基于超聲波全斷面測風(fēng)的礦井風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算方法

宋濤，王建文，吳奉亮，張國群，陳菲，馮雄，李龍清

（1.陜煤集團(tuán) 神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安奧文智聯(lián)信息科技有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

目前我國礦井通風(fēng)正加速向智能化方向發(fā)展[1-2]，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件在此進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。目前具有良好可視化效果與解算性能[3]的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件已廣泛用于幫助工程技術(shù)人員理解礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如MVSS[4]、VentGIS[5]、VentSim[6]、Ventgraph[7]等。這些軟件多是以某一時刻的礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)為假設(shè)條件進(jìn)行計(jì)算，主要用于回答“假如在井下采取某種措施后，通風(fēng)系統(tǒng)將會發(fā)生什么變化”等一系列的問題，計(jì)算不涉及實(shí)時風(fēng)量，是一種靜態(tài)解算。但井下風(fēng)流受風(fēng)門開閉、行人行車、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，無時無刻不在變化，特別是在巷道冒頂、風(fēng)門損壞等突發(fā)異常情況下，許多巷道的風(fēng)量、風(fēng)向都會發(fā)生顯著變化。這些變化是不能通過以上軟件來實(shí)時解算的，還需要用風(fēng)速傳感器獲取以上變化數(shù)據(jù)。當(dāng)前風(fēng)速傳感器對風(fēng)網(wǎng)的全面感知實(shí)時性較差：一方面是由于風(fēng)速傳感器的精度與穩(wěn)定性易受礦塵的影響，常表現(xiàn)為監(jiān)測穩(wěn)定性差；另一方面是因?yàn)轱L(fēng)速傳感器還存在定點(diǎn)監(jiān)測、安裝數(shù)量少的問題，不能全面監(jiān)測風(fēng)網(wǎng)。隨著對礦井智能通風(fēng)研究的深入，礦井風(fēng)速監(jiān)測穩(wěn)定性差、風(fēng)網(wǎng)感知不全面的問題已得到部分學(xué)者的重視。針對監(jiān)測穩(wěn)定性差的問題，劉鵬等[8]改進(jìn)了壓差風(fēng)速傳感器取壓裝置結(jié)構(gòu)，張巍等[9]研究了風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)降噪方法，王恩等[10]實(shí)現(xiàn)了測風(fēng)裝置自動在多點(diǎn)移動測取全斷面風(fēng)速，李秉芮等[11]優(yōu)化了傳感器在風(fēng)網(wǎng)中的布設(shè)位置。以上研究雖然在一定程度上提高了風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性，但均未解決礦塵對風(fēng)速傳感器精度與穩(wěn)定性的不利影響。蔡峰等[12]研究了煤塵數(shù)量、粒徑與超聲波波長對超聲波聲速和衰減系數(shù)的影響，但并未探討研究結(jié)果如何應(yīng)用到超聲波測速中，礦塵對風(fēng)速傳感器穩(wěn)定性影響帶來的監(jiān)測問題仍然存在。針對風(fēng)網(wǎng)監(jiān)測不全面的問題，李偉等[13]、談國文[14]建立了與安全監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)速傳感器連接的實(shí)時解算系統(tǒng)，但未涉及監(jiān)測值誤差及異常風(fēng)量的處理。鑒此，本文提出了基于超聲波全斷面測風(fēng)的礦井風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算方法，并在陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司（以下簡稱檸條塔煤礦）進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可靠性。該方法為提升礦井通風(fēng)智能化水平提供了技術(shù)支撐。

1 超聲波全斷面精準(zhǔn)測風(fēng)

超聲波在風(fēng)流中的速度為其在靜止空氣中傳播速度與空氣流速之和。因此，在一定距離內(nèi)，超聲波順風(fēng)與逆風(fēng)傳播所需要的時間不同，利用這個時間差可求得風(fēng)流的速度。超聲波測風(fēng)原理如圖1所示。

圖1 超聲波測風(fēng)原理Fig.1 Wind measurement principle of ultrasonic

一個風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)包括A、B 兩個超聲波收發(fā)點(diǎn)，A、B 橫跨巷道斷面，兩點(diǎn)連線與風(fēng)流方向夾角為θ。A 點(diǎn)的超聲波發(fā)送器1、接收器2 向B 點(diǎn)發(fā)送超聲波信號并接收來自B 點(diǎn)的超聲波信號；同理在B 點(diǎn)的超聲波發(fā)送器2、接收器1 向A 點(diǎn)發(fā)送超聲波信號并接收來自A 點(diǎn)的超聲波信號。

