基于模糊理论的供水施救系统Simulink仿真研究

分类号 密级 U D C 编号 中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY硕士学位论文论 文 题 目 基于模糊理论的供水施救系统simulink 仿真研究学 科 、专 业 采 矿 工 程 研 究 生 姓 名 周英烈 导 师 姓 名 及专业技术职称 史秀志 教授 分类号 VDC 密级 硕 士 学 位 论 文基于模糊理论的供水施救系统 simulink 仿真研究Research on Water Rescue System Simulation by Simulink Based on Fuzzy Theory作 者 姓 名 ： 周英烈学 科 、 专 业 ： 采矿工程 学 院 （ 系 、 所 ） ： 资源与安全工程学院指 导 老 师 ： 史秀志（教授）论文答辩日期： 答辩委员会主席：_中 南 大 学二零一二年二月 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库 ，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 导师签名 日期： 年 月摘要金属非金属矿山供水施救系统作为紧急避险“六大系统”的一个重要环节，能够在矿山灾害急救时，通过为受困矿工提供足够的饮用水而达到施救的目的。然而井下条件错综复杂，具有诸多的模糊不确定性，如何准确地求解出矿山井下各个时刻的供水流量和供水压力等主要参数，并实现供水施救系统应对紧急灾变的自动控制，是保证系统有效运行的关键。近年来，鉴于模糊理论在解决复杂系统问题方面的优势，其在城市供水的优化配置应用广泛，但是较少应用于矿山井下供水管网的配水工作，且少有结合 simulink 仿真技术的应用。针对上述问题，本文介绍了金属非金属矿山供水施救系统在铜坑矿的建设情况以及模糊理论和 simulink 仿真技术的理论与应用知识。在现有的模糊理论对城市供水优化配置的基础上，通过 MATLAB 软件的 simulink 仿真工具箱，分别建立了供水施救系统各个环节的仿真模型，最后应用铜坑矿的实际数据对模型进行仿真检验，结果符合矿山实际。首先，建立了基于模糊聚类理论和基于时间序列法的供水施救系统水量短期预测 simulink 仿真模型，建立了基于模糊多项式理论和基于神经网络理论的水量长期预测 simulink 仿真模型，并结合铜坑矿的井下时用水量和年用水量资料进行了仿真预测分析，预测结果精度令人满意，同时，对比发现模糊聚类理论和模糊多项式理论对供水施救系统的水量预测更符合该矿实际情况；其次，建立了基于模糊 T-S 模型的供水施救系统管网工作状况的 simulink仿真模型，并以井下监测监控系统对供水管网的监测压力为数据库，仿真得到未来时刻各供水中段出水压力，取得了较好的仿真结果。最后，建立了基于模糊 PID 控制的供水施救系统自动控制的 simulink 仿真模型，以实现供水施救系统系统应对紧急灾变的自动控制上述过程中，在应用 simulink 仿真工具箱进行水量预测和工况模拟时，数据直接通过 Excel 数据表导入，在模块中也可直接调节参数，仿真结果既可通过数据表格导出，也可通过示波器以波形形式输出，从而使得结果分析过程简单直观。研究应用表明，基于模糊理论的 simulink 仿真技术用于金属非金属矿山供水施救系统的水量预测和工况模拟以及自动控制都是切实可行的，且符合矿山实际，能够为系统的有效运行提供更好的保障。关键词：供水施救系统 模糊理论 SIMULINK 仿真 水量预测 工况模拟 系统控制AbstractMetal and Nonmetal mine water as an important part of emergency rescue six systems can in mine disaster emergency, by providing enough drinking water to trapped miners and rescue purposes. However complex underground conditions, with a lot of fuzzy uncertainty, how accurately solving various moments of the underground water flow and pressure of water supply main parameters and automatic control of water supply system emergency disaster rescue system, is the key to ensure effective operation of the system. In recent years, given the fuzzy edge in solving complex system issues, its application in the optimal configuration of urban water supply a wide range, but less frequently applied