CN104732065A - 矿井通风网络解算算法及矿井通风网络预测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿井通风网络解算算法，包括S1.根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图，初始化通风网络及风网数据；S2.对所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后进行存储；S3.创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；S4.遍历所有需迭代回路，判断每个需迭代回路的迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度，则结束迭代；否则计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支按迭代式进行风量修正。本发明所述解算算法能够使整个网络的风量自动分配平衡。

Description

矿井通风网络解算算法及矿井通风网络预测系统

技术领域

本发明涉及矿井通风技术领域，具体涉及一种矿井通风网络解算算法及矿井通风网络预测系统。

背景技术

矿井通风网络的解算涉及多元非线性方程组的解算，一般采用迭代法进行数值解算。然而，由于迭代法是一种逐次逼近的方法，存在是否收敛以及收敛快慢的问题。按照具体解算方式的不同，通风网络解算的方法多达几十种。目前，国内外的通风网络解算软件普遍采用回路风量法进行风网解算，其中最著名的为Scott-Hinsley法。然而在通风网络解算实践的过程中，经常出现解算不收敛或收敛缓慢的问题，这极大地限制了通风网络解算软件的应用。

基于上面描述，本发明在Scott-Hinsley法的基础上提出了一种改进的通风网络解算算法，该算法可以可以进行多级机站的复杂矿井通风网络解算，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种矿井通风网络解算算法及矿井通风网络预测系统，能够使整个网络的风量自动分配平衡。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种矿井通风网络解算算法，包括：

S1.根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据；

S2.将所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中；

S3.根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；

S4.遍历所有需迭代回路，判断每个需迭代回路的迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则结束迭代；否则，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支进行风量修正；

S5.单次循环后再次判断每个需迭代回路迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则计算所有需迭代回路的压降，若所有需迭代回路的压降均接近于零，则结束正常迭代，执行S6；否则迭代异常，结束处理；若某个需迭代回路的迭代精度小于预设的迭代精度Rol，则判断迭代次数，若迭代次数大于预设的迭代次数MaxNum，则已达到最大迭代次数，结束处理；否则跳转至S4重新进行迭代；

S6.计算只在固定风量回路中的树枝风量；

S7.对于按需分风的固定风量回路，计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值；

S8.处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

其中，所述按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

其中，所述对每个需迭代回路中各分支进行风量修正包括：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(2R_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。

第二方面，本发明提供了一种矿井通风网络预测系统，包括：

预处理模块，用于根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据；

排序存储模块，用于对所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中；

最小生成树创建模块，用于根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；

风量修正模块，用于在所有需迭代回路的迭代精度低于预设的迭代精度Rol时，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支进行风量修正；

判断模块，用于判断每个需迭代回路迭代精度是否超过预设的迭代精度Rol；

计算模块，用于计算只在固定风量回路中的树枝风量；

所述计算模块，还用于对于按需分风的固定风量回路，计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值；

所述计算模块，还用于处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

其中，所述最小生成树创建模块中按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

其中，所述风量修正模块中对每个需迭代回路中各分支进行风量修正包括：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(2R_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。

通过以上描述可知，本发明所述的矿井通风网络解算算法，实现了固定半割集下的通风网络按需分风，给定各独立用风地点的风量后，网络即可自动分配风量，使整个网络的风量自动分配平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例一提供的矿井通风网络解算算法的流程图；

图2示出了本发明实施例一提供的矿井通风网络解算算法的具体工作流程示意图；

图3为采用实施例一提供的矿井通风网络解算算法在某矿山的一个应用实例示意图；

图4示出了本发明实施例二提供的矿井通风预测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供的矿井通风网络解算算法的流程图；图2示出了本发明实施例一提供的矿井通风网络解算算法的具体工作流程示意图。参见图1和图2所示内容，本发明实施例一提供了一种矿井通风网络解算算法，包括：

