拟实际的复杂系统，从而实现对真实系统的仿真、 模拟、预测与决策，并通过对实时监测数据的分析进行系统调控决策， 完成对复杂系统的调度管理。平行系统理论为矿山调度难题提供了解 决思路，本文就矿山平行系统理论进行详细探讨，阐述了平行系统的 关键技术，并以狮子山通风系统管理为例，从科学计划、实时监测、 合理调控的整个过程进行矿山平行系统建设探讨。主要内容包含以下 几个方面 1 、在查询大量文献的基础上对数字矿山中调度技术现状进行了 系统的分析研究。 2 、较为完整的阐述了矿山平行系统理论，对平行系统理论引申 入矿山行业中与矿山工艺结合的特殊性进行了分析，并对矿山平行系 统的关键技术进行了探讨。 3 、对矿井通风管理平行子系统建立进行了探讨，提出建设科学 计划、实时监测分析的平行子系统建设框架。特别针对变频导致风机 特性曲线移动网络解算困难的情况，提出以虚拟曲线带入解算，通过 解算误差修正至真实值的改进回路风量法来实现准确风量分配。 4 、结合矿山实例完成了矿山通风系统设备调节计划。结合狮子 山铜矿2 0 1 3 年生产计划制定通风设备调节计划。 5 、建立了矿井通风安全性评价指标体系，并结合A H P 法和变异指 I I 万方数据 摘要 数法对指标权重进行了融合，较为客观、合理的得到了指标权值矩阵。 在此基础上，对实时监测数据进行了模糊综合评价，并提供了一定的 应对措施。 关键词平行系统；通风系统；变频计划；指标体系；模糊评判 分类号U 4 5 8 ．1 I I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T R e s e a r c ho nI n t e l l i g e n tM a n a g e m e n to fV e n t i l a t i o nS y s t e r m B a s e do nM i n e p a r a l l e l s y s t e m sT h e o r y A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fD i g i t a l - m i n i n g - t e c h n o l o g y , i th a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nM i n i n gI n d u s t r yt h a tD i g i t a l - - M i n e - C o n s t r u c t i o nh a s b e c a m et h et r e n do fm i n ed e v e l o p m e n t ．T h e r ea p p e a r san u m b e ro f s c i e n t i f i c ．t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t sa n dd i g i t a lm i n eb u s i n e s so u t c o m e s o fd o m e s t i ca b o u tD i g i t a l - m i n i n g ．T h e ya r em a i n l ys t u d i e so ns o f t w a r e s u c ha sD I M I N Eo r3 D m i n e ，w h i c hf o c u so nt h em o d e l i n gt e c h n i q u e sa n d l a c k i n go fs c h e d u l i n gt e c h n i q u e s ．I nc o n s i d e r a t i o no fm a n ym i n e sh a s e s t a b l i s h e dS a f e t y h e d g e s i xs y s t e m s ，t h e r ei ss i g n i f i c a n c et od or e s e a r c ho n s c h e d u l i n gt e c h n o l o g y ．A san e wt h e o r y , p a r a l l e ls y s t e ma i m sa tc r e a t ea v i r t u a ls y s t e mw h i c hr e f l e c tt h er e a ls y s t e m ，t h u s ，w em a yc a r r yo n s i m u l a t i o no fs y s t e r m ，t o g e t h e rw i t hR e a l - t i m ed a t am o n i t o r i n g ，w ec a n c o m p l e t et h es c h e d u l i n go fc o m p l e xs y s t e m s ．P a r a l l e ls y s t e m st h e o r y b r i n g sas o l u t i o nt oD i g i t a lm i n es c h e d u l i n g ．T h i sa r t i c l ed i s c u s s e sM i n i n g 。 P a r a l l e l ．s y s t e m si nd e p t h a n dt a k i n gS h i - z i s h a nC o p p e ra sac a s e ，m a k i n g aI n s t r u c t i o no fm i n ep a r a l l e ls y s t e mc o n s t r u c t i o n ．