（计算机应用技术专业论文）煤矿井下通风系统设计平台的研究与实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 矿井通风是矿井安全生产工作中的重要组成部分。一个安全、可靠、经 济、实用的矿井通风网络设计软件，对保证井下安全生产具有重要意义。本 文对井下通风系统设计平台进行了研究与实现。 本设计平台采用计算机辅助技术和矿井通风系统设计的相关技术，帮助 矿井通风的工程设计人员对目标系统进行辅助建模、风网解算，完成通风系 统的设计，也可以对已有的矿井通风系统进行验证分析，以保证其安全平稳 运行。本文对风网解算的方法做了深入的研究，提出了将“最小权值法 应 用到求解最小生成树的过程中，使解算算法简化，易于实现，在一定长度程 度上提高了解算速度。在设计过程中采用图形化建模方法，对通风系统图直 接解算，避免了通风系统图和通风网络图转换的过程。设计并实现了一个关 于风网解算的平台设计方案，此方案采用了图形建模方法与风网解算算法， 实现了风网解算的自动化。系统界面友好、操作简单，为设计人员提供了分 析设计的平台。 该软件可单独使用，还可作为煤矿矿井瓦斯事故综合预防系统的分系统， 通过共享数据库的方式集成到系统中具有一定的实用价值。 关键词：风网解算；最小权值；矿井通风；煤矿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n ev e n t i l a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es a f ep r o d u c t i o nu n d e r g r o u n d a s e c u r e ，r e l i a b l e ，e c o n o m i ca n dp r a c t i c a lc o a l m i n ev e n t i l a t i o nn e t w o r kd e s i g n s o f t w a r ei si m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t yi np r o d u c t i o nu n d e r g r o u n d t h u st h e r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o a l r n i n ev e n t i l a t i o nd e s i g np l a t f o r mi sg i v e ni n t h ep a p e r c a da n ds o m et e c h n o l o g ya b o u tm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e ma r ea d o p t e dt oh e l p p r o j e c td e s i g n e r st oe s t a b l i s hm o d e lf o rt a r g e ts y s t e mi nt h ed e s i g np l a t f o r m ，t o r e s o l v ev e n t i l a t i o nn e t , a n di nt h ee n dt of i n i s ht h ew h o l ev e n t i l a t i o nd e s i g n e x i s t e ds y s t e mc a na l s ob ev a l i d a t e da n da n a l y z e di nt h ed e s i g np l a t f o r m ，a n dt o a s s u r et h es y s t e mc a n r u np l a c i d l y t h em e t h o do fv e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o n i sr e s e a r c h e dt h o r o u g h l yi nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rh a sp u tf o r w a r dt h a tt h e m i n i m u mw e i g h ti su s e di nt h ep r o c e s so fr e s o l v i n gt h em i n i m u m s p a n n i n gt r e e ， w h i c hc a l lm a k et h ea r i t h m e t i cs i m p l e ，r e a l i z a t i o ne a s y , a n dt os o m ee x t e n t ，c a n a l s oi m p r o v et h er e s o l v i n gs p e e d i nt h ed e s i g np r o c e s s ，g r a p h i cm o d e l i n gm e t h o d i sa d o p t e d ，t oc