矿井通风系统仿真图形化建模.pdf

第1 4 卷第6 期 总第9 l 期 2 0 0 9 年1 2 月 煤矿 开采 C o a lr I l i n i n gT e c h n o l o g y V 0 1 ．1 4 No ．6 S e r i e sN o ．9 1 D e c e m b e r2 0 0 1 9 矿井通风系统仿真图形化建模 张浪，王翰锋，王大尉 煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京1 0 0 叭3 [ 摘要]针对传统矿井通风系统仿真建模方法效率低、建模时间长、对建模人员的专业知识 水平要求高，而且模型调试困难等缺点，提出图形化建模方法，并开发了一个矿井通风系统仿真图形 化建模环境，使其可以方便地实现矿井通风系统仿真。 [ 关键词]矿井通风；仿真；图形化建模 [ 中图分类号] r I ．I 6 7 2[ 文献标识码】A[ 文章编号] 1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 9 0 6 J 0 0 1 7 旬3 G 期p h j cS j m u l a t i o nM o d e Ⅱn go fM i n eV e n t i J a t i o nS y s t e m Z H A N GL a n g ，W A N GH a n ．f e n g ，W A N GD a ．w e i M i n eS 如t y ‰h n o I o g yR e 鸵a 陀hB m n c h ，C h i 舱C o a lR e ∞a 曲I n s t i I u t e ，B e 玎i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t 憎d T h e r ea r es e v e r a ls h o n c o m i n g sj nt r a 出t i o n a ls i m u l a t i o nm o d e l i n gf o rf n j n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gl o we 舒c i e n c y ，l o n g m o d e l i n gt i m e ，h i g l ls p e c i a l t y 陀q u i r e m e n tf o rm o d e l j n gp e r ∞m 卸dd i 珩c u l td e b u g 舀n gp r o c e d u r e ．1 I l i sp a p e rp u tf o m a r dag r a p h i c a l m o d e l i n gm e t h o d 卸dd e v e l o p e d 衄e m u l “o n a lg m p h i c a lm o d e l i n ge n v i r o n m 即tf o rI I l i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mw i t hw h i c hw ec o u l dc o n v e n i e n Ⅱyr e a l i z em i n ev e n t i l a t i o ns i m u l a t i o n ． 1 【e yw o r d s l I I i n ev e n “l a t i o n ；s i m u l a t i o n ；伊a p h i c a lm o d e l i n g 矿井通风系统仿真就是对矿井的通风系统进行 计算机模拟，以往大多数的矿井通风系统模拟的方 法都是基于数据文件的，首先需要根据矿井通风系 统图绘制矿井通风网络图，再利用手工对矿井通风 网络图的节点、巷道 风路 进行编号并建立网 络拓扑关系，然后编写通风系统模拟数据文件，最 后模拟计算结果以数据文件输出。而矿井通风系统 仿真图形化建模的方法是基于图形的，只需要绘制 矿井通风系统图，并在图元 如巷道、风门和风 机等 上输入参数，就可以进行通风系统模拟， 模拟结果在图元上显示。 和以往的通风系统模拟方法相比较，不需要绘 制通风网络图，不需要对节点、巷道进行手工编号 和建立网络拓扑关系，数据的输入和输出都在图形 上操作，方便简单，形象直观，采用图形化建模不 仅可以缩短系统的仿真开发周期、提高效率、而且 大大提高了系统的可靠性、可维护性、可移植性和 可扩展性。