T h ea r t i c l ei n c l u d e st h e f o l l o w i n gA s p e c t s 1 O nt h eb a s i so fq u e r ya ne x t e n s i v el i t e r a t u r e ，s y s t e m a t i ca n a l y s i st h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o b l e m so fd i g i t a lm i n i n gs c h e d u l i n gt e c h n i q u e sa n d p a r a l l e ls y s t e m ． 2 E l a b o r a t e dt h eM i n i n gp a r a l l e ls y s t e m st h e o r y , a n dm a k ead e a p d i s c u s s i o n so ft h ek e yt e c h n o l o g i e s 3 M a k ead e a pr e s e a r c ho na p p l i c a t i o ni nv e n t i l a t i o ns y s t e m so f t h e M i n i n gp a r a l l e ls y s t e m st h e o r y ．P r o p o s i n g as o l u t i o nt ot h es c h e d u l i n g p r o b l e mw h i c hi n c l u d e i n gs c i e n t i f i cp r o g r a m i n g ，R e a l t i m em o n i t o r i n g ， a n dm a k i n gf e a s i b l ea d ju s t m e n t ．I ns o l v i n gt h eI t e r a t i v ec a l c u l a t i o n p r o b l e m ，w h i c ht h ef a nc u r v ec h a n g e sa l o n gw i t hs p e e d ，u s i n g e r r o r a d j u s t m e n tc u r v eu n t i lt h ee r r o rd i s a p p e a r s ． 4 T a k i n gS h i - z i s h a nC o p p e ra sac a s e ，m a k i n gaI n s t r u c t i o no f m i n e p a r a l l e ls y s t e mc o n s t r u c t i o n ，a n dm a k i n ga ne s t i m a t i o no fe n e r g ys a v i n g ． V 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T 5 、 E s t a b l i s h e da ni n d e xs y s t e mf o re v a l u a t i o n ，c a l c u l a t i n gw e i g h t sf o r e a c hi n d i c a t o rb a s e do nt h ef u s i o no fT h ev a r i a t i o nc o e 伍c i e n tm e t h o da n d A n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e s s ．M a k i n ga ne v a l u a t i o no f t h em o n i t o r i n gd a t a b a s e do nF u z z yE v a l u a t i o n ，a n dp r o p o s ew o r k a b l es o l u t i o n s ． K E YW O R D S P a r a l l e l S y s t e m s ； V e n t i l a t i o n S y s t e m ；F r e q u e n c y C o n v e r s i o nP l a n ；I n d i c a t o rS y s t e m ；F u z z yE v a l u a t i o n C l a s s i f i c a t i o n U 4 58 ．1 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外相关研究综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 数字矿山技术及可视化调度技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 平行系统理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 矿山平行系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 矿山平行系统概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．