to the underground water supply networks of water distribution, and few with Simulink simulation technology application. In response to these issues, describes water rescue system in metal and Nonmetal Mines in tongkeng mine construction and theory of fuzzy theory and Simulink simulation technique and application of knowledge. Existing on the basis of fuzzy theory on optimal configuration of urban water supply, by MATLAB Simulink simulation software Toolbox, the creation of a water rescue system simulation models of various key, the last one applied in tongkeng mine simulation testing of real data on the model, results consistent with mine actually. First, the establishment of a method based on fuzzy theory and clustering based on time series of water rescue system Simulink simulation model for short-term forecasting of water, the establishment of a polynomial based on fuzzy theory and neural network theory Simulink simulation model for long-term forecasting of water, in combination with the tongkeng mine underground water consumption and years of simulation and prediction analysis of water information, forecast accuracy is satisfactory, But contrasting found fuzzy Clustering theory and fuzzy polynomial theory and forecast of water to water rescue system more in line with reality in the mine; Secondly, the establishment of a rescue system of water supply pipe network based on fuzzy t-s model in Simulink working simulation model, and downhole monitoring systems for monitoring of water supply pipe network pressure database, middle section of emulation by future water supply water pressure to obtain better simulation results. Last, established has based on fuzzy PID control of water rescue system control of Simulink simulation model, to achieved water rescue system system should emergency disaster of automatic control above process in the, in application Simulink simulation Toolbox for water forecast and workers condition simulation Shi, data directly through Excel data table import, in module in the also can directly regulation parameter, simulation results both can through data table export, also can through oscilloscope to waveform forms output, Thereby making analysis simple and intuitive. Research