礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法的優(yōu)化研究

陳彥亭李志鵬鞏瑞杰龐曄斌3

（1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司；2.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司司家營(yíng)北區(qū)分公司）

在礦井通風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)流量按照巷道風(fēng)阻的數(shù)值關(guān)系自然分配，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。一般大中型礦井通風(fēng)系統(tǒng)都是由成百上千條風(fēng)路組成的非線性流體網(wǎng)絡(luò)，隨著地面大氣壓和地溫的變化、巷道的變形、掘進(jìn)和回采工作面的推進(jìn)、通風(fēng)設(shè)施的狀態(tài)參量、各種設(shè)備的擾動(dòng)、風(fēng)路的風(fēng)阻、自然風(fēng)壓等參數(shù)都是不斷變化的，因此，巷道局部通風(fēng)效果難以維持［1-2］。

為實(shí)現(xiàn)在環(huán)境不斷變化的礦井中保持通風(fēng)系統(tǒng)高效穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)安全，需要研發(fā)通風(fēng)方案智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算優(yōu)化，確定最優(yōu)調(diào)節(jié)方案，在保障生產(chǎn)需求和人員健康的前提下，實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)、循環(huán)風(fēng)分析等，提高通風(fēng)有效利用率，最大限度地避免通風(fēng)不足以及過(guò)度通風(fēng)情況的發(fā)生，使礦山通風(fēng)系統(tǒng)保持在一個(gè)合理高效、經(jīng)濟(jì)安全的范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效通風(fēng)、降本增效的目的。

1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和優(yōu)化方法研究

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)是指通過(guò)科學(xué)計(jì)算，合理確定礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)位置和調(diào)節(jié)量，在考慮各工作面不同風(fēng)量需求情況下對(duì)井下風(fēng)流進(jìn)行合理地分配，使井下需風(fēng)地的風(fēng)量滿足安全和生產(chǎn)要求。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序是解決通風(fēng)問(wèn)題的基礎(chǔ)，優(yōu)化方式是通風(fēng)調(diào)節(jié)優(yōu)化數(shù)值模擬程序研發(fā)的核心。

1.1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法

目前，許多高校、科研院所開(kāi)發(fā)的礦井通風(fēng)計(jì)算機(jī)分析程序都是按照Scotted-Hensly 法編寫(xiě)的，該算法簡(jiǎn)單易懂、占用內(nèi)存少。基于此，在3DVent的基礎(chǔ)上對(duì)原有程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)出一套智能通風(fēng)優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)值模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)以維持通風(fēng)系統(tǒng)高效性為目的，以按需通風(fēng)為出發(fā)點(diǎn)，以變頻風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)（窗）等調(diào)節(jié)為手段，通過(guò)通風(fēng)數(shù)值模擬計(jì)算，自動(dòng)分析出風(fēng)機(jī)最佳變頻頻率以及風(fēng)門(mén)（窗）最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)，達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)高效低耗的最佳化，實(shí)現(xiàn)降本增效。算法以圖論為基礎(chǔ)，以風(fēng)量（風(fēng)壓）平衡、礦井空氣流動(dòng)等定律［2］為依據(jù)，逐次求解孔網(wǎng)的修正風(fēng)量，直至達(dá)到預(yù)先給定精度并獲得接近方程組真實(shí)解的風(fēng)量值，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序如圖1 所示，風(fēng)量迭代計(jì)算模型為

1.2 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇

鑒于計(jì)算過(guò)程中涉及大量矩陣計(jì)算、方程組求解等數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，選用Matlab 和C++作為編程語(yǔ)言。Matlab被稱為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，其在矩陣運(yùn)算方面優(yōu)勢(shì)明顯，運(yùn)算符、庫(kù)函數(shù)及工具箱豐富，計(jì)算功能強(qiáng)大，非常適合于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算；C++語(yǔ)言是編譯型語(yǔ)言，在迭代計(jì)算速度上優(yōu)勢(shì)明顯。運(yùn)用調(diào)用程序?qū)? 種編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)［3-4］，可大幅提高通風(fēng)解算和優(yōu)化算法運(yùn)行速度，以適應(yīng)大型復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)優(yōu)化問(wèn)題。