1 平行系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．2 矿山平行系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 ．3 矿山平行系统与其他系统间关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 矿山平行系统框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．1 矿山基础数据库⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．2 数据管理层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．3 业务处理层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 ．4 决策支持层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 矿山平行系统关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．1 数据采集及建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．2 数据传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．3 数据处理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．3 ．4 数据决策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 基于平行系统理论的通风平行调控子系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 基于平行系统理论的通风平行子系统技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．1M P S 通风系统调控简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．1 ．2M P S 通风系统调控技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 矿山通风平行控制人工虚拟系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 井下复杂通风系统数据模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．2 ．2 通风系统网络基本元素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3 通风系统网络基本元素数据源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．4 通风系统网络可视化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．5 基于回路风量法的通风网络解算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 ．6 变频控制下回路风量法的改善⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 基于矿山生产排布的通风系统调节计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 矿山生命周期内需风概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．1 矿山生命周期及生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．2 矿山生命周期各阶段通风需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．3 矿山生命周期内各阶段需风量计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．2 矿山生产计划可视化编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 ．2 地下采矿生产计划优化可视化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．3 基于D I M I N E 平台的矿山稳产期生产计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 基于矿山生产计划的通风调节计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．1 通风系统现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．3 ．2 深部生产期通风改造及主风机性能验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．3 ．3 矿山稳产期主风机运行调节计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．3 ．4 稳产期矿山生产主风风机变频调节参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 4 ．