application indicated that Simulink simulation technology based on fuzzy theory for metal and Nonmetal Mines in the water distribution system water supply water rescue system of forecasting and simulation as well as automatic control is practicable of and in accordance with the mine actually, to provide better protection for the effective functioning of the system. Key words: Water rescue systems； fuzzy theory； SIMULINK ；simulation ； prediction of water；simulation ；system control第一章 绪论1.1 研究背景矿产资源是国民经济的命脉，我国矿产资源十分丰富 0，目前已开发和利用的矿种有 181 种，资源总量占世界的 12%，储量居世界第三位。但是由于历史的原因和现实的问题，我国金属非金属矿山矿难时有发生，严重威胁着矿井安全生产和社会和谐。当前，各种先进安防技术普及与应用无疑是降低遇险人员伤亡率的最有效途径。2010年8月5日，智利圣何塞铜矿发生坍塌事故，名被困矿工在经过长达天的漫长等待后，终于迎来了获救的一天。当地时间日时分，首名矿工弗洛伦西奥阿瓦洛斯随“凤凰”号搭载舱，穿过长达米的救生隧道，重见天日 2。不难发现，在救援过程高技术无疑起到了至关重要的作用。大到营救过程中使用的重型挖掘机和“胶囊”搭载舱，小到安慰矿工心灵的投影仪和灭菌铜纤维短袜，这些高技术产品在帮助援救矿工的同时，也保证了他们在井下的生活质量。 为了提高金属非金属矿山企业安全保障能力，减少金属非金属矿山安全事故和损失，提高地下矿山抵御各种风险和灾害的能力，建设金属非金属地下矿山安全避险系统显得更加迫切。针对我国金属非金属矿山严峻的安全形势，2010 年 7 月 19 日，国务院印发 国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知( 国发 201023 号)，要求“煤矿和非煤矿山要在 3 年之内完成”六大系统“安装，具体包括监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统，否则暂扣安全生产许可证。 ” 随后，国家安全监管总局还专门出台了金属非金属地下矿山安全避险 “六大系统”安装使用和监督检查暂行规定的通知 ；国家安全监管总局、国家煤矿安监局联合出台了关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知 ，明确安全避险“六大系统”具体建设进程和要求。温总理也做出批示“要在做好事故抢险救援、调查处理、开展安全生产大检查的同时，结合转变发展方式，从根本上提高企业技术水平、安全标准和管理能力。 ” 2011 年 7 月 15 日，国家安监总局发布金属非金属地下矿山“六大系统”建设规范 。 “六大系统”建设规范包括：金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范 （AQ20312011）金属非金属地下矿山人员定位系统建设规范 （AQ20322011）金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范 （AQ20332011）金属非金属地下矿山压风自救系统建设规范 （AQ20342011）金属非金属地下矿山供水施救系统建设规范 （AQ20352011）金属非金属地下矿山通信联络系统建设规范 （AQ20362011）“六大系统”建设规范以安全生产行业标准的形式发布，属国家强制性标准，金属非金属地下矿山企业必须遵照执行。 “六大系统”建设是进一步贯彻落实金属非金属矿山安全规程 （GB164232006 ）相关要求的有力补充，是继续深化矿山安全专项整治工作的有效措施。1.2 矿山紧急避险六大系统的发展现状 “六大系统”应用到金属非金属矿山前，国内外已有很多应用安全避险系统紧急避险的成功案例，如：2010 年 8 月 5 日,智利圣何塞铜矿 33 名矿工被困位于地面以下 700 米处, 69天后成功获救，在营救过程中，井下应急避难所发挥重要作用 2。2010 年 3 月 28 日，山西省临汾市乡宁县王家岭煤矿发生透水事故。153 人被困井下，其中 115 人成功获救，死亡 38 人 3。金属非金属矿山建设安全避险“六大系统”，是全面提升矿山抗灾能力的一项基础性工作，也是依靠科技进步和先进适用技术强化安全保障能力提高本质安全水平的有效措施，国家安监总局对“六大系统”有明确的建设规范和时限要求，对于未按期完成的，要暂扣安全生产许可证。 国家安全监管总局关于印发金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行规定的通知 （安监总管2010168 号）规定了六大系统的建设进度，如表 1-1 所示。