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ay3跟踪设定值w3的曲线b调节量x3的过程曲线 收稿日期2008 - 03 - 10 作者简介邵艳梅1981 - ,女,河南理工大学计算机科学与技 术学院在读硕士研究生,主要从事计算机测控技术方面的研究工作。 图4 磨煤机进出口差压y3的无模型自适应预测 控制仿真曲线 从图4可看出系统输出在很少的步数内就能达 到设定值,超调量小,系统的动态性能好。 5 结语 钢球磨煤机中储式制粉系统用神经网络解耦器 解耦后可形成3个单变量非线性系统。 本文对单变 量非线性系统用一非线性系统的泛模型表示,结合 无模型自适应控制和预测控制的控制机理的优点, 提出了无模型自适应预测控制器,并对控制效果进 行仿真研究。从仿真研究中可以看出,将本文提出 的无模型自适应预测控制器应用于钢球磨煤机中储 式制粉系统可以取得良好的控制效果。对一般控制 系统,无模型控制器在应用时,几乎不需设定任何其 它参数,同时又具有预测控制的控制机理的优点。 所以,无模型预测控制器具有一定的应用前景。 参考文献 [1] 陶文华.钢球磨中储式制粉系统的建模与控制[J ].控 制工程,2003 , 103 245～248. [2] 柴天佑.多变量自适应解耦控制及应用[M].北京科 学出版社,2001 162～163 [3] 侯忠生.非参数模型及其自适应控制理论[ M].北京 科学出版社,1999. [4] 诸 静.智能预测控制及其应用[M].杭州浙江大学 出版社,2002. 第5期 2008年10月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 5 Oct. 2008 文章编号1671 - 251X200805 - 0019 - 03 矿井安全生产仿真系统的研究 邵艳梅 河南理工大学计算机科学与技术学院,河南 焦作 454003 摘要文章在建立典型事故模型的基础上,运用计算机虚拟仿真技术、 矿井生产模拟仿真技术、 安全避灾 模拟技术等建立了一套完整的矿井安全生产仿真模拟系统,介绍了该系统的功能结构及实现的关键技术。 该系统可模拟矿井生产的实际过程,可用于矿井安全生产的教育和培训,还可为煤矿安全生产提供重要的现 场保障手段。 关键词矿井;安全生产;虚拟技术;仿真技术;安全培训 中图分类号TD672/ 76 文献标识码A Research of Simulation System for Mine Safety Production SHAO Yan2mei College of Computer Science and Technology of Henan Polytechnic University , Jiaozuo 454003 , China Abstract On the basis of establishment of typical fault model , the paper built up a simulation system for mine safety production by computer virtual technology , simulation technology for mine production and security simulation technology for preventing disaster , introduced function structure and key technology of the system.The system could simulate actual process of mine production , which could be used for education and training for mine safety production , and offered important ensuring means for mine safety production. Key wordsmine , safety production , virtual technology , simulation technology , safety training 0 引言 我国安全生产体系并不完善,特别是近年来煤 矿生产企业的各种生产事故频频发生,造成了大量 的人员伤亡和财产损失,保障安全生产已经成为煤 炭企业需要首要解决的问题。