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第 23 卷第 6 期煤炭学报Vol. 23 No. 6 1998 年 12 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 1998 通风管理 FPVS 系统及其应用研究 张 巍 太原理工大学 摘要 应用新型数据库系统及先进算法语言, 研制出通风管理 FPVS 系统. 在通风网络解 析方面, 采用 通路法 及 节点邻接分支矩阵余子式法 ,取得了很好效果.该法与目前广 泛应用的 回路法 相比, 具有明显的优势. FPVS 系统在阳泉一矿等矿井中使用后, 运行正 常,输出结果准确,对安全生产和防止事故起到很好作用, 经济效益明显. 关键词 数据库系统 节点邻接分支矩阵 递阶层次结构 中图分类号 TD 726 随着煤产量增加, 开采深度加大和机械化程度提高,需要加大风量,形成多进风井多风机的复杂通 风系统,而通风管理跟不上,事故隐患不能及时发现, 所以事故不断发生, 不但严重危害职工的健康和 生命安全, 而且破坏正常通风系统, 使安全生产无法正常进行. 这是目前矿井通风中迫切需要解决的一 个课题.针对上述情况,笔者研制出一套通风管理计算机系统, 简称 FPVS 系统. 1 FPVS 系统组成及主要功能 11 FPVS 系统原理及组成 FPVS 系统是一种现代化的通风安全计算机管理和决策系统.该系统以管理科学、运筹学、计算机 技术、仿真技术、图论、信息理论和网络理论为基础, 它的主要任务是收集、整理、加工实测资料,计 算和分析数据和信息,把一些分散的、孤立的,表面看来无 关紧要的信息和数据, 提高到系统的有内在联系的水平上来. 它是辅助支持决策者的决策活动,具有智能作用的计算机软 件系统. FPVS 系统采用 FOXPRO 25[ 1]和 FORTRAN-77 等多语 言程序设计技术, 语言间实现数据通讯.FPVS 系统由主控模 块及 5 个子系统 即 VNS,YTSF,TFZ, HXW 及 YXJ 组 成. 主控模块采用汉字菜单提示,是这 5 个子系统的一个管 理程序. FPVS 系统组成见图 1. 图 1 FPVS 系统组成 Fig1 Components of FPVS system 12 FPVS 系统的主要功能 1 测定和调查资料的整理计算和存储 应用现代化的仪 表和设备,对矿井通风系统进行深入细致的调查和测定,取得大量的第一手数据和信息, 输入到 TFZ 子系统, 进行整理、计算和分析,然后按要求分别存入数据库或打印输出, 这是 TFZ 子系统的重要任 务. 收稿日期 1998-06-29 2 通风系统网络图的绘制和存储 启动HXW 子系统, 首先绘制矿井通风系统图;然后, 按图素 和一定的要求,绘制通风网络图,最后将 TFZ 子系统加工处理后的数据绘制到相关分支上去. 3 通风系统网络的解算和分析 将 TFZ 子系统和HXW 子系统处理后的图形数据和信息组成风 网图的相关参数, 输入到 VNS 子系统中,启动该子系统后,进行计算、分析和判断,得出通风正常时 期或灾变时期风网的数据信息, 分别存入有关的数据库和打印输出. 这是 VNS 子系统的主要任务. 4 信息的输出和上报 将 TFZ 和 VNS 两个子系统所处理后的数据和信息,以及调查所得数据汇 集起来, 按一定数学模型和逻辑关系,用计算机进行计算分析和判断, 得出反映客观世界的信息系统, 然后按照人们要求,输出这些信息. 这是 YT SF 子系统的主要任务. 5 通风系统方案的拟定分析和优化选择 首先根据调查、测定和加工处理后的数据和信息, 以及 安全政策的要求, 拟定出通风系统方案,输出到 YXJ 子系统, 它将定性和定量的各种因素所构成的复 杂系统,表示为有序递阶层次结构, 然后对决策的通风机系统方案进行排序,从而优化选择出最佳通风 机系统.这是 YXJ 子系统的主要任务. 2 VNS 子系统原理及主要功能 21 VNS 子系统的原理及组成 VNS 子系统是应用首创的 通路法 及 节点邻接分支矩阵余子式法 而研究出来的[2]. VNS 子 系统主要是解算和分析通风网络. 通路法的数学模型为 hpi pi- n j 1 kijRjqjqj- n j 1 kijpzj i 1, 2, ∀, n , 式中,hpi为第 i 条通路阻力调节量,Pa;pi为标准阻力, Pa;Rj为第j 分支风阻,Ns 2 m8;qj为第 j 分支风量,m3s;pzj为第j 分支自然风压, Pa;kij为通路矩阵第i 行第j 列元素. 