矿井通风系统分析与优化研究.pdf

分类号T D 7 2 单位代码 安嵌理工大学 A N H U IU N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N D T E C H N O L O G Y 嘎士学位论文 论文题目 矿井通风系统分析与优化研究 作者姓名 学科专业 导师姓名 邱进伟 ～一～ 安全技术及工程 张同枢教授 完成时问 二oo 五年四月 矿井通风系统分析与优化研究 摘要 矿井通风系统分析与优化研究的当务之急是总结已有经验，完善并改进现 有矿井通风系统分析理论，应用一切先进的技术手段，实现矿井通风系统的智 能化和高效化。 本论文在对己有研究成果归纳总结基础上，将非结构模糊集系统理论、模 糊优选神经网络模型、矿井通风系统工程理论以及计算机技术交叉结合，应用 到矿井通风系统分析和优化研究之中。并在此基础上，研制开发了具有综合性、 通用性较强的矿井通风系统分析与优化软件，并以河南平顶山八矿为实验对象， 来验证软件的实用性和正确性。此项开发对于矿井通风系统分析及矿井通风系 统设计、改造以及优化将提供更加重要的应用价值。 关键词非结构理论；模糊优选；神经网络；优化；系统分析 矿井通风系统分析与优化研究 A b s t r a c t T h et a s ko ft o pp r i o r i t yo fs t u d yo fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi st os u m m a r i z et h ee x i s t i n ge x p e r i e n c ea n dt o i m p r o v et h ee x i s t i n gt h e o r yo fs y s t e ma n a l y s i so fm i n ev e n t i l a t i o n s y s t e ma n dt ou s ea l la d v a n c e dt e c h n o l o g i c a lm e a n st om a k em i n e v e n t i l a t i o ns y s t e mi n t e l l i g e n ta n dh i g h - e f f i c i e n t ． O nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ．N o t ．s t r u c t u r a lf u z z y s e ts y s t e mt h e o r y ，n e u r a ln e t w o r km o d e lo ff u z z yo p t i m u m ，s y s t e m e n g i n e e r i n gt h e o r yo fm i n ev e n t i l a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya r e c o m b i n e da n da p p l i e dt ot h es t u d yo f a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fm i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m ．T h e na c c o r d i n gt ot h et h e o r y , m o r ec o m p r e h e n s i v e a n dc o m m o n a b i l i t i v es o f t w a r e o fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fm i n e v e n t i l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d ．