序号 系统名称 2010 年 12 月 2011 年 12 月 2012 年 6 月1 监测监控系统 2 人员定位系统 3 紧急避险系统 4 压风自救系统 5 供水施救系统 6 通信联络系统 表 1-1“六大系统”建设进度自国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知提出建设“六大系统”以来，各地在全力做好“数字化矿山” 的基础上，按照国家安监总局和省市安监局的部署要求，积极制定方案，有力的推进了“六大系统” 建设工作进展。2011 年底前，各地处于探索和试验性建设阶段，一些省市相继建设了一批试点、示范项目，有力地推动了全省非煤矿山“六大系统”建设。2012 年开始，进入了全面建设阶段。现在，全国各地正处于建设高潮。自大力推进非煤矿山安全避险“六大系统”以来，也一直伴随着一些问题，制约了整个工作的进度，急需修正和明确。目前各地金属非金属矿山“六大系统”建设发展过程存在如下一系列问题 4：1“六大系统”范围界定“六大系统”中，人员定位、压风自救、供水施救和通信联络四大系统的内容清晰、范围明确。但监测监控和紧急避险系统因涉及内容广，范围界定比较模糊。金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范(AQ 20312011)将监测监控系统定义为:由主机、传输接口、传输线缆、分站、传感器等设备及管理软件组成的系统，具有信息采集、传输、存储、处理、显示、打印和声光报警功能，用于监测金属非金属地下矿山有毒有害气体浓度，以及风速、风压、温度、烟雾、通风机开停状态、地压等。这一定义采用了列举式，但列举的范围过窄，甚至将规范中明确要求建设的视频监控也排除在外。除了规范提到的有毒有害气体监测、通风系统监测、视频监控、地压监测外，监测监控系统还应当包括为矿山安全服务的其它各类监测、监控系统，如矿山轨道运输监控系统、矿山胶带运输监控系统、矿山供电监控系统、矿山排水监控系统、矿山火灾监控系统等。有些单位把“六大系统”和尾矿库监测系统合起来叫“6+1” ，将尾矿库监测系统排除在“监测监控系统”之外，也是不妥当的。另外，有的单位将有毒有害气体监测和通风系统监测叫监测监控系统，也容易混淆监测监控系统的范围，有毒有害气体监测和通风系统监测应当属于监测监控系统中的安全监控系统。紧急避险系统的范围也比较模糊。 金属非金属地下矿山紧急避险系统建设规范(AQ 20332011)将紧急避险系统定义为: 在矿山井下发生灾变时，为避灾人员安全避险提供生命保障的由避灾路线、紧急避险设施、设备和措施组成的有机整体。按此定义，紧急避险系统包括 3 个方面: 路线、设施设备、措施。规范规定建设内容有 5 个部分:自救器、紧急避险设施、避灾路线、应急预案和安全出口。3 个方面中，路线的范围比较明确，只要有避灾路线和安全出口就可以了;设施设备除了规范要求建设的自救器、紧急避险设施，还应当包括其它设施设备，如自救站，就是一种新的避险设施，同时，随着技术发展未来还可能出现一些新的避险设备;而措施除了应急预案外，可能还会有其它措施。此外，应急救援队是否属于紧急避险系统范畴，也值得探讨。2 建设规范及技术标准问题目前，国家只出台了“六大系统”建设规范，还没有相应的技术标准。同时，现行建设规范也存在不合理、执行难的现象。 人员定位系统建设规范规定:“最大位移识别速度不小于 5 m/s”，现矿山使用的装运机械运行速度大多超过了 5 m/s;另外，灾变时人会跑步逃生，速度可以达到生命极限，一般人百米跑时间为 1316 s(即 6.257.69 m/s)，短距离极限速度会更快。规范规定 5 m/s不合理，至少应规定 10 m/s。 供水施救系统建设规范规定: 供水施救系统可以与生产供水系统共用，施救时水源应满足生活饮用水水质卫生要求。该规定难执行。首先，生产供水一般是达不到生活饮用水水质卫生要求的，即使施救时连通了生活饮用水水源，因供水管道中有生产用水余水，避灾人员也很难得到施救时提供的生活饮用水。而如果将生产用水水源改造成符合生活饮用水水质卫生要求的水源，不仅投资巨大，同时也会造成优质水资源的浪费。3 地方监管方式问题各地政府部门对于矿山“六大系统”建设的组织管理可以说五花八门，归纳起来，主要有以下几种模式。(1)政府直接掌控。有些县市政府部门考虑到矿山企业缺乏相应的专业人才和经验，各自建设难度大、成本高，就组织区内所有企业统一招标、建设。(2)设置准入条件。一些地方设置了相应的准入条件，要求进入所辖区域内从事“六大系统”建设的公司，必须经过相关部门备案。(3)实行监督管理。只监督，而不直接介入矿山企业“六大系统”项目。监督内容和方式多种多样，如整体规划、制订地方规范、督促落实、组织方案评审、建设方案报备、项目竣工报备等。(4)进行宏观指导。从政策上和技术上指导矿山企业“六大系统”建设。(5)企业自行建设。政府部门完全不管，任由矿山企业自行建设。政府部门对于矿山企业“六大系统”建设的组织管理，最好的模式应当是监督加指导。4 部分矿山企业认识问题一些矿山企业对“六大系统”建设认识较高，但也有部分矿山企业认为“六大系统”意义不大，是政府“要我建”而不是“我要建” ，被动应付，能拖则拖，能省则省，尽可能降低对“六大系统”的投资，导致建设进度滞后，工程不合格。