矿井通风网络三维仿真与优化系统的开发.pdf

[收稿日期] 2009 - 03 - 06 [作者简介] 陈海林1984 , 男,江西高安人,江西理工大学机电学院2007级在读硕士研究生,研究生期间主要从事 CADΠCAM及机械设计与仿真方面的研究。 矿井通风网络三维仿真与优化系统的开发 陈海林,罗乐平,匡永江 江西理工大学 机电学院,江西 赣州 341000 [摘 要] 系统采用可视化对象编程语言VB6. 0和SQL Server2000数据库技术,结合SolidWorks 三维软件,实现矿井通风网络3D图绘制;并通过调用一个用Fortran语言编写的通风网络解算模 块,实现通风网络解算功能;同时,系统允许用户设置多个通风方案,通过风网结算结果比较,选 择最优方案。为矿山进行有效地井下通风调节和通风网络改造,提供了有力的安全保证。 [关键词] 矿井通风;三维仿真;优化 [中图分类号] TD 72 [文献标识码] A [文章编号] 10052031020090320048205 Development of Optimum System and 3D Simulation for the Mine Ventilation Network CHEN Hai2lin , LUO Le2ping , K UANG Y ong2jiang JiangXi University of Science and Technology ,Ganzhou Jiangxi 341000 , China Abstract By means of visible object programming language VB610 and SQL Server2000 data bank technology , and SolidWorks 3D Simulation software , the system could plot Mine ventilation network 3D graphic ; and could also calculate ventilation network through transferring a module of ventilation network calculation with the Fortran language compila2 tion ; At the same time , the system made it possible for users to establish many ventilation plans to in order to choose the best one after comparing the results of ventilation network. It has provided a powerful safe guard against risks in mine ventilation adjusting and ventilation , and network alteration. Key words mine ventilation; 3D simulation; optimize 1 前言 据国家安全监管总局调度统计司统计,2006 年,在全国21个省市非煤矿山发生3～9人的重大 事故中,有16个省市发生过因无机械通风、 未启用 通风设施或通风时间过短等造成的中毒窒息事故。 全年共发生此类事故33起,死亡114人,占2006年 非煤矿山重大事故起数和死亡人数的4416 和 4118 [1] ,问题非常突出。 笔者通过对某大型露天铜矿井下通风网络的 实际考察,结合矿井通风网络实际构成,研究开发 了集三维仿真与通风网络合为一体的矿井通风网 络三维仿真与优化系统,真实再现了矿井通风网络 的实时状况,便于对矿井通风系统进行适时分析和 评价,对矿山的通风与安全工作有重要的指导意 义。 2 矿井通风网络三维仿真系统的设 计 通风网络的三维仿真是在SolidWorks环境下进 行的二次开发 [2] ,利用拉伸、 扫描、 旋转等方法建立 矿井通风网络的三维仿真模型,实现矿井通风网络 图自动生成和通风参数的自动标注。矿井通风网 络的分支巷道包含溜井、 斜井、 分支巷道三类,为了 2009年9月 第23卷第3期总77期 北京联合大学学报自然科学版 Journal of Beijing Union UniversityNatural Sciences Sep. 2009 Vol.23 No.3 Sum No.77 建模方便,根据分支巷道走向的不同,又将其分为 平行x轴巷道、 平行y轴巷道和任意走向巷道。 