矿井通风仿真系统2.0综述.pdf

S u p p l S e p t e m b e r 矿业快报 E X P R E S SI N F O R M A T I O N O FM I N I N GI N D U S T R Y 增刊 2 0 0 4 年9 月 矿井通风仿真系统2 ．0 综述 刘剑 i Z 宁工程技术大学 摘要介绍了矿井通风仿真系统2 ．0 的主要功能，详细论述了矿井通风仿真系统的理论 依据及算法。通过现场工业试验，论讧了仿真结果的可靠性。与国外同类产品进行了综合比较。 关键词矿井通风；仿真；拓扑关系；算法；M V S S 2 ．0 ；通风网络 矿井通风仿真系统亦称M V S S l ．0 版本由辽 宁工程技术大学与金川有色金属公司合作开发研 制，并于2 0 0 2 年获国家安全生产监督管理局首届 由科技成果一等奖。M V S S 2 ．0 是国家十五攻关 课题“矿井通风系统安全可靠性评价和决策技术 研究2 0 0 1 B A 8 0 3 8 0 4 1 5 ”的主要研究内容，并于 2 0 0 4 年4 月2 9 日通过了科技部和国家安全生产 监督管理局联合组织的项目验收。 1 主要功能‘ 1 模拟通风网络拓扑关系变化情况，如风 井、巷道的增减。 2 模拟井巷断面大小、形状、支护方式、局 部堵塞等变化。 3 模拟地面主扇及其工况、模拟井下机站 的位置及其工况。 4 确定矿井通风网络按需分风的优化调 节。 5 自动绘制矿井风网平衡图，并在此图上 通过标色板图示进风区、用风区、回风区、温度、湿 度、C H ．、C O 、C O 等参数。 6 自动识别并彩色图示通风网络的全部角 联结构，自动确定并图示那条风路是角联风路，影 响角联风路的关联风路和构筑物有哪些。 7 模拟矿井的最大通风能力；仿真通风系 统可靠性、灵敏性，并据此对通风系统组成元件进 行分类管理。 8 自动生成通风系统自然分风误差分析报 告、多风机联合运转相互影响分析报告、通风系统 综合分析报告、通风系统调节位置与调节量是否 合理分析报告、自然风压影响分析报告。上述功能 的实现建立在仿真系统强大的可视化基础上，特 别适合现场工程技术人员使用，无需掌握通风网 络及计算机专门知识。在屏幕上操作矿井通风系 3 4 统的各种变化方便自如，如擦除巷道、新添巷道、 拆除风门、增添风门、移动机站位置等等，各种系 统及参数改变后，通风状况的变化立刻显现。 2 理论与算法简介 1 拓扑关系自动建立与管理。网络解算最 繁杂的一项工作就是建立网络的拓扑关系，给风 路编号及其对应的始末节点编号。M V S S 2 ．O 提出 并实现了通过分支、节点、风流方向、构筑物、风机 等对象的物理地址映射通风网络的拓扑关系，通 过管理具有绑定关系的对象之问相互发送的消息 实现了拓扑关系的自动建立与管理。 2 固定半割集条件下的按需分风。按需分 风固定风量分支个数应小于或等于，z 所 1 个， 其中，z 为分支个数，m 为节点个数，并且要求G E ’仍为连通图，其中G 为参与网络解箅的连通 图，E ’为固定风量分支集合。如果E ’是网络的一 个半割集，则G 被E 。切割成两个子连通图，新井 设计由里向外分风基本都属于这种情况。 』椰S 5 2 ．o 的解决方案是，采用通路法使含有半割 集E ’的网络风量达到预平衡，然后对G E ，进行 自然分风。 3 风网平衡图自动绘制算法。所谓风网平 衡图 亦称风网特征图 就是通风网路中的每一条 风路用一矩形框来表示，矩形框的宽等于该风路 的风量，高等于该风路的阻力，矩形面积等于该风 路的功耗。将各矩形框按网路的拓扑关系排列起 来，构成一风量阻力平衡图。图中的横线对应网路 的节点叫作节点线；竖线对应回路叫作回路线；切 割特征图的垂直线称为通路线；切割特征图的水 平线称为割集线。M V S S 2 ．o 采用最小风量为搜索 策略的深度优先搜索法实现了风网平衡图的自动 绘制。该方法目前尚存在一些问题，立体网络自不 必说，即使是平面网络有时也存在着分支对应的 刘剑矿井通风仿真系统2 ．0 综述2 0 0 4 年9 月 矩形块被切割的问题。 4 角联结构自动识别。通风系统稳定性的 问题核心是角联结构问题，在优化机站位置和调 节位置时，配合灵敏性的计算会增加机站的效率 以及构筑物的调节效果。M V S S 2 ．o R 用有向图通 路集合运算法，该法不仅能够识别哪一条风路是 角联风路，而且能够给出影响角联风路的关联风 路等角联结构七元组。 应当说在无向图下确定网络的全部角联结构 对分析通风系统更具有普遍性和实用价值。文 献[ 1 ] 给出了角联风路的广义定义，并研究证明了 角联风路仅取决于网络的拓扑关系，而与通风系 统参数无关；角联风路本身具有不稳定的特性，但 是网络中存在角联结构会增加网络的整体稳定性 和可靠性，降低风路的灵敏性。