5 矿安产品问题“六大系统”建设规范要求，相关设备必须采用矿安产品。但目前通过认证的矿安产品品种较少，甚至有些类型的设备还没有矿安产品，不能满足 “六大系统”建设需求。而且，矿安产品的价格普遍较高，高出非矿安产品几倍。6 市场混乱问题矿山“六大系统”建设的巨大市场吸引了众多淘金者的加入，其中不乏投机取巧者，一些连“六大系统”是什么都不清楚的公司也参与其中。这样，一是扰乱了整个市场秩序;二是制造了大量的劣质工程和烂尾工程，既损害了矿山企业利益，也对“六大系统”的推广造成了负面影响。7 成功经验和案例问题非煤矿山“六大系统”建设已经开展了一年多，但目前真正完成或者能够完成的矿山很少。虽然也有一些成功案例，如前面提到的湖南辰州矿业“六大系统” ，这个项目可以算是国内的标杆，但这样的项目微乎其微。矿山企业为了看一个成功案例，要走访好几个省。针对上述问题， “六大系统”未来具有如下发展趋势：1 矿山企业逐渐分化现在，各矿山企业基本上在同一起跑线上，差距不太明显。随着“六大系统”建设和投入使用，矿山企业从外观接触到实际感受，由于各家建设质量的优劣和使用效果的差异，对“六大系统”建设的认识水平和态度也会出现差异。由此，矿山企业将逐渐分化，形成以下 4 种类型，其比例大致为 2431。(1)20%左右效益好、管理规范的矿山企业， “六大系统”建设质量好，使用效果明显，对“六大系统”的认识将大幅提高，系统建设将越来越好，系统作用能够真正发挥。(2)40%左右的矿山企业，对“六大系统”认识难到位，抱应付态度。虽然认为“六大系统”有一定作用，但同时也认为其建设、维护、管理难度大，成本高，政府部门管得严、跟得紧就做一下、用一下，一旦政府部门放松或不管了，就放在一边。(3)30%左右的矿山企业，由于工程质量低劣或者维护管理不到位，系统效果差，原本就存在的 “六大系统意义不大 ”的认识更加顽固，建设的 “六大系统”基本上是“摆设” 。(4)10%左右的小规模或者资源枯竭矿山，最终不会建设“六大系统” 。2 规范管理逐步完善(1)“六大系统 ”建设规范将不断完善，并更切合矿山实际。(2)政府部门组织管理将逐步规范。(3)市场将逐步规范，那些不懂“六大系统”而又从事“六大系统”建设业务的公司，一部分经过大量实践将成长为专业公司，大部分将被市场淘汰出局。3 系统集成现在一般矿山企业建设的“六大系统” ，是各自独立的多套系统。有些厂商将有毒有害气体监测和通风系统监测与人员定位系统、无线通信系统合一，号称“3 合 1 系统” ，但实际上只是分站等设备和传输网络的集成，没有实现各系统的数据集成和联动。系统集成通过各系统的数据集成、优化、功能整合、拓展、延伸及互联互动，实现各系统的综合、超值效应，并简化系统操作，降低操作人员劳动强度和疲劳度，有效防范事故风险。系统集成是“六大系统”建设的发展趋势， “六大系统”集成还可与矿山安全管理、自动控制、智能调度等系统融合，并以此为基础，最终实现矿山数字化。4 矿山物联网矿山“六大系统”的建成仅仅完成了第一步，关键还在于后期的使用。 “六大系统”的运行、维护、管理需要耗费人力、物力，一些认识较高的矿山企业会充分利用“六大系统” ，但相当一部分矿山企业就不会那么主动和自觉，需要政府部门的监管。上门是最直接的方法，但不可能天天去每个矿山，科学的监管方式无疑是远程联网监管。除了政府部门采用联网方式对管辖矿山进行实时监管外，矿山企业集团可以通过联网实现对下属矿山的远程、实时监管。其实，早在 2004 年国家安委会就曾发文要求煤矿实现远程监控联网，未来非煤矿山同样会实现远程联网监管。1.3 模糊理论和 simulink 仿真技术在供水系统的应用现状1.3.1 模糊理论在供水系统中的应用模糊系统基于模糊集合理论，模拟近似人的推理和决策过程，它以自然语言方式表达信息，又以数值计算方式处理信息，从而为语言信息和数据信息提供了一种统一的表述与处理方式。由于它具有较强的结构性知识表达能力、较强的容错能力以及构造简单、开发代价小等优点，使模糊系统近年来在国内外得到了普遍认可和广泛使用，如自动控制、模糊聚类、建模、信号处理、专家系统和图像处理等许多领域。又由于模糊逻辑是建立在自然语言基础之上的，对数据的精确性要求不高，因此它特别适合于解决那些具有多层次、多目标、多因素影响的大型非线性、复杂性、时变性系统的优化调度问题 5，这正符合矿山供水施救系统的特点，现阶段模糊理论在供水领域已经得到了深入的研究。经过查阅大量的资料，模糊理论已经应用于城市的供水领域，并且逐步走向成熟。潘玲等人应用多因素模糊综合评价法，从多因素综合角度对供水泵站优化选型和模糊综合决断进行考虑，将模糊特征定量化，强调各因素的影响效果，通过模糊综合评价最终达到节约能源、降低成本、提高经济效益的目的。徐得浅、周恒良等学者应用模糊线性规划建立供水管网优化设计数学模型，以考虑影响管网优化设计的一些模糊性因素，通过对模糊变量和目标函数的模糊线性化处理，再进行模糊优化，所得优化结果更合理。模糊线性规划法作为解决流量、电价、管道价格等存在不确定性变化的供水系统问题，是一种新的优化设计方法，是可行的，其结果也是可信的 6。