节点邻接分支矩阵余子式数学模型为 AI A I,S AI - 1, 式中,AI 为矩阵;A 为节点邻接分支矩阵;I 为单位矩阵;S 为从始节点到末节点的通路. 该法与目前国内外采用的 回路法 及 回路矩阵 相比,优点是易于发现高阻力分支,不易出 错,运算速度快且输出结果准确. VNS 子系统是应用计算功能很强的 FORTRAN- 77 语言编写的, 采用模块结构设计.它由 4 个主 程序库和 2 个子程序组成. 这 4 个主程序是 风量自然分配、风量调节计算、技术经济参数的计算和分 析、火风压计算与分析. 22 主要功能和作用 在正常通风时期, 只调用其中 3 个主程序和 2 个子程序,即风量自然分配、风量调节计算和技术经 济参数的计算和分析, 就可对风网进行解算和分析,从而就可提出通风系统网络改进方法和途径, 并将 所得数据和结果, 换成文本文件,存入数据库中. 在灾变事故时期, 如火灾、瓦斯和煤尘爆炸时,则要调用火风压计算与分析,以及风量自然分配计 算两个主程序和相应的子程序,经过计算机解算和分析,便可得出风网中各分支风量、阻力和风流方 向.由此可看出风网中风流紊乱情况,从而可以采取稳定风流救人和救灾的措施. 3 HXW 子系统原理及主要功能 HXW 子系统是为绘制通风系统图和网络图而研制的[3].它提供一组图素和专用图块,用来构成图 607第 6 期 张 巍 通风管理 FPVS 系统及其应用研究 形.通过输入命令,就可调用这些图素和专用图块,从而自动地绘出所需要的图形来. HXW 子系统的功能和特点是 1 绘图速度快、质量好. 应用该子系统及专用模块后,极大地提高了绘图速度,从而节省了人力 物力, 同时提高了绘图质量. 2 图形输出极为便利.它可以在绘图机上绘出, 也可以在喷墨打印机或其它打印机上出图. 3 修改图形极为方便.矿井采掘工作的特点是工作地点经常移动.因此通风系统图和网络图也要 经常修改. 应用 HXW 子系统修改图形十分便利,且不留痕迹. 4 易于保存,不变质、不损坏,携带十分方便. 4 YXJ子系统原理及其功能 41 通风机系统方案的拟定及风网解析 首先, 根据某一时期的开采计划和通风状况, 以及通过调查研究所得的矿井通风有关参数,综合起 来,拟定出经济合理、安全可靠和技术可行的若干个通风机系统方案.其次, 应用 VNS 子系统对以上 拟定的通风机系统方案分别进行风网解析,得出各通风机系统方案的技术经济指标和通风机运行参数. 42 通风机系统方案评判指标的确定 按照技术可行、经济合理和安全可靠的原则, 提出 12 项参数作为评判指标,即矿井风压、矿井风 量、矿井等积孔、矿井风量供需比、矿井通风方式、通风机功率、通风机效率、吨煤主要通风机电费、 通风井巷工程费、通风机运转稳定性、用风地点风流稳定性和矿井抗灾能力.根据各方案通风系统网络 的模拟计算结果中所得出的通风机运行参数和通风技术经济指标,按照一定数学模型,可求出各方案的 评判指标的数值. 43 建立通风机系统优化递阶层次结构[4] 根据影响通风机系统的因素,以及最终所要解决的问题,建立通风机系统优化的递阶层次结构如图 2所示. 图 2 通风机系统优化递阶层次结构 Fig2 Optimal progressive level structure of fan system 608煤 炭 学 报 1998年第 23 卷 44 优化选择通风机系统最佳方案 应用AHP 法把一个复杂问题表示为有序的递阶层次结构, 统一处理决策中的定量与定性的因素, 然后对拟定方案的优劣进行排序,从而选出最佳通风机系统. 1 构造判断矩阵 根据通风机系统递阶层次结构图及评判指标值构造判断矩阵.其数学模型为 AW maxW, 式中,A 为判断矩阵;W 为特征向量,W W1,W2,∀,Wn T; max为最大特征根. 2 层次总排序 层次总排序就是依据判断矩阵计算结果, 将通风机系统优化递阶层次结构图 见 图 2 中的方案层相对于目标层进行总排序.经过排序后, 排在第一名的方案,就是最佳方案. 5 FPVS 系统在矿井通风管理中的应用效果 51 应用 HXW 和 VNS 子系统绘制和解析风网 按照通风网络原理,应用 HXW 绘图子系统及 HP 绘图机,绘制了阳泉矿务局一矿通风系统图及通 风网络图. 阳泉一矿通风网络图有 87 条分支, 50 个节点, 2 台通风机, 45个调节点,40 个固定风量分支,在 486 微机上,应用 VNS 子系统解析风网, 计算运行时间,只用 50 s 就得出准确结果.说明该子系统解 析风网是十分良好的. 52 应用 YXJ 子系统优选出最佳通风机系统 大屯姚桥矿现有 3台通风机同时运转,担负全矿通风任务. 由于产量和工作地点的变化, 现有通风 机系统已不能满足生产通风的要求, 经过调查分析及初步方案设计, 有 3 种通风机系统方案都可以满足 生产通风要求.