A tt h es a m et i m e ，r e g a r d i n gt h ee i g h t h m i n eo fH e n a nP i n g d i n g s h a na se x p e r i m e n t a ls u b j e c t st h ep r a c t i c a b i l i t y a n de x a c t n e s so ft h es o f t w a r ei sv e r i f e d ．T h i sd e v e l o pw i l lo f f e rm o r e i m p o r t a n tp r a c t i c a l v a l u ef o r a n a l y s i s ，d e s i g n s ，t r a n s f o r m s a n d o p t i m i z a t i o no fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ． K e yw o r d N o t - s t r u c t u r a lt h e o r y ；f u z z yo p t i m i z a t i o n ；n e u r a l n e t w o r k ；o p t i m i z a t i o n ；s y s t e ma n a l y s i s I I 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞徵理王友鲎或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名印盘修 签字目期埘年芗月艿日 学位论文版权使用授掇书 本学位论文作者完金了解塞搬獯姜太堂有保留、使用学 位论文酶规定，即研究生在棱设读学德期闽论文工作的知识产权单 位属于安徽理主大学。学校有叙瓣鳃游淘国寰莉美部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论麦被壹瓣和惜阚。本太授权塞缝堡三 太堂一可以将学位论文的金鼙磁部分海客鳊入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫撼荐囊制等壤保痞、汇编学位论文。 保 密的学位论文在解密后适用零搅投书， 学位论文作穗名簪科导髅壤溺蝴 签字日期≯姑年每月够习签字雕期滴噼缃高勺 矿井通风系统分析与优化研究 1 ．1 论文研究背景和意义 1 ．1 ．1 论文研究的背景“”。 1 绪论 矿井通风系统是由通风网络 包括风网中各条巷道及其风流、通风构筑物和 各类用风场所 、主通风机等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统。其 复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时变性和可维修性以及 系统各影响因素之间的强耦合性。由此容易随机产生大量影响煤矿井下正常通 风及安全生产的随机故障或事故隐患。 矿井通风的目的是为矿井各用风场所提供足够的新鲜风量，保证作业空间 良好气候条件，冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘等。而矿井通风状况的好坏， 在很大程度上直接影响到矿井的安全生产、矿井的经济效益、矿井的稳产和高 产及矿井灾害时期的应变能力等。因此，在矿井通风设计与生产期间，均应对 矿井通风系统的稳定性及可靠性进行分析。 矿井通风系统分析是对矿井通风系统的结构、功能、安全技术经济指标或 存在的问题，进行理论分析或实验研究，以便发现问题、找出疫结、进行评价 分析、并为寻求理想的方案和改进措旌提供理论依据。而矿井通风系统可靠性 就是满足矿井通风目的的可靠程度，具体包含两方碰含义一是指系统在规定 时间内保持正常运转功能，保证矿井安全生产；二是能够预防各类灾害性事故 的发生，在灾害发生后，具有极强的抗灾能力。 然而，由于煤矿自然条件非常复杂、影响矿井逶风系统的因素很多，以及 煤矿的安全管理水平以及计算机水平都较低。因此，把计算机技术应用到矿井 通风系统分析与优化中去，实现矿井安全生产的计算机化，这将对于煤矿的安 全生产做出很大的贡献。 1 ．1 ．