模糊控制原理在城市供水系统中也普遍应用，伊连云选用模糊控制和变频器组成模糊 PID 恒压供水系统，充分利用 PLC 技术、模糊控制技术和交流变频技术等高新技术，不但使水压保持恒定，节电节水，而且灵活性高，占地面积小，投资省，操作方便，运行可靠，具有良好的经济和社会效益 7。在解决水资源最优分配方案的不确定问题中，由于水资源系统内部以及系统与环境之间存在着模糊性与随机性,优化管理的约束条件也往往具有模糊性和不确定性 8，应用模糊优化模型来确定水资源的最优分配方案可以提高模型的仿真度与可靠性。1.3.2 SIMULINK 在供水系统领域的研究现状SIMULINK 是 MATLAB 提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包， MATLAB/SIMULINK 良好的用户界面、便捷的模块化动态仿真环境，使其成为国际上最为流行的科学计算以及系统仿真领域的系统软件工具。SIMULINK用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台，采用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型。SIMULINK 模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散，或者两者结合的混合系统。因此，SIMULINK 已经广泛的应用于许多领域，包括电子电路仿真、通信系统仿真、自动控制系统仿真分析、机械系统典型运动过程动态分析与数字仿真等，近年来也开始应用于污水处理厂仿真、复杂河网水质建模与仿真、水泵的模糊控制等。2001 年澳大利亚开发的软件 CITY DRAIN 中应用 SIMULINK对城市排水系统进行了仿真应用 9，芬兰 Iiris Joensuu 等人应用 SIMULINK 对污水中化学物质的动态变化规律进行了仿真研究 10。由于污水处理系统存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完整等因素，采用传统控制理论建立的污水处理自动控制系统，在实际工程应用上存在出水水质波动较大等问题，侯加全、赵宏伟等在污水曝气控制中应用模糊神经网络构建模型并通过SIMULINK 对系统进行了仿真，将 BP 算法和模糊控制应用于污水曝气的典型非线性控制系统中，用 BP 算法修改模糊控制规则，从而对出水水质和曝气量进行控制，从仿真结果看，控制效果比较理想，滞后小，系统稳定也快 Error! Reference source not found.。郭连英、景韶光等应用 MATLAB/SIMULINK 对复杂河网水质建模仿真，SIMULINK 水质通用模型的建立，使得针对不同河网水质水文特征，可任意组建河网整体水质仿真模型，大大提高了模型重用率。结合复杂河网的河流水质数学模型，建立了一系列进行复杂河网水质仿真的通用SIMULINK 模型。并运用这些模型建立了成都市中心城区河网水质仿真系统模型，最后基于成都市中心城区河网水质的监测数据及设计流量、背景值，对该仿真系统模型进行了验证，仿真计算结果与实际监测值相吻合，表明了该仿真模型的正确性 12。刘兴坡、周玉文应用 SIMULINK 对排水泵站进行了可视化动态仿真，作者以排水泵站为切入点对基于 SIMULINK 平台的可视化仿真方法进行了探讨，模拟实例证明该方法便于排水系统非恒定流模拟技术的实际应用 12。郑铭、艾凤祥等以 CSRT 工艺为例，以 ASM NO.1 模型和二沉池的沉淀模型，在 MATLAB/SIMULINK 下建立了系统的仿真模型，利用 MATLAB/XPC TARGET 生成了控制内核，实现了该工艺的仿真和自动控制。运行结果表明：采用厌氧好氧生物处理的 CSRT 工艺中的反应池和二沉池，可以实现实时运行控制和实时仿真，并具有良好的扩充性和移植性 13。综上， SIMULINK 已经广泛的应用到我们的水处理行业当中，越来越多的人已经投入到实时仿真的研究工作中，随着对 SIMULINK 的深入应用，相信我们的自动化水平会更加深一步。由于城市配水系统是大型的非线性系统而且包含很多不确定性因素和模糊因素，因此利用 SIMULINK 技术可以对其中模糊系统进行仿真，而且SIMULINK 工具箱中构造模糊控制系统并进行仿真研究要比其它语言简单,对参数(如被控对象、隶属函数、控制规则等)修改也很容易,而且在不同控制对象或不同参数下的仿真结果我们还可以通过示波器形象直观的看到,可以很方便地对参数的影响进行分析和比较。1.4 研究的目的和意义本课题所要解决的主要问题是为实现配水系统管理的科学化合理化，结合我国供水企业经营和管理的现状，探讨如何利用现代模糊理论、管理理论和SIMULINK 模拟仿真技术，从现实角度上探索更加适合于配水系统运行的内在规律和方法，在涉及城市供水量预测、供水管网工作状态模拟上提出新的方法。如果成功，不仅可促使我国城市配水系统处于科学、合理、经济、高效的运行状态，提高城市配水系统的运行管理和技术水平，缩小与发达国家在供水行业的差距，而且对给水系统实时监控技术的发展提供新的方法，使得给水系统的运行过程得到更科学合理的监控，使得结果能够更快速反馈到输入，并对输入参数进行调整。