智能化矿井通风设计.doc

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中国矿业大学

矿井通风与空气调节论文

——矿井通风设计的智能化研究

学院：

xxxx

班级：

xxxx

姓名：

xxxx

学号：

xxxx

指导老师：

xxxx

2014.x.x

矿井通风设计的智能化研究

引言：

近年来我国煤矿产量不断增大，煤矿企业规模也相应提高。

不过煤矿产量扩大后的问题也接踵而至，特别是煤矿生产条件日益复杂，需要监测监控和管理的地方越来越多，产生的数据量也越来越大，这对煤矿工作人员的劳动强度、煤矿管理的难度和安全生产的保障产生了严峻挑战。

如何利用现代发达的计算机系统为煤矿服务我问题被提上了日程，矿井通风设计的智能化势在必行。

摘要：

矿井通风是一个复杂的过程,因此应该不断获取过程中的数据调节修改,无疑从采集数据到分析处理数据都是一个繁琐而枯燥的工作,更是需要集成现代仪器、控制、计算机以及管理技术,通过计算机技术在煤矿生产领域的应用而极大提高煤矿企业的工作效率，充分利用计算机存储量大、方便,运算速度快,显示效果好的优点为矿井开采服务,组成数字化矿山重要部分,实现通风设计和管理的智能化，加快推进“数字矿山”的进程。

关键词：

矿井通风，设计，智能化

1、概述

用计算机解决问题方便可靠，我们需要尽可能多地使用计算机技术来为我们煤矿服务，同时尽可能减少煤矿人员在处理各种繁琐问题上的精力投入。

矿井通风系统作为矿井系统中重要的一个辅助系统，它与矿井内瓦斯事故、火灾爆炸事故、热害处理事故以及粉尘治理的防治有着极其密切的联系。

伴随着电子信息技术的快速发展，建设“数字矿山”已成为各国矿业界共同的关注课题，矿井通风管理作为“数字矿山”中不可忽视的一方面，而矿井通风管理信息化平台是分析、管理矿井通风系统的有力工具。

早在1953年，Scott以及Hinsley两位学者就已使用计算机来解决矿井通风网络问题。

1974年，宾夕法尼亚州立大学的Stefanko和Ramani两位专家提出的一系列的数学公式也对矿井通风网络分析的发展做出了很大贡献。

在20世纪末，国外代表性的矿井通风模拟软件主要有以下八种，分别是：

PSI—J/MVS（Didyk，1974）、VENTSIM（Bcklen，1968）、MINES（HitchcockandHoover，1976）、VENTS（WangandSaperstein，1970；Hartman，1982）、VENTPC（Anon，1988）、MTU/MineVen．tilationNetworkSimulation（Greuer，1977）、CSM/Vent（Hall，1976）以及PENVEN（AndersonandDvorkin，1978）。

在西方大多数矿井通风系统的网络解算应用软件中较有影响的两款软件分别是Mintech和DateMine[1]。

2、智能化矿井通风系统组成

通风设计和管理智能化就是利用现在先进的计算机技术,结合数据采集和传输技术、控制技术、制造技术和管理技术,将矿井通风模糊的、抽象的、动态的、人为的各种因素和问题转化到设备设施的清晰的、具体的、相对静态的、物化的工作成果,使设计和管理有较为友好的人机交互界面,能更好地为矿井生产服务[2]。

根据通风设计和管理的智能化设想,矿井通风智能系统需要研发通风智能化成套技术,至少应包括5部分:

监测监控系统、可视化显示系统、专家系统、执行系统、手动控制系统。

工作原理如下图所示：

调节

风门

…

风阻

…

风机

风量

控制

数据收集

控制

启动

数据异常

监测监

控系统

报警

执行系统

专家系统

手动控制

报警显示

数据正常

提示

数据显示

手动控制系统

正常运行

可视化显示系统

智能化通风系统工作原理图

2.1监测监控系统

由于井下各种通风参数如风量、风速、相对湿度、氧气浓度和瓦斯浓度等处在动态的变化之中，为了知道准确的数据信息必须对矿井通风参数进行实时监控，保证井下各项参数符合《煤矿安全规程》。

