CN107341621A - 一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法及系统，所述方法包括：在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿通风技术领域，尤其涉及一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法及系统。
背景技术
矿井通风是向井下作业场所连续不断地输送新鲜空气，以冲淡并排出井下随煤岩层开采涌出或者生产过程中产生的有毒、有害、爆炸性气体、粉尘和水蒸气，进而创造良好的生产环境，以保障井下工人的生命安全，达到安全生产的目的，它是保证矿井正常运转的决定性因素。因此，研究矿井通风对于保证煤矿安全生产具有重要的意义，是安全生产的基础。
目前，国内已有很多的通风网络解算系统。由于井下的通风系统是个动态的，而现有的网络解算都是非实时的、静态的。另外，解算的过程需要人过多的干预，包括收集并整理资料和输入计算机进行通风解算等，以至于不能够及时对煤矿可能存在的安全隐患进行预警分析，进而不能及时消除煤矿重大安全隐患，避免重大事故的发生。
Storm是一个免费开源的分布式实时计算系统，能轻松可靠地处理无界的数据流，拥有低延迟、高性能、分布式、可扩展、容错等特性。它应用场景很广泛，包括实时分析，连续计算，在线机器学习等
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法及系统；
一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，包括：
S1、在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；
S2、根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；
S3、通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；
S4、根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警。
优选地，步骤S3，具体包括：
S31、通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
S32、通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据以及风压数据转化为压差数据；
S33、通过Storm的通风网络解算Bolt利用风量数据和压差数据以及巷道属性对通风网络进行解算，得到井下目标位置的分风数据。
优选地，步骤S32中，所述通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据，具体包括：
通过Storm的数据处理Bolt根据公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径；
优选地，步骤S33，具体包括：
Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值。
优选地，步骤S1，具体包括：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据；
优选地，步骤S1中，所述井下目标位置，具体包括：井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
优选地，步骤S4，具体包括：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
一种分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，包括：
数据获取模块，用于在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；
消息队列建立模块，用于根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；
数据处理模块，用于通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；
分析预警模块，用于根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警。
优选地，所述数据处理模块包括数据获取子模块、数据转化子模块和网络解算子模块；
数据获取子模块，用于通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
数据转化子模块，用于通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据以及风压数据转化为压差数据；
网络解算子模块，用于通过Storm的通风网络解算Bolt利用风量数据和压差数据以及巷道属性对通风网络进行解算，得到井下目标位置的分风数据。
优选地，所述数据转化子模块，具体用于：
通过Storm的数据处理Bolt根据公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径；
优选地，所述数据解算子模块，具体用于：Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值。
优选地，所述数据获取模块，具体用于：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据；
优选地，所述数据获取模块，具体用于：所述井下目标位置包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
优选地，所述分析预警模块，具体用于：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
本发明在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警，如此，能根据井下的实时变化进行实时解算，得到井下动态的通风情况信息，以便管理员实时了解；同时实现井下巷道通风情况、采掘工作面通风安全状况的预警，为矿井通风安全管理及生产提供了先进的技术手段和科学的管理工具，时刻保障了井下工人及生产的安全。
附图说明
图1为本发明提出的一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法的流程示意图；
图2为本发明提出的一种分布式矿井通风实时解算和分析预警系统的模块示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，包括：
步骤S1，在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据，具体包括：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据，其中，所述井下目标位置，具体包括：井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
在具体方案中，在井下目标位置安装通风监测设备，比如，在各主要监测点、主风机所在的巷道安装监测设备采集数据，设置一定的时间间隔进行采集，具体的，风速传感器应设臵在巷道前后10米无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算风量的地点，其悬挂应采用硬连接方式固定，风速检测口应垂直于风流方向。风压传感器一般安装在矿井、采区主要进回风井之间的联络巷内的反向风门处，用于监测整个矿井或采区的通风阻力，同时也可监测关键门风的闭合状态。
步骤S2，根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列。
步骤S3，通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据，具体包括：
步骤S31，通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
步骤S32，通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据，通过Storm的数据处理Bolt将将风压数据转化为压差数据，具体包括：通过Storm的数据处理Bolt通过公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径，可以由风速和管道截面积的乘积得到风量，压差数据也就是风压的的变化。
步骤S33，通过Storm的通风网络解算Bolt利用风量数据和压差数据以及巷道属性对通风网络进行解算，得到井下目标位置的分风数据，具体包括：
Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值，∑RiQi 2表示独立回路中各分支风压的代数和；∑|RiQi|表示独立回路中各分支风量与风阻乘积和的绝对值；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值。
在具体方案中，根据风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律，选取回路法中最常用的斯考德-恒斯雷法，通过不断地迭代修正风量值，直至风压逐渐平衡，可以求得回路中各风支的真实风量，当达到预定的精确度是计算结束。
步骤S4，根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警，具体包括：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
在具体方案中，对照《煤矿安全规程》中各类巷道内的风速规定以及其他安全性标准，每隔一段时间间隔采集的数据，因为Storm可以处理流式数据，所以这里的时间间隔可以取很小，显然，可以实时地得到井下的通风情况并分析安全性，并对其预警，也就是说，为矿井通风安全管理及生产提供了先进的技术手段和科学的管理工具，时刻地保障了井下工人及生产的安全。
参照图2，本发明提出的一种分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，包括：