图形化建模是将建模过程用图形方式表 示出来，在设计一个图形建模软件时，需要综合考 虑使用习惯、建模方法、图形工具等方面问题，具 体包括通风系统的图形表示方式，模块库中算法的 调用方式，图元的连接方式，系统的输入、输出方 式等。 1 通风系统仿真图形化建模方法与原理 实现矿井通风系统仿真图形化建模一般有2 种 方法一种是在已有的绘图软件 如A u t o C A D 基础上进行二次开发，以A u t o C A D 块的形式建立 元件图形符号库，应用该图形符号库建立系统图， 通过分析系统图的D x F 文件提取系统的连接信息， 再生成网络拓扑关系数据库；第二种是独立开发自 己的绘图软件。这样可以摆脱对其他商业软件的依 赖，同时也降低了对硬件的要求。本文采用第二种 方法实现矿井通风系统图形化建模，以V C 为 编程语言，以V c 6 ．0 为开发工具。编程中充分利 用M F c 基础类库和框架结构提供的便利，应用面 向对象编程思想建它元件的图形编辑器，通过系统 图的绘制和编辑功能，绘制系统图，自动获得系统 连接关系，并生成网络拓扑关系数据库。 1 ．1 矿井通风仿真图形编辑器设计 图形编辑器用于完成具体的图形化建模任务， 除了要完成图元对象的生成、显示、管理、选中、 移动和删除操作外，更重要的是其要能识别图元的 属性和连接关系，根据画面上的图元信息，建立通 风系统图的相应网络拓扑结构模型。此外，不仅要 考虑某个特定图元对象的移动和删除操作，还要兼 【收稿日期] 2 0 0 9 一0 6 一0 3 [ 基金项目] 煤炭科学研究总院基金项目 2 0 0 6 Q N 6 4 矿井通风系统智能分析研究，2 0 0 7 c x 2 4 王坡煤矿矿井通风系统智能分析研究 。 【作者简介】张浪 1 9 7 8 一 。男，内蒙古乌盟人，注册安全工程师，主要从事矿井通风安全方面研究。 1 7 万方数据 总第9 l 期 煤矿开采 2 0 0 9 年第6 期 顾所有与之相连的其他图元对象，以保证整个矿井 通风系统图的连接和显示的正确性。矿井通风系统 仿真主要包括的图元对象为巷道、风机、通风构筑 物 风门、风窗 和风流方向，要形成一个完整 的通风系统网络，各条巷道连接是通过节点实现 的，而风机、通风构筑物和风流方向是属于某一条 巷道的，同样节点也作为一个图元，但不独立存 在，依附于一条巷道。对于每一个图元，在程序设 计中都对应一个图元类，在V c 中利用M F c 基 础类库的C O b j e c t 基类派生一个图元基类 C G r a p h ，所有图元对象都从C G r a p h 派生，使这 些图元都具有图形绘制、鼠标选中、图形删除和属 性数据的设置等操作。各个图元类设计概述如下 1 图元基类 C G r a p h 具有图形对象参 数设置和图形对象的绘制、鼠标选中、图形删除等 操作功能，以及图形序列化、运行时类的信息输 出、对象调试输出等功能。利用V C 的多态性， 在图形基类中可以定义大量的纯虚拟函数 关键 字是v i r t u a l ，程序运行时利用基类指针管理对 象，程序动态执行。巷道类 C T u n n e l 、节点类 C J i o n t 、通风机类 C F a n 、通风构筑物类 C G a t e 、风流方向类 C D i r e c t 都是图元基类 C G r a p h 的派生类。 2 巷道类 C T u n n e l 巷道类中定义了巷 道始节点、末节点和巷道的属性列表，以及与巷道 绑定通风构筑物、通风机、风流方向列表，同时也 定义了巷道与通风构筑物、通风机、风流方向建立 和解除绑定关系的操作函数。 3 节点类 C J i o n t 节点类定义了节点坐 标、节点属性列表，以及与关联巷道对象指针列 表，通过关联巷道指针列表，方便建立管理整个系 统的拓扑关系。 4 通风机类 C F a n 通风机类定义了通 风机的模块图形与坐标、通风机属性列表和绑定通 风机的巷道指针 p T u n n e l 。 5 通风构筑物类 C G a t e 通风构筑物类 定义了构筑物的模块图形与坐标、构筑物属性列表 和绑定构筑物的巷道指针 p T u n n e l 。 6 风流方向类 C D i r e c t 风流方向类中 定义了风流方向箭头的模块图形和坐标，以及与该 风流方向绑定的巷道指针 p T u n n e l 。 1 ．