步骤101：根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据。

在本步骤中，所述风网数据主要是阻力、风机和构筑物等参数。

步骤102：对将所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中。不按特定值初始化分支风量，分支风量均按所在分支的能量给特定值：一般巷道风量为零，风机巷道为最佳工况风量，固定风量巷道为定流值。

步骤103：根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM。迭代前，根据生成树图关系，按余树分支风量预算一遍树图分支风量。

在本步骤中，所述按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

步骤104：遍历所有需迭代回路，判断每个需迭代回路的迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则结束迭代；否则，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支按迭代式进行风量修正。

在本步骤中，对每个需迭代回路中各分支按迭代式进行风量修正具体如下：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(2R_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。

步骤105：单次循环后再次判断每个需迭代回路迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则计算所有需迭代回路的压降，若所有需迭代回路的压降均接近于零，则结束正常迭代，执行步骤106；否则迭代异常，结束处理；若某个需迭代回路的迭代精度小于预设的迭代精度Rol，则判断迭代次数，若迭代次数大于预设的迭代次数MaxNum，则已达到最大迭代次数，结束处理；否则跳转至步骤104重新进行迭代。

步骤106：根据生成树圈划的回路，计算只在固定风量回路中的树枝风量。

步骤107：对于按需分风的固定风量回路，根据回路风量平衡定律计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值。

步骤108：处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

本发明实施例在对回路风量法解算原理深入分析的基础上提出了一种改进的Scott-Hinsley法。通过对独立回路分析，采用改进的BFS法创建生成树、并用双通路法快速圈划回路；在分析基于回路风量法单向回路解算失败原因的基础上，提出了解决含有单向回路解算的方法。

图3为采用本发明的解算算法在某矿山的一个应用实例，其解算风量分配结果与矿山实际测量结果在合理范围之内。通过解算实例证明，采用最小生成树圈划的回路具有较优的回路结构，可以提高解算收敛的速度或减少迭代发散的可能性；改进后的回路风量法，实现了固定半割集下的通风网络按需分风，给定各独立用风地点的风量后，网络即可自动分配风量，使整个网络的风量自动分配平衡；深入分析了单向回路造成回路风量法解算失败的原因，并通过判断单向回路的结构解决了含有单向回路的通风网络解算问题，避免了含有单向回路通风网络回路风量法解算发散的问题。

改进的算法可以快速解决含有多风机多级基站复杂矿井通风网络的解算问题。

1)无初值的回路风量法，避免了盲目初始化风量造成较大的迭代误差，同时，利用回路风量检验(根据节点风量平衡、回路风压平衡定律检验)便于二次解算。

2)为了减小回路迭代造成的积累误差，本文分析了最优回路的结构，并采用改进的BFS法创建生成树，可以提高解算收敛的速度或减少迭代发散的可能性。

3)采用了基于生成树的网孔圈划方法，使得搜索的回路尽量接近于最小闭合环，满足已知情况下的最优回路结构，具有最佳的解算收敛性，可以保证解算的收敛性和速度。

4)通过判断单向回路的结构解决了含有单向回路的通风网络解算问题，避免了含有单向回路通风网络回路风量法解算发散的问题。

图4示出了本发明实施例二提供的矿井通风预测系统的结构示意图。本发明实施例二提供了一种矿井通风网络预测系统，包括：

预处理模块21，用于根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据；

排序存储模块22，用于对所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中；

最小生成树创建模块23，用于根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；

风量修正模块24，用于在所有需迭代回路的迭代精度低于预设的迭代精度Rol时，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支进行风量修正；

判断模块25，用于判断每个需迭代回路迭代精度是否超过预设的迭代精度Rol；

计算模块26，用于计算只在固定风量回路中的树枝风量；

所述计算模块26，还用于对于按需分风的固定风量回路，计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值；

所述计算模块26，还用于处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

其中，所述最小生成树创建模块23中按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

其中，所述风量修正模块24中对每个需迭代回路中各分支进行风量修正包括：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(2R_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。