3 ．5 结论及预计节能概算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 5 基于平行控制的井下通风系统实时生产过程安全性监控⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 5 ．1 基于监测监控系统的实时数据采集与传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 5 ．1 ．1 金属矿山井下作业环境要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．1 ．2 数据采集及传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 矿井通风系统安全性识别指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 5 ．2 ．1 安全性识别指标确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 5 ．2 ．2 安全性指标重要度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．3 矿井通风系统安全性识别方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 V I I I 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 5 ．3 ．1 现有评价方法对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．3 ．2 存在问题及改进措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．3 ．3 存在的问题及解决方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．4 基于综合权重的井下通风模糊综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 6 5 ．4 ．1 评价指标选取与权重确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．4 ．2 指标隶属度函数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．4 ．3 融合决策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．5 调控措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 6 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 6 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 6 ．3 研究不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 3 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 I X 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景和意义 1 ．1 ．1 研究背景 矿产资源一直是我国主要的能源之一，矿产资源一直都是构成我国主要生产 力要素之一，且无论煤炭或金属矿产资源，都属于不可再生资源，当今世界9 2 ％ 以上的一次性能源、8 0 ％以上的工业原材料、7 0 ％以上的农业生产资料，都取自矿 产资源。我国己发现的矿产有1 6 0 余种，资源储量排世界第三位，但人均储量占 有落后，呈现出总量大、分布不均匀、贫矿多富矿少的特点。 目前我国的矿产开发主要有露天采矿、地下采矿和露采地采联合采矿三种方 式。矿产资源地下开采是我国矿业矿产资源开采的重要方式，特别是对于金属矿 山，大多采用地下开采。是由于地质条件的复杂性和不可准确预知性，地下开采 过程中不可避免的遇到调度困难和安全问题。矿山工艺的复杂性为矿山生产安全 调度带来了诸多难题，我国的安全生产形式也不容乐观，矿山生产过程中的复杂 工艺流程、不科学的生产调度、地下生产环境的恶略性及事故发生后较为无力的 应对措施导致矿山生产事故频发，这不仅带来人员的伤亡和经济损失，更造成了 巨大的社会影响。据国家安全生产监督管理总局的统计，2 0 1 0 年非煤矿山共发 生安全事故1 0 0 9 起，死亡1 2 7 1 人，与往年相比虽然下降明显，但形式仍然不容 乐观，矿山生产扁平化的管理模式对于安全调度优化提出了更高的要求。 随着计算机技术、人工智能技术的发展，特别是数字矿山D M D i g i t a lM i n e 的提出和发展，为解决地下采矿过程科学调度提出了解决思路，即建设统一的、 集成矿山生产信息、科学合理的综合调度平台。利用数字矿山技术，建立矿山生 产调度模型，对矿山生产进行科学计划、实时跟踪，在安全事故发生后进行科学 的调度指挥，对于矿山安全生产有着重要意义。 对于矿山生产存在的安全问题，国家出台了相关规定，矿山“金属非金属地 下矿山安全避险六大系统”建设是国家安全监管总局为认真贯彻落实国务院关 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 精神，进一步提高 金属非金属地下矿山安全生产保障能力的一项国策，它也是矿山实现数字化、自 动化、信息化建设的重要一环。