沿A 點(diǎn)到B 點(diǎn)的順風(fēng)方向，超聲波傳播速度為

式中：vc為超聲波在靜止空氣中的傳播速度，m/s；vAB為沿AB 方向的風(fēng)速，m/s。

超聲波順風(fēng)從A 點(diǎn)傳播到B 點(diǎn)所需時間為

式中L為超聲波傳播距離，m。

同理，沿B 點(diǎn)到A 點(diǎn)的逆風(fēng)方向，超聲波傳播速度為

超聲波逆風(fēng)從B 點(diǎn)傳播到A 點(diǎn)所需時間為

由式（2）、式（4）可得AB 方向的風(fēng)速值為

則巷道軸向風(fēng)速為

基于以上原理的測風(fēng)裝置的實(shí)物安裝如圖2 所示。含有超聲波接收器、發(fā)送器的2 個裝置通過支架固定在圖1 所示的巷道兩幫A、B 點(diǎn)，此時L、θ是固定值，只要測得tAB、tBA就可求得風(fēng)速。

圖2 超聲波全斷面測風(fēng)裝置安裝實(shí)物Fig.2 Installation material object of ultrasonic full-section wind speed measuring device

超聲波全斷面測風(fēng)的精度與分辨率主要取決于測風(fēng)裝置CPU 對時間的控制精度，即可識別的最小時長。若取L=6 m，θ=45°，vc=340 m/s 等典型值進(jìn)行分析，可得到風(fēng)速v=0.1 m/s 時超聲波順風(fēng)和逆風(fēng)的傳播時間：

超聲波順風(fēng)和逆風(fēng)傳播時間差為7.3 μs。常用的C51 單片機(jī)CPU 可識別的最小時間粒度可達(dá)到1 μs，故超聲波時差法測風(fēng)精度可以達(dá)到0.1 m/s，完全能滿足礦井最低風(fēng)速0.15 m/s 的要求；若取v=0.13 m/s，即風(fēng)速產(chǎn)生0.03 m/s 的變化，此時tAB=17 642.3 μs、tBA=17 651.8 μs，在2 個方向超聲波的傳播時間改變量均為1.1 μs，都超過了儀器所能捕獲的時間1 μs，因此基于本文方法的測風(fēng)裝置的分辨率可以達(dá)到0.03 m/s。

采用超聲波全斷面測風(fēng)具有不受聲波速度、溫濕度和氣壓等參數(shù)影響的優(yōu)點(diǎn)。另外，與傳統(tǒng)風(fēng)速傳感器相比，巷道全斷面測風(fēng)的過風(fēng)口大，不存在粉塵堵塞測風(fēng)道的問題；風(fēng)道長度變長，增加了超聲波傳播時間，降低了捕捉超聲波傳播時間差的難度。

2 礦井風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算方法

2.1 風(fēng)流在井巷中流動遵循的物理模型

風(fēng)流在井巷中流動總是遵循節(jié)點(diǎn)流量平衡與回路風(fēng)壓平衡定律。對于含有N條分支、M個節(jié)點(diǎn)的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)流量平衡與回路風(fēng)壓平衡定律可分別描述如下：

式中：Fq（Q）為節(jié)點(diǎn)風(fēng)量代數(shù)和，m3/s，Q為風(fēng)量真值的列向量，Q=[q1q2…qN]T；bij為分支j（j=1,2,…,N）與節(jié)點(diǎn)i（i=1,2,…,M-1）的連接關(guān)系，當(dāng)風(fēng)流由分支j流入節(jié)點(diǎn)i時bij=-1，風(fēng)流從節(jié)點(diǎn)i流出時bij=1，分支j與節(jié)點(diǎn)i不相連時bij=0；qj為分支j的準(zhǔn)確風(fēng)量值，m3/s；Fh（R）為回路風(fēng)壓代數(shù)和，Pa，R為分支風(fēng)阻列向量，R=[r1r2…rN]T；ckj為分支j與回路k（k=1,2,…,P，P=N-M+1，為獨(dú)立回路或余樹枝的個數(shù)）的關(guān)系，分支j在回路k中且與回路同向時ckj=1，與回路反向時ckj=-1，不在回路k中時ckj=0；rj為分支j的風(fēng)阻，N·s2/m8；Hj為分支j中的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（若無此項(xiàng)則為0），Pa。