目前无向图下的角 联结构算法尚未解决。 5 矿井通风系统可靠性仿真。应用最广的 通风网络可靠度的算法是基于不交化最小路集的 方法，但是该方法在网络规模很大时计算量太大， 不适合计算大型复杂通风网络，M V S S 2 ．o 提出并 实现了适合计算大型复杂通风网络可靠度的“基 于截断误差理论和网络简化技术的不交化最小路 集算法”，记为E S R 算法。使通风网络的可靠性计 算问题由理论研究阶段转化到实际应用阶段成为 可能。 通风系统可靠性计算与机械、电子、航天等传 统舶可靠性相比其特点在于“其它系统”的可靠 性计算最终归结到计算一个可靠性网络上，而“通 风系统本身是网络”，“通风网络”是“求可靠性的 系统”，但它不是计算可靠性的网络，要从带有通 风动力和构筑物的通风网络上再导出第二个计算 可靠性的网络。而国内外目前所有文献都是把通 风网络作为可靠性计算网络。 6 通风网络最大流算法。常用的最大流算 法有F o r d F u l k e r s o n 法、E d m o n d s K a r p 法和 D i n i c 法。M V S S 2 ．0 采用的是独立通路法，该方 法的最大极限复杂度是O 行一m 2 * 优一 1 ，比D i n i c 法的复杂度O r a 2 ，1 小一个数量级。 独立通路法确定网络的极值流，就是利用找独立 通路的思想来找增广路，独立通路与增广路具有 类似的特征。找独立通路时每次至少有一个前面 通路所没有出现的分支，找增广路时每次至少有 一个分支达到饱和。从网络的源点开始进行寻边， 找分支的可增广量为最大的出边，将该出边的末 节点作为新的寻边始节点，继续找可增广量最大 的出边，该搜索过程一直到所寻找的分支的末节 点为网络的汇点为止，一条增广路即一条通路确 定完毕，将该通路中分支的最小增广量作为通路 的增广量对通路的各分支进行增广。增广后至少 有一条分支达到饱和，删除饱和分支用导出的网 络继续找新的增广路并增广。 7 单向回路问题的解决。波兰科学院的 W E N T G R A F 系统目前已在全波兰7 0 ％的矿井 推广应用。但是，却不能解算金川二矿区的通风网 络。说明该软件在算法上存在一定的局限性，研究 表明，二矿区采用多级机站通风方式，井下大量存 在循环风现象，即有单向回路。而包括W E N T G R A F 在内的网络算法都没有涉及单向回路问 题。M V S S 2 ．o R 用人工智能理论中的深度优先和 宽度优先搜索技术，解决了含有单向回路的回路 矩阵、通路矩阵、树等网络拓扑关系算法，该算法 适合任何网络。 8 初值问题与扇风机特性曲线拟合次数。 初值是各种近似数值方法所要求的，利用人工智 能方法，解决了人工赋初值问题，为软件在现场的 推广应用提供了一种手段。 以前人们利用二次抛物线的右侧上半部分来 模拟扇风机正常工况附近的特性曲线，但是计算 机在进行迭代运算时，并不能保证初值或迭代值 总是落在正常工况附近。迭代时一旦偏离将会造 成工况点落在抛物线的左侧，结果造成网络解算 假收敛。采用扇风机特性曲线5 次拟合，较为真实 地模拟包括风流逆转在内的扇风机各种可能工 况，避免了网络解算假收敛。 9 通风系统优化调节。M V S S 2 ．0 提出并实 现了基于最小调节功耗的网络优化调节通路法， 其本质就是以最大阻力通路为基准，调节次最大 阻力通路。次最大阻力通路调节后，对尚未调节的 通路进行重新排序，再对未调节的最大阻力通路 进行调节，此过程一直进行到不再有可调节的通 路为止。风路划分为优先调节、可以调节、不宜调 节及不可调节等4 个调节等级，在一条通路上当 有多个可调风路时，配合风路的灵敏性计算和可 靠性分析，通过人机对话可干预调节风路的选择。 为科学、合理、经济、安全、稳定、有效地选择地面 主扇工况，优化井下机站位置和工况、优化调节位 置和调节量、优化井巷布局等提供了更为有效的 理论方法和手段。 3 5 增刊矿业快报2 0 0 4 年9 月 3 仿真结果的工业试验 仿真结果是否与实际情况吻合，制定的方案 是否可行，尤其是涉及数百万甚至数千万的改造 投资时，这种疑问就更为突出了。所以在正式使用 仿真系统之前，必须进行工业试验，以验证仿真系 统的可靠性，消除现场及有关部门对仿真结论的 疑虑。M V S S 在金川二矿区做了包括机站的风 机开启与停机、单机运转和双机并联运转、风门的 完全打开和关闭，等共计6 4 个单项试验，实验表 明仿真结果与实际情况非常吻合。如T B 6 风机 站正常运转实际风量是2 5 ．0 1m 3 ／s ，仿真值是 2 6 ．3 2 m 3 ／s ，模拟停机风量是一7 ．5 9 m 3 ／s ，实际停 机风量是一6 ．9 9 5 m 3 ／s f1 1 9 8 东联络道风门正常 关闭状态实际漏风3 ．6 9 7 m 3 ／s ，模拟漏风3 ．