因此，本研究不仅系统阐述了模糊理论在配水领域的应用状况，而且应用SIMULINK 的仿真技术对模糊理论在配水领域的应用做了进一步探讨，通过本课题的研究，使得模糊理论的研究向生产实践更迈进了一步，模拟仿真的结果对模糊方法和普通方法进行了对比，对比结果体现了 SIMULINK 的优点和模糊方法的先进性。1.5 研究的内容综上所述，尽管城市水资源的规划管理方法已取得了一定的研究成果，但仍存在一定的问题，基于以上选题意义及研究基础，提出本文主要研究内容如下:第一章 绪论第二章 供水施救系统研究第三章 模糊理论和 simulink 仿真技术应用简介第四章 供水施救系统水量模糊预测及其 simulink 仿真第五章 供水施救系统管网工作状况的 simulink 仿真第六章 供水施救系统模糊 PID 控制及其 simulink 仿真第七章 结论与展望。归纳总结论文的主要研究内容及取得的成果，对有待于进一步深入研究的问题进行展望。本文研究内容可用如下结构框架图表示：图 1-1 本文结构框架第 一 章 绪 论第 二 章 供 水 施 救系 统 研 究第 四 章 供 水 施 救系 统 水 量 模 糊 预 测及 其 simulink仿 真 第 三 章 模 糊 理 论和 simulink仿 真 技术 应 用 简 介 第 五 章 供 水 施 救系 统 管 网 工 作 状 况的 simulink仿 真第 六 章 供 水 施 救系 统 模 糊 PID控 制及 其 simulink仿 真第 七 章 结 论 与 展望第二章 金属非金属矿山供水施救系统矿山安全生产事关人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯高度重视矿山安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。目前由于事故发生时对井下人员的抢救缺乏精确可靠的位置信息，语音通信手段不健全，缺乏有毒有害气体的实时监控，预防灾害、抢险救灾、安全救护的效果并不理想。为此，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议专题研究安全生产工作，7月 19 日，国务院发出关于进一步加强企业安全生产工作的通知 （国发201023 号）指出：“强化设备、技术管理。强制推行先进适用的技术装备。煤矿、非煤矿山要制定和实施生产技术装备标准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备，并于 3 年之内完成” 。国务院安委会办公室发文（安委办201017号）给出了进一步加强非煤矿山安全生产工作的实施意见。国家安全监督管理部门一向重视非煤矿山安全生产工作，国家安全监管总局办公厅（安监总厅管一2010160 号）要求非煤矿山强基固本“五个一百”示范单位要“改进安全管理，加大安全投入，按照要求，在 3 年内完成监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统的安装，不断改善安全生产条件，提高安全保障能力” 。国家安全监督管理总局于 10 月9 日发布了金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行规定（安监总管一2010168 号） 。2011 年 7 月 15 日，安监总局发布金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”建设规范 （AQ2031-2011AQ2036-2011） ，为建立健全金属非金属地下矿山“六大系统”提供了标准与规范。2.1 供水施救系统的定义及其作用供水施救系统是在矿山井下发生灾变时，为井下采掘作业场所、紧急避险设施、爆破时撤离人员集中地点等主要地点提供生活饮用水的系统。2.2 供水施救系统的构成供水施救系统包括水源、过滤装置、供水管路、三通及阀门及监测供水管网系统的辅助设备等。2.3 供水施救系统的建设要求地下矿山企业应在现有生产和消防供水系统的基础上，按照为采掘作业地点及灾变时人员集中场所能够提供水源的要求，建立完善供水施救系统。井下供水管路应采用钢管材料，并加强维护，保证正常供水。井下各作业地点及避难硐室（场所）处应设置供水阀门。供水施救系统应符合以下建设要求：1、供水施救系统应优先采用静压供水；当不具备条件时，采用动压供水。2、供水施救系统可以与生产供水系统共用，施救时水源应满足生活饮用水水质卫生要求。3、供水管道应采用钢质材料或其他具有同等强度的阻燃材料。4、供水管道敷设应牢固平直，并延伸到井下采掘作业场所、紧急避险设施、爆破时撤离人员集中地点等主要地点。5、各主要生产中段和分段进风巷道的供水管道上每隔 200300m 应安设一组三通及阀门。6、独头掘进巷道距掘进工作面不大于 100m 处的供水管道上应安设一组三通及阀门，向外每隔 200300m 应安设一组三通及阀门。7、爆破时撤离人员集中地点的供水管道上应安设一组三通及阀门。8、供水管道应接入紧急避险设施内，并安设阀门及过滤装置，水量和水压应满足额定数量人员避灾时的需要。9、三通及阀门安装地点应宽敞、稳固，安装位置应便于避灾人员使用；阀门应开关灵活。2.4 供水施救系统的验收标准1、水源：供水水源来自地面水池，水池容量至少需要 200m3，水池需采取相应的防冻和防护措施。