在此政策下，大部分矿山对矿山六大系统进行了 建设，特别是通讯系统、定位系统及监测系统的建设，先进的传感技术为感知矿 山生产现场实际提供了有效的硬件设施，但是对于这些系统中产生的数据并没有 进行有效的应用，大部分还停留在简单的数据统计与定性分析之中。矿山硬件系 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 统所采集的数据没有得到很好的利用，其原因是多方面的，一方面是由于单一对 监测监控数据进行分析，难以与复杂的矿山生产相结合，另一方面，对于不同矿 山，要将监测数据应用于实时生产调控不仅理论与实际有一定差距，而且数据所 反映的现场实际条件没有一个很好的综合调度平台进行分析。但矿山数字化效益 并没有显著成效，这是由多方面原因造成的。就软件平台而言，无论是国外的 D a t a m i n e 、S u r p a c ，还是国内现有的矿业软件，如D i m i n e 、Q u a n t y M i n e 、3 D m i n e ， 仅着重于三维可视化、储量估算、开采设计、计划编制等功能模块，相比于数字 矿山要达到的集成矿山地物、生产、管理、监测等信息用以提供决策依据的目标 而言，还有一定差距。各矿山建成的六大系统信息与矿山生产过程控制交互、地 测采各系统统一协作以达到矿体边界准确圈定、资源储量动态管理等在矿山数据 采集基础设施建立后，现有的平台不能或难以高效的实现上述目标。 平行控制理论，是近年来提出的分析复杂现实系统的一种方法，其依据系统 特性将复杂系统划分为诸多子系统，通过人工智能方法和数据建模技术，建立与 现实生产子系统相对应的人工虚拟系统，通过对人工虚拟子系统的分析、预测、 评价及调节，来完成对实际系统的调配。平行系统进入矿山行业，现阶段也只是 较为粗略的进行理论应用的可能性分析及展望，对于如何建立人工虚拟子系统对 矿山各复杂系统进行模拟分析缺乏有效的研究，因此，对矿山各子系统如何建立 虚拟子系统与之对应、如何建立系统运行规则以及对系统进行调节分析，就有着 较为重要的实际意义，基于平行控制理论建立矿山各平行子系统调度分析模型， 对于矿山安全生产、科学调度及事故应急指挥，不仅是我国数字矿山研究的关键 技术之一，也是实现现代化高效、安全、智能采矿的重要课题。 综上所述，利用平行控制理论对矿山各子系统建模及进行实时数据驱动，探 讨金属矿山地下开采复杂安全调度模型成为研究领域中的一个重要课题。 1 ．1 ．2 研究意义 在金属矿山建立科学、合理、准确的虚拟子系统，实现地下采矿进行科学模 拟、实时监测和合理调度，对保证矿山正常运作，实现矿山安全、智能、高效生 产有着重要的作用。文章结合平行系统理论，探讨在矿山中建立人工虚拟系统对 矿山生产调度进行科学优化，并以通风平行子系统为例，探讨了系统建模、通风 计划的制定、效果评价方法及应对措施，为数字矿山调度研究提供一定的理论依 据，具有十分重要的现实意义，主要表现在以下几个方面。 1 矿山行业是高危行业，其安全生产形式不容乐观，发生安全事故不仅 引起人生伤害和经济损失，也造成了重大的社会影响，现有的预防措施不仅安全 投入大、产出少，而且并不能有效的减少事故的发生，反而给生产造成了部分“阻 2 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 碍’’，只有科学计划、合理调度才能最大程度的预防事故的发生，而要做到如上 所述，必须对于井下生产实际有着较为准确的把握，因此探讨平行控制理论下矿 山调度系统的建立对于预防事故发生、提高生产效率有着一定的指导作用。 2 从矿山行业的自身特点来看，矿山生产的主要特点是工艺复杂性和多 系统共同作用性，因此，以往的调度计划难以考虑到各子系统的运行及子系统间 的影响，平行控制理论就是将复杂系统进行拆解，并建立相应的人工虚拟子系统 与现实子系统进行对应，在所建立的人工子系统中对生产计划活动进行模拟，进 而对现实系统进行预测和评价，从而得出较为科学的调度安排，因此，对于平行 系统理论及其在矿山实际中的对应和应用，特别是矿山平行系统中关键技术研究 对于减少企业资源浪费、提高调度的科学性有着重要的现实意义。 3 通风系统是矿山的一大重要系统，它不仅要为矿山井下供给充足的新 鲜空气，而且在矿山运行费用中风机电能消耗达到至少6 0 ％，然而矿山生产期内 风机有一大部分时间都是冷负荷，为节约电能同时保证生产需求，基于平行系统 理论对矿山通风系统进行建模、计划制定、运行模拟、仿真预测及效果评价有着 较为实用的指导意义。 1 ．2 国内外相关研究综述 本文探讨的是金属矿山地下开采平行调度系统的研究，是借助G I S 技术、可 视化技术及数字矿山领域己存在的智能算法，建立矿山人工虚拟系统对矿山生产 过程中井上井下人员、设备、实时生产环境、计划运行状态等进行较为准确的跟 踪和监控，建立数字化调度平台，在此平台基础上对矿山的计划进行模拟和改进， 对矿山实时生产环境数据进行分析评价，并制定相关调整措施，最终实现生产调 度的优化控制。 1 ．2 ．1 数字矿山技术及可视化调度技术研究现状 1 数字矿山可视化建模技术国内研究现状 “数字矿山 D i g i t a lM i n e 是对真实矿山整体及相关现象的统一认识和数 字化再现，是一个‘硅质矿山’，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分。” n 1 即，将矿山水文地质、生产作业、运营管理等信息数字化、集成化，用以对矿 山情况从不同角度进行统一的反映，运用现代智能决策和控制理论，实现矿山安 全、高效、环保、可持续发展提。数字矿山是以矿山空间数据与生产数据构成的 矿山数据仓库为核心，通过统一的时空数据、统一的矿业工具软件实现、统一的 网络结构为矿山生产全过程可视化、精细化、智能化管控提供技术保障＆3 。 