a l c u l a t et h ev e n t i l a t i o ns y s t e mg r a p h i cd i r e c t l y , t h a tc a na v o i dt h e c h a n g ef r o ms y s t e mg r a p h i ct on e t w o r kg r a p h i c i m a g em o d e l e rm e t h o d sa n d v e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o na r i t h m e t i ca r ea p p l i e di nt h es c h e m e ，w h i c hm a k e s v e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o na u t o m a t i o n t h e r ea r es o m a n yv i r t u e s ，f o r e x a m p l e ，f r i e n d l ys y s t e mi n t e r f a c e ，a n de a s yo p e r a t i o n , t h a tc a np r o v i d e 。a n a n a l y s i sd e s i g np l a t f o r m i tc a nn o to n l yw o r kb yi t s e l f , b u ta l s ow o r ka sas u b s y s t e mw i t hc o a l m i n e i n t e g r a t i o np r e v e n t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb yt h ew a yo fs h a r i n gt h ed a t a b a s e t h ev e n t i l a t i o np l a t f o r mh a sg r e a t a p p l i c a t i o nv a l u e s k e y w o r d s ：v e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o n ；m i n i m u mw e i g h t ；e o a l m i n ev e n t i l a t i o n ； c o a l m i n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：山始年 弓月【步日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 课题提出 第1 章绪论 煤矿矿井瓦斯事故综合预防及关键技术研究是黑龙江省2 0 0 4 年度重大 科技攻关计划项目，煤矿井下通风系统设计平台的研究与实现是与该项目相 关的一个预研课题。 井下通风系统一般都非常复杂，传统人工的通风网络设计复杂性高，花 费时间长，已经远远不能满足设计生产的需要；近几年的通风设计平台从单 一的网络解算到综合设计平台的开发，都大大提高了通风设计的自动化水平， 但从实际应用上看，能够普遍适应于不同矿井、适合开发设计人员使用的设 计平台很少。本论文针对以上两点不足，采用计算机辅助技术和矿井通风系 统设计的相关技术，帮助矿井通风的工程设计人员对目标系统进行辅助建模、 风网解算，完成其通风系统的解算以及风机、风门的设置等，也可以对已有 的矿井通风系统进行验证分析，以保证其安全平稳运行。以加快设计速度、 提高设计质量、降低设计成本为目标。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c a d 发展现状 c a d 技术在5 0 年代后期崛起，用于发达国家的航空和军事工业中。进 入6 0 年代以后，随着计算机技术的发展，用计算机绘图变为可行而迅速发展。 1 9 8 9 年美国国家工程科学院将c a d c a m 技术评为当代十项最杰出的工程技 术成就之一。到目前为止，c a d 技术的发展大致发生了四次飞跃。 ( 1 ) 第一次c a d 技术革命“贵族化 的曲面造型系统。 ( 2 ) 第二次c a d 技术革命生不逢时的实体造型技术。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 第三次c a d 技术革命一一鸣惊人的参数化技术。 ( 4 ) 第四次c a d 技术革命更上一层楼的变量化技术。 c a d 系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了巨大 的变化，并创造了巨大的社会经济效益。随着实际应用的需要，一些计算机 应用的新技术和一些新的算法在c a d 中不断出现和发展，主要表现在建模 技术的研究和发展，数据管理技术的研究和发展，标准化技术的研究和发展 三个方面。本文需要运用c a d 技术对通风系统进行建模，下面对c a d 建模 技术的研究和发展做一下简单介绍。 建模技术是c a d 的核心技术，建模技术的研究、发展和应用，就代表 了c a d 技术的研究、发展和应用他，。