2.2 風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算中的固定風(fēng)量法

2.2.1 實(shí)時解算原理

風(fēng)網(wǎng)的實(shí)時解算是相對于靜態(tài)解算而言的。靜態(tài)解算是將通風(fēng)機(jī)性能曲線、分支風(fēng)阻作為已知數(shù)，風(fēng)量作為未知數(shù)，求解式（9）、式（10）的計(jì)算過程，解算方法主要有牛頓法、斯拷特-恒斯雷法[15]等，靜態(tài)解算主要用于礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測。與靜態(tài)解算相比，實(shí)時風(fēng)網(wǎng)解算的已知條件發(fā)生了變化，它是在不斷采集主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓實(shí)時工況和部分井巷實(shí)時風(fēng)量的條件下解算風(fēng)網(wǎng)，主要功能是由部分監(jiān)測數(shù)據(jù)推演全風(fēng)網(wǎng)實(shí)時狀況。牛頓法、斯拷特-恒斯雷法在求解風(fēng)網(wǎng)時都需要先找到風(fēng)網(wǎng)的P條余樹枝來分別形成一個獨(dú)立回路，并以余樹枝的風(fēng)量Qy=[qy1qy2…qyP]T為未知數(shù)建立一組非線性方程組，Qy中元素qyk的下標(biāo)增加的前綴y 表示k分支是余樹支。根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論，風(fēng)網(wǎng)中任一分支j的風(fēng)量可通過Qy來計(jì)算，即

只要求得余樹枝的風(fēng)量，就可以推算出全風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量。以簡化的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)（圖3）為例，分支7，8，4 即是該風(fēng)網(wǎng)的一組余樹枝，只要已知或先求得這3 條分支的風(fēng)量，就可用式（11）計(jì)算其他分支的風(fēng)量。

圖3 簡化的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Simplified mine ventilation network

用固定風(fēng)量法進(jìn)行實(shí)時風(fēng)網(wǎng)解算就是將通過風(fēng)速傳感器獲得實(shí)時風(fēng)量的分支（采用加邊法找回路時，將這些分支排在最后）盡可能選作余樹枝，這樣不僅將監(jiān)測風(fēng)量引入式（11）來推演其他分支的風(fēng)量，也減少了使用牛頓法求Qy時的未知數(shù)個數(shù)。這種在Qy含有已知風(fēng)量（固定風(fēng)量）的情況下進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算的方法，稱為固定風(fēng)量法。理想情況下，當(dāng)有P個測風(fēng)裝置正好布置在可以同時作為余樹枝的分支上時，可以直接使用式（11）求得全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量。由于實(shí)踐中風(fēng)速傳感器多是布置在總回風(fēng)巷和采掘工作面等重要位置，在數(shù)量上也很難覆蓋余樹的所有分支。所以，在不理想條件下，實(shí)時風(fēng)網(wǎng)解算時也需要先求解Qy，再推演全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量。關(guān)于求解Qy，特別是保證迭代收斂的方法在許多文獻(xiàn)中均有詳細(xì)介紹[15]，此處不再贅述。下面采用圖3 算例進(jìn)一步說明實(shí)時解算原理。

2.2.2 算例分析

圖3 算例風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算結(jié)果見表1。圖3 中各分支的風(fēng)阻見表1 中的R*，通風(fēng)機(jī)分支8 的風(fēng)阻為0，設(shè)分支1，6，7 有風(fēng)量監(jiān)測裝置，某時刻監(jiān)測到的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓分別為87.0 m3/s、2 298 Pa，分支監(jiān)測風(fēng)量列向量為表1 中的QM。通風(fēng)機(jī)性能函數(shù)J=2 305.8-3.057 218 102q8+0.033 670 849q82-0.000 312 697q83，Q0為用J及R*完成的靜態(tài)解算結(jié)果，相對于實(shí)時解算結(jié)果而言，Q0可以視作各分支的設(shè)計(jì)風(fēng)量。Q1為基于固定風(fēng)量法的實(shí)時解算結(jié)果。