当供水压力无法满足需求时，需增设加压设施或者减压阀、减压仓等。2、管网：供水管网的管道和阀门等设备型号需符合设计需求，最大静水压力1.6MPa 的管段应采用无缝钢管，其他管路采用焊接钢管即可。管路吊挂应平直，没有死弯且连接紧密。相应管段入水口应安装过滤装置。主巷，主井，井底车场等处应设置供水主管。重要硐室和采掘工作面应设置供水支管。供水管路敷设应覆盖主要机电硐室、采区避灾路线、人员较集中点、采掘工作面、主要运输和行人巷道以及紧急避险硐室等地。要注意供水管网的维护和巡查，保证管路不出现漏水滴水等现象。在紧急避险硐室 20m 范围内的供水管路应采取相应的措施加以保护。3、阀门：独头掘进巷道距掘进工作面不大于 100m 处的供水管道上应安设一组三通及阀门，向外每隔 200300m 应安设一组三通及阀门。供水阀门和供气阀门间距不大于 10m。在检修时注意要保证阀门灵活开关。4、规章制度：5、相关资料：2.5 供水施救系统的管理与维护1、安装完成后，要进行供水和调试，并进行全面的质量检查。2、按照要求安装后，要检查各连接部件是否牢固可靠，连接外的密封是否严密，管路有无跑、冒、滴、漏等现象，开关把手是否灵活可靠，位置方向是否正确，如有错误要及时纠正。3、确认安装无误后进行调试，供水后开启水压、流速是否达到要求。 4、当井下发生冒顶或爆炸后，工作人员被空在某个区域内，现场工作人员要是长时间被控，就近找到供水施救装置进行饮水，待救灾人员赶来救出避灾人员。5、地面永久性水池每季度检查一次，根据情况及时清挖，要安装过滤和净化设施，水质要达到饮用水标准；还要有防冻和防杂物掉入及中性化处理的措施。6、过滤器有反水清杂装置并每月检查清理一次。7、水施救系统实行挂牌管理，明确维护人员进行检查。8、各单位必须指定专人对各自管理范围内的供水管路进行检查，对不合格、失效的要及时进行更换。2.6 供水施救系统建设实例供水施救系统的设计应该以安监总局发布的金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”建设规范 （AQ2031-2011AQ2036-2011）为标准，这里以广西铜坑矿供水施救系统的建设为例进行阐述。2.6.1 铜坑井下供水系统现状1 供水系统的水源铜坑矿供水系统采用循环供水系统，井下生产供水水源起始点位于地面 2#坝，标高 747m，地面 2#坝生产用水主要来源于井下 505m 水泵房抽水，少部分来源于地面降雨和生活污水，该部分可忽略不计，矿山最大生产用水量为 900吨/日。井下采用分级接力式排水，通过 305、355、505 中段水仓，将水排到 505m水泵房。505m 水泵房设在 2#竖井 505 中段车场附近，水仓容积为 2400 m3，排水高度 290.8m，水质酸性，站内安装 5 台 200D-439 离心式耐酸水泵（Q=288m 3/时 /台，H=387m，功率 440K/台） ，排水管径 350mm，配备两条。通过 505m 水泵房将水集中排出 2#竖井地面入 2#坝， 2#坝中分沉淀坝和清水坝，以便井下生产循环用水。铜坑矿目前生活水接到井下，在主斜坡道有 DN20 的管道往井下一些硐室供应生活用水，主要供水地点为：570 维修硐室，505 炸药库，455 维修硐室和油库。另外东副井有 DN20 管道往 405 维修硐室供应生活用水。经考察，铜坑矿井下生活用水只接到 405 水平，止于 405 食堂，其中 405，455 由东副井接入，505 以上都直接到各中段主斜道马头门处，需新敷设管路接入到各中段主巷。2 井下供水系统管路铜坑矿井下主要供水系统如图 2-1 所示。其管路起始点在 2#坝口，主水管径为 152mm，沿地面井巷公路下至斜坡道口（标高 744m） ，后再由主斜道延伸至井下各中段生产区域，在各中段安装有减压阀。为预防井下水压不足，地面 2#泵站安装有两台增压泵，专门对井下生产供水管路进行加压。图 2-1 铜坑矿井下供水系统示意图2.6.2 供水施救系统建设方案铜坑矿供水施救系统建设方案为：利用现有生产用水管道，在主斜坡道口接生活用水，生活水管道上安装闸阀控制水量，并在闸阀后安装 Y 型管道过滤器，防止造成管路堵塞。井下发生灾变需要使用供水施救系统时，关闭主斜坡道口生产用水闸阀，打开生活用水闸阀，往井下供应生活水。如图 2-2 所示：图 2-2 铜坑井下供水施救系统建设示意图1 供水施救系统水源供水水源应引自消防水池或专用水池。有井下水源的，井下水源应与地面供水管网形成系统。地面水池应采取防冻和防护措施根，应根据技术经济比较确定建立在主斜道口各中段马头门出设立储水箱，以保证供水施救系统的水量需求。同时，应满足如下水质要求：a.悬浮物含量 Simulink这样，一个称为 Simulink Library Browser 的窗口就会出现在桌面子如图 3-1 所示。图 31 SIMULINK 库浏览器前面讲过，SIMULINK 是用于动态系统建模和仿真的一个软件包个过程比作建造房子，那么以前用高级语言或 MATLAB 语言编写仿式就如同是从一堆沙开始造房子，这不但麻烦，而且有许多重复操作经历会大量地浪费在一些相同的例如把沙变成砖块的事情上，以及如在一起变成房子这些技术性的东西，而不能把更多的精力集中到房这体现在计算机仿真里，就等于是把精力过多的投入在