矿井通风系统网路解算及优化的可视化研究.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第61卷 第3期 2 0 0 9年8月 有 色 金 属 NonferrousMetals Vol161, No13 Aug .2 0 0 9 矿井通风系统网路解算及优化的可视化研究 朱建平 1, 2 ,张水平 1 1 1江西理工大学,江西赣州341000; 21浙江省象山职业高级中学,浙江宁波315700 摘 要通过改进通风网路中的选回路算法,建立新的数学模型,采用面向对象编程语言VisualC 和计算机图形学理论, 研究矿井通风系统网路解算及优化的可视化。可视化系统能够对矿井通风网路中风量进行自然分配和按需分配计算,实现了风 网解算结果可视化显示、 风机特性曲线拟合与可视化管理、 局部通风系统风量调节功能以及调节方案的生成和优化。软件系统通 过这些功能的集成,有利于提高矿井通风效率,使矿井通风系统达到简单、 可靠、 安全、 经济的目的。 关键词采矿工程;矿井通风系统;网路解算;优化;可视化 中图分类号TD725 文献标识码A 文章编号1001 - 02112009 03 - 0130 - 05 收稿日期2007 - 07 - 27 作者简介朱建平1970 - ,女,江西南康市人,工程师,硕士,主要 从事人工智能在安全中的应用等方面的研究。 矿井通风系统是由向井下作业地点供给新鲜空 气,排出污浊空气的通风网络和通风动力以及通风 控制设施等构成的工程体系 [1 ]。 矿井通风是一项十分浩大的工程,各个矿业大 国对矿井通风都十分重视,并且在这方面做了许多 的工作。法国研制的微型机软件,可对400条分支、 255个节点的网络进行快速解算,并可在对话式图 形终端上将网路显示出来。德国研究了利用电子计 算机自动绘制矿井通风平面图的EDP程序,它可自 动绘出通风平面图,并将计算数据清楚地反映在图 上 [2 ]。西安科技学院的“ 矿井通风安全救灾软件 ” CFIRE独有的快速插入模拟计算功能,使得建立在 严密数学推导基础上的计算机模拟计算首次具备了 应用于准实战环境的能力。辽宁工程技术大学的 “ 矿井通风计算机管理系统 ”MVSS ,可以将矿井 三维立体图自动生成通风网络图,在此基础上进行 可视化管理和风网解算等 [3 ]。 传统的风网分析是在纯数据上对其关系进行演 算推导,这对于工作人员提出了很高的要求。所以 在实际工作中,只有十分熟悉矿井巷道关系、 井下设 施布置、 风机性能参数的工作人员才能做风网解算 工作,同时还必须具有丰富的工作经验。因此,计算 效率很低,一次计算的周期很长,不利于矿井的通风 安全技术管理工作的开展。一般的电算程序也只是 单纯地对数据进行处理,不直观,数据处理复杂,易 出错,不易于动态修改,也不能适应矿井通风系统的 动态发展 [4 ]。 随着可视化语言VC 的深入发展,各个行业 与系统几乎都用VC来进行系统的开发与维护,煤 矿系统中也逐渐利用其进行图形系统的开发、 矿井 动态监测系统的改造,系统的可视化管理及优化设 计功能显得越来越重要。为此,迫切需要开发一套 矿井通风系统的可视化软件,以满足项目研究及生 产应用的需要。 1 数学模型 111 图论 矿井通风网络的数学基础是图论。图论作为一 门科学是由18世纪的瑞士数学家欧拉创立的,在电 子计算机问世以后,应用更加广泛 [2 ]。图论是建立 和研究离散数学模型的一个重要数学工具。近年来 得到飞速发展,图论成为研究通风网路的选择、 风量 测定、 风量分配、 阻力测定的有力工具,为计算机应 用于矿井通风提供了十分广阔的前景。 112 网路解算的数学模型 进行通风网路解算时,网路数据的处理是个非 常重要的问题。在网路的结构分析中建立通风网路 的关联矩阵,它为形成节点方程、 回路方程和为网路 进行变形计算等提供了方便。通风网路的关联矩阵 是描述通风网路连接情况的矩阵,不同类型的关联 矩阵,在不同程度上反映了网路图形的联接关系。 它是图形数字化的手段之一。在关联矩阵中,只含 有1, - 1, 0三种元素,其中不包含网路各分支风道 的具体参数 [5]。 