本实施例所述的系统可以执行上述实施例所述的方法，其技术原理和有益效果类似，此处不再赘述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种矿井通风网络解算算法，其特征在于，包括：

S1.根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据；

S2.将所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中；

S3.根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；

S4.遍历所有需迭代回路，判断每个需迭代回路的迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则结束迭代；否则，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支进行风量修正；

S5.单次循环后再次判断每个需迭代回路迭代精度，若所有需迭代回路的迭代精度均超过预设的迭代精度Rol，则计算所有需迭代回路的压降，若所有需迭代回路的压降均接近于零，则结束正常迭代，执行S6；否则迭代异常，结束处理；若某个需迭代回路的迭代精度小于预设的迭代精度Rol，则判断迭代次数，若迭代次数大于预设的迭代次数MaxNum，则已达到最大迭代次数，结束处理；否则跳转至S4重新进行迭代；

S6.计算只在固定风量回路中的树枝风量；

S7.对于按需分风的固定风量回路，计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值；

S8.处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每个需迭代回路中各分支进行风量修正包括：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

${\mathrm{\ΔQ}}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}({2R}_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。

4.一种矿井通风网络预测系统，其特征在于，包括：

预处理模块，用于根据建立的含有N条分支、J个节点的通风网络图G，初始化通风网络及风网数据；

排序存储模块，用于对所述N条分支按一般类型巷道、风机巷道、固定风量巷道进行分类，按风阻值升序排列后存储在SeqEdges数组中；

最小生成树创建模块，用于根据SeqEdges数组中存储的数据创建最小生成树，并按余树分支类型分类圈划独立回路，独立回路数为M＝N-J+1，需迭代回路数为IterM；

风量修正模块，用于在所有需迭代回路的迭代精度低于预设的迭代精度Rol时，计算每个需迭代回路的风量迭代值，对每个需迭代回路中各分支进行风量修正；

判断模块，用于判断每个需迭代回路迭代精度是否超过预设的迭代精度Rol；

计算模块，用于计算只在固定风量回路中的树枝风量；

所述计算模块，还用于对于按需分风的固定风量回路，计算固定风量回路中每个分支的不平衡风压值；

所述计算模块，还用于处理反向分支，根据网络中的总风压和总风量计算通风网路总阻力。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述最小生成树创建模块中按余树分支类型分类圈划独立回路包括：

采用基于生成树的网孔圈划法：通过定义余树分支添加到生成树上的次序来保证闭合环是的独立性，然后利用Dijkstra算法搜索最短路径来保证搜索的是最小闭合环；具体地，创建一颗通风网络的生成树，将余枝逐一回代，添加到生成树上，每添加一条余树分支，得到一组闭合环，通过最短路径算法，计算该余枝两端点间的最短距离，同时比较所有余枝的最短距离，选择最短距离最小的余枝，优先添加到生成树上，直至所有余枝都添加完毕。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述风量修正模块中对每个需迭代回路中各分支进行风量修正包括：

第i个回路迭代式ΔQ_i的计算公式为：

${\mathrm{\ΔQ}}_i=-\frac{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{ij}}\×Q_{\mathrm{ij}}|Q_{\mathrm{ij}}|-F_{\mathrm{ij}}\±N_{\mathrm{ij}})}{\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}({2R}_{\mathrm{ij}}\×|Q_{\mathrm{ij}}|-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}})}$

式中：ΔQ_i为第i个网孔的风量增量值；ΔQ_ij为第i个网孔中的第j条分支的风量值；R_ij为第i个网孔中的第j条分支的风阻值；F_ij为第i个网孔中的第j条分支上的风机工况风压值；N_ij为第i个网孔中的第j条分支的自然风压值；α_ij为第i个网孔中的第j条分支的上的风机特征曲线斜率；k为第i个网孔中的分支数。