表1 圖3 算例風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算結(jié)果Table 1 Real-time calculation results of the example ventilation network of figure 3

解算Q1時采用加邊法找回路，分支按2，3，4，5，1，6，7，8 排序，分支1，6，7，8 后置是為了盡可能將它們選為余樹枝。最終分支4，7，8 選為余樹枝，形成的3 組獨(dú)立回路分別為（4，-2，3）、（7，3，-2，-5）和（8，1，2，5，6），回路中負(fù)號表示對應(yīng)分支與余樹枝風(fēng)流方向相反。可以看出：①Q(mào)1符合節(jié)點(diǎn)流量平衡方程，只要不斷地用分支7，8 的監(jiān)測值進(jìn)行計(jì)算就可以產(chǎn)生動態(tài)的Q1。② 監(jiān)測值還未得到充分利用，盡管分支1，6 有監(jiān)測風(fēng)量，但未能被選為余樹枝，這些冗余監(jiān)測分支在QM與Q0中的值還有偏差，這既可能是由測風(fēng)裝置引起的，也可能是由分支風(fēng)阻的準(zhǔn)確度引起的。嚴(yán)格地講，礦井風(fēng)網(wǎng)是一個非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，分支風(fēng)量無時不在波動，盡管風(fēng)速傳感器采用了全斷面精準(zhǔn)測風(fēng)技術(shù)，監(jiān)測風(fēng)量仍然不會嚴(yán)格滿足節(jié)點(diǎn)流量平衡定律，因此有必要對實(shí)時解算風(fēng)量進(jìn)行修正。③R*，Q1未能使以上3 個獨(dú)立回路達(dá)到風(fēng)壓平衡，這是因?yàn)榫滦腥恕⑿熊嚨榷紩l(fā)風(fēng)阻波動，因此風(fēng)阻也需要進(jìn)行實(shí)時修正。

2.3 風(fēng)量和風(fēng)阻的實(shí)時修正

2.3.1 實(shí)時解算結(jié)果的最優(yōu)化修正模型

為實(shí)時監(jiān)測風(fēng)量，對有冗余監(jiān)測風(fēng)量的分支用QM中的元素替換Q1中的元素，替換后的向量記為Q*=[q1*q2*…qN*]T，對于圖3 算例需要進(jìn)行替換的分支是1 和6，替換后的Q*見表2，Q*不符合節(jié)點(diǎn)流量平衡定律，需要進(jìn)行修正。記修正量的列向量為ΔQ，ΔQ=Q-Q*=[Δq1Δq2… ΔqN]T。用fq（ΔQ）表示風(fēng)量修正量的加權(quán)平方和，即

表2 圖3 算例風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算修正結(jié)果Table 2 Real-time corrected calculation results of the example ventilation network of figure 3

式中wj為第j條分支待修正數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度或可信度，初值越可信，wj值越大。

引入權(quán)對角矩陣Wq，則修正量加權(quán)平方和的矩陣運(yùn)算式為fq（ΔQ）=ΔQTWqΔQ。將Q=ΔQ+Q*代入式（9），將Fq（Q）=0 改寫為Fq（ΔQ）=0，這樣在加權(quán)最小二乘法意義下，風(fēng)量修正的數(shù)學(xué)模型為

求解式（13）可得到風(fēng)量的修正量ΔQ。同理可求解到向量R*，R，風(fēng)阻修正量列向量ΔR=R-R*=[Δr1Δr2… ΔrN]T，風(fēng)阻修正量的加權(quán)平方和fr（ΔR）=ΔRTWrΔR，Wr為風(fēng)阻修正時的權(quán)對角矩陣。以回路風(fēng)壓平衡方程為約束條件，對分支風(fēng)阻進(jìn)行修正的模型為

求解式（14）可得到風(fēng)阻的修正量ΔR。經(jīng)過風(fēng)量、風(fēng)阻修正后的Q，R才是完全符合節(jié)點(diǎn)流量平衡與回路風(fēng)壓平衡方程的實(shí)時解算結(jié)果。

2.3.2 修正模型求解

式（13）和式（14）在數(shù)學(xué)形式上相同，因此，可將Q，R統(tǒng)一用向量X來表示，則兩式統(tǒng)一表示為

將f（ΔX）的極值轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣瘮?shù)φ的極值問題，故需用式（16）對ΔX，Z求一階偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)數(shù)為零，整理得到