2 网络拓扑关系自动建立的实现 通风网络系统建模的重要问题之一是如何对节 点和巷道进行计算机编号以有效、简便地反映其间 的拓扑结构，求得各节点问的连接关系，并以此为 1 8 依据修改网络参数，为网络计算提供实时的结构信 息。通过拓扑分析，可以获得整个系统节点的关联 矩阵。在图形绘制的过程中，根据绘制的巷道、通 风构筑物、风机等图元的绘制先后顺序和物理连接 关系，对各图形对象分别进行自动标号，每一个对 象都具行睢～的对象标识号，通过图形化方法建立 关联矩阵。其实现方法为当用户从图元库里选取 1 个图元时，系统对该图元识别，并初始化该图元 的数据结构，若用户取消该图元的选取，则系统将 该图元对应的数据结构销毁。当用户将其放人系统 图中时，系统将编号变量加l ，并将编号值赋予该 图元块对应的数据结构的索引变量。当绘制完成 后，用户可以对绘制的系统图的图元进行属性赋 值，如巷道名称、风量、断面积等。在设计中，不 提供对图元的编号进行人为修改，因为人为修改容 易搞乱系统自动辩识形成的拓扑关系，同时，也因 为在实际解算稀疏矩阵时，需要对节点重新编号， 以便使从关联矩阵分解得到的三角阵的非零元素最 少，节省计算时间。节点重新编号的原则是连接支 路数最少的节点编在前面。 1 ．3 通风网络拓扑的分析 在实时的拓扑分析计算中，采用了广度优先搜 索算法。广度优先搜索的过程就是从起始点出发， 由近及远，依层访问与起始点有路径相通的节点。 使用广度优先搜索对有向图进行遍历，类似于树的 按层次遍历。其基本思想是首先访问图中某指定 的起始点K 并将其标记为已访问过，然后由K 出 发访问与它相邻接的所有节点K ，K ⋯⋯，并均标 记为已访问过，然后再按照K 、耽⋯⋯的次序，访 问每一个节点的所有未被访问过的邻接节点，并均 标记为已访问过，下一步再从这些节点出发访问与 它们相邻接的尚未被访问的节点，如此进行下去， 直到所有的节点均被访问过为止。 在广度优先搜索中，若对节点K 的访问先于 节点K 的访问，则对y ．邻接节点的访问也先于K 邻接节点的访问。就是说广度优先搜索中对邻接点 的寻找具有“先进先出”的特性。因此，为了保 证访问节点的这种先后关系，需借助一个队列暂存 那些刚访问过的节点。然而，图的遍历要比树的遍 历复杂得多。因为图的任何一个节点都可能和其余 的节点相邻接。所以在访问了某个节点之后，可能 沿着某条路径搜索之后，又回到该节点上。为了避 免同一节点被多次访问，在遍历图的过程中，必须 记下每个已访问过的节点。为此，可以设一个辅助 数组V i s i t e d [ O ，⋯⋯，，l 1 ] ，其初始值置为 万方数据 张 浪等矿井通风系统仿真图形化建模 2 0 0 9 年第6 期 “假”或者零，一旦访问了节点K ，便设置V i s i t e d [ 后] 为“真”或者设置为被访问时的次序号。 2 通风系统仿真图形化建模过程 在形成图形化建模软件后，图形化建模的过程 操作就非常方便简单，只需要绘图和输人数据，就 可以进行通风系统仿真。具体过程如下 1 在矿井通风系统仿真软件平台 M V s S 上，利用绘图工具绘制矿井通风系统图，包括巷 道、风机和通风构筑物 如图1 。 图3 通风系统数据库 通风系统仿真建模完成后，就可以进行通风系 统的自然分风和按需分风仿真计算，如改变总进风 量或总回风量，就可以计算任何一条巷道的风量变 化值，也可以仿真各种风量调节方案，并可以在图 形中查看仿真结果。 3 结论 介绍了矿井通风系统仿真图形化建模的方法， 并利用M V s S 图形化仿真软件平台说明了图形化建 图通风系统仿真建模软件界面 磊譬葚雾丢冕甏兰薯篆享鋈羹磊毳善} 用，与传统 2 编辑录入每条巷道、风机和通风构筑物 1 减少了建模人员的工作量，建模人员不 的属性数据，如风量、风压、风阻等矿井通风系统 需要绘制矿井通风网络图，不需要手工建立网络拓 的实际参数。参数输入可在图形的属性列表中编辑 扑关系数据表。 和修改，也可在数据库列表中编辑和修改 如图2 2 降低了对建模人员的要求，建模人员不 和图3 。 需要建立数学模型和编写仿真程序。 3 提高了仿真系统建模的效率和可靠性， 并且建模过程和仿真结果都以图形显示，形象直 观，从根本匕改变了建模的行为。 3 完成。 [ 参考文献】 [ 1 ] 倪景峰，刘剑，李雨成．矿井通风网络可视化拓扑关系建 立和维护[ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 4 ，2 3 6 7 2 4 7 2 6 ． [ 2 ] 魏连江，王德明，王 琪，等．构建矿井通风可视化仿真系 统的关键问题研究[ J ] ．