2 论文研究的意义“ 矿井通风系统分析与优化研究的当务之急是在总结已有经验基础上，完善 并改进现有矿井通风系统分析理论，应用一切先进的技术管理手段，实现矿井 通风系统的智能化和高效化，使之真正成为保障煤矿安全集约化生产、永不停 息的大动脉。近年来，随着可靠性数学理论、模糊理论和系统优化理论等交叉 学科理论的发展，以及计算机技术、人工神经两络技术的普及提高，推动着系 统可靠性研究进入到了一个崭新阶段。 本论文以河南平顶山八矿为研究对象，通过对该矿现状、过渡时期以及二 水平三个不同时期的通风系统进行分析，了解了该矿通风系统使用情况，并获 矿井通风系统分析与优化研究 得的许多现场数据，在对己有研究成果归纳总结基础L ，将计算机技术、模糊 神经网络技术与现有的矿井通风系统工程理论交叉结合，应用到矿井通风系统 分析和优化研究之中。并在此基础上，研制开发了具有综合知识、通用性较强 的矿井通风系统分析与优化软件 简称M V S A 0 软件 。此项开发对于矿井通风系 统分析及矿井通风系统设计、改造以及优化将提供更加重要的应用价值。 1 ．2 国内外研究现状及存在问题 矿井通风系统分析与优化研究不仅涉及通风系统稳定性、可靠性分析及决 策优化的研究领域，而且还涉及到模糊理论。⋯、计算机技术、人工神经网络技 术I ⋯、系统工程理论等领域。现对研究内容所涉及的主要研究领域，国内外研 究现状及存在的问题作一回顾。 12 1 矿井通风系统分析在国内外的研究现状。埘。” 稳定性理论由俄国数学家李雅普诺夫创立的，二十世纪三十年代以来，稳 定性理论有很大发展，在自动控制，振动理论，系统工程方面有广泛应用。 国内外将稳定性理论应用矿井通风领域，主要是通过对网络分支的风流方 向问题的研究，主要的方法有线性方程法，井巷风阻比复合判别法和节点位势 法等。这些方法对于大型复杂网络的风流向判别比较困难，但随着计算机的普 及，网络解算程序的应用，问题就得到较好解决。但对于网络分支的风阻变化 规律及这种变化对于其它分支的风量的大小和方向影响，却没有得到很好的解 决。 可靠性理论作为一门独立的工程基础学科，于上世纪3 0 年代初率先在美国 形成，但是，在2 0 世纪6 0 年代，我国才首先在电子工业部门进行了可靠性工 程技术的开拓性工作。 对于可靠性研究，在国外，前苏联在这方面研究的较早，他们将矿井通风 系统的可靠性定义为矿井通飙系统在运转过程中保持其工作参数值的能力， 以维持井下所必须清洁风量的供应并将通风系统的失效按重要性分为三级 一级失效是指整个矿井失效，二级失效是指矿井的很大部分失效 一个煤层、一 翼、一个矿层 ，三级失效是指矿井的个别采区失效。他们所采用的评定方法主 要有结构法、模拟模型法、以及统计评价法等。 此外，在通风网络解算方面，各国的通风专家学者提出了许多理论上可行 的方法。在通风网络可靠度的不交和算法中，学者F o n g 等提出的改进算法是很 有效的；在文献中，作者引入了路径集中独立集的概念，使复杂、多路径的矿 井通风网络解算工作得以在计算机上实现，避免了传统节点遍历法造成的内存 空问不足问题。 在国内，我国矿井通风系统研究也是从八十年代开始的。北京理工大学、 矿井通风系统分析与优化研究 中国矿业大学、东北大学和辽宁工程技术大学等科研院校于现场实际相结合， 在矿井通风系统可靠性指标确定、通风系统可靠性基础理论研究、以及不确定 性环境下网络分风理论研究等方面都进行了有益探讨。以上研究在一定程度卜- 借鉴了机械、电子等领域的可靠性研究成果和结论。目前对矿井通风系统可靠 性进行的定性研究多，定量研究少，尚无一个统一的标准来衡量矿井通风系统 可靠性。其中定量研究主要成果大致有以下几部分 1 9 8 5 年，徐瑞龙教授应用图论和可靠性理论相结合的方式讨论了通风网络 的可靠度计算，为矿井通风系统的可靠性分析提供了一种定量判别的途径。文 中定义了风路和风网的可靠度，提出了用通路法和半割集法计算风网的可靠度， 以及用风网的灵敏度分析来找出影响整个风网的可靠度的关键风路，为矿井通 风系统的可靠性分析提供了依据。 1 9 8 7 年，赵永生教授提出了用逐步线性回归分析法求对网络影响最大的风 路。其基本研究思想是当要研究因变量q ，与自变量r 。 i l ，2 ，⋯，n 之间的相 互关系、并利用这种相互关系对因变量q 。进行预测和估计时，就可采用多元回 归的方法，把诸变量之间的相互关系用回归方程式表示出来。