从5 0 年代至今建模技术的发展经历了 二维建模、三维几何建模( 包括线框建模、曲面建模、实体建模) 、特征建模( 包 括参数化和变量化建模) 及产品集成建模的发展过程。到8 0 年代后期出现了 参数化和变量化的建模技术，参数化建模的代表是p t c 公司的p r o e n g i n e e r ， 变量化建模的代表是s d r c 公司的v g x 。居于c a d 技术理论核心的建模技 术的每一次进展，都会带来c a d 技术的重大进步，但无论是线框几何模型， 还是曲面模型或者实体造型，针对不同的具体应用对象都有其独特的优势， 没有一种技术会长盛不衰，无所不能，这样才会驱动c a d 技术的不断发展。 目前，我国c a d 技术的发展与国外相比差距很大，面临着重大挑战n ，。 ( 1 ) 目前我国c a d 系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的 指导。 ( 2 ) 我国三维c a d 系统还不成熟，必须加快开发。 ( 3 ) 我国c a d 技术开发创新少、仿制多。 ( 4 ) 我国c a d 软件的开发缺乏理论研究和算法的研究。 ( 5 ) 信息集成技术落后。 ( 6 ) c a d 中的数据交换格式和标准化落后。 1 2 2 矿井通风系统设计平台研究现状 矿井通风设计是矿井设计的重要环节，其计算工作量大，重复计算多， 是一项耗时、费力、容易出错的工作。当前在煤矿设计领域中开发的软件系 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统已有不少，比如地测系统、通风系统等，这类系统在解决它们各自专业问 题上都表现出较强的实力。但由于煤矿设计涉及多个专业，各个专业之间定 期互相交换图纸，是在一种协同机制下完成其设计工作的，因此各类软件系 统之间应具有较强的协作性和数据共享性。 在国外相关方面的研究主要有美国开发的v e m i l a t i o nd e s i g n 软件，该软件 能够进行交互式设计，将强制通风与自然通风网络以三维图形方式显示； h t m e 的v e n d i s 软件能以交互式图形方式提供解算计算结果，该设计软件为 设计人员提供以三维方式输入风阻、温度和节点信息等，解算结果以图形方 式显示出来，其设计的网络规模和观察视点都可交互式改变：波兰科学院研 制的m i n ev e n t i l a t i o n 软件能够使设计人员在设计时以图形化方式表示火灾蔓 延、通风构筑物变化、温度等参数的变化过程，仿真效果良好。 在国内，对矿井通风设计平台的开发很少。主要有北京理工大学研究的 智能化矿井通风设计是一个高度智能化的通风设计集成，将矿井通风设计的 数据管理、图形处理、设计计算、灾变过程模拟、决策分析等功能进行有机 结合，辅助解决设计中的结构化问题、半结构化问题和非结构化问题。西安 科技大学的通风辅助设计平台系统，将整个风量计算、风量分配、阻力计算 等功能以图形的方式来实现，利用图形语言的直观性，降低了软件应用的门 槛，更加符合设计人员的习惯，并在实现这些功能的基础上，还将完成设计 过程中知识库的建立，免去设计人员在设计过程中大量查询资料的烦恼。辽 宁工程技术大学研制的矿井系统设计软件n ”，利用该软件在通风系统管理设 计和优化改造方面取得了良好的效果，该软件功能强大，对新井巷开掘贯通 和旧井巷报废的通风状况做了处理，构筑物位置及其调节量也做了相应的设 置，在风网平衡图自动绘制、角联风路自动识别和分析、通风网络的极值流 等方面有了很大的改进，最终给出确定通风网络最优化调节方案。 国外的通风设计软件具有价格昂贵、一般要求在工作站上运行，对软件 进行扩充和二次开发十分困难。国内的相关软件具有适应性差、通用性差和 运行不稳定等特点。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 3 论文研究内容及组织结构 1 3 1 论文研究内容 本论文以矿井通风系统设计平台为研究对象，建立通风系统设计平台， 同时对风网解算方法做了深入研究。针对煤矿生产中的风网解算问题对风网 解算方法中的回路法解算模型进行研究，给出一个关于风网解算的平台设计 方案，来实现风网解算的自动化。采用计算机辅助技术和矿井通风系统设计 的相关技术，设计并实现通风系统设计平台。使该平台能够方便、快捷地帮 助矿井通风的工程设计人员对目标系统进行辅助建模、风网解算，完成通风 系统的设计，也可以对已有的矿井通风系统进行验证分析，以保证其安全平 稳运行。 1 3 2 论文组织结构 本论文共分为四章。 第1 章是绪论部分，主要介绍课题研究的背景及意义，以及国内外相关 技术研究的现状。 第2 章介绍与矿井通风有关的理论，首先是图论在通风系统中的应用， 接着介绍按需分风理论，以及风网解算目前采用的解算方法等理论，为设计 平台的研究与设计奠定理论基础。 第3 章重点研究了与矿井通风系统设计平台密切相关的技术理论，解决 了通风系统巷道之间的拓扑关系问题，并对风网解算方法更深入的研究，将 最小权值法应用到求解最小生成树的过程中，是本论文在理论上的一个创新 点。 第4 章是矿井通风系统设计平台的具体实现部分，对整个设计平台的系 统结构及其开发运行环境做了详细的描述，以及数据库的选型与设计，对模 型库和设备库做了详细的设计。最后一节是具体实现部分以及部分主要代码。