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 我国的数字矿山研究起步较晚，数字矿山概念自1 9 9 9 年“国际数字地球” 提出以来，国内许多学者进行了深入研究和热烈讨论，对数字矿山内涵与目标有 了较为统一的认识，一部分矿业集团也在数字化的道路上进行了一些尝试，产生 了一批走在前端的数字矿山建设企业和矿业信息产业，初步开发了国内自己的矿 业软件，数字化、信化的理念深入矿山，大部分矿山也逐步建立起数字矿山基础 设施平台，我国的矿山数字化程度较以前上升了一个新的台阶，数字矿山有了新 的阶段性目标。随着数字化进程推进，许多矿山己建成用于数据传输的工业环网 和各种分布式传感器网络，来感知矿山情况，数字矿山基础设施建设也有了明确 的方向和指标，并处于有条不紊的建设中。 数字矿山技术研究中较为重要的是井下生产环境建模技术研究b 1 ，对井下生 产环境建模研究，就是研究井下巷道建模和地质体建模，为工程师提供较为准确 的、可利用的可视化模型来反映矿山生产井下实际情况，不仅能够直观的了解到 矿体的品味、分布和走向，还能了结工程布置，在此基础上才能进行生产计划的 科学模拟和实时生产的准确调度。特别是井下巷道三维可视化技术H 3 ，巷道不仅 是井下生产通道，也是人员活动最为密集的区域，准确的、能够反映井下网络布 置实际的巷道建模，是科学调度的基础。 就建模技术而言，国内外研究方向主要分为三类 1 以A u t o C A D 为基础平台，利用O b j e c tA R X 开发集合矿山采矿工艺，进 行巷道建模和地质体建模。 2 采用V C 和O p e n G L 等可视化开发工具包相结合的开发环境，搭建三 维可视化数字采矿平台，针对巷道和地质体的基本特征，编写相应算法进行可视 化建模，从而实现巷道绘制、矿体显示及计划模拟等。 国外澳大利亚、英国、美国、加拿大及南非等国的地质专家结合探矿和工程 地质资料进行了大量的研究，并着手开了一系列用于地质建模、矿产开发、生产 信息管理等商业化矿山软件，如D a t a m i n e 、S u r p a c 、M i n e M a p 等，特别是澳大利 亚G e n c o m 公司开发的S u r p a c 公司开发的矿用软件，不仅包括了地质建模、储量 估算、辅助设计、计划模拟还对矿山生产管理调度系统进行了尝试。德国D M TG m b H 公司依托独有的探矿技术，从矿山生产工艺和矿山系统出发，开发了S T M B E R G 训 练系统，该平台可以模拟矿井生产运输、提升、通风等子系统的状态，在此平台 上可对矿山生产进行科学调度。 2 数字矿山调度技术国内研究现状 在数字矿山调度平技术研究方面，国内起步较晚，多在一些高等院校内进行 了理论的探讨和尝试，并针对一些特定的矿山开展科研项目，初步进行了矿山调 4 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 度系统的研制与开发，取得了一些成果，如2 0 0 5 年中国矿业大学以煤矿井下生 产调度实例，基于G I S 技术和O p e n G l 技术，开了定制式的煤矿井下生产调度信 息管理系统，利用可视化技术为矿山生产综合调度提供了直观的展示平台，并在 一定程度上对矿山调度起到了优化作用畸1 。西安建筑科技大学黄光球博士对地下 矿生产调度算法进行了初步研究，顾清华博士对于矿山井巷建模和定位技术进行 了探讨，并提出基于改进定位算法结合地下矿山蚁群调度算法提出建立地下矿人 员调度系统哺1 ，并对其中的关键技术进行了研究。 2 0 1 1 年中南大学数字矿山中心对结合狮子山六大系统建设进行了可视化调 度平台的研究，该平台结合了矿山已经建立的W I F I 通讯网络和数据采集系统， 依托V C 和O p e n G L 技术搭建可视化平台口3 ，对井下巷道、地表工业广场、地下 活动人员、地质体等进行了建模和可视化随1 ，特别是对于设备运行，基于骨架模 型算法对实时采集数据反映的设备运转姿态进行了模拟，在矿山调度方面进行了 较为深入的研究。该平台在实践优化后在玉溪大红山铜矿和湖北金山店铁矿结合 移动通信技术、视频监控技术、人员定位技术建立了井下可视化调度综合平台， 为矿山安全调度提供了较为科学的工具。 国外采矿行业有关公司在2 0 世纪8 0 年代就开始了地下采矿生产调度优化 方法的研究和相关系统的开发，1 9 9 1 年美国M o d e l 采矿公司在德比尔斯芬斯克 矿进行了地下矿山铲运机智能调度系统，利用泄漏电缆通信技术及定位技术实现 对地下智能铲运机进行实时数据采集、传输至调度平台，并利用可视化技术准确 反映设备所在位置、运行姿态，利用人工调度指挥，对矿山井下生产进行控制， 试验很大程度上提高了矿山生产效率。加拿大E I 公司和南非A n a l o g S y s t e m s 公 司依托南非的普雷米尔金刚石矿为实例，合作研制了V M A C 地下矿山车辆调度 系统 ，该系统通过车载传感器采集设备实时位置信息和运行状态，从而实现地 下采矿的作业过程监测和生产调度。 1 ．2 ．2 平行系统理论研究现状 平行系统理论是近年来提出的、较为新颖的、解决复杂系统运作的理论方法 阳1 。国内平行系统理论研究从2 0 0 4 年王飞跃教授提出平行系统方法和复杂系统 的管理控制研究开始，国内学者陆续对平行系统理论的概念、内涵及延伸进行了 研究。王飞跃教授提出的平行系统理论，以人工虚拟系统理论为基础，结合计算 实验概念 A C P n0 ’1 1 ] 、A C P 方法体系对平行系统理论做了较为详细的论述，其中 A C P 方法包括人工系统 A r t i f i c i a lS y s t e m s n 2 ，1 3 1 、计算实验 C o m p u t