1.3 礦井通風(fēng)優(yōu)化工具

為求解優(yōu)化問(wèn)題，Matlab中提供的傳統(tǒng)優(yōu)化工具箱（Optimization Tool）能實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)，但要解決通風(fēng)能耗最小、風(fēng)量最大等極值問(wèn)題，還需全局最優(yōu)化算法（Global Optimization Tool），其主要方法包括全局搜索算法（GlobalSearch）、遺傳算法（ga）、模式搜索算法（Patternsearch）。算法精度可以使用Rastrigin 函數(shù)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)。

Rastrigin 函數(shù)適用于各種智能優(yōu)化算法，該函數(shù)有非常多的局部極小點(diǎn)，而且僅有一個(gè)全局最小點(diǎn)，此處函數(shù)的值為0，非常適合用來(lái)做測(cè)試函數(shù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。3種算法都是經(jīng)過(guò)多個(gè)盆地找到多個(gè)局部極值點(diǎn)，但遺傳算法具有隨機(jī)性，每次運(yùn)行結(jié)果不相同，其函數(shù)值一般也好于模式搜索算法；全局搜索算法是利用多個(gè)初始點(diǎn)搜索多個(gè)盆地，搜索各自所在盆地中的極值點(diǎn)，從而找到全局最優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)表1 運(yùn)算結(jié)果，全局搜索算法最優(yōu)。

2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)非線性優(yōu)化模型

以風(fēng)機(jī)電耗、需風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量之和為目標(biāo)函數(shù)，以非定流分支風(fēng)量和可調(diào)分支風(fēng)阻值為決策變量，以巷道風(fēng)量、可調(diào)分支風(fēng)阻值上下限為不等式約束條件，以風(fēng)量（風(fēng)壓）平衡、阻力和風(fēng)機(jī)特性曲線等方程［5］為等式約束條件，在通風(fēng)解算和全局優(yōu)化算法研究基礎(chǔ)上，求解礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)非線性優(yōu)化模型。其中，巷道風(fēng)量限值根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB l6423—2006）確定，規(guī)程中對(duì)不同類型巷道最低排塵風(fēng)速和最高風(fēng)速有明確規(guī)定；可調(diào)分支風(fēng)阻值最小值為分支基礎(chǔ)風(fēng)阻值（代表風(fēng)門(mén)全開(kāi)），最大值為999（代表風(fēng)門(mén)全關(guān)）。

3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與優(yōu)化程序設(shè)計(jì)

3.1 程序簡(jiǎn)介

為實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化解算，在滿足井下所需風(fēng)量和安全規(guī)程前提下，以礦井通風(fēng)總能耗或需風(fēng)地風(fēng)量為目標(biāo)函數(shù)，以變頻風(fēng)機(jī)頻率、風(fēng)門(mén)開(kāi)度等調(diào)節(jié)為手段，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算，自動(dòng)分析出基于不同調(diào)控目的的風(fēng)機(jī)最佳變頻頻率以及風(fēng)門(mén)開(kāi)度最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)，從而快速獲得安全、合理的優(yōu)化調(diào)控方案，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與優(yōu)化程序流程如圖2 所示。通過(guò)運(yùn)用C++與Matlab 語(yǔ)言聯(lián)合編程，完成通風(fēng)系統(tǒng)解算與優(yōu)化軟件初步編制。

軟件將主要功能集成到統(tǒng)一的操作界面之上，界面簡(jiǎn)潔，各功能選項(xiàng)分布清晰，主要功能模塊為優(yōu)化通風(fēng)（包括能耗最低、分支風(fēng)量最大化和分支風(fēng)量協(xié)同最大化）、風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控、風(fēng)門(mén)遠(yuǎn)程調(diào)控等。井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)機(jī)性能參數(shù)分別由TXT文本導(dǎo)入。

3.2 最低通風(fēng)能耗計(jì)算

最低能耗計(jì)算鑲嵌于智能通風(fēng)功能下拉菜單之中，點(diǎn)擊功能按鈕即可選擇和應(yīng)用。該功能能夠在滿足規(guī)范要求及井下各巷道需風(fēng)量的前提下，對(duì)井下風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行迭代計(jì)算，解算出各巷道在此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免井下部分巷道風(fēng)量過(guò)大、風(fēng)量浪費(fèi)的情況，降低風(fēng)機(jī)功率，節(jié)省能耗。