煤矿安全，2 0 0 7 7 ． [ 3 ] 夏建波，陈日辉，叶加冕．矿井通风网路解算程序的可视化 实现[ J ] ．矿业研究与开发．2 0 0 3 3 4 0 一4 2 ． [ 4 ] 蔡瑞忠．王威，吕崇德．基于流体网络模块的模块化建模 方法[ J ] ．清华大学学报 自然科学版 ，1 9 9 9 。3 9 1 2 6 2 6 4 ． 图2巷道属性列表 [ 5 ] 于荣生，高建强．流体网络仿真模型及其自动生成软件[ J ] ． 给定总风量或风机参数，通风系统建模 华北电力大学学报’1 9 9 9 2 6 2 6 6 6 9 [ 责任编辑周曩林】 1 9 万方数据 矿井通风系统仿真图形化建模矿井通风系统仿真图形化建模 作者张浪， 王翰锋， 王大尉， ZHANG Lang， WANG Han-feng， WANG Da-wei 作者单位煤炭科学研究总院,矿山安全技术研究分院,北京,100013 刊名 煤矿开采 英文刊名COAL MINING TECHNOLOGY 年，卷期2009，146 被引用次数0次 参考文献5条参考文献5条 1.倪景峰.刘剑.李雨成 矿井通风网络可视化拓扑关系建立和维护[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报 200406 2.魏连江.王德明.王琪 构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题研究 200707 3.夏建波.陈日辉.叶加冕 矿井通风网路解算程序的可视化实现[期刊论文]-矿业研究与开发 200303 4.蔡瑞忠.王威.吕崇德 基于流体网络模块的模块化建模方法[期刊论文]-清华大学学报（自然科学版） 199912 5.于荣生.高建强 流体网络仿真模型及其自动生成软件[期刊论文]-华北电力大学学报 199902 相似文献10条相似文献10条 1.期刊论文 魏连江.王德明.王琪.葛鹏.WEI Lian-jiang.WANG De-Ming.WANG Qi.GE Peng 构建矿井通风可视化仿 真系统的关键问题研究 -煤矿安全2007,387 近几年来矿井通风安全管理系统在国内成为研究的热点,而且已经取得了非常重要的成就,但是在构建矿井通风可视化仿真系统方面还有一些关键问 题和技术需要解决和完善.本文分析了矿井通风安全管理系统的开发现状、趋势,并对构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题进行了分析与研究,并给出 了相应的解决办法,这对于构建矿井通风可视化仿真系统或改进现有矿井通风管理系统具有一定的促进作用和参考价值. 2.期刊论文 郭万忠 矿井通风仿真系统在大同煤矿集团公司的研究应用 -同煤科技2003,““1 大同煤矿集团公司多井筒多风机矿井通风系统优化与改造中遇到了诸多问题,矿井通风系统仿真模拟技术的研究应用,提高了通风系统的可靠性,改善 了矿井的安全生产状况,取得了良好的社会经济效益. 3.学位论文 杨瑞霞 矿井通风智能监控系统研究 2007 目前我国很多煤矿总进风量超过总需求量，但是又得不到合理的利用，在回采工作面等需要通风的地方，经常风量不足。为了实现井下风量的智能 分配，本论文进行了矿井通风智能监控系统的研究。 论文简要介绍了矿井通风系统、风量调节方法、智能控制技术及模糊控制理论基础，分析了矿井安全监控系统在通风智能控制方面的不足，在国内 现有的矿井安全监控系统的基础上，提出了矿井通风智能监控系统的模式，采用模糊控制方法来实现矿井通风的智能控制。 针对矿井通风系统，分区进行矿井通风智能监控系统的需求分析，以掘进巷道的局部通风系统为例进行了模糊控制器的设计。该模糊控制器为多输 入一单输出MISO的模糊控制系统，根据有经验操作人员和专家经验，对输入、输出量进行了选取与量化，设计模糊规则库，通过规则库进行模糊推理 ，确定了模糊控制的输出，并进行解模糊运算，根据程序算出控制输出量，从而控制输出量的变化，达到了矿井通风智能控制的目的。 最后以MATLAB为仿真平台对设计的模糊控制系统进行仿真，在仿真过程中对隶属函数、控制规则进行调整，并优化系统参数。验证模糊控制系统在 矿井通风应用的可行性。本文对矿井智能安全监控系统的设计具有指导意义。 4.期刊论文 魏连江.朱华新.张雷林.张飞.李纪洲.WEI Lian-jiang.ZHU Hua-xin.ZHANG Lei-lin.ZHANG Fei.LI Ji-zhou 矿井通风仿真系统双线图的快速自动绘制研究 -中国安全科学学报2008,1811 在深入研究通风网络巷道连接关系的基础上,创造性地提出一种新的效率更高的通风系统双线图的快速自动绘制方法,即“假双线法“.