一旦出现数据异常，需要立即报警。

监测监控系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

硬件系统由各监控地点传感器、数据传输线路、地面监控主机、计算机网络、工业电视墙监控、实时监控报警系统等组成；软件系统由监控数据综合处理系统、监控报警系统等组成。

工作原理：

监控系统传感器采集的数据通过传输系统进入监控主机，由监控主机生成实时监控数据库，达到报警条件时，系统立即进行报警，同时，将警情在企业局域网进行分发、传递[5]。

2.2可视化显示系统

实现矿井通风系统的数字化和可视化，就是结合矿井通风系统的特点，建立合适的数学模型，编制相应的数值算法，开发实用的应用平台来解决与矿井通风系统有关的实际问题，实现矿井通风计算、分析、绘图的自动化，实现矿井通风处理过程及处理结果的可视化[1]。

传统的二维矿井通风技术在处理许多问题时很难精确地反映、分析或显示有关信息，已经无法表达井下复杂采矿过程中的三维地质与工程问题。

近10年来，我国将国外先进的三维可视化技术引用并应用到矿山实践生产活动中，中国的矿山信息化观念有了很大的改变，信息化技术也有了突飞猛进的发展，同时我国矿业技术也从二维进入了三维时代。

目前，我国部分设计软件就实际技术水平而言，矿井通风三维建模技术尚未成熟。

目前已有的矿井通风软件在不同程度上仍旧存在一定的局限性，而这些不足限制了矿井通风系统软件的推广和使用。

针对目前矿井通风软件中存在问题，这就需要借助于计算机技术、CAD技术、网络技术、数据库技术和GIS技术等先进的工具或方法，实现矿井通风系统的数字化和可视化。

结合矿山开采深度增加和井下通风网络越来越复杂的实际，中南大学王李管等开展了新型矿井通风系统三维可视化研究，并实现了矿井通风系统三维可视化模拟、网络解算优化、通风管理信息化，同时与矿山数字化软件相结合，有效地集成监测监控系统，实现了数据管理一体化和矿山的安全管理[1]。

目前国外使用的矿井通风网络分析软件有:

Ventsim、Mivendes、Vendis、Psu/Mvs、Mfire,国内如中国矿业大学、中南大学、辽宁工程技术大学、武汉安环院、昆明理工大学以及一些设计单位都先后开发过类似软件,功能也都先进许多,但都离实用化的智能化软件有很大距离,因为这些软件目前大都只是单纯的计算软件或某一方面较为突出,并不能面面俱到。

然而计算机技术发展已突飞猛进,面向对象语言开发功能的强大,应该研发出功能更强大的软件系统,并且应该人机交互界面友好[2]。

2.3专家系统

专家系统是本次智能通风系统设计中智能化最高、难度最大同时也是最核心的系统，专家系统的可靠性和正确性直接决定了本次智能化通风设计的成败。

矿井通风的日常事务管理主要包括人员的分工、停开工区域通风调整、通风报表、处理日常通风问题等。

目前,我国煤矿通风管理的模式基本上是总工程师、通风副总工程师、通风区（科）长负责制。

在进行具体决策时,由负责矿井通风和安全的通风区（科）长根据任务安排、通风调度的记录等进行。

这种传统的通风管理方法的优点在于任务安排直接、决策快捷。

但总工程师、通风（安全）副总工程师、通风区（科）长每天要做出大量决策,而对于某一具体决策,一般都是根据经验进行,由于个人经验的局限性,可能出现偏差。

而通风日常管理信息系统,是将矿井通风所有信息存储在系统中,可以随意调用,且带有系统分析功能,能从一定程度上协助总工程师、通风区长进行决策,有利于实现决策的科学化。

矿井通风专家系统，依据矿井通风领域的专门知识，模拟通风领域专家解决问题的思路进行工作，是以矿井通风领域的专业知识为依据建立推理模式。

本系统具有明显特点是知识库中存有典型通风案例、专家经验以及矿井通风专业知识和有关规程，可谓是知识丰富而且全面，因而将会具有很强的咨询诊断功能。

本系统由知识库、推理机、数据库、知识获取模块、解释接口和人机接口6个部分组成[3]。

在矿井通风安全信息决策与处理系统中，知识库和推理机是系统的核心，直接决定着该系统的质量和水平。

2.3.1知识库的设计

知识库的建立需要知识的获取。

知识获取的基本任务是为矿井通风安全信息决策与处理系统获取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足求解问题的需要。

