矿井通风网络多功能模拟可视化的实现.pdf

矿井通风网络多功能模拟可视化的实现 田洪建,王树刚 大连理工大学 土木水利学院,辽宁 大连116024 摘 要可视化技术已被广泛应用于矿井通风系统网络模拟和安全管理中,大大提高了计算的效 率和信息管理的质量。文章将交互式绘图功能、 风网解算可视化功能以及风网组件信息可视化 管理功能有机地结合为一体,利用面向对象的编程技术和两种算法语言混合编程的方法,开发矿 井通风网络多功能模拟可视化软件,在数值仿真方面与同类软件相比具有许多独特的功能。 关键词矿井通风网络;多功能模拟;可视化 中图分类号 TD725 文献标识码B 文章编号 1003 - 496X2008 04 - 0042 - 04 0 引 言 国内外科技人员在矿井通风网络解算、 通风安 全信息可视化和通风管理等方面进行了大量的研 究,英国的Burton和Bluhm博士等共同开发的VU2 MA可创建2维和3维通风网络图,可模拟任一条 巷道的气流流动,温湿度、 粉尘和瓦斯分布 〔1〕;北京 龙软科技发展有限公司开发的通风安全管理信息系 统,可在地测图形基础上绘制通风系统图、 避灾路线 图、 防尘系统图、 瓦斯防治系统图等与图例相关的图 件,还可根据轴侧投影绘制通风立体图 〔2〕;辽宁工 程技术大学研制的矿井仿真系统软件MVSS利用 数值仿真技术对矿井通风系统进行科学的管理和优 化,取得了良好的效果 〔3〕。 综上,国内外在这方面的研究取得了许多成果, 而通观现有的矿井通风模拟可视化软件,还很少有 涉及井巷内空气温、 湿度分布的计算、 非稳态矿井通 风网络的解算以及考虑到参数不确定性的模糊通风 网络的模拟,更没有涉及到矿井正常与灾变时期通 风网络连续模拟解算。本文以Visual C 6. 0为 工具,综合运用图论、 流体管网理论、 数值分析、 面向 对象编程技术、 数据库技术和计算机图形学建立系 统模型,开发了矿井通风网络多功能模拟可视化软 件,有效提高了矿井通风系统的解算效率和安全技 术管理水平。 1 程序设计原理及主要功能 采用面向对象方法进行通风网络解算可视化程 序设计时,面向对象方法以类的设计为核心,实现模 块内信息的封装和隐藏,利用人类对事物的分类和 抽象概括的这种思维方法进行软件的开发 〔4〕 。另 外,为了充分利用现有风网解算的FORTRAN程序 代码,引入现有的风网解算数学模型,本文运用 FORTRAN和VC 语言的混合编程方法 〔5〕,强化 了软件的数值仿真能力,加快了软件开发过程。 矿井通风系统主要由通风井巷、 通风动力装置 和其它构筑物如风桥、 调节风窗等构成。根据面 向对象程序设计思想,把这些构件对象化,分别设计 了通风巷道类、 节点类、 通风动力装置类和风网附件 类。巷道、 节点、 通风动力装置、 通风管网附件所具 有属性数据,利用ASESSE数据库进行存储,采用开 放式数据库连接技术ODBC进行数据库的设计, 实现了对其属性信息的可视化管理。采用上述设计 思想,本软件主要实现了如下功能 1各种矿井通风网络图的绘制。 2DXF格式文件的导入和转换,可与流行的 矢量图形软件进行数据交换。 3根据克罗斯法或节点法对矿井通风管网系 统进行风量的自然分配。 4根据风量按需分配的要求对管网进行局部 调节。 5在割集内各巷道风量给定的情况下,可对 整个矿井通风管网系统进行优化调节。 6模拟计算矿井内的空气温度分布,进行矿 井通风网络温湿度和空调制冷计算。 7支持对矿井通风可压缩稳态流体网络的模 拟分析。 8支持对非定常不可压缩矿井通风网络的模 拟计算。 9支持正常与灾变时期通风网络的连续模拟 24 煤 矿 安 全Total 401 技术经验 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 解算。 10考虑不确定因素的模糊通风网络解算。 11实现了风网组件属性信息的可视化管理, 以及风网解算结果的图形化显示。 2 可视化软件总体设计 本软件主要由图形绘制模块、 数据库管理模块、 通风网络解算模块和解算结果可视化显示模块四部 分组成,各模块间关系如图1所示。 图1 软件框架图 2. 1 可视化界面设计 参照文献 〔6〕 提出的矢量图形系统,设计矿井通 风网络模拟的可视化界面见图2 ,达到类似Auto 图2 软件主界面 CAD环境下的图形绘制效果。图形绘制模块主要 由图 形 属 性 管 理 类 CGraphicpara ,绘 图 基 类 CDraw及其子类构成。CGraphicpara类用于对图 形元素的线型、 颜色和所在图层等属性进行管理; CDraw类及其派生的子类,包括通风巷道类,网络节 点类,通风动力装置类以及管网附件类等实体类,用 于实现矿井通风网络图的绘制。 基于矿井通风系统自身的特点,设计了作为动 力源类的主风扇类CMinefan和局部风扇类 CLo 2 calfan ;作为风网附件类的风门类CAirdoor ,调节 风窗类CAdjustwin ,密闭类CObturation和着火 点类CFirenode等。参照CLine, CPline和CArc类 设计通风巷道类,并参照CCircle类设计通风网络节 点类。此外,单独设计了新风方向类CFreshair来 表示巷道内的新风流向。 