3.3 最大分支風(fēng)量計(jì)算

系統(tǒng)具有最大分支風(fēng)量計(jì)算功能，該功能是以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)文件中需調(diào)分支為標(biāo)記，在滿足其他分支風(fēng)量要求的前提下快速形成調(diào)節(jié)方案，通過(guò)井下通風(fēng)構(gòu)筑物及通風(fēng)設(shè)備的變化調(diào)節(jié)，即可完成需調(diào)分支風(fēng)量的增加，加大通風(fēng)效率。同時(shí)，該功能將各分支調(diào)節(jié)前后的風(fēng)量給予界面化顯示，效果直觀。

3.4 最大分支風(fēng)量協(xié)同計(jì)算

礦山實(shí)際生產(chǎn)中施工工作面較多，需要調(diào)節(jié)的巷道往往有多個(gè)，而如果只單獨(dú)對(duì)某一巷道風(fēng)量進(jìn)行增加而未對(duì)其他巷道進(jìn)行改變，就在一定程度上影響著其他巷道通風(fēng)效率及安全。為此，開(kāi)發(fā)分支風(fēng)量協(xié)同最大功能，該功能是以多巷道為調(diào)節(jié)基數(shù)，在滿足其余巷道風(fēng)量及規(guī)范要求的情況下，對(duì)多個(gè)需調(diào)巷道風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得該部分巷道的整體風(fēng)量增大。雖然該功能不能使得某1 條巷道風(fēng)量達(dá)到最大化，但整體通風(fēng)效率的提升，使各需要調(diào)節(jié)的巷道通風(fēng)效率都有所改觀，是整體效果的最優(yōu)化。

3.5 風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)遠(yuǎn)程調(diào)控

利用組態(tài)軟件，編制遠(yuǎn)程開(kāi)度自動(dòng)控制系統(tǒng)的可視化操作界面。通過(guò)工控機(jī)顯示界面輸入風(fēng)門(mén)開(kāi)度值，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵風(fēng)門(mén)開(kāi)度自動(dòng)控制操作。與通風(fēng)系統(tǒng)解算與優(yōu)化軟件進(jìn)行通信連接，對(duì)操作界面與PLC 系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試，確保通信的實(shí)用性。同時(shí)，在人機(jī)界面中將實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)門(mén)開(kāi)度。

4 物理試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件的可靠性，參照實(shí)際礦山通風(fēng)系統(tǒng)，使用PVC 管道搭建了通風(fēng)系統(tǒng)物理模型，如圖3所示?？紤]到巷道實(shí)際的風(fēng)阻情況，增加了管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，同時(shí)加工制作了開(kāi)度可控的風(fēng)門(mén)、安裝了風(fēng)速傳感器，并通過(guò)PLC 實(shí)現(xiàn)了風(fēng)門(mén)的遠(yuǎn)程控制和顯示，確保物理模型與實(shí)際情況接近。通過(guò)該物理模型試驗(yàn)軟件數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，風(fēng)速誤差可控制在8%以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了核心算法的準(zhǔn)確性。在運(yùn)算速度方面，以44個(gè)風(fēng)門(mén)為變量時(shí)，單次運(yùn)算時(shí)間在0.01 s以下，為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間提供了保證。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）從礦山實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，使用現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備和構(gòu)筑物進(jìn)行風(fēng)量調(diào)控具有較高可行性；隨著技術(shù)的發(fā)展，利用井下風(fēng)門(mén)和變頻風(fēng)機(jī)對(duì)井下通風(fēng)狀況進(jìn)行調(diào)控具有很多優(yōu)勢(shì)。

（2）按照Scotted-Hensly法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)編寫(xiě)通風(fēng)解算優(yōu)化程序；通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，全局搜索算法更適合作為通風(fēng)能耗和風(fēng)量調(diào)節(jié)的優(yōu)化工具；使用C++與Matlab混合編程，2種編程語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可大大提高運(yùn)行速度，以適用于大型復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

（3）礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)化技術(shù)有很高的發(fā)展前景，將成為礦山自動(dòng)化和智能化建設(shè)發(fā)展中的重要一環(huán)，還需進(jìn)一步進(jìn)行探索和完善。