风网解算的方法很多,如Cross迭代法、 牛顿 法、 节点压力法、 附加风压法等。不同算法各有特 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 点,但大体上可以分为两类,即回路风量法和节点风 压法 [3 ]。 两类方法都可以用于风网分析,但国内外应用 最普遍的还是回路法中的Cross迭代法。Cross迭代 法是美国人Hendy Cross于1936年提出用于解算水 道管网的逐次计算法。后经英国人D1Scott和 F1Hinsley改进用于风网解算,故又称Scott2Hinsley 算法。该种方法容易理解,且遵循如下定律。 1风量平衡定律fk∑bkjQj 0 k 1,2,3, ⋯⋯, j- 1。 2网孔风压平衡定律fi∑aijRjQj|Qj| -∑aij Hnj-∑aijHfj0 i 1,2,3,⋯⋯,M。 3风量校正。要解N条分路的自然分风量, 则必须建立N个方程,其中网孔风压平衡方程为M 个独立方程,节点的风流连续方程为j- 1个,故符 合NMj- 1的关系式。为要简化解此N个方 程,可用斯考德-欣斯利计算法。即首先设定各分 路的风量Q j j 1,2,3,⋯⋯, N ,将其作为初拟风 量信息输入,让计算机逐次迭代计算,即逐一解算M 个方程ΔQi -fi / 2∑RjQj|Qj| - dHf/dQj。计算 机算出第j号网孔的 ΔQi值以后,立即对该网孔的 各个分路的风量Qj作改正ΔQi 1 Qi 0 aij ΔQi 1 。接着再计算第i1号网孔的ΔQi1,又立即 改正网孔的各个分路的风量。这就是说,迭代计算 过程中施加类似塞德尔迭代技巧,更能加快收敛。 依此逐网孔、 逐轮次迭代计算,一直到某一轮计算中 各ΔQi小于原定的误差为止,即 Δ QiEPS,式中 EPS为误差,一般取0101m /s即可。 4扇风机特性曲线的数学表达式。当应用数 字电子计算机解算通风网路时,必须求出表达扇风 机的H2Q曲线的数学表达式HF Q。通常采用 的方法是曲线拟合。为此,应该判断H2Q曲线究竟 属于哪一种曲线型。实践表明,从满足工程计算要 求的精度而言,扇风机的H2Q曲线可视为二次抛物 线或三次抛物线。因而,其拟合多项式为二次或三 次多项式,通式可写为Hfb1b2Q 1 b3Q 2 ⋯⋯ bnQ n- 1。也可以设计一个程序 ,其中不必事先确 定多项式的次数,而是能够根据风机曲线上若干点 的值H, Q ,计算机自动选择拟合多项式的“ 最佳 次数 ” 。进行曲线拟合计算时,需要在H2Q曲线上 选取足够点数的Hi, Qi值,当拟合多项式定为二次 或三次时,所选点数一般至少取6点。 常用的曲线拟合方法是最小二乘法,即应使变 量观测值即曲线上所取点的Hi值与拟合多项式 对应的Hf值的离差之平方和最小。按此,可导出求 解拟合多项式的系数b1, b2, b3,⋯⋯, bn的正态方程 组。 S1b1 S2b2 S3b3⋯ Snbn t1 S2b1 S3b2 S4b3⋯ Sn1bn t2 S3b1 S4b2 S5b3⋯ Sn2bn t3 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Snb1 Sn1b2 Sn2b3⋯ S2n-1bn tn 113 计算机图形学的基本原理 对二维图形的坐标变换,就是指不改变图形连 线次序的情况下,对一个平面点集进行线性变换。 为了使图形易于济览和查阅,用到了图形视图的基 本变换,包括图形的移动、 缩放等等。在此,引入了 二维图形变换的数学模型,基本变换原理如下 [2 ]。 1齐次坐标。齐次坐标是将一个n维空间点 用n1维坐标来表示。如在直角坐标系中,二维点 x, y的齐次坐标表示为 H x, Hy, H ,最后一维坐 标H称为比例因子。那么二维直角坐标与二维齐 次坐标的对应关系为 xHx/H; yHy/H。H取值 是任意的,所以二维空间任意一点可用二维齐次坐 标表示。通常将H取为1,以保持两种坐标一致。 2齐次变换矩阵。矩阵T{ a, b, p , c, d, q , m, n, s, }为二维齐次变换矩阵。