“假双线法“与固 定宽度双线法有本质的不同,其本质是将单线巷道的线型用固定宽度双线线型表示,再对交叉点进行消隐处理,无需计算双线坐标来实现双线图的快速自动 绘制.该法较好地解决了传统方法的缺陷,具有普遍性,其计算量小,执行效率高,并在双线图的基础上很容易拓展生成通风系统立体图.笔者研究成果,对于 研发、改进矿井通风仿真图形系统和解决其他行业类似问题具有一定的参考价值. 5.期刊论文 杨守国.李向东.梁军.YANG Shou-guo.LI Xiang-dong.LIANG Jun 基于ArcGis的矿井通风网络仿真软件 开发 -矿业安全与环保2009,36z1 通风网络仿真软件是矿井通风管理不可缺少的工具之一.介绍了利用ArcGis开发矿井通风网络仿真软件所使用的主要技术和方法.该软件具有界面友 好、操作方便、开发简单、可扩展性强等特点,为矿井通风网络解算软件的推广应用提供了技术途径. 6.学位论文 张浪 矿井通风仿真系统中的风机可视化仿真研究 2004 本文是对矿井通风仿真系统中的风机进行可视化仿真研究,根据通风机在矿井通风中的应用理论和通风仿真系统的要求,运用VC 高级编程语言进 行可视化仿真程序设计,实现了矿井通风仿真系统中虚拟风机的建立、可视化仿真控制、性能曲线的自动绘制、性能分析、工况分析及性能测试数据的存 储管理和回归分析等功能.同时在程序设计中,实现了风机和数据库的动态绑定、数据的合理存储、同一坐标窗口内三套性能曲线坐标的动态操作和以对 话框-视图为框架的新型可视化界面的设计等. 7.期刊论文 魏连江.郝宪杰.张宏捷.沈龙.Wei Lianjiang.Hao Xianjie.Zhang Hongjie.Shen Long 矿井通风仿真 系统区分井巷层位关系的新方法研究 -金属矿山2008,““6 为了正确区分单线井巷空间层位关系,在深入研究通风网络巷道连接关系的基础上,首次提出并实现区分单线井巷空间层位关系的“自动架桥“法和“假 双线“法.“假双线“法无需计算双线坐标来快速实现通风系统固定宽度双线图自动绘制,在自动生成双线图的基础上,能够实现通风系统立体图的快速自动 生成,可以更好地区分井巷的层位关系.这两种新方法具有计算量小,执行效率高,并且解决了传统方法存在的问题和不足. 8.期刊论文 牛永胜.曹荣.陈学习.王平.Niu Yongsheng.Cao Rong.Chen Xuexi.Wang Ping 矿井通风三维可视化仿 真系统的设计与实现 -金属矿山2007,““7 针对目前国内外通风仿真系统软件存在的不足,提出了矿井通风三维可视化仿真系统的总体设计,系统由4大模块组成,即通风系统的三维自动构建、 通风系统的三维可视化、动态风流仿真和通风图属三维交互查询.通风系统构建模块为系统提供数据,三维可视化模块用于系统的三维可视化操作.动态风 流仿真模块基于改进的粒子系统算法,可显示风流方向、风流类型、风量等通风参数.三维交互查询模块用于通风系统的空间查询与分析.对上述4个模块 的关键问题进行了详细研究和实现,并以开滦矿区某矿通风数据进行了实际应用,验证了系统的可行性与实用性. 9.学位论文 陈发明 矿井通风系统可靠性与有效性仿真模拟研究 2002 基于通风网络、可靠性工程和随机过程理论,分析了矿井通风系统运行中存在的随机过程,将复杂的矿井通风系统分解为矿井巷道、通风构筑物、采 掘工作面和主要通风机,分别研究其随机过程,建立了系统运行的统计特性模型.采用蒙特卡诺法产生随机数,通过变换得到了每个统计特性所需要的最或 是值.采用工程系统仿真理论,并结合矿井通风系统运行中网络结构和参数变化的特点,建立了矿井通风系统可靠性和有效性的仿真模型和算法.采用 Visual C6.0和面向对象的程序设计方法,初步开发了矿井通风系统可靠性与有效性仿真模拟软件,并给出了应用实例. 10.期刊论文 赵千里.刘剑 金川二矿区矿井通风仿真系统MVSS数学模型简介 -矿业快报2001,““12 金川二矿区矿井通风仿真系统采用了通风网络理论、图论、集合论等方法，建立了通风仿真数学模型、网络优化调节数学模型、角联风路自动识别 数学模型等，为矿井通风仿真系统和程序设计简便化，提供了科学原理和算法原理。 本文链接 授权使用黑龙江科技学院hljkjxy，授权号f57a450a-eb74-4063-9616-9e120065b859 下载时间2010年10月17日