本软件还通过编写接口程序,实现了与Auto CAD系统进行数据交换的功能。综上,在创建的可 视化绘图环境下,可轻而易举的绘制各种矿井通风 网络图。 2. 2 数据库管理 采用开放式数据库连接进行矿井通风网络系统 属性数据库的设计,针对不同的风网组件,分别创建 了“ 分支属性信息 ” 、 “ 风机属性信息 ” 、 “ 网络节点信 息 ” 和“ 火源点信息 ” 等多个数据表。 为了方便对数据表的统一管理,设计了数据库 管理类CDatabaseSet,并由此类派生出其它各数据 表相应的管理子类。为了实现矿井通风系统信息管 理的可视化,以窗口的形式把数据库中的信息展现 在用户面前,设计了第二视图类CDatabaseView。 此外,考虑到图形元素与数据库数据的连接问 题,创建了CLinkdataSet类和CDatalinkdlg类,并在 CDatalinkdlg类中封装了相应数据库对象的指针,有 效地解决了图形元素与其属性数据相脱离的问题。 2. 3 模拟模型建立 本节以矿井通风网络优化的混合调节法为例, 建立模拟模型,优化调节的目标函数选为矿井通风 网络中通风机的功率最小,其公式描述为 〔7〕 minNABρ K k1△pkQk 1 式中, NAB为主要通风机功率,W;K为主要通风 机台数;△pk为第k个风机的风压,Pa;Qk为第k个 风机所在分支的风量,m 3 /s。 当网络采用混合调节以后,在回路中,由回路压 降平衡方程组可以引出所有内回路应满足的压降平 衡条件为 -ρ b i1 cji A iriQi|Qi| -Bi△pi ρ b i1 cjiRiQi|Qi|, j∈Mw 2 式中, b为巷道总数; c为流动方向的符号函数, cji1表示i巷道包括在j回路中且与回路同向, cji 0表示i巷道包括在j回路中且与回路反向, Q表 34 技术经验 煤 矿 安 全2008 - 04 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 示i巷道不包括在j回路中; Q为巷道流量,m 3 /s;r 为调节风窗风阻, kg/m 7 ;R为巷道风阻, kg/m 7 ;Ai 1表示当分支中可能存在调节风窗; Ai0表示当 分支中不能设置调节风窗; Bi1 -A;Mw表示确定 的内回路集合。 综上,矿井通风网络混合调节优化的目标函数 可归纳为 minNABρ b i1〔 Airi|Q 3 i| 10 4Q4 iBi△pi|Qi| 10 4Q2 i〕 -ρ b i1 cji A iriQi|Qi| -Bi△pi ρ b i1 cji RiQi|Qi|, j∈M, ri≥0,△pi≥03 式中,△pi表示第i个辅助通风机的风压, Pa; 其他参数含义同上。 2. 4 解算结果显示 软件提供三种方法对矿井通风网络解算的结果 进行显示,即报表显示,屏幕实时显示和查询显示。 经风网解算后的结果首先存储到相应的数据库表 中,再通过批处理机制把需要显示的计算结果显示 在界面上。报表显示即以数据报表的形式把解算结 果展示在用户面前,此时还可实现解算结果的打印 功能;屏幕实时显示即用户选用不同模拟方法,解算 结束后,解算结果立即实时地显示在矿井通风网络 系统图上;查询显示即通过选取“ 数据显示|图形 属性查询 ” 菜单项,点击相应风网组件实体查询其 经风网解算后的属性信息。 3 算 例 某矿井通风网络如图3所示 〔7〕,已知分支数 b 19,节点数J13 ,带有风机的分支数有2个分 图3 某通风网络图 支10和17 ,带有风机的风井数有2个,固定风量 分支数为19个,调节风机数为1个,在分支1, 18, 19, 10和17不能设置风窗和风机调节。输入基本 参数后,选择“ 优化调节 ” 菜单项进行风网的混合调 节,模拟结果如图4,图5所示。 图4 解算结果显示 图5 优化计算结果 4 结 论 本软件利用混合编程方法,引入了多种网络解 算模型,适于多种情况下矿井通风网络的模拟计算 和优化调节,计算精度高,对比结果方便,实用性较 强,可以直观地对风机、 构筑物等风网组件进行可视 化管理,为矿山企业技术人员和管理者提供技术支 持和决策依据。其数值模拟的主要特色有 1不仅支持矿井分风和风量调节的常规方法 解算,还引入模糊理论增加模糊网络解算的选项,充 分考虑风阻的不确定性 〔8〕,使模拟结果更接近于实 际。 2在计算模块中引入井下空气温湿度的计 算,可以求解矿井内各处空气温度和湿度的平均值 和震荡值,进而求得井下空调所需的制冷量。 3既可对矿井通风可压缩稳态流体网络进行 模拟分析,还可对非定常不可压缩通风网络进行模 拟计算。 4实现正常通风期间和矿井发生火灾时井下 下转第48页 44 煤 矿 安 全Total 401 技术经验 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 〔3〕 L. K . Hansen, P. Salamon.Neural network ensembles 〔J〕.IEEE Trans .Pattern Analysis and Machine Intelli2 gence, 1990, 1210 993 - 1001. 