该矩阵分为 四部分,其中矩阵{ a, b , c, d }的作用是对被变 换点的坐标进行放大、 缩小和旋转变换; m, n的作 用是对变换点的坐标进行平移变换; p, q的作用 是对变换点的坐标进行投影变换; s的作用是整 个变换中的比例系数。当T矩阵取不同的值时,便 可得到不同的变换结果。 3平移变换。当T { 1,0,0 , 0,1,0 , m, n,1, }时, x, y,13 T x m, y n,1 , 此 时为平移变换。 4比例变换。 当T { 1,0,0 , 0,1,0 , 0, 0, s }时, x, y,13T x, y, s ,此时变换为比例 变换。 2 利用VisualC 610为开发工具 实现可视化 VisualC 是目前PC机上最优秀的W indows 应用程序开发环境之一,它把完全可视化与真正的 面向对象及C 的高效率、 高性能完美地结合起 来 [6 ]。调用 VisualC 610为编程环境,进行可视 化研究,开发矿井通风系统网络解算及优化的应用 软件。 131第3期 朱建平等矿井通风系统网路解算及优化的可视化研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 通风系统的可视化操作包括以下几个方面 [7 ]。 1风流方向的自动标注。矿井通风系统作为 一个动态的系统,只要矿井采掘系统发生了变化,整 个矿井通风系统必定发生某种程度的连锁反应,致 使风量必定发生变化,有时甚至引起巷道风流方向 的改变。以往矿井风流方向的变动情况一般是通过 通风网路解算的数据来得知的,即如果初始时某条 巷道的风量是一个正值,当矿井通风仿真系统发生 变化后,利用通风网路解算程序进行网路解算,如果 解算之后该条巷道的风流变成负值,则证明该条巷 道的风流方向发生了改变。 基于以上所述,首先应该建立一个风流方向的 标志文件,在该文件中将所有巷道的风流方向标识 符flag设为1,由于该方向与系统图巷道的始末节 点的绘制方向一致,而与矿井的实际风流方向并不 一定一致,所以要对该文件根据实际风流方向进行 修正,风流方向与实际方向相反的设置为- 1。当通 风系统发生变化之后,需要重新进行仿真运算,如果 运算的结果发现巷道的风量值的正负发生了变号, 则风流标识符flag - 1,反之, flag 1,最后重新生 成一个新的风流标识文件,覆盖原来的风流标识文 件。此外在程序运行之前,找出每条应该标注风流 方向的巷道插入箭头块的位置,具体的位置为箭头 平行对应巷道且箭头的中点离巷道的距离为一个巷 道宽。将所有的箭头位置信息汇总形成另外一个数 据文件。有了这两个数据和一个箭头块之后,就可 以自动标注风流方向了。具体过程如图1所示。 图1 风流方向的自动标注流程 Fig11 Automatic2tagging flowsheet ofwind flow direction 运行时,点击下拉菜单,选取这一项,用鼠标选 取所需标注的图形元素,以可视化的形式表现出来, 从而在指定的位置显示风流方向。 2巷道参数的自动标注。对于一些重要的巷 道,需要随时监视其运行状态,因此需要依次显示多 条巷道的属性并使其属性在通风仿真系统图上自动 标注出来。对此,传统的解决手段是通过查看通风 网路解算程序的运行结果,这样做非常麻烦且容易 出错。对于一个巷道来说,反映其状态的通风参数 众多,不可能一一在图上标注。因此,只能挑选一些 主要的参数来进行标注,在通风仿真系统模型图上 选择的通风参数是风量、 风阻、 风压,知道了这三项, 一个巷道的通风状态将可以基本上反映出来。具体 操作步骤如下。首先,在模型图上根据程序要求的 尺寸绘出标注通风参数的外形轮廓。其次,将通风 参数的外形轮廓做成一个块,然后将其插入到需要 标注通风参数的巷道附近,并调整好位置。原则上 要求块与图上的其他图形不重合且使人明白标注的 是哪条巷道。最后,提取块的左上角坐标,并将它们 汇合在一起,形成一个数据文件,用于标注通风参 数。 此外,程序运行时,还需要另外一个网络解算生 成的数据文件。运行时将显示巷道的风量、 风阻、 风 压。程序流程如图2所示。 3节点、 风机、 构筑物参数的自动标注。对于 一个复杂的通风系统来说,具有节点数多、 分布无规 律的特点。