表1 巷道建模方法及流程表 巷道类型截面形状3D草图截面草图平面建模方法建模流程 溜井圆形过S平行xoy拉伸画圆截面草图 → 判断拉伸方向 → 拉伸 斜井圆形SE过S垂直SE扫描建截面草图平面 → 画圆截面草图 → 扫描 平行x轴三心拱过S平行yoz拉伸 平行y轴三心拱SE过S平行xoz拉伸画三心拱截面草图 → 判断拉伸方向 → 拉伸 任意方向三心拱过S垂直扫描建截面草图平面 → 画三心拱截面草图 → 扫描 211 矿井通风网络巷道建模方法和流程 在SolidWorks环境里,可以采用拉伸或扫描的 方法生成各种巷道实体。其中拉伸法速度快,但要 判断实体拉伸方向,即巷道的走向;扫描法不需要 判断巷道的走向,但生成巷道实体的速度慢。各种 巷道的截面形状、 截面草图平面、 建模特征、 建模流 程如表1所示。 212 巷道截面形状、 草图平面和草图坐标的确定 依据现场实际情况,分支巷道用三心拱形截 面,溜井和斜井都用圆形截面,如图1所示。S为巷 道始节点,E为巷道末节点。两种截面参数在建模 初始时已经确定。所有巷道的实体模型,都是根据 其截面形状和始末节点的三维坐标来建立。 图1 两种截面及其三维模型 对于不同类型的巷道,在SolidWorks环境下,针 对系统坐标系,需要创建不同类型的截面草图平 面,溜井草图平面 过S平行xoy ,斜井草图平面 过S垂直SE、 平行x轴中段草图平面 过S 平行yoz ,平行y轴中段草图平面 过S平行 xoz ,任意方向中段草图平面 过S垂直SE。垂 直空间直线SE,过点S创建的二维草图平面符合 视向变换原则。这些平面均属于SolidWorks的参考 基准面。 在SolidWorks三维环境中,参考基准面创建以 后,其观察坐标系定义规则为以点S为原点,向量 SE为z轴,面向z轴方向,y轴竖直向上,x轴水平 向右,符合左手规则的笛卡尔坐标系,因此在二维 草图平面上,可直接根据截面参数绘制截面草图。 圆形截面0 ,0 ,0为圆心,R为半径;三心拱形截 面各点坐标如上图2所示。各坐标参数为 P1x1,y1,z1 H1,0 ,0 , P2x2,y2,z2 H1,H2,0 , P3x3,y3,z3 0 ,H3,0 , P4x4,y4,z4 -H1,H2,0 , P5x5,y5,z5 -H1,0 ,0 图2 三心拱截面坐标草图 213 两分支巷道接口问题的研究 在进行分支巷道的三维建模时,两巷道间会留 有一个缺口,其大小由这两条巷道的夹角决定。对 此,采用旋转建模方法,以巷道端面为绘制二维草 图平面,以其轮廓为草图,绕中心线旋转一周,即可 填补。 214 矿井通风参数自动标注的方法研究 在SolidWorks中利用添加注释的方法来实现通 风参数的标注,主要的通风参数均以文本的方式显 示在通风网络三维仿真图上。为了便于观察,通风 参数在空间上跟随风向箭头。如图3所示。 215 SolidWorks2006插件的开发 本文研究的矿井通风网络三维仿真系统的开 发是采用Visual BasicVB完成的。同样,矿井通风 94第23卷第3期陈海林等矿井通风网络三维仿真与优化系统的开发 图3 局部效果图 三维仿真的SolidWorks插件开发也是使用VB来进 行的。 1 开发前的准备工作 启动VB ,新建一个ActiveX DLL项目工程。添 加三个必要的引用“SolidWorks exposed Type Librar2 ies For add2in Use“SolidWorks插件库文件、“Sld2 Works 2003 Type Libray”SolidWorks库文件、“Solid2 Works Consant Type Libray”SolidWorks常数库。 修改工程资源管理器中类模块CLASS1的名 称为 “Application”,工程1修改为 “jcexp”,并储存项 目为 “jcexp” 。设置工程 “jcexp” 属性。 