〔4〕 R. Maclin, J. Shavlik. Combining the predictions of mul2 tiple classifiersusing competitive learning to initialize neuralnet works . The 14th Int’IJointConf . Artificial Intel2 ligence, Montreal, Canada, 1995. 〔5〕 D. Partridge.Network generalization differences quanti2 fied〔J〕. NeuralNetworks, 1996, 9 2 263 - 271, 〔6〕 B. E. Rosen. Ensemble learning using decorrelated neural2 networks〔J〕. Connection Science, 1996, 8 3 373 - 384. 〔7〕 Y .Liu, X. Yao, T .Higuchi .Evolutionary ensembles with negative. correlation learning〔J〕.IEEE Trans .Evo2 lutionary Computation, 2000, 4 4 380～387. 〔8〕 Z - H Zhou, J Wu, W Tang .Ensembling neuralnet2 works Many could be better than all〔J〕. Artificial Intel2 ligence, 2002, 1371 - 2 239～263. 〔9〕 刘 宇,覃 征,卢 江,史哲文.多模态粒子群集成 神经网络〔J〕.计算机研究与发展, 2005, 42 9 1519 - 1526. 〔10〕 A.Krogh, J.Vedelsby .Neural network ensembles, cross validation, and active learning〔A〕.In G . Tesau2 ro, D. S . Touretzky, T . K . Leen, eds . Advances in Neu2 ral Infor mation Processing Systems 7〔C〕, Cambridge, MA TheM IT Press, 1995 231 - 238. 〔11〕 J.Kennedy, R. C. Eberhart .Particle s war m optimiza2 tion〔C〕.IEEE International Conference on Neural Net2 works, Perth, Australia, 1995 1942 - 1948. 作者简介常彦伟1972 - ,男,山西晋中人,博士研究 生,讲师,从事神经网络与应用、 机器学习等方面的研究。 收稿日期 2007 - 10 - 12;责任编辑郭瑞年 上接第44页 风流的统一解算,适用于火势不变和火势扩大等多 种情况。 参考文献 〔1〕 Marx WM, von Glehn FH, Bluhm SJ, et al .VUMA VENTI LATI ON OF UNDERGROUND M I NE AT MO2 SPHERES- a mine ventilation and cooling net work simulation tool .Proceedings of the 7thInternational Mine Ventilation Congress, Chapter 56, 2001, 317 - 323. 〔2〕 龙 软 科 技.http / /www.longruan. com /htmls/cpjs/ tfaq. asp. 〔3〕 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, 2007, 6 4 6 - 9. 〔4〕 朱战立.面向对象程序设计与C 语言〔M〕.西安 西安电子科技大学出版社, 2006. 〔5〕 田洪建,王树刚.流体输配管网水力计算可视化的实 现〔J〕.计算机技术与发展, 200717 157 - 159. 〔6〕 陈建春. Visual C 开发GIS系统 开发实例剖析 〔M〕.北京电子工业出版社, 2000. 〔7〕 王树刚,孙多斌.稳态流体管网理论〔M〕.北京煤炭 工业出版社, 2007. 〔8〕 Sun Duobin, Wang Shugang, Tian Hongjian.Research on fuzzy solution for analysis of fluid pipeline networks . I CCHT 2006, Dalian. 作者简介田洪建1980 - ,男,山东临沂人,硕士, 2008年1月毕业于大连理工大学,现从事流体输配管网的 模糊分析及其水力计算可视化研究。 收稿日期 2007 - 10 - 22;责任编辑郭瑞年 84 煤 矿 安 全Total 401 技术经验 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.