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章矿井通风相关理论 2 1 图论在矿井通风系统中应用 图论在矿井通风、化学、教育学、电工学等很多领域都得到广泛应用哺1 。 要研究通风网络的基本性质及其拓扑关系，必须运用图论作为数学基础对通 风网络进行建模，其中的矿井通风网络图属于图论的应用范畴阳1 。首先介绍一 下在通风网络中经常用到的一些专业术语盯，。 ( 1 ) 节点：三条及以上巷道的相交点，记为v ，( i = l ，2 ，m ) 。 ( 2 ) 分支：两个节点之间的连接巷道，记为e ，( ，- j ，2 ，刀) 。任何分 支仅在它的端点才有节点。 ( 3 ) 回路：由两条以上的分支形成的闭合环称为回路，记为b ，( f _ j ，2 ， 拧一r e + 1 ) 。在回路中，除首节点外，节点与分支皆不重复。 ( 4 ) 风向：表示风在分支中的流动方向。分支的方向用箭头表示。分支的 两个端点中，箭头指向的为终节点、另一个为始节点。回路的方向一般规定 顺时针为正，逆时针为负。 ( 5 ) 有向图和无向图：在有向图中，顶点对 是有序的，被称为从 顶点u 到顶点v 的一条有向边。因此， 和 是不同的两条边。此 时，顶点对 用一对尖括号括起来，u 是有向边的始点，v 是有向边的 终点。而在无向图中，顶点对( u ，v ) 是无序的，被称为与顶点u 和顶点v 相 关联的一条边，没有特定的方向，( u ，v ) 与( v ，u ) 是同一条边。一般为了有 别于有向图，顶点对是用一对圆括号括起来。 ( 6 ) 连通图与连通分量：在无向图中，若从顶点u 到v 有路径，则称顶点 u 与v 是连通的。如果图中任意一对顶点都是连通的，则称此图为连通图。 非连通图的极大连通子图叫做连通分量。 ( 7 ) 强连通图与强连通分量：在有向图中，若对于每一对顶点k 和矿，都 存在一条从到矿，和矿，到杉的路径，则称此图是强连通图。非强连通图的极 哈尔滨工程大学硕士学位论文 葺昌i 暑昌宣| 皇i 置；i 暑暑宣葺皇昌| i ii - 大强连通子图叫做强连通分量。 ( 8 ) 生成树：一个连通图的生成树是它的极小连通子图，在n 个顶点的情 形下，有n - 1 条边。但有向图则可能得到由若干有向树组成的生成森林。 通风网络图包含图的数据结构( 各节点、分支之间的二元关系) 、分支相 关联的参数( 权值) 、图形的物理数据( 即节点的位置、分支类型等) 这三类数 据。对于已确定的通风系统各节点、分支的连接关系是确定的，但图形的数 据是不确定的，节点位置与巷道交叉点的位置、分支的长度与巷道的实际长 度它们之间没有直接关系，只能将巷道的实际长度作为一个权值，不能在图 中由分支的长度来直接反映。图论还用于反映节点之间邻接关系的邻接矩阵， 以及通路矩阵等。 2 2 矿井通风按需分风理论 矿井通风的任务是对井下各用风地点供给符合卫生和安全条件的风量， 即井下风流应按需分配。用风点的需风量由自然分风风量和风机风量提供。 通常自然分风风量很难达到用风地点的风量要求，这就需要对分支风阻、主 风扇或辅助风机等进行调整，这也是风流调节要解决的问题。解决方法“引有 分区计算法和自然分区法。 1 分区计算法 分区计算法是风流调节方法的一个重大变革，是目前最有效、简便而实 用的方法。其基本出发点是将风网划分为固定风量区和自然分风区，把自然 分风区看成一个独立的风网，解算各分支的风量和通风阻力。所求得的风量 满足：自然分风区所有回路风压平衡和全风网风量平衡。由于固定风量分支 没有参与自然分风解算，它所在的回路风压不平衡，根据这些回路风压的闭 合差调节回路中某些分支的风阻，使全风网都满足风压平衡定律。这样就达 到了风流调节的目的。它只需进行一次调节计算便可使得用风分支的风量达 到要求值；调风方案由计算机完成不用人工参与分析和计算；调节方案必然 使全矿总风阻最小，能实现优化调节；风机可在全部计算完成之后再选择， 调节点位置的转移也很方便，给调风方案的确定带来极大的灵活性，使现场 技术人员能综合各种影响调节方案优劣的技术经济因素，确定和变换出最优 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - - i t _7 r l _ 调节方案。 2 自然分风区 在一个风网中，将按需分风的分支，如采掘工作面、绞车房、变电所和 火药库等称为用风分支。当用风分支的风量给定时，根据风量平衡定律， 某些分支的风量就相应确定，称这些分支及用风分支为固定风量分支。由固 定风量分支及其关联的节点组成的子图称为用风区。用风区与进风井口之间 的分支及其关联的节点组成的子图称为进风区。用风区与出风井口之间的分 支及其关联的节点组成的子图称为回风区，进风区和回风区统称为自然分风 区，或者说，自然分风分支及其端点所组成的子图叫做自然分风区。由于固 定风量区的风量已经确定，不需要进行计算。故问题便转化成对自然分风区 的处理。对自然分风区的处理有分块解算法和整体解算法两种。分块解算法 由于分块中节点数和分支数都较少，因此方程组的求解速度快，这是它的主 要优点。其缺点是要由计算机计算分块数和每一分块包含的分支与节点及其 关联关系，其计算方法较复杂，计算机程序编制也较繁琐。经过比较，本论 文采用整体解算法。下面详细介绍一下整体解算法。 所谓整体解算法是指在计算自然分风时，保留一些固定风量分支( 但不 是用风分支) ，使自然分风区里的各分离部分连接成一个连通图，然后求解该 连通图的风量自然分配情况。