將式（17）代入IΔX+Y=0，求得Z=-（IWX-1IT）-1Y，將Z代回式（17）可得ΔX。由于求風(fēng)阻的修正量要用到風(fēng)量，所以先修正風(fēng)量，再修正風(fēng)阻，修正時權(quán)值可分別取風(fēng)量、風(fēng)阻的倒數(shù)。

2.3.3 算例與異常值分析

對于圖3 算例，在2.2.2 節(jié)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，經(jīng)實(shí)時修正，得到表2 中的Q和R。經(jīng)驗(yàn)證，Q，R完全符合式（9）、式（10）的約束，實(shí)時解算的風(fēng)量既與監(jiān)測值高度吻合，又嚴(yán)格遵循回路風(fēng)壓平衡與節(jié)點(diǎn)流量平衡定律。

根據(jù)實(shí)時解算結(jié)果可對2 種故障進(jìn)行報(bào)警。一種是辨識傳感器故障或受到瞬時干擾（如車、人經(jīng)過A、B 測點(diǎn)之間）的無效測值，這時監(jiān)測風(fēng)量值之間往往互相矛盾，必然導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果中風(fēng)量實(shí)時修正值過大（如ΔQ在Q中的占比超過30%）。另一種是阻變型故障引發(fā)風(fēng)量異常，此時傳感器無故障，但實(shí)時解算值Q與設(shè)計(jì)值Q0之間有較大偏差，這時必然會出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果中風(fēng)阻值修正量過大的情況，如表2 中解算風(fēng)量與設(shè)計(jì)值偏差最大的是分支1，6，最可能的原因就是分支1，6 風(fēng)阻增加，導(dǎo)致風(fēng)阻的修正量最大，如果這種情況只是短時發(fā)生，致因可能是行人、行車，如果長期存在，則可能是這些分支風(fēng)阻已發(fā)生永久性變化（如巷道變形、斷面縮小或有堆積物）；如果實(shí)時解算風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量絕對改變量過大，即出現(xiàn)異常風(fēng)量（往往是由于巷道冒頂或通風(fēng)構(gòu)筑物損毀這種突發(fā)的阻變型故障導(dǎo)致），這時必然會對風(fēng)阻產(chǎn)生一個較大的修正量，因此可從風(fēng)阻改變量最大的分支中優(yōu)先定位阻變型故障的位置。

3 檸條塔煤礦精準(zhǔn)測風(fēng)與風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算試驗(yàn)

檸條塔煤礦采用分區(qū)對角式通風(fēng)系統(tǒng)，礦井井田范圍大，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，共有4 進(jìn)2 回6 條井筒，風(fēng)網(wǎng)共有分支1 319 條，節(jié)點(diǎn)945 個。

3.1 精準(zhǔn)測風(fēng)

本次試驗(yàn)在井下27 個測風(fēng)站安裝全斷面超聲波測風(fēng)裝置，形成智能測風(fēng)站，對風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)測定。風(fēng)速測值隨時更新，并動態(tài)生成1，5，10 min 內(nèi)的平均值，軟件界面如圖4 所示，測風(fēng)裝置的分辨率為0.03 m/s。礦井采煤工作面N1204 回風(fēng)巷的測風(fēng)裝置在2021 年6 月的歷史測值統(tǒng)計(jì)如圖5 所示，在試驗(yàn)點(diǎn)能觀察到對0.1 m/s 低風(fēng)速的響應(yīng)。5-7 月每旬的人工測風(fēng)與同時段超聲波全斷面測風(fēng)監(jiān)測值的對比結(jié)果如圖6 所示。從圖5、圖6 可看出，在6 月，采煤工作面分風(fēng)量比較固定，風(fēng)速在1.4 m/s 上下波動；5-7 月3 個月中，受網(wǎng)絡(luò)配風(fēng)不均及回采時采煤工作面通風(fēng)距離變短、風(fēng)阻減少、風(fēng)量增大的影響，采煤工作面配風(fēng)量呈上升趨勢，此時人工測風(fēng)與超聲波測風(fēng)結(jié)果仍是吻合的，證明了超聲波全斷面測風(fēng)裝置的可靠性。超聲波測風(fēng)裝置一經(jīng)安裝到位，理論上不需要調(diào)校，除非A、B 基座發(fā)生變位。各測點(diǎn)的裝置已穩(wěn)定運(yùn)行超過6 個月，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