为了减少观测的 项目及减少计算工作量，人们通常并不把所有的自变量r ，和因变量q ，都建立在 同一个回归方程之中，而是把为数众多的可能影响预报量q 。的自变量r ．进行“筛 选”，找出最重要的因素，从而建立一个最优的回归方程。 1 ．2 ．2 模糊优化理论研究及应用现状⋯“’ 决策是人类社会活动中不可缺少的重要部分，是管理的核心。它涉及到人 类生活的各个领域。决策有狭义和广义之分。狭义地讲，进行决策是在几种行 为方案中进行选择。广义地讲，决策还包括在做出最后选择之前必须进行的一 切活动。广义上的定义，基本上把握了决策的含义。决策是指为达到一定的目 标，从两个以上的可行方案中选择一个合理方案的分析判断过程，即决策是决 策者经过各种考虑和比较之后，对应该做什么和应该怎么做所作的决定。在进 行决策时，需要有“目标”和“备选方案”两方面的因素。 模糊决策理论是一门将模糊数学与决策理论相结合的理论。模糊数学就是 用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学分支。模糊性的产生源于模 糊概念，所谓模糊概念是指有一定内涵但没有明确外延的概念。模糊性就是指 客观事物差异的不分明性。人们不能为迁就现有的数学方法而改变由于这些学 科的特点决定的客观规律，而只能改造数学，使它的应用面更为广泛，模糊数 学就是在这样的背景下形成的。模糊数学诞生于1 9 6 5 年，它的创始人是美国自 动控制专家扎德 L A ．Z a d e h 教授。他提出了“模糊”的概念“所谓模糊，是 指边晃不清楚，即在质上没有确切的定义，在量上没有明确的界限”。引入了“隶 属度函数”这个概念来描述差异的中间过渡，这是精确性对模糊性的一种逼近。 3 矿井通风系统分析与优化研究 隶属度函数的引入标志着模糊数学的建立，因为它是描述模糊性的关键。 1 9 8 8 年，陈守煌、赵瑛琪将系统分析与模糊集分析有机结合，提出了系统 层次分析模糊决策优选模型。其基本思想是根据系统可分性原理，将评价因 素按其属性分解为若干个分系统，然后逐一地对每个分系统进行方案集的模糊 优次评价，确定分系统中各个方案从属于模糊概念“优”的隶属度 称为优属度 再根据各个分系统中各个方案的优属度进行高一层次方案集的模糊优次评价， 如此由系统的最低层次出发，逐一地对每一层次进行模糊优次评价，最后可以 得到最优方案的优次排序。这一模型为解决水资源大系统多层次多方案的综合 评价问题提供了一条解决问题的新途径。为了分析此模型的特点，陈守煌提出 了多目标决策模糊优选逆命题的两种求解方法，并应用于丰满水库的防洪调度 决策中，给实现决策者的防洪调度决策意图带来方便。 1 ，2 ．3 计算机技术在矿井通风中应用现状及存在的问题 1 计算机在矿井通风中的应用现状 由于煤矿生产环境的复杂性和特殊性，计算机技术在矿井通风中的应用也 较晚，以前的研究大多数仅限于理论研究，但是，随着电子计算机的出现，矿 井通风网络分析中大量复杂的数值计算才成为可能，矿井通风网络理论才得到 迅速的发展和应用本世纪5 0 年代以前，各国学者就一直在研究通风网络的具 体算法，但都未得到实际的应用；5 0 年代末，计算机开始应用于矿井通风网络； 6 0 年代初，英、美、日、苏、德等国学者开始了计算机在矿井通风方砸的应用 研究；我国在7 0 年代中期也开始了网络解算方面的研究。 目前，在这一方面的研究取得了一系列的成果，在矿井设计和生产中亦得 到了广泛的应用，比较典型的有中国矿业大学研究的矿井通风网络解算系统 软件，采用V c 语言开发，该软件采用通风网络参数解算与通风系统图形相结合 的方式，为解决复杂的通风网络调试中经常出现的分支反向问题提供了便利的 处理工具；西安建筑科技大学应用面向对象的高级语言V C 开发了矿井通风系统 模拟平台。这些软件能进行矿井通风网络解算和网络分析，为矿井通风网络的 设计和改造提供方便但是，这些软件也存在许多缺点。 2 存在的主要问题 随着计算机性能和计算速度的大幅度提高，已有一些软件能够解决一般的 通风网络问题。而国内还尚缺少方便、实用的矿井通风系统分析与优化软件， 传统的软件大多数存在以下缺陷 1 软件解决问题的能力较差，分析的问题不够全面。 2 数据均以数据文件的格式存储，处理起来较困难，编辑能力较差。 3 软件的可视化程序不高，功能不够完善，不能很好地实现人机接口，大 多数软件必须经过专门培训后才能进行推广。 