这种方法与分块算法相比，自然分风区内分支 较多，而且整个自然分风区求解的方程组无法分割成几个不相关联的方程组， 因此方程组中方程数目多，即左边系数矩阵的阶数大，求解较为费时，但整 体解算法不需计算自然分风区的部分数，方程组左边系数矩阵易于确定，程 序编制简单，而且从总的效果看，整体解算法的计算速度不低于分块算法， 目前，自然分风区的解算大多都是整体解算法。 2 3 风网解算方法 2 3 1 风网解算方法分类 风网解算的目的是在己知风网各分支风阻、风机特性和自然风压条件下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求各分支的风量。通风网络解算的方法有图解法、分析法、模拟计算法和计 算机解算法n ”。随着计算机的应用发展，计算机风网解算应用越来越普遍， 其优点是速度快、精度高。 众多通风专业学者提出了许多解算算法，如c r o s s 迭代法、牛顿法、节 点压力法、附加风压法等。不同算法各有其特点，但基本上可归为两类，一 是以节点压力为基础的节点风压法，另一类是以回路为基础的回路法。 目前国内外应用最广泛的是回路法中的c r o s s 迭代法。在1 9 3 6 年美国人 h c n d yc r o s s 提出c r o s s 迭代法并应用于解算水道管网。后经英国人d s c o t t 和f h i n s l e y 改进用于风网解算，所以又称为s c o t t - h i n s l e y 算法n 。该方法容 易理解，实质是以图论为基础，以风流运动的基本定律为依据，利用高斯一 赛德尔迭代法逐次求解回路修正风量，直到其值不大于一个给定的精度为止， 以获得方程组真实解的渐进量伸，。 2 3 。2 节点风压法 基本原理n 剐为以节点分析法为基础，依据风流流动及风量平衡定律和阻 力定律列出节点风压方程。从节点风量平衡出发，把m 1 个节点的风压值作 为独立参数求解，而把另外一个节点作为参考节点，其压力为零，一旦求得 了风网种m 1 个节点的风压，就不难求得风网各分支的风压和风量。 2 3 3 回路风量法 回路风量法是以图论为基础，以风流的基本定律为依据，利用高斯赛德 尔迭代法来逐次求解网孔的修正风量，直至达到一个预先给定的精度为止， 以获得接近方程组的真实解的渐进量n 羽啪，。 本设计平台就采用回路风量法来进行风网解算。将回路法中的斯考德 恒斯雷近似计算法的改进算法应用于解算过程中，加快了解算速度、提高了 解算质量。其实质是利用方程式中的一个根的近似值为已知时，用泰勒级数 展开，逐次计算，求得逼近真实值的近似解。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 4 矿井通风系统图和矿井通风网络图 矿井通风系统图和矿井通风网络图是矿井通风研究过程中两个最重要的 图件。它们之间是同构的，具有相同的节点数和分支数，节点和分支之间的 连接关系相互对应，并且对应分支具有相同的权值、风量、风阻值、断面积、 长度等数据。 2 4 1 矿井通风系统图 矿井通风系统图直观地反映了通风井巷的位置、长度和连接关系，以及 通风构筑物的安设位置等。通常可在通风系统图上标注井巷的名称、长度、 断面积、风阻和风量等参数，不仅给日常通风管理工作带来了极大的方便， 也为发生灾害时期提供救灾决策方案。 在绘制通风系统图方面，主要运用以下三种方法n 3 ，g ( 1 ) 利用地理信息系统开发。地理信息系统( g i s ) 是集计算机科学、地理 学、信息学等多门学科的新兴科学。它是运用系统工程和信息学理论，分析 地理数据，以提供对管理、规划、决策等方面的空间信息系统。 ( 2 ) 运用高级编程语言( 如c + + 、j a v a 等) ，仿a u t o c a d 的界面及其设计 模式，来开发适合辅助绘制矿井通风系统图的软件。这种方法被广泛运用， 在本设计平台中也采用这种方法来绘制通风系统图。 ( 3 ) 采用专门的高级辅助绘图软件，如a u t o c a d 等直接绘制通风需要的 各类图形，也可对其进行二次开发，用程序来实现图形的自动绘制，以及数 据的控制。 2 4 2 矿井通风网络图 通风网络图是用图论的概念和方法来表示通风系统图，并用图论的理论 和方法来分析矿井通风系统。通风网络图m ，的主要作用是直观反映了巷道之 间的关联关系以及风流的方向。通常通风网络图提供图的数据结构( 即分支与 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | 昌| 皇昌置i i 宣暑皇暑暑宣宣；i 暑i 宣宣宣i 置i 昌i j 暑j 置；i i i i ；i ；i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i 置暑i 宣葺i 宣| 一i 皇| 皇置| 皇| i | 节点的连接关系) 及其物理数据( 节点坐标和分支形状的基本信息) 。 通风网络图具有如下特征： ( 1 ) 有限图。由有限条巷道构成。 ( 2 ) 有向的连通图。巷道图形绘制的方向即为风流的方向。 ( 3 ) 具有严格的拓扑关系。通风构筑物和通风机等动力装置只能属于一 条巷道，巷道的变化决定着节点邻接矩阵也随之变化。 ( 4 ) 赋权图。巷道的一些参数如风阻、风量、断面积等，都应在图中与 对应分支关联。 