传统的安全生产培训 主要局限于书本教育,现场综合信息环境的缺失使 得安全生产的教育培训效果大打折扣[1]。本文从我 国煤矿生产现状出发,对煤矿安全事故频发的原因 和矿井安全生产仿真系统的功能需求进行了综合分 析,对煤矿安全生产的众多环节进行了仿真模拟研 究,研制出了安全生产仿真系统。该系统不但可以 用于安全生产培训,还可以为煤矿安全生产提供重 要的现场保障手段。 1 系统功能与结构 影响矿井安全的主要因素有地质、 灾害、 煤层开 采、 生产装备、 生产人员素质、 环境条件、 矿井危险源 等。因此,矿井安全生产仿真模拟系统应具有以下 功能 1 提供一个矿井生产系统可视化的环境,能 够使用户在场景中随意浏览[2] ; 2 系统为操作人 员提供一个矿井生产仿真系统的人机界面,能够在 各子系统之间导航[2] ; 3 系统能够模拟煤矿采煤 工作面采煤工艺流程,能够进行采煤机、 胶带运输机 等关键设备操作模拟训练,并伴有语音提示和文字 提示 ;4 系统能够模拟矿井井下通风系统风流路 线及对各通风口风流量的合理分配 ; 5 系统能模 拟瓦斯、 透水灾害发生后的逃生路线。 根据以上对系统功能的需求分析,设计的矿井 安全生产仿真系统的总体框架如图1所示。 图1 矿井安全生产仿真系统的总体框架图 该系统可以模拟矿工从地面坐罐笼进入矿井, 到井底车场,并进行相关活动。对井底车场中央泵 房和中央变电所进行逼真模拟,虚拟人物可以在井 底车场漫游,看到各种设备和设施。同样的方法对 大巷、 上下山、 风巷综采工作面进行漫游,特别是在 综采工作面,对采煤过程进行仿真,按照采煤工艺要 求,虚拟矿工可以操纵采煤机进行滚筒转动、 采煤机 移动和采煤机摇臂反转,看到采煤机截煤、 落煤和刮 板输送机运煤的逼真场面。对于综采工作面的支护 也进行了仿真,操作者可以操纵综采工作面的液压 支架完成降架、 移架、 升架和推动的整个操作过程。 进入每个场景时加有语音介绍和安全提示。另外, 生产系统的模拟还包括运煤系统和通风系统的模 拟;安全避灾包括瓦斯避灾和透水等避灾演示。 2 系统实现的关键技术 2. 1 典型事故模型的建立 1瓦斯爆炸模型 煤矿瓦斯爆炸属性一般为爆燃过程,但在一定 条件下瓦斯浓度分布条件、 引爆方式和强度、 瓦斯 爆炸空间几何特性等有可能发展为爆轰过程。本 文以平禹煤电公司4号矿为例,采用基本的一维直 巷道一端封闭、 一端开口的掘进巷道的瓦斯爆炸 模型仿真瓦斯爆炸,如图2所示。初始状态为常温、 常压,声速为当地声速;采用瓦斯爆炸三角形作为瓦 斯爆炸的条件。 图2 瓦斯爆炸冲击波的一维传播示意图 瓦斯爆炸产生冲击波或爆轰波后,设流动为 一维定常,冲击波或爆轰波一维传播方程式如式1 所示。结合状态方程p p ρ , t 和初始条件、 边界 条件可求出爆轰波的传播速率。 ρ D - u ρ0 D -u0 [ρ D - u 2 p][ρ0 D -u0 2 p0] e p ρ 1 2 D - u 2 e0 p0 ρ0 1 2 D -u0 2 1 式中p为冲击波传播时介质的压力,它传播方 02工矿自动化2008年10月 向的距离x和时间t的函数pp x , t ; p0为波前 介质压力;ρ为冲击波传播介质的密度,ρρ x , t ; ρ0为冲击波发生前传播介质的平均密度; u为冲击 波传播时介质速率, uu x , t ; u0为冲击波发生前 的介质速度; T为介质的比内能; T0为冲击波传播 前的介质比内能; D为爆炸冲击波速度; e表示T T x , t函数,表示 T在传播方向和时间上的分布规 律;e0为冲击波传播前介质比内能的分布。 