4 1 1 9 m 3 ／s ，风门打开后模拟风量是1 7 ．9 4 9 8 m 3 ／s ，实测 值为1 7 ．8 0 5 m 3 ／s 。全部单项试验误差均小于5 ％。 4 与当前国内外同类技术的综合比较 M V S S 2 ．0 与代表2 0 世纪9 0 年代国际领先 水平的波兰科学院的W E N T G R A F 系统的综合 比较见表1 。 表1M V S S 与W E N T G R A F 综合比较表 比较内容M V S SV e r 2 ．0W E N T G R A F 固定半割集下的按需分风雾蛊蓊舞蛩另薯路法解决网络预平衡，对导专网络进行自然釜喜曼譬焉矮裂驾黼霜譬实现真 通风网络拓扑关系自动建立与管理人工建立与管理 网络优化诃节基于最小功耗的通路法 舞翕蚕星余支调节、线性规划法和非线 多级机站通风仿真由于解决了单向回路的算法，可以进行多级机站通风仿真不能解算多级机站通风网络 风机特性曲线5 次拟合 5 次拟合 可视化 ．W i n d o w s 下的可视化，风机，巷道，构筑物等均实现了可视化D O S 环境下的可视化 通风系统稳定性 墨嘉磊合分支层次功能实现有向图的角联结构 七元组 自无类似功能 通风系统灵敏性有此功能，应用于巷道和构筑物分类 无此功能 风网特征图 平衡图系统提出了其概念、性质、功能、用途、绘制算法无此类研究 网络自动简化 釜孚霁霎蓦集僦自动简化’在计算时不作任何简化 保进行人工简化 迭代计算初值不需要人工处理 不需要人工处理 通风网络最大流提出了独立通路法无此功能 单向回路 提出了单向回路的概念及相关算法，适用于任何通风网络 甭砦蕞蓄矿适用多级机站等有循环风 白快圃瑶给出巷道的干湿温度和大气压以及节点标高，然后自动进行给出巷道的干湿温度和大气压以及节点 目确 4 自然风压计算，采用的公式W E N T G R A F 要好些 标高，。瓢后自动进存百蘸风庄计算一⋯ 反风仿真与分析有此功能有此功能 自动生成各种分析报告 自动生成误差分析报告、仿真结果分析报告、扇风机相互影响 分析报告、系统调节合理性分析报告、t l 然风压影响分析报告无此功能 等各种分析报告 矿井火灾时期风流状态仿真无此功能 嚣贪嘉襞纂嘉羹统很好地实现了火灾时 参考文献 [ 1 ] 捌 捌，贾进幸，郑丹著．漉体同络理论[ M ] ．煤炭工业出版 社，2 0 0 2 ．9 ． [ 2 ]N i k o d e mS Z L A Z A K ，L I UJ i a n ．N u m e r i c a lD e t e r m i n a t i o n o f D i a g o n a lB r a n c h e sI nM i n i n gV e n t i l a t i o nN e t w o r k s ． A R C H ⅣE SO FM I N I N GS C I E N C E S ．1 9 9 8 4 ． [ 3 ]贾进幸，马恒，羽钏．基于灵敏度的通风系统稳定性分 析c J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 2 4 ，E 1 0 2 4 9 7 2 5 5 7 7 6 ． [ 4 ] 捌 制。贾进丰，彝 丹．基于独立通路思想的风同平衡田 绘制数学模型研兜[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 2 ． E 1 0 3 2 5 7 5 1 4 4 8 9 ． [ 5 ] 羽 纠，贾进幸，捌．} ．用独立通路法确定矿井通风同络 的极值泷[ J ] ．辽宁工程技术大学学报．2 0 0 3 4 ． 3 6 E 1 0 3 3 5 7 6 1 6 1 2 9 [ 6 ] 羽新，贾进章，划纠．广义角联站构研究[ J ] ．辽宁工程 技术大学擎报，2 0 0 3 4 ． [ 7 ] 倪景峰，刘 铡，贾进章．矿井通风乐统可视化程序设计 ．口] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 3 4 ，E 1 0 3 3 5 7 6 1 6 1 4 2 ． [ 8 ] 捌剑．贾进章，邦丹．基于无向图的角联结构研究口] ． 煤炭学报，2 0 0 3 6 。E 1 0 4 0 2 7 8 1 4 6 0 4 ． [ 9 ] 捌捌，贾进章．通风网络舍有单向田路时的通路算法[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报，2 0 0 3 6 ． [ 1 0 ] 羽创，贾进章，郑丹．多扳机站通风方式中的单项回蓐 问题口] ．有色金属，2 0 0 4 1 ． 作者简介刘剑， 1 9 6 1 - - ，教授，博士生导师，辽宁工 程技术大学资源与环境工程学院，辽宁省阜新市．