4 矿井通风系统分析与优化研究 4 软件实用性较差，自动化程度较差，人参与的程度较高。 尽管在矿井通风系统分析与决策优化方面已有相当的研究成果，然而到目 前为止，通用性较强，得到本专业同行⋯致认可，且应用简便，有相应程序软 件的研究成果并不多见。 1 ．3 论文研究内容及技术路线 1 ．3 ，1 论文研究内容 本论文主要研究目的以矿井通风系统为研究对象，根据国内外的研究现 状及煤炭行业的具体实情，并在研究矿井通风系统分析与优化模型理论及其 些算法的基础上，通过对矿井生产实际条件的调查、了解，收集了有关的资料， 根据矿井及科研人员的具体要求，应用可视化和面向对象的编程语占V is u a l B a s i C6 ．0 和数据库技术，开发基于W i n d o w s 操作系统的矿井通风系统分析与优 化软件，从而达到对通风系统设计与改造提供指导意义。论文研究主要包括如 下内容 1 建立矿井通风系统设计与改造优化评判指标，并确立评判指标权重 本部分是通过对影响矿井通风系统优化决策的模式的研究分析，建立评判 指标体系，并根据对方案优选影响因素的不同，从中选择对方案优选影响较明 显，或在不同方案之间进行比较中影响程度差别较大的因素，作为最终的评判 指标；然后根据确立的评判指标提出了基本单元系统因素权重的求解原理，并 求解评判指标的权重。本部分研究内容包括影响矿井通风系统优化决策的模 式分析、矿井通风系统决策优化指标的确定与分析、基本单元系统因素权重的 求解原理。 2 确立矿井通风系统优化的数学模型 通过对矿井通风系统优化工作的详细分析，将模糊优选、决策理论和模糊 神经网络技术结合，实现了矿井通风系统设计与改造方案尝试性的优选。本部 分主要内容包括模糊优选的理论模型介绍、多层系统模糊优选及其与B P 神经 网络的关系、模糊优选神经网络模型以及与综合评判优选法的比较分析。 3 矿井通风系统分析的理论研究及模型的建立 本部分主要是以矿井通风安全理论为基础，通过对矿井通风系统进行研究， 从而建立起矿井通风系统稳定性、通风网络结构合理性、阻力分布合理性、主 通风机稳定性分析数学模型，从而达到实现矿井通风系统分析的目的，为矿井 通风系统分析或优化研究与开发提供了理论依据。 4 矿井通风系统分析与优化软件的研制与开发 本部分主要是研究矿井通风系统分析与优化软件的研制与开发过程与思 路。该软件是以矿井通风系统分析与优化理论为基础，将各章独立子系统进行 5 矿井通风系统分析与优化研究 了程序连接及数据共用处理。首先，对软件开发的基本理论进行介绍其次， 该系统整体结构特点、开发工具、主要功能模块、界面设计进行总体介绍；再 次，对该系统主要子模块的数据结构、程序流程及界面设计进行详细介绍；最 后，对软件的使用环境与测试进行了简要的介绍。 5 综合应用 本论文以平项山八矿的通风系统为研究对象，通过所开发的软件对该矿现 状的通风系统进行了分析，并对该矿井二水平通风系统方案进行了尝试性的优 选，从而为该矿的通风系统优化以及后期改造设计提供了理论依据；同时验证 矿井通风系统分析与决策优化软件的正确性与实用性。 132 论文研究技术路线 鉴于理论分析、算法实现与应用研究三者之间存在的内在规律性，该论文 主要遵循矿井通风系统分析与优化理论研究 包括矿井通风系统优化模型的建 立、通风系统稳定性、网络结构合理性、阻力分布合理性、主通风机稳定性分 析等 一软件开发 包括开发环境的选择、实现方法及可行性验证等 一应用研究 包括数据分析、处理技术等 的技术研究路线进行，研究框图如图卜1 所示。 收集整理归纳以往研究成果 矿井通风系统 分析理论研究 通风系统优化 影响因素分析 系统优化评判指标建立 酬殿㈣骝剥厘星 系统稳定l l 网络结构{ 1 分布合理1 l 风机稳定ll ；。”⋯。。。。。 性分析数| | 分析数学| I 性分析数| | 性分析数IL F J 匕产 学模型| | 模型 | | 学模型| | 学模型I 广_ 上， 通风系统分析子模块研制 系统优化评 判模型建立 通风系统优化子系统研制 嘲卜l 论文研究的技术路线图 6 矿井通风系统分析与优化研究 3 矿井通风系统模糊优选理论模型 3 ．1 概述 决策的实质是优选。优是模糊概念，且优与劣之间不存在绝对分明的界限； 而模糊性是指客观事物、概念处于共维条件下的差异在中介过渡时所呈现的办 此办彼性”1 。