数据获取模块，用于在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据，具体用于：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据，其中，所述井下目标位置包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
在具体方案中，在井下目标位置安装通风监测设备，比如，在各主要监测点、主风机所在的巷道安装监测设备采集数据，设置一定的时间间隔进行采集，具体的，风速传感器应设臵在巷道前后10米无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算风量的地点，其悬挂应采用硬连接方式固定，风速检测口应垂直于风流方向。风压传感器一般安装在矿井、采区主要进回风井之间的联络巷内的反向风门处，用于监测整个矿井或采区的通风阻力，同时也可监测关键门风的闭合状态。
消息队列建立模块，用于根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；
数据处理模块，用于通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据，其中，所述数据处理模块包括数据获取子模块、数据转化子模块和数据解算子模块；
数据获取子模块，用于通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
数据转化子模块，用于通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据以及风压数据转化为压差数据，具体用于：
通过Storm的数据处理Bolt通过公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径，可以由风速和管道截面积的乘积得到风量，压差数据也就是风压的的变化。
数据解算子模块，用于通过Storm的通风网络解算Bolt对风量数据和压差数据进行解算，得到井下目标位置的分风数据，具体用于：Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值，∑RiQi2表示独立回路中各分支风压的代数和；∑|RiQi|表示独立回路中各分支风量与风阻乘积和的绝对值；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，。
在具体方案中，根据风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律，选取回路法中最常用的斯考德-恒斯雷法，通过不断地迭代修正风量值，直至风压逐渐平衡，可以求得回路中各风支的真实风量，当达到预定的精确度是计算结束。
分析预警模块，用于根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警，具体用于：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
在具体方案中，对照《煤矿安全规程》中各类巷道内的风速规定以及其他安全性标准，每隔一段时间间隔采集的数据，因为Storm可以处理流式数据，所以这里的时间间隔可以取很小，显然，可以实时地得到井下的通风情况并分析安全性，并对其预警，也就是说，为矿井通风安全管理及生产提供了先进的技术手段和科学的管理工具，时刻地保障了井下工人及生产的安全。
本实施方式在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警，如此，能根据井下的实时变化进行实时解算，得到井下动态的通风情况信息，以便管理员实时了解；同时实现井下巷道通风情况、采掘工作面通风安全状况的预警，为矿井通风安全管理及生产提供了先进的技术手段和科学的管理工具，时刻保障了井下工人及生产的安全。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，其特征在于，包括：
S1、在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；
S2、根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；
S3、通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；
S4、根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警。
2.根据权利要求1所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，其特征在于，步骤S3，具体包括：
S31、通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
S32、通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据以及风压数据转化为压差数据；
S33、通过Storm的通风网络解算Bolt利用风量数据和压差数据以及巷道属性对通风网络进行解算，得到井下目标位置的分风数据。
3.根据权利要求2所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，其特征在于，步骤S32中，所述通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据，具体包括：
通过Storm的数据处理Bolt根据公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径；
优选地，步骤S33，具体包括：
Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值。
4.根据权利要求1所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，其特征在于，步骤S1，具体包括：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据；
优选地，步骤S1中，所述井下目标位置，具体包括：井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
5.根据权利要求4所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警方法，其特征在于，步骤S4，具体包括：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
6.一种分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于在预设时间点获取井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据；
消息队列建立模块，用于根据设时间点与井下目标位置的风速数据和目标位置的风压数据建立消息队列；
数据处理模块，用于通过Storm对消息队列中的数据进行并行地分风处理，得到井下不同时间点目标位置的分风数据；
分析预警模块，用于根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据进行井下目标位置安全性分析，并根据分析结果进行预警。
7.根据权利要求6所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数据获取子模块、数据转化子模块和网络解算子模块；
数据获取子模块，用于通过Storm的Spout从消息队列中获取目标位置的风速数据和风压数据；
数据转化子模块，用于通过Storm的数据处理Bolt将风速数据转化为风量数据以及风压数据转化为压差数据；
网络解算子模块，用于通过Storm的通风网络解算Bolt利用风量数据和压差数据以及巷道属性对通风网络进行解算，得到井下目标位置的分风数据。
8.根据权利要求7所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，其特征在于，所述数据转化子模块，具体用于：
通过Storm的数据处理Bolt根据公式：Q＝V×3.14×(D/2)2，将风速数据转化为风量数据，其中，Q表示风量,V表示风速,D表示管道直径；
优选地，所述数据解算子模块，具体用于：Storm的通风网络解算Bolt采用斯考德-恒斯雷法，对每个需要迭代回路中各分支进行风量的修正，直到各分支风量接近真值，综合各分支的风量得到得到井下目标位置的分风数据，其中，修正公式为：其中，ΔQ表示风量修正值；Ri表示支路上i的风阻；Qi表示支路上i的风量；H通表示独立回路中的通风机风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值；H自表示独立回路中的自然风压，其作用的风流方向与余树枝同向时取负值，反之取正值，Ri、H通和H自为预设值。
9.根据权利要求6所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，其特征在于，所述数据获取模块，具体用于：在预设时间点通过风速传感器获取井下目标位置的风速数据；在预设时间点通过风压传感器获取井下目标位置的风压数据；
优选地，所述数据获取模块，具体用于：所述井下目标位置包括井下矿井、采区主要进回风巷道及采掘工作面中一者或多者。
10.根据权利要求9所述的分布式矿井通风实时解算和分析预警系统，其特征在于，所述分析预警模块，具体用于：
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据，判断各分支风量、风速是否满足预设数据的要求，当风流不满足《煤矿安全规程》要求时，进行巷道风流状态预警；
根据井下采掘工作面的风速数据、采掘工作面的风压数据进行通风安全状态分析，当发生通风异常或安全隐患，进行采掘工作面通风预警；
根据井下目标位置的风速数据、井下目标位置的风压数据、井下目标位置的分风数据和预设数据参照《煤矿安全规程》进行风网可靠性分析，当不满足《煤矿安全规程》要求时，进行风网安全性预警。
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