在本论文中用拓扑关系代替了通风网络图。在图论中，拓扑关系和通风 网络图之间是同构的，故通风网络图在计算机中的存储实质上就是巷道、节 点之间拓扑关系的存储。通风网络图的矩阵表示法有邻接矩阵、关联矩阵、 回路矩阵、割集矩阵和路径矩阵等。它们都包含了风网结构的全部信息，从 理论上讲，知道其中任何一个矩阵，都可以通过输入该矩阵的数据将通风网 络图输入到计算机中。 2 5 本章小节 与通风系统相关的理论众多，在本文中只给出了与该设计平台密切相关 的理论。图论知识在求通风网络拓扑关系中的应用，以及对解算方法做了简 单的介绍，为系统在风网解算时奠定理论基础。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 瞄i f f。iii i i ；i ；i i i ；i i i i 暑i i i 宣i i 皇萱暑暑宣毒暑宣暑宣i 宣宣暑宣i 宣暑| 暑i i i 第3 章矿井通风设计平台的技术研究 3 1 矿井通风系统拓扑关系生成 拓扑反映了空间实体之间不随实体的连续变形而改变的与量度和方向无 关的一种空间关系。通风系统中拓扑元素有节点、巷道、通风机、风门、风 窗、风流方向等。通风系统网络图由点状、线状和面状元素组成，它们分别 对应节点、弧、多边形这三种图形元素，也称为拓扑元素。 3 1 1 通风网络图的数据格式 在通风网络图中，每条巷道分支都由两个节点与之对应，并且该巷道分 支的风流流动方向是由始节点流向末节点m ，。矿井通风网络图如图3 1 所示， 其对应的拓扑关系如表3 1 所示。 图3 1 矿井通风网络图 啥尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 矿井通风网络图拓扑关系数据格式表 巷道分支始节点末节点 e lv ov 1 e 2v lv 4 e 3v 1v 5 e 4 v 5v 2 e 5v 4v 2 e 6 v 2v 3 e 7v 5 v 4 3 1 2 矿井通风系统中实体对象的拓扑关系 对于一个完整的通风网络，要进行风网解算、优化以及改造、以及救灾 策略支持等，都要借助通风系统的拓扑关系。在矿井通风系统中主要建立巷 道、节点、风机、构筑物( 风门、风窗等) 、风流方向等实体对象之间的拓扑 关系n 。 ( 1 ) 巷道与节点 每条巷道唯一对应一对始末节点，方向为始节点到末节点。任何一个节 点不能在图中孤立存在，若在系统图中删除一个节点，则和其相关的所有巷 道分支都要被删除，若删除巷道时，必须将和其相关联的节点解除关系，若 解除关联关系之后，有孤立节点出现，该孤立节点要被删除。巷道与节点之 间的拓扑关系表现在它们之间的关联关系上，由一个动态数组来存储该巷道 的首末节点。如图3 2 为增加节点过程图。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 2 增加节点过程图 ( 2 ) 巷道与风机、构筑物 通风机是矿井通风设施的主要动力装置，构筑物包括风门、风窗等设施。 一条巷道可有多个构筑物或风机与之对应，而一个构筑物或风机只能属于一 条巷道。当风机、构筑物等与巷道建立绑定之后，若巷道或风机、构筑物等 发生变化，则相应的拓扑关系也要随之变化，具体说明如图3 3 所示。 o 一m v 1 e 一v j v ( i ) 图3 3 巷道与风机、构筑物等的拓扑关系图 在图3 3 ( i ) 中，m 表示通风机或构筑物，与巷道巨绑定。当删除通风机 或构筑物m 时，自动解除与e 。的绑定关系，m 被删除。在3 3 ( i i ) 中，在原 来的巷道巨上掘进了巷道厶，将原来的巷道e 。分成了两条巷道局和e ：，并 1 3 哈尔滨下程大学硕十学位论文 插入新节点蚝。这样在拓扑关系上就发生了很大变化，则需解除m 与巷道巨 的拓扑关系，将m 与e 相绑定。 ( 3 ) 巷道与风流方向 在巷道上标注了风流方向，风流方向只能属于一条巷道。如图3 4 巷道 与风流方向拓扑关系图所示，风流方向f 表示巷道e 的风流方向，若删除风 流方向f 时，将解除f 与e 的绑定关系，若删除巷道e 时，将与其关联的风 流方向也删除。对比3 4 ( i ) 与3 4 ( i i ) ，在3 4 ( i i ) 中，增加一节点z 3 ，则风流 方向f 不能表示巷道巨的风流方向，自动变为巷道e 的风流方向。 o 工- 川 v 1 e 1 v 2 ( i ) v 1 图3 4 巷道与风流方向拓扑关系图 3 1 3 通风网络拓扑表示 通风网络图是一个有向连通赋权图心町担”，其拓扑关系可以用关联矩阵、回 路矩阵、通路矩阵表示。下面介绍一下这些矩阵的基本概念m ，。 ( 1 ) 关联矩阵 有向图g ( v ，e ) ，l v l - - m ，i e i - - - n 。其中v = ( v l ，v 2 ，v m ) ，e = ( e l ， e 2 ，e 。) ，则节点和边相互关联的矩阵a n ： 式( 3 1 ) 中： 4 。= 【口驴) 1 4 ( 3 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口 5 l 当e j e ，且风流方向为正向； 一l 当e j e ，且风流方向为负向； o 其它。 称彳。为网络图g 的完全关联矩阵。 由关联矩阵概念，可写出图3 1 通风网络图的对应关联矩阵a ，该矩阵 行代表节点，列表示巷道。 ( 2 ) 回路矩阵 有向网络图g ( v ，e ) ，有m 个节点，n 条边，s 个回路，则回路矩阵： 式( 3 - 2 ) 中： 6 面= 色= 慨l 。上。 1 名在回路i 上，且方向相同； 一1 。七j 在回路i 上，且方向相反； o 其它。 ( 3 2 ) ( 3 ) 通路矩阵 设p 是有向通风网络图g 中某些边的集合，从v l 到v m ，由不同的边组 成一条有向路径称为有向通路p ，这样得到一组有向路e ，最，己。边与 通路之间的关联关系也同样可以用矩阵的形式表达，即： p = 慨l 。 ( 3 3 ) 0 0 0 0 1 o o o 0 o o o 0 o 0 o o o o o ， o o 0 0 o l 1 o o o一 0 o o o o 0 = 岛 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 3 3 ) 中： p 2 1 0 其吾。 f 1 边e j 在通路p i 上； p 是网络图g 的有向通路矩阵。 3 2 矿井通风系统风网解算算法研究 矿井通风风网解算方法是整个系统的核心算法，风网解算的目的是在已 知风网各分支风阻、风机特性和自然风压条件下求各分支的风量及分支通风 阻力等。 风网解算的方法很多，现在主要采用两种方法滔，一是以节点压力为基 础的节点风压法；另是以回路为基础的回路法。下面主要对回路法进行研究。 3 2 1 回路法解算模型的基础公式 ( 1 ) 分支的风阻值 分支的风阻值，等于分支的摩擦阻力系数乘上分支的长度和分支的断面 周长再除以分支断面积的三次方，计算公式为： r = a f 4 三u s 3( 3 - 4 ) 式( 3 4 ) 中： r ，分支的风阻值k g m 7 ； 彳，分支的摩擦阻力系数k g m 3 ； 彳三，分支的长度m ； u ，分支的断面周长聊； s ，分支的断面积m ? 。 ( 2 ) 分支风阻特性曲线 闭合通风网络中各分支的风压或阻力，分支阻力等于分支的风阻值乘以 分支的风量的绝对值再乘以分支的风量，计算公式为： 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h = r q 2 ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 中： h ，分支的阻力p a ； r ，分支的风阻值k g m 7 ； q ，1 分支风量m 3 s 。 由公式可知，r 值越大，曲线越陡，反之，越平缓。r ， r ，时的通风网 络风阻特性曲线图如图3 5 所示。 h 图3 5 通风网络风阻特性曲线图 ( 3 ) 风机性能曲线 风机的特性曲线是用来表明风机的全压、功率及效率等同风机流量之间 的变化关系的一种曲线，是选择和分析通风机的主要依据啪- 。通常有两种特 性曲线，一是厂家提供的曲线，另一是生产矿井的鉴定曲线，它们都是试验 曲线，没有明确的分析表达式。为了使风机特性曲线能够参与到计算机风网 解算中，必须用一个分析表达式近似代替之。考虑到风机联合工作时的相互 影响以及风机工作的不稳定工作等因素，通常采用二段曲线拟合法来近似模 拟风机性能曲线，当风机处于正常工作区间则用拉格朗日插值法拟合，如图 3 6 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h 0 图3 6 风机特性曲线 通风机h - q 性能曲线数学表达式如式( 3 - 6 ) 所示。 q 日尸c i + c 2 q + c 3 q 2 + + c 。q 川 ( 3 - 6 ) 通常采用的曲线拟合方法是最小二乘法。曲线上所选点日，值与拟合多 项式对应的日i 值的偏离差平方和最小。可以推导出求解系数c l ，c ：， c 。的正态方程组，如式( 3 - 7 ) 所示。 s l c l + s 2 c 2 + s 3 c 3 + + 岛g = t l s 2 c l + s 3 c 2 + s 4 c 3 + 4 - 虽+ 1 g = t 2 s 3 c l + s 4 c 2 + s 5 c 3 + + 岛+ 2 g = t 3( 3 - 7 ) 岛c l + 岛+ l c 2 + 岛+ 2 c 3 + + s 2 。一l c ；= 厶 式( 3 7 ) 中： d = 饼，( k - 1 ，2 ，3 一，2 n j 夕 f = l d 如= 饼。岛，( l - - 1 ，2 ，3 ，力) ，= l d 为h q 曲线上所选的点数。 在实际应用过程中，通风机性能曲线可近似为二次抛物线。因为在通风 机工作过程中存在一些不稳定因素，故对风机特性曲线采用二段曲线拟合法， 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中正常工作区段用拉格朗日插值法拟合。其方程如式( 3 8 ) 所示。 胁= 雠h i 竺二竺二二：尝髫纠以，胛p 8 ，【当q ， 善奢械( 3 - l o ) 觥触下吨式 ) - 肚( 善舢- o 或( 善舢q l z ( 3 - 1 5 ) 这种简化相当于式( 3 1 1 ) 中的系数矩阵在其主元素大于同行副元素之和 的情况下删去所有副元素，而变为： o o , 0 il 阢 0 a q ：0 q 二型l0 ( 3 1 6 ) 荫一一锐一裼蔹一诅锐一始蔹一蚴 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从而使计算大为简化，故 q f 一盎“乱乙 。