这次应用 YXJ 子系统对 3 种通风机系统方案进行优化选择,最后得出第二方案是最佳 通风机系统方案, 该方案不但能满足生产通风的要求, 而且风量大, 年电费也最小. 53 应用 FPVS 系统改造矿井通风系统 应用 FPVS 系统, 在晋城矿务局古书院矿通风系统改造中,优化选择出最佳通风系统为两翼对角式 通风系统, 采用该系统后, 消除二水平的对角风路,形成东、西两翼独立通风, 从而大大地降低了通风 阻力, 增加了风量. 6 结 论 1 通风管理 FPVS 系统首次采用目前国内外流行的 FOXPRO 25 关系型数据库系统. 使 FPVS 系统具有快速、灵活、精确、界面友好、智能型的人机对话及功能强的特点. 2 FPVS 系统中首创了数学模型 通路法 及 节点邻接分支矩阵余子式法 .这些模型与 回 路法 及 回路矩阵法 相比, 具有易于发现高阻力分支, 不易出错, 运算速度快及输出结果准确等优 点. 3 FPVS 系统能绘制矿井通风系统图及网络图. 不但极大地提高了绘图速度,而且质量有很大提 高.此法另一优点是用汉字标识文本.国内外很多通风管理软件,只能用英文标识文本. 4 FPVS 系统首次采用YXJ 子系统,将定性及定量的众多复杂因素, 归纳为递阶层次结构, 通过 计算分析和智能型的判断, 对决策方案的优劣进行排序,得出正确合理的结果. 这是其它方法难以解决 的. FPVS 系统分别在晋城矿务局古书院矿、阳泉矿务局一矿和大屯煤电公司姚桥矿实际使用中取得了 很好的效果. 不但改进了通风系统, 提高了安全性,加强风流稳定性, 降低了通风阻力, 增加风量,而 且取得了明显的经济效果. 609第 6 期 张 巍 通风管理 FPVS 系统及其应用研究 总之,FPVS 系统为通风管理提供了一种新思想、新方法, 具有创造性、先进性及实用性. 这个系 统可在全国各大、中型矿井的通风管理中推广应用,可使通风管理水平上一个新台阶. 参考文献 1 焦小明. FOXPRO 25. 北京 海洋出版社, 1991. 157 206 2 谭国运. 矿井通风网络分析及电算方法. 北京 煤炭工业出版社, 1991. 121 139 3 George Omura. AUT OCAD 12 从入门到精通. 北京 电子工业出版社, 1994. 148 227 4 谭允祯. 矿井通风系统优化. 北京 煤炭工业出版社, 1992. 75 94 作者简介 张 巍, 男. 1986 年毕业于太原工业大学. 现从事结构工程及计算机方面的教学与科研工作. 发表论文多篇. 山西 省太原市太原理工大学土木工程系, 邮政编码 030024. RESEARCH ON FPVS SYSTEM OF VENTILATION CONTROL AND ITS APPLICATION Zhang Wei T aiyuan University of T echnology Abstract The FPVS system of ventilation control has been developed by making use of new data base and advanced algorithm language. In the analytical ventilation network, the passage and the com plementary divisor of the branch matrix of the adjoining node are adopted for the first time, and the effect of the system is proved very good. The is more excellent than the circuit . The system was introduced to Yangquan No1 Mine and so on, and now it operates well and the output is accurate. It helpes to improve safety in production and prevention of accidents. Remakable economic benefit is obtained. Keywords data bank system, the branch matrix of the adjoining node, progressive levels structure 610煤 炭 学 报 1998年第 23 卷