模糊集合论的运用是从模糊性中去确立广义的排中率一隶属度规 律。模糊性不服从排中率，存在着中介状态是办此亦彼，但是在办此亦彼中依 然存在一定的差异，仍可以相互比较。 决策活动是人们进行选择或判断的一种思维活动。对于复杂的社会经济系 统，过去人们主要靠主观判断进行决策，缺乏科学性。5 0 年代开始由于系统工 程的发展，人们从系统分析的观点出发，运用晟优化的理论与方法，对系统进 行决策分析，大大地发展了系统工程的理论。但大量的实践表明，由于系统的 复杂性，大部分现实的复杂系统很难完全用精确的经典最优化理论模型解决。 因此，决策方案的选择决不是简单地在决策模型基础上的一次性数据大小的比 较，也不是简单地对决策模型给出的方案进行优劣评价的问题，而要综合考虑 多方面的因素，进行一系列的决策一反馈一再决策一再反馈，通过这种对话式 的决策信息输出和反馈，最终达到决策优选的目的。 本章将利用陈守煜教授和聂相田副教授创立的模糊优选人工神经网络理论 对平顶山八矿二水平通风系统方案进行决策，以适应该矿井的通风系统的需要。 最后将该决策结果与其它传统的决策方法进行对比计算。 3 ．2 模糊优选的理论模型 3 ．2 ．1 模糊决策矩阵 设系统有满足约束条件的n 个方案组成的方案集，以m 个目标 指标 对 方案的优劣进行评价，则矩阵x 表示m 个目标对n 个决策方案的目标特征值矩 阵 决策矩阵 X X I lX 1 2 ⋯X 1 月 X 2 1X 2 2 ⋯X 2 n X 。 3 1 式中i l ，2 ，⋯，i l l ；j l ，2 ，⋯，n ；X ，，方案J 目标i 的特征值。 对于设计方案模糊优选分析分析的目的在于确定每个方案对于模糊概念 “优”的隶属度，其中隶属度最大的方案，即为最优方案。 1 6 矿井通风系统分析与优化研究 2 矿井通风系统决策优化指标的选取及权重的确定 2 ．1 影响矿井通风系统优化决策的模式 矿井通风系统通常是一个多目标、多属性、多层次、多功能、多阶段的决 策系统。系统决策不仅要掌握自然规律的变化对系统带来的影响，同时更需要 掌握矿井灾害事故对社会、经济、生态、环境的系统造成的严重后果。而制约 矿井通风系统优化决策的因素有很多，它涉及到自然、社会、经济、技术等多 个复杂的相互联系但又彼此制约的因素或目标。它具有规模大、联合性和随机 性的特点。因此，它是一个具有复杂性和不确定性的系统，属于多目标模糊优 化决策问题。 矿井通风系统优选决策是利用科学的方法综合考虑影响矿井通风系统的各 种因素，并应用先进的手段和方法从众多的方案中确定技术可行、经济合理、 安全可靠等方面总体效果最佳的方案。最优化的决策结果能给矿井的生产带来 显著的经济效益和巨大的生产潜力。它是矿井通风系统设计的主要内容之一， 是反映矿井设计或改造和质量的关键因素。因此，最优化的评判结果能给矿井 生产带来显著的经济效益和巨大的生产潜力。 影响矿井通风系统的因素有很多，而且各因素之间还存在着不可公度性和 矛盾性。因此，可以把影响矿井通风系统优化的因素划分为两类复杂性模式 和不确定性模式。 21 ．1 复杂性模式 复杂性模式主要指矿井通风中存在的优化问题的复杂性和在技术快速发展 环境下模拟工具的复杂性。具体有可分为三个方面问题复杂性、计算能力和 优化技术。 1 矿井通风系统优化问题复杂性。第一，矿井资源的开发和利用，涉及 到国计民生、生态环境等许许多多的因素。因此，矿井资源系统通常是一个结 构复杂、功能综合、影响因素众多的复杂的大系统。第二，矿井通风系统优化 需要考虑的因素很多，其间关系错综复杂，往往难以用精确的数学模型来描述。 第三，矿井通风系统优化目标常常涉及多方面，其中不仅包括许多易于定量的 清晰目标，而且有更多的不易确定的定性目标。最后，系统决策受到决策人的 经验、知识水平等多种模糊性因素影响。 2 计算能力。随着各项技术的进步，计算机的处理能力、处理速度、存 储能力都大幅度提高，但是本质上还是采取大规模的集成电路，仍属于第四代 计算机。 3 优化技术。优化技术的进步是上世纪系统分析方法的引入。系统分析 矿井通风系统分析与优化研究 方法主要研究确定系统内部有关要素、结构、功能、状态、行为等之问的关系 及其与外部之间的相互关系，并通过逻辑思维推理和科学计算的定量途径，找 出可行方案；在经过分析、综合和评价技术，选出可行方案的最佳者，供决策 者参考。