由于节点多,分布没有规律,且矿井通风 网络系统图形成之后,节点一般是固定的。虽然矿 井通风仿真系统的结构发生变化例如巷道的新掘 与报废之后,将对节点数目发生影响。然而对于 一个通风系统图来说,并不要求节点编号必须是连 续的,可以有间断。所以巷道报废时只需删除多余 的巷道和节点即可。当新掘巷道时,只需在通风网 路图上增加一条风路和相应数目的节点。由于空间 不足,所以标注节点参数时只能标注节点号,具体的 参数可通过节点参数的自动查询获得。鉴于此,只 231有 色 金 属 第61卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 要将矿井通风系统图的所有节点放在同一图层即可 解决问题,需要标注节点数时只需将图层打开,正常 情况下由于节点数目太多,严重影响图形的美观而 将巷道所有的节点关闭。同理,对于风机和构筑物, 要想获得详细的信息,完全可以通过参数查询来获 得。一般情况下,只需知道风机的名称和通风构筑 物的编号,解决办法与节点参数的自动标注时完全 相同,只需将风机的名称和构筑物的编号放在同一 层,然后通过控制这些图层来进行参数的自动标注。 图2 巷道参数的自动标注流程 Fig12 Automatic2tagging flowsheet of laneway parameters 4巷道通风参数的自动查询。对某一条巷 道,想知道的属性有巷道风路编号、 巷道名称、 始节 点号、 末节点号、 风量、 风阻、 风压、 需风量、 构筑物、 所在巷道有无风机、 所在巷道有无通风构筑物、 断面 形状、 支护方式、 断面积、 巷道周长、 巷道长度、 平均 温度、 相对湿度。 程序运行时,点击下拉菜单,选取这一项,利用 鼠标选取所需的图形元素,这时便以直观可视的形 式显示风路通风参数。查询通风系统图时,有时并 不清楚将需查询哪条巷道,只知道查询巷道的风路 编号或要查询的风路名称。例如,现在想查询编号 为11的巷道,即使此时通风仿真系统图和通风系统 巷道编号层是打开的,如果对整个系统不是特别熟 悉,你将发现寻找编号为11的巷道是多么困难。有 时,如果直接指定巷道的名称,你也会遇到同样的不 便。因此,为了提高效率,有必要添加通过输入风路 号或下拉弹出表来自动查询通风参数的方法。输入 风路号或下拉弹出表来自动查询通风参数的原理与 利用鼠标点击巷道自动查询通风参数的原理基本相 同。利用鼠标点击巷道自动查询通风参数的关键是 如何识别出点击巷道的风路号,而输入风路号或下 拉弹出表来自动查询通风参数的风路号已经自动给 出,若下拉弹出表,则需根据巷道的名称找出该条巷 道对应的风路编号。当它们的巷道风路编号知道 后,将根据它搜索通风网路解算数据文件,从而找出 巷道的通风参数。 5节点参数的自动查询。节点参数的自动查 询也有两种方式。一是利用鼠标点取巷道来自动查 询节点参数,另一种是通过输入节点号来自动查询 节点参数。前者在原理上大体与利用鼠标点击巷道 来自动查询通风参数相同,而后者的思路与输入风 路号或下拉弹出表来自动查询通风参数相近,它们 只在一些细节问题上有所区别。 6风机参数的自动标注与查询。风机是由许 多条线组成的,要想点取风机的任意一条边都可以 查询风机的属性,必须将组成风机的这些线组成一 个块。风机需要查询的属性有机站编号、 机站名称、 风机型号、 叶片角度、 电机功率、 风机风量、 风机风 压、 有效风量、 有效风压、 特性方程。 7构筑物参数的自动标注与查询。自动查询 通风构筑物的方法与自动查询风机参数的方法基本 相同。 3 结论 软件系统根据自然分风和按需分风对矿井通风 系统进行网路解算,支持复杂风网的解算,包括复杂 角联风网。实现风网解算结果的可视化,并计算等 积孔判定矿井通风难易程度。根据解算结果绘制矿 井风阻特性曲线,直观显示矿井通风特性。拟合风 机特性曲线,并以图形界面显示,实现风机的可视化 管理。可以绘制通风网路图,并在图形界面下输入 风网参数,进行风网解算。实现局部通风系统风量 调节功能以及调节方案的生成和优化。 