7 o q , 1 如考虑到式( 3 1 2 ) ，则 v z b f ，r ，igg 一只一e a q , = 一旦r 一 ( 3 - 18 ) 2 2 6 ；r j lgl _ e 式中f 和f 分别为风机特性曲线方程表示的风压及风机特性曲线的斜 率。 2 2 6 ；尺ig l 为回路中j 分支风量与风阻乘积的累加值，这项累加均为 j 享1 正数相加，也可写成2 ir ，gi 。 = l 如果回路中没有自然风压和风机时式( 3 1 5 ) 可写成： n e b r igl 绋 q f = 一旦1 - 一 2 lr g = 1 ( 3 - 1 9 ) ( 5 ) 节点风量平衡方程 在矿井通风网络图中，单位时间内流入任一节点的空气质量，等于单位 时间内流出节点的空气质量啪，。由于在一个节点范围内的空气密度认为不变， 若取流进的风量为正，则流出的风量为负，其数学表达式为： 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g = 0 ，i = 1 ，2 ，腰 ( 3 2 0 ) 王1 式( 3 2 0 ) 中： g ，j 分支的风量m ； ，表示风流方向的符号函数， 口 2 1 j 节点为j 分支的端点且q j 流向该节点 一1 f 节点为j 分支的端点且q j 背离该节点 o 。j 节点不局分支的端点 用图论的矩阵关系可将式( 3 2 0 ) 写成 式( 3 - 2 1 ) 中q 为列阵，故 彳q = 0 o7 = 【g q ，q 。】 ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 当风网满足风量平衡方程时，并不是所有风量都独立，可将某些风量表 示为所选的独立风量的函数，故可将式( 3 1 5 ) 分块为： q = 圈 式( 3 2 3 ) 中： q 。，与余树对应的风量的列阵； q 2 ，与树枝对应的风量的列阵。 式( 3 2 0 ) 带入式( 3 1 8 ) 则 ( 3 2 3 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a l l a l 2 曼 = 彳。，q + 彳。：q = 。 皱= 一a 五i 4 。q l 由给定的余树的风量可求出树枝的风量。 此外，由给定风量得出所有分支风量如式( 3 2 4 ) 。 q = 曼 = 曼占彳。，q 。 = e i _ 彳。：4 。 q c 3 2 4 ， 对于通风网络，如对余树任选风量时可由式( 3 2 0 ) 求出树枝风量，自动 满足风量平衡关系。 3 2 2 风网解算回路算法 风网解算是一个多元非线性方程组的线性化渐进解算过程，其线性化方 法很多，如斯考德一恒斯雷法、牛顿法、节点压力法等。目前应用较多的是 斯考德一恒斯雷法。它以图论为基础，以风流运动的基本定律为依据，逐次 求解网孔的修正风量，直至达到预先给定的精度并获得接近方程组真实解的 风量值u “。具体过程如下： ( 1 ) 选余树 通风网络在风网解算过程中，应将网络中的所有分支分成余树分支和最 小生成树两部分，然后再进一步解算。余树作为选择回路的基础分支，要想 求出余树分支，首先要求得最小生成树，则剩余的分支就是余树分支了。 其大致做法如下，： 把所有分支按一定次序排列。一般先固定风量分支( 通常是按需供风 的分支) ，接着为装有风机的分支，最后是一般分支的顺序排列。固定风量分 支和风机分支内部的次序可任意，而一般分支则是按其风阻值降序排列。 指定固定风量分支和风机分支为余树。 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从一般分支中选择一些风阻较大者作为余树，使余树的总数为 m ( m = 一，+ 1 ) 个。所谓选择风阻较大者是指一个回路中风阻为最大的分 支，以这些分支的风阻为矩阵的主元素，构成回路的非公用分支。 目前选择最小生成树的方法很多，应用比较多的是破圈法，该算法的具 体实现复杂，理解困难，有四层循环嵌套，计算量较大。本文将最小权值法 应用到求解最小生成树的过程中，该算法简单，易于理解，与破圈法相比减 少了一层循环，在一定程度上提高了计算速度，但在应用最小权值法求解最 小生成树时，应将风阻值作为权值，这就要求必须准确给出巷道风阻值才能 精确地得出最小生成树。下面具体介绍一下最小权值法。 最小权值法幢飞在通风网络中，先将节点和分支用标号唯一标识，再将 风阻值作为权值赋值给通风网络中相应的分支，则得到赋权连通图g ，如图 3 7 所示。 m 职 图3 7 赋权值连通图 图g 的顶点数为1 1 ，则边数最多为n ( n 一1 ) 2 ，记v ( g ) = v l ，v 2 ， v 。) ，w ( e k ) = w ( v i ，v j ) = w ( v j ，v i ) ( i j ，i 、j = 1 ，2 ，n ；k = 1 ，2 ， n ( n 一1 ) 2 ) ，若图g 中没有以v i ，v i 为顶点的边，则记w ( e k ) = 。求解步 骤如下： 令s i = v l ，u i = v s l ，计算w ( s l ，u 0 = m i n w ( v i ，v j ) l v i s i ， v j u l ，不妨设w ( v l ，v 2 ) = w ( s i ，u o ，并记下v l ，v