2涌水事故模型 涌水事故模型为模拟地表水通过地下水层涌入 巷道。当掘进巷道穿透含水层或回来工作面放顶后 所形成的岩石裂缝与这些含水层相通时,含水层水 就将涌入矿井。含水层水的特点是水压高、 水量大、 来势猛。涌水事故的物理模型如图3所示。 图3 涌水事故的物理模型图 2. 2 虚拟现实技术 虚拟现实VR技术可利用计算机产生一个让 人以自然的视、 听、 触等功能感受的三维环境,人们 可以方便地对生成的 “ 虚拟世界” 进行交互式的观 察、 分析、 操作和控制。虚拟现实技术的特点是沉浸 性 Immersion、 交互性 Interaction和构想 性 Imagination ,应用该技术可以模拟出矿井的生产 过程及安全避灾演示。 2. 3 安全避灾仿真技术 1灾难仿真技术 煤炭行业是一个特殊的行业,瓦斯爆炸、 水灾等 各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安 全。结合矿井的事故模型以及虚拟现实技术,对煤 矿的灾难发生条件以及发生过程进行仿真模拟。以 平禹煤电公司4号矿为蓝本,创建一个三维虚拟矿 井以随机产生瓦斯、 氧气、 温度等数据,在逼近瓦斯 爆炸条件时发生爆炸,导致机车侧翻、 变形,人员伤 亡;同时利用安全避灾路线图模拟事故发生前的征 兆、 事故发生时造成的严重程度及如何按避灾路线 逃生等,配有声音、 动画等演示。对涌水事故,模拟 由于掘进工人在地理环境不熟悉时炮采导致地表水 和地下水涌入巷道的事件,同时演示如何开展避灾 自救,提供实时建议。 2避灾知识库 避灾知识库包括相关法律法规、 灾害处理方法、 应急预案、 自救技巧等内容。避灾知识库和灾难仿 真技术相结合,在灾害发生模拟过程中设置相应提 示,在不同层面和角度给出处置建议。避灾知识数 据非常丰富,本系统选用了功能强大的SQL Sever 2000作为后台数据库平台,先后建立了矿井资料数 据库、 典型灾害模拟库、 安全设备信息库、 救灾专家 信息库和自救技巧库等,并对这些数据实行分层管 理,对灾难发生前的征兆、 事故发生中的应急处置、 事故发生后的处理从多角度矿工、 矿井管理者、 救 灾人员等进行模拟。 2. 4 生产流程仿真 矿井灾难是在生产过程中发生的,因此,生产流 程仿真是矿井灾难模拟的基础。根据平禹煤电公司 4号矿的特点建立包括巷道、 轨道、 连续采煤机、 运 输车辆、 安全设备及其它设备和场景的模拟矿区。 在这个模拟矿区中相关设备按照各自功能进行工 作,模拟煤矿企业的生产实际。 3 结语 本文用虚拟现实语言构建矿井生产模型模拟煤 矿的生产过程,并且可在场景漫游过程中实时获取 数据信息。通过对矿井生产过程的模拟,该仿真系 统可以满足矿井工作者对矿井结构、 生产状况流程 可视化方面的要求,不仅为矿井实施安全生产教育 和培训提供了一种新型可行的方式,还可以为安全 生产提供重要的现场保障手段。 参考文献 [1] 朱 红,金雪松,魏永录.煤炭生产安全综合仿真信息 系统[J ].煤矿安全,20061 . [2] 仵自连,王德永,樊 继.虚拟矿井生产仿真系统的分 析与设计[J ].微计算机信息,2006 ,2226 308～310. [3] 施式亮.矿井安全非线性动力学评价模型及应用研究 [D].长沙中南大学,2000. [4] 韩文骥,王文平,韩可琦.矿井通风安全预警仿真系统 的研究[J ].洛阳工业高等专科学校学报, 2006 , 161 . [5] 史先焘.虚拟仿真技术在煤矿安全培训中的应用[J ]. 中国矿业,2005 ,149 . [6] 王德永,仵自连,杜卫新.虚拟现实技术在矿井生产仿 真系统中的应用[J ].煤矿机械,200610 . [7] 刘思岑,魏占玉,周荣福.基于VRML的矿井生产三维 模拟[J ].采矿技术,2007 ,71 . 122008年第5期邵艳梅矿井安全生产仿真系统的研究