2 变量及函数的定义 双击类模块 “Application”,打开代码窗口输入 下列内容 Implements SWPublished1SwAddin Dim iSldWorks As SldWorks1SldWorks Dim iCookie As Long Dim iT oolbarID As Long Dim swApp , ModelDoc , Feature As Object 点击代码窗口上的 【通用】 选择 “SwAddin”, “ConnectT oSW” 和 “DisconnectFromSW”,程序会自动 产下面两个函数 Private Function SwAddin -ConnectT oSW ByVal ThisSW As Object , ByVal Cookie As Long As Boolean End Function 与 Private Function SwAddin -DisconnectFromSW As Boolean End Function 3 建立与SldWorks链接关系 实现了插件与SolidWorks的连接,并在Solid2 Works菜单栏上创建一个主菜单 “矿井通风网络三 维仿真模块” 及 “显示Π 隐藏特征树” 等6个子菜单。 4 各子菜单功能的开发 在这里以子菜单 “巷道参数Π 属性查询” 的开发 为例进行阐述。定义子菜单的函数有7个参数,其 中第5个参数也是一个函数,子菜单的功能就是由 它来决定的。子菜单 “巷道参数Π 属性查询” 的功能 函数 “DocPART-Item3” 的代码如下 Public Function DocPART-Item3 frmPipeCheck1Show End Function 该函数只一条代码,为显示 【巷道参数Π 属性】 对话框。插件为用户使用该对话框获取巷道的参 数Π 属性设计了三种方式 ①对话框打开时列出用户已选定的巷道的参 数Π 属性,如用户在对话框打开前未选定巷道,则不 列出信息。 ②用户打开对话框后,通过输入巷道编号回 车获取相应巷道的参数Π 属性。 ③用户打开对话框后,在特征树里选定巷道, 然后单击按钮 【获取巷道参数Π 属性S】 来获得相 应信息。 其功能实现的程序代码在此不予列出。 5 断开插件与SolidWorks连接 当希望在SolidWorks的环境中不显示菜单 “矿 井通风网络三维仿真模块” 及其子菜单时,就需要 断开其与SolidWorks连接,具体操作方法为在 SolidWorks菜单栏上先后选择 【工具T】→ 【插件 D】 弹出插件管理对话框,去掉 “jcexp” 前面的 “√ ” 。 要实现上述功能需在函数 “DisconnectFromSW” 添加相应的代码,如下 Private Function SwAddin -DisconnectFromSW As Boolean Dim bRet As Boolean bRet iSldWorks1RemoveMenu swDocPART, “矿井通风网络三维仿真模块”,“” Set iSldWorks Nothing SwAddin-DisconnectFromSW True End Function 3 矿井通风网络解算及优化功能的 设计及实现 系统通过VB控件调用一个用Fortran语言编 写的通风网络解算模块 [3] 实现通风网络解算功能, 05北京联合大学学报自然科学版2009年9月 在系统模块中主要是通过解算原始数据和通风网 络解算两个模块实现。 通风网络的优化功能主要是利用系统设置模 块中方案设置子模块实现的,系统允许设置多个通 风方案,并对多个通风方案进行独立的通风网络解 算和三维仿真,根据通风网络解算和三维访真的结 果比较,选择最优实施方案,实现了通风方案的优 化功能。 4 系统主要功能模块及其功能介绍 411 系统功能模块图 系统主要功能模块为系统维护、 系统设置、 通 风网络3D图、 解算原始数据、 风网解算、 报表输出、 用户管理和帮助等8个模块,如图4所示。 412 主要功能模块介绍 41211 系统维护模块 主要为数据库数据和三维图形文件的备份与 恢复,用户能够对整个系统的数据进行备份并将储 存为一个数据文件,在必要的时候如系统遭到损 坏或计算机瘫痪时候 , 可以将系统数据和三维图 形文件恢复到备份时的状态。从而避免不必要的 损失。 图4 系统模块图 41212 系统设置模块 是实现通风方案优化的主要模块,可以在原始 方案的基础上设置多个通风改造方案,通过风网解 算结果比较,选择最优方案。 41213 通风网络3D图模块 该模块为本系统的重要模块之一,主要实现井 下通风巷道网络的三维图形的建立等,各子模块功 能如下 1 图形参数录入主要包括节点参数编辑、 巷 道参数编辑和作业面参数编辑。