通过系统软件,可以改变通风系统的相关设施 331第3期 朱建平等矿井通风系统网路解算及优化的可视化研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 或设备的参数,可视化地调节通风网络,改善井下作 业环境,提高井下空气质量,保证劳动生产效率和员 工人身健康。通过对通风系统的优化,得到了矿井 最优通风方案,可有效减少全矿通风电耗,提高矿井 有效风量,使矿井通风系统达到简单、 可靠、 安全、 经 济的目的。 参考文献 [1]王英敏 1矿井通风与安全[M ].北京冶金工业出版社, 1988 202. [2]杨 磊.矿井通风网络可视化软件的研制和实现[D ].沈阳东北大学, 2004 1, 8. [3]高 旭.矿井通风网路解算及其可视化研究[D ].南宁广西大学, 2005 1 - 2, 21 - 22. [4]周 平.矿井通风系统的可视化设计和应用[J ].煤矿安全, 2003, 5 18. [5]从善本.矿井通风系统分析[M ].北京冶金工业出版社, 1981 89. [6]杨正华. VisualC 6. 0游戏编程导学[M ].北京清华大学出版社, 2004 1. [7]王俊琪.可视化矿井通风仿真系统研究[D ].辽宁阜新辽宁工程技术大学, 2000 60 - 67. Visualization of Network Calculation and Opti m ization ofM ine Ventilation System ZHU Jian2ping1, 2, ZHANG Shui2ping1 1. Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou341000, Jiangxi, China; 2. Xiangshan Vocational High School in Zhejiang Province, N ingbo315700, Zhejiang, China Abstract The visualization of network calculation and optimization for mine ventilation systemis investigated by improving algorithm for searching loops, new mathematical model establishment, and adopting the object2oriented programming language of Visual C and theory of computer graphics .The visualization system enables the calculations of air distribution by naturalmode or on2demand mode, the display of calculation results in the of text and graph, fan perfor mance curve calculation and visualization, adjustment of air volume in local ventilation system, and generation and opti mization of adjustment proposals .The visualization system is in favor of improving the efficiency of mine ventilation by integrating these functions, and making ventilation system simpler, more reliable, safer and more economical . Keywords mining engineering; mine ventilation system; network calculation; optimization; visualization 431有 色 金 属 第61卷