所以系统分析是对系统工程做出定量评价的基础，也是优选方案的工 具。系统分析的重要内容是确定系统目的和目标，建立系统数学模型，实施 模拟和优化技术，进行分析、综合和评价，做出选择方案的满意决策“1 。系统 分析包括模拟技术和优化技术两大类，而优化决策的前提条件是进行系统分析。 2 ．1 ．2 不确定性模式 不确定性模式是指与矿井通风系统优化相关的数据可利用性和变量随时间 和空间的自然变化，具体有可分为三个方面不确定性、可利用数据和条件变 化，其关系如图2 一l 所示。 时间卒间 图2 - l 不确定性模式示意图 1 不确定性。影响矿井通风系统的不确定性因素很多，且随着煤的不断 开采，这些不确定性因素会越来越多。这些不确定因素可以划分为两类由通 风网络结构的变化引起的不确定性和由管理或社会环境引起的不确定性。而这 两类不确定性都存在一定的模糊性。 2 可利用数据。矿井通风系统是一个动态的生产系统，它随着时间和空 间的变化，数据发生不断的变化，以前的一些数据的可利用性都会相应的下降。 3 条件变化。随着气候条件的变化、人类的活动的影响及地质条件的变 化，矿井通风系统也发生变化。 2 ．2 矿井通风系统决策优化指标的确定与分析 新矿井在通风系统设计或生产矿井在进行通风系统技术改造设计时，必须 根据矿井的地质条件、矿井开拓和生产布局可拟定出很多可行的设讨’方案，并 且各个方案各有优缺点。要从众多的方案中确定出最优的通风系统方案，必须 首先确定矿井通风系统的评判指标。 对于不同的矿井或通风系统，涉及因素又有不同，而要想将影响因素全部 8 一 矿井通风系统分析与优化研究 罗列出来，并确定出进行方案比较的评判指标是很困难的。因此，必须从解决 矿井通风系统方案优选的观点出发，确定进行方案优选影响因素分析及建立评 判指标体系，仅选择对方案选择影响较明显，或在不同方案之间进行比较中影 响程度差别较大的因素。根据影响因素，建立指标体系，选择相同因子。 2 21 矿井通风系统评判因子的确定的原则 通过对影响矿井通风系统决策优化复杂性和不确定性模式的分析，由此归 纳出矿井通风系统评判因子确定必须坚持的6 项基本原则 1 评判因子的确定应该充分体现科学性、可比性、客观性、针对性、超 前性和可操作性。 2 评判因子的建立要坚持“系统性和完整性相结合”、“科学性与实用性 相结合”、“特殊性与普遍相结合”、“定性与定量相结合”、“动静相结合”、“面 面俱到”和“不可偏废”的原则。 4 评判因子的建立要以“揭示问题、促进管理水平提高、促进科学技术 进步、促进矿井安全程度提高”为目的。 5 评判因子的建立要具有导向作用，即评判指标能指导今后工作和努力 方向。 6 评判因子的建立必须符合多数专家的意见，能够全面确切地反映出矿 井通风系统的状况和技术质量特征，具有独立的物理意义。 2 ．22 矿井通风系统决策优化评判因子的确定 安全性较好的矿井通风系统的标志是通风系统完整，主要通风机装置运行 状况良好、与通风网络匹配，通风井巷联结形式合理，风质风量满足要求。通 风系统的状况和质量是用一套定性和定量指标表示的。定性指标没有计量单位， 离散性、确定性是矿井通风系统定性参数的特点；定量指标是从数量方面来说 明矿井通风系统的，即它们的变化具有数量尺度。 表明矿井通风系统的指标较多，且每一类中也有较多的指标，如果直接用 这些指标对矿井通风系统进行评判则太繁琐，并且有的指标物理意义相同，只 是从不同的侧面说明同一个问题而已。为了从这些指标中确定出评判矿井通风 系统的指标，通常采用的“征集专家评分”方法，即把事先印好的“矿井通风 系统评判指标征求意见表”发给各位专家，请各位专家根据实际工作经验、知 识和综合分析能力，对矿井的通风系统指标进行评议和打分，依靠各位专家的 经验、知识和综合分析能力，确定评判矿井通风系统方案的指标。 根据评判指标确立的6 项基本原则，并在大量调研、文献检索、统计分析、 经验总结和反复听取并征求各方面专家的意见的基础上，提出了影响矿井通风 系统方案优选的主要因素指标集，共分3 大类，1 1 小项，其层次结构模型如图 g 矿井通风系统分析与优化研究 22 所示。 目标层 A I 通风系统设计与改造优化 准则层 B l 技术先进B ．