实现节点数据、 巷 道数据和所属作业面数据的录入、 修改、 删除、 查 询;若用户录入操作错误不符合数据输入原则 时,系统自动报错。 2 通风设备设置即通风构筑物的添加、 修改 和删除。为多方案的设置和优化提供了方便,可以 预览添加效果。 3 图形参数查询数据查询功能分一般查询 和高级查询两种模式,以实现不同用户的不同查询 需求。 4 创建风网3D图可以在不同的方案中,选 择各个中段局部或矿区整体,实现通风网络3D图 的绘制。 5 创建通风构筑物在确定的方案中设置通 风构筑物。 6 标注通风参数可选择不同的巷道或整体 风网图标注通风参数。 7 浏览风网3D图可以方便浏览已绘制的各 中段或整体风网3D图。 41214 解算原始数据模块 该模块主要为实现通风网络解算进行数据准 备工作,包括自然风压计算、 风路参数录入、 风机参 数录入、 创建原始数据文件、 解算原始数据查询五 个部分,分别介绍如下 1 自然风压计算自然风压是计算巷道风阻 和风量的基本参数,通过输入或修改入风井参数、 回风井参数和地表参数,计算出当前井下自然风压 值。 2 风路参数录入用户可以新增、 删除一条通 风回路,也可修改已有的通风回路的参数,还可以 进行简单的查询。 15第23卷第3期陈海林等矿井通风网络三维仿真与优化系统的开发 3 风机参数录入用户可以新增、 删除一个扇 风机,也可修改已有的扇风机的曲线特性参数,其 中在风机特性曲线上取点的点数一般为7 ,QY1 - 7 为在所取点的风量,而HY1 - 7为在所取的点 的风压。 4 创建原始数据文件因为通风网络解算功 能是通过调用一个专业的通风网络解算模块而实 现的,它在解算前需要一个名为DIN. DAT的数据 文件来实现解算功能,所以用户需创建这个文件并 设定相应的参数,如风网风路数、 节点数、 风机曲 线特性数、 计算精度等。 5 解算原始数据查询用户可以按风机编号 查到所要的风机参数;按始Π 未节点编号、 风路编 号、 巷道名称、 风量性质、 并联分支数、 有无风机等 查询相应的通风回路参数。 41215 通风网络解算模块 1 风网解算在系统平台上用户可以直接进 行通风网络解算简称风网解算 , 系统会显示解算 的进度。 2 解算结果查询适时查询不同方案的解算 结果。 3 风量自动诊断诊断各中段风量。 41216 报表输出模块 报表输出按报表类型可分为节点数据报表、 巷道数据报表、 解算原始数据报表和解算结果数据 报表。用户可以选择不同的方案和中段显示数据 报表,同时,还可以报表打印、 数据导出、 数据刷新、 显示缩放和页码导航,并可以根据需要选择不同的 导出数据格式,如Acrobat格式PDF、Excel、Word、 Rich Text、 文本文件等 41217 用户管理模块 基于数据和系统的安全考虑,系统设计了用户 管理模块。用户使用系统需要通过系统的身份确 认如同登录Win2000一样 , 这样系统将根据用户 使用的用户名和用户口令来确认用户是否为合法 用户及用户进入系统后用户所拥有的相应权限,用 户在使用系统所拥有的权限如何将由系统管理员 决定。一般来说,本系统的使用权限分三个等级 管理级、 执行级、 查询级。 该模块分为三个部分编辑用户、 修改用户名、 修改密码。 1 编辑用户添加、 修改、 删除系统用户,并设 置其在本系统担当的角色,赋于其相应的系统使用 权限。此项操作权限为系统管理员所有。 2 修改用户名、 用户密码用户可以自己修改 自己的用户名和用户密码。 41218 使用帮助模块 系统编制了详细的系统帮助文件,以使用户快 速、 方便、 熟练地掌握本系统的各项功能。 5 结束语 1 系统实现了矿井通风网络的三维仿真功 能,建立了矿井通风网络系统的三维中段巷道和整 个矿山井下巷道图形以及巷道参数自动标注图形 和文字。 2 系统通过VB控件调用一个通风网络解算 模块,实现了矿井通风网络解算功能,增强了解算 结果数据的易读性,实现了三维仿真与通风网络解 算一体化。 3 系统提供了多种方案的设置,通过风网解 算结果比较,选择最优方案。 [参考文献] [1] 李毅中.关于2006年安全生产情况和2007年工作安排的通报[R].北京国家安全生产监督管理总局,200723. [2] 江洪,李仲兴. SolidWorks2003二次开发基础与实例教程[M].北京电子工业出版社,2004. [3] 王海宁,吴超.矿井通风网络优化软件及其应用[J ].金属矿山,20047 62 - 64. 责任编辑 彭丹宇 25北京联合大学学报自然科学版2009年9月