一般要经过如下几个过程：

1）知识的抽取。

按照矿井通风安全信息决策与处理系收统的知识类别，把蕴含于矿山通风安全领域专家以及各类文献如《煤矿安全监察条例》、《煤矿安全规程》等中的知识经过识别、理解、筛选、归纳抽取出来，用于建立知识库。

2）知识的转换。

把抽取的矿井通风安全知识由一种形式变化为另一种形式，一般分2步进行：

把从矿井通风安全领域专家以及文献那里抽取的知识转换为某种知识表示形式，如谓词逻辑、产生式规则、框架等；把该模式表示的知识转换为系统可以直接利用的内部形式。

前者通常由知识工程师完成，后者一般通过输入及编译实现。

3）知识的输入。

把用适当模式表示的知识经编辑、编译送入知识库。

4）知识的检测。

知识库的建立是通过对知识进行抽取、转换、输入等环节实现的，任何环节失误都会造成知识的错误，从而影响系统的性能。

在知识输入时及时进行检测，可以发现知识中可能存在的不一致、不完整等问题，以便采取相应的措施[3]。

2.3.2推理机设计

推理是根据一个或一些判断得出另一个判断的思维过程。

在专家系统中，推理以知识库中的已有知识为基础，是一种基于知识的推理，由计算机实现推理机制，它是专家系统设计不可缺少的核心部件。

正向推理是一种从己知事实出发，正向使用推理规则的推理方式，其基本思想是：

用户需要事先提供一组初始证据，并将其放人数据库，推理开始后，推理机根据数据库中的已有事实，到知识库中寻找当前可用知识，形成一个当前可用知识集，然后按照冲突消解策略，从该知识集中选择一条知识进行推理，并将新推出的事实加入数据库，作为后面继续推理时可用的已知事实。

正向推理的优点是比较直观，由监控预警系统主动提供实时数据信息，决策与处理系统通过推理机制在知识库的基础上对故障类型的判断，主要按右上图流程来处理。

2.4执行系统

执行系统直接控制自动风门、主要通风机、局部通风机等各种设备并对这些设备进行控制，通过接收控制信号来对井下各种通风设备进行调节从而达到目的。

专家系统对来自监测监控系统的数据进行分析和处理后得出结果，判断结果是否正常。

如果结果异常，专家系统会对造成不正常结果的原因进行分析，找到解决办法，然后把控制信号传递到执行系统，执行系统根据信号来对相应设备进行适当调节从而解决问题；反之，如果结果正常，则专家系统不会发出控制指令，通风系统不需要进行调节保持正常运行。

2.5手动控制系统

手动控制系统是对专家系统的人为补充。

虽然专家系统技术为解决研究矿井通风问题开辟了新的途径，但此技术还远远不够成熟。

人工智能的研究涉及到两大问题，一是在求解问题过程中遇到的搜索问题。

搜索是人工智能研究的核心部分；二是在处理知识信息的问题，如何获取知识、如何分析并应用知识是人工智能研究涉及到的第二大问题。

因为在处理矿井通风设计与决策中涉及到是专家知识与经验知识时，以知识推理为手段的设计与决策方法受到了人们的普遍重视，但由于人工智能在知识表示和推理方面的“瓶颈”问题，在技术上实际应用还比较困难。

因此，专家系统难免会对矿井出现的一些问题束手无策。

如果有个报警问题长时间出现在显示屏幕上，而这么长的时间内智能通风系统已经经历了几个循环，专家系统已经调节了几次但并没有解决问题，这就需要煤矿领导根据经验进行人工解决问题。

煤矿领导通过手动控制系统对相应设备进行控制而解决问题。

问题解决后对专家系统进行知识库的补充等改进，使专家系统更准确可靠的为矿井通风服务。

3、矿井通风智能系统