Il 经济合理B ll 安全可靠B ， 指标层 c 矿 井 风 压 风 噩 供 需 比 结 构 △ I Z 3 理 性 井 巷 工 程 费 设 备 购 置 费 巷 道 维 护 费 吨 煤 通 风 电 费 用 风 地 点 角 联 数 风 速 超 限 状 况 图2 - 2 矿井通风系统优化的层次结构模型图 2 ．2 ．3 矿井通风系统评判指标及其数学描述 风 机 运 转 稳 定 性 矿 井 抗 灾 能 力 矿井通风系统评判指标力求全面客观地评估矿井通风系统的可靠程度，其 指标应能反映矿井通风系统的技术质量特征，从安全角度出发对矿井通风系统 进行全面分析，并参考煤矿安全规程和生产矿井质量标准化标准中有 关规定和现场科技人员的经验，综合分析，按照主从相关、回归关系和方向性 原则，确定的评价指标。 1 表明技术先进的指标 ①矿井风压。矿井风压是指l m ／s 的空气流过矿井通风网络时，所消耗的 机械能量。矿井风压越高，通风管理难度就越大，一般认为矿井的风压不超过 3 0 0 0P a ，其计算公式为 ，l 1 而 3 0 0 0 2 一1 【1 h ≤3 0 0 0 其中h 为风压 取整数 ，P a ，。多台主要通风机联合运转时，分别计算各 台主要通风机所担负系统的风压，并取较小的值作为f 的值。 ②风量供需比。矿井实际通过的风量Q 与矿井所需风量瓯的比值即是矿井 风量供需比B 。即B Q ／Q 0 一般认为矿井风量供需比值在[ 1 ，1 ．2 ] 之间较为合理，小于l 时矿井风量 不足，大于1 ．2 时风量过剩，最大不超过1 ．5 ，由此得出该指标量化公式为 1 0 一 矿井通风系统分析与优化研究 0 ∥≥1 ．5 或∥ O ．5 时，i d 万2 t t s o ，故函数图形在区间[ 。．5 ，1 ] 为凸性。因而v ． 。．5 为定义区间[ 0 ，1 ] 的单调增函数式的唯一拐点。因此该函数为S i g m o i d 型即S 型函数，如图3 - 2 所示 u j 1 ．0 0 ．5 0 0 ．51 ．0V 图3 - 2 模糊优选模型S 型函数 根据对以上函数性态的研究可得出以下结论 1 函数u 。是关于v ．的单调增函数，所以在相同的指标规范化矩阵R 的 条件下，模糊优选模型与模糊综合评判模型的各决策方案的相对优属度的各个 方案的评判值不同，但是方案关于优的排序相同。 m 2 模糊综合评判模型是直接将v ， ∑w , r , s 作为评判值，故各决策方案的 f l l 评判值趋于均化，常出现各决策方案的综合评判值相差不大，难以决策与选择。 对于模糊优选模型，由于函数u ，对于v ，是的非线形函数。函数在区间[ 0 ，0 ．5 ] 上是凹性，在区间[ 0 ．5 ，1 ] 为凸性，在拐点 0 ．5 ，0 ．5 两侧有更大的离散性， 即各决策方案的相对优属度有更大的分散性，更易于决策并提高决策的可性度。 3 ．4 基于模糊优选的B P 神经网络模型 34 ．1 多层系统模糊优选原理 设系统分解为H 层，最高层为H 。若最低层 第l 层 有若干个并列的单元系 统，每个单元系统均有多个目标特征值输入，用式 3 一l O 对第i 单元系统计算输 出方案相对优属度向量 u 。1 u 。1 。，u ，2 1 ， ⋯ ，u 。。I 2 1 矿井通风系统分析与优化研究 它组成2 层中某个单元系统的第i 个输入，如图S - 3 所示。令 u ，，4 r ，J 层 图3 - 3 多层优选模型系统图 设2 层并列单元系统的权向量为w 。 w - ，w ，⋯，％ ，且∑w j 1 ；则模糊优选 I l 理论模型 3 1 0 可用于2 层中单元系统的计算。如此从1 层向上层进行计算，直 至最高H 层。由于最高层中只有一个单元系统，可得最高H 层单元系统的输出 方案的相对优属度向量 u L 1 l ，u 2 ，⋯，u 。 3 - 1 3 据此可优选多层次多目标系统满意方案。 3 ．4 ．2 模糊优选系统与B P 神经网络对应关系 B P 网络由输入层、一个或多个隐含层和输出层组成。现在将上述多层系统 模糊优选原理与神经网络B P 系统相对应，以建立网络合理的拓扑结构隐含层 数、隐含层节点数及具有明确物理含义的模糊优选神经网络权重调整模型。 多层模糊优选系统与神经网络系统相对应，构造合理网络拓扑结构隐含 层数、隐含层节点数、节点激励函数的模式，在提出合理网络拓扑结构的