圖4 風(fēng)量實(shí)時測值顯示界面Fig.4 Display interface of real-time values of air volume

圖5 風(fēng)速監(jiān)測值統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistical chart of wind speed monitoring values

圖6 人工測風(fēng)與超聲波測風(fēng)對比Fig.6 Comparison between manual wind speed measurement values and ultrasonic wind speed measurement values

3.2 全風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算

27 個測風(fēng)站主要分布在進(jìn)回風(fēng)井、盤區(qū)大巷、采煤工作面進(jìn)回風(fēng)巷等位置。軟件采用云計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置Web 服務(wù)器、監(jiān)測主機(jī)和計(jì)算服務(wù)器將軟件服務(wù)、實(shí)時數(shù)據(jù)采集、風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算集成為一體；前端采用Html 5、WebGL 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種信息的三維展示，運(yùn)行效果如圖7 所示。為消除瞬時異常測值對解算結(jié)果的影響，測點(diǎn)風(fēng)量采用1 min內(nèi)的平均值參與實(shí)時解算，解算平均迭代次數(shù)約為105，在配置2.4 GHz 主頻、10 核CPU 和32 GB 內(nèi)存的服務(wù)器上僅需0.9 s 即可完成1 次解算，解算結(jié)果在宏觀上可隨時間不斷更新。盡管本次試驗(yàn)只設(shè)置了少量監(jiān)測點(diǎn)，但與靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)解算相比，實(shí)時解算可形象、準(zhǔn)確地展示復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量變化的實(shí)況。隨著礦井智能化建設(shè)的深入，礦井將建設(shè)更多風(fēng)速精準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)，使系統(tǒng)的解算能力進(jìn)一步提升。

圖7 基于WebGL 的風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算前端顯示界面Fig.7 The front-end display interface of real-time calculation results of mine ventilation network based on WebGl technology

4 結(jié)論

（1）利用超聲波在兩點(diǎn)間順風(fēng)、逆風(fēng)傳播的時間差實(shí)現(xiàn)巷道全斷面測風(fēng)，風(fēng)速測定結(jié)果與聲速無關(guān)，具有不受聲波速度、溫濕度和氣壓等參數(shù)影響的優(yōu)點(diǎn)，精度高，穩(wěn)定性好。全斷面測風(fēng)避免了傳統(tǒng)風(fēng)速傳感器的風(fēng)道易受礦塵堵塞的難題，測風(fēng)裝置的分辨率可達(dá)0.03 m/s，試驗(yàn)點(diǎn)可觀察到對0.1 m/s 風(fēng)速的響應(yīng)和超過6 個月不用調(diào)較的穩(wěn)定運(yùn)行期。

（2）全風(fēng)網(wǎng)實(shí)時解算方法通過不斷采集主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓實(shí)時工況和部分井巷實(shí)時風(fēng)量解算風(fēng)網(wǎng)，具有風(fēng)量、風(fēng)阻雙實(shí)時解算能力。使用固定風(fēng)量法將監(jiān)測風(fēng)量融入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，解算得到全風(fēng)網(wǎng)實(shí)時風(fēng)量，采用最優(yōu)化方法修正風(fēng)量與風(fēng)阻解算結(jié)果，解決了監(jiān)測冗余分支引起的節(jié)點(diǎn)風(fēng)量不平衡與分支風(fēng)阻波動引起的回路風(fēng)壓不平衡問題。通過算例驗(yàn)證了該方法實(shí)時解算結(jié)果與監(jiān)測值高度吻合，同時又嚴(yán)格遵循回路風(fēng)壓平衡與節(jié)點(diǎn)流量平衡的約束。

（3）在2.4 GHz 主頻CPU 的服務(wù)器上對檸條塔煤礦含1 319 條分支、945 個節(jié)點(diǎn)的風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時解算，1 次解算僅用時0.9 s，解算迭代收斂次數(shù)約為105，解算用時少，速度快，結(jié)果穩(wěn)定可靠，可全面、形象地展示復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)的真實(shí)情況。