CN108518238A - 矿井通风网路优化最优解的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种矿井通风网路优化最优解的判断方法，通风网路中有p个节点和b条分支，通风网路优化的可行解用QM(q_m1，q_m2，…，q_mj，…，q_mb)，SM(S_m1，S_m2，…，S_mj，…，S_mb)表示，其中，q_mj为分支风量，S_mjj为调节风阻值，包括以下步骤：步骤一、确定最优解满足的必要条件；步骤二、判断通风网路优化的最优解。本发明的有益效果：不需要采用复杂的理论计算对矿井通风网路优化结果进行验证，不需要采用多种优化计算方法相互验证，根据优化计算结果和通风网路的结构特征，可以直接判断通风网路优化的可行解是否为最优解，并且能够准确判断现场的调节位置是否最佳，以指导现场的通风网路调节。

Description

矿井通风网路优化最优解的判断方法

技术领域

本发明涉及矿井通风网路调节和优化技术领域，特别是涉及一种矿井通风网路优化最优解的判断方法。

背景技术

矿井通风系统(通风网路)优化的目的之一就是合理地确定通风控制装置(风门、辅助通风机等)的位置、数量和大小，以减少通风能耗或通风总费用。通风网路优化调节理论和技术是矿井通风中的一个重要领域。

以节能为目的的通风网路优化数学模型是非凸、非线性规划问题，其优化计算主要运用一些运筹学的方法，如线性规划法、非线性规划法和网络分析法(关键线路法)等。具有代表性的非线性规划方法有：变尺度约束法(CVM)方法、广义简约梯度法(GRG)、整数规划法、等式约束Lagrangian算法等。随着智能优化算法的发展，遗传算法、文化粒子群优化法等也被用于解决矿井通风网络优化问题。但是，由于数学模型是非凸、非线性规划问题，在通风能耗相同的情况下可能存在多个可行解，甚至计算方法不当还可能找不到最优解，即得到通风网路优化的可行解，并不意味着是最优解，还需要进行判断。目前关于最优解判断的研究较少，还没有确立完整可靠的判断方法。此外，通风网路优化问题计算复杂，对一个给定的通风网路不可能采用多种优化方法进行相互验证判断优化结果的优劣。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井通风网路优化最优解的判断方法，实现对通风网路优化可行解的直接判断，并可以指导现场的通风网路调节。

本发明提供一种矿井通风网路优化最优解的判断方法，

通风网路中有p个节点和b条分支，通风网路优化的可行解用QM(q_m1,q_m2,…,q_mj,…,q_mb)，SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)表示，其中，q_mj为分支风量，s_mj为调节风阻值，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定s_mj最优解的必要条件

1.1、调节的数量

通风网路调节所需要的调节数为ns≤nk，其中，ns：通风网路调节所需要的调节数，nk：需风分支数；

1.2、调节的大小

从进风井口沿着风流方向到达回风井口的节点和分支的交替序列称为有向通路，其中存在一条有向通路，该有向通路中调节分支的调节风阻值等于其允许调节范围的下限，该有向通路定义为关键通路；

1.3、风量分布

所有需风分支的风量都收敛于其需风量下限，即q_mj＝lq_j(j∈NK)，其中，lq_j：需风分支需风量的下限，NK：需风分支的集合，|NK|＝nk；

1.4、调节分支的位置

最优调节分支的位置满足：

1.4.1、调节分支相互独立且相互并联，

1.4.2、包含一条调节分支的有向通路同时包含一条需风分支，

1.4.3、调节分支的调节前后的风量变化最大；

步骤二、判断通风网路优化的最优解

2.1、判断最优调节分支

2.1.1、计算通风网路初期状态的风量分布Q₀(q₀₁,q₀₂,…,q_0j,…,q_0b)，

其中，

q_0j：初期状态的分支风量；

2.1.2、计算Δq_j＝q_0j-q_mj(j＝1,2,…,b)，

对于分支j，如果Δq_j≥0且us_j≥0，则分支j可调，令t_j＝1，否则不可调，令t_j＝0，

如果Δq_j＜0且ls_j＜0，则令t_j＝1，否则令t_j＝0，

其中，

us_j和ls_j：分别为分支j的允许调节范围的上下限，

t_j：调节函数，t_j＝1表示分支j可调，t_j＝0表示分支j不可调；

2.1.3、根据QM(q_m1,q_m2,…,q_mj,…,q_mb)的方向，求通风网路的有向通路矩阵C＝(c_ij)_l×b，

其中，

c_ij：有向通路矩阵的元素，i通路包含j分支时，c_ij＝1，i通路不包含j分支时，c_ij＝0，

l:有向通路数；

2.1.4、对有向矩阵C的列求和，列的和等于1的分支作为可调分支，并NI表示可调分支的集合；

2.1.5、将NI和(E-NI)中的分支分别按|Δq_j|由大到小的顺序排列，并将t_j＝0的分支排在序列的最后，得E＝(E₁,E₂,E₃)，但E₂必须与E₁相互独立，

其中，

E：通风网路包含的所有分支，

E₁：NI中t_j＝1的分支，

E₂：(E-NI)中t_j＝1的分支，

E₃：为其他分支；

2.1.6、如果|E₁|≥nk则从E₁中选前nk条分支；

2.1.7、如果|E₁|＜nk，则选取E₂中的分支作为E₁的补充，直到所选的分支数等于nk，或者E₂中的分支全部被选为止；

2.1.8、所选取的分支中必须有一条关键通路中的独立分支；

2.1.9、被选取的分支为最优调节分支，用NS表示；

2.2、判断最优解

同时满足下述条件的可行解为最优解：

2.2.1、SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)中s_mj不等于0的分支数小于等于需风分支数，即ns≤nk,ns：通风网路调节所需要的调节数，nk：需风分支数；

2.2.2、对于所有需风分支j，有q_mj＝lq_j；

2.2.3、对于关键通路中的调节分支j，有s_mj＝ls_j；对于仅允许增阻调节的通风网路，有s_mj＝0；

2.2.4、SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)中s_mj不等于0的分支为NS中的分支。

目前没有完整的矿井通风网路优化最优解的判断方法，通常是对调节前后的通风能耗进行对比。

与现有技术相比，本发明的矿井通风网路优化最优解的判断方法具有以下特点和优点：

本发明的矿井通风网路优化最优解的判断方法，不需要采用复杂的理论计算对矿井通风网路优化结果进行验证，不需要采用多种优化计算方法相互验证，根据优化计算结果和通风网路的结构特征，可以直接判断通风网路优化的可行解是否为最优解，并且能够准确判断现场的调节位置是否最佳，以指导现场的通风网路调节。

结合附图阅读本发明的具体实施方式，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

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为代表性的矿井通风系统图；

图2为矿井通风网路优化最优解的判断方法的流程图。

具体实施方式

参照图2，本实施例提供一种矿井通风网路优化最优解的判断方法。如图1所示的通风系统，在地面主要通风机F的作用下，新鲜空气从进风井1进入井下，流经需风分支(用风地点)6、7、8后，由回风井13通过主要通风机F排出地面。由于用风地点6、7、8的位置和其需风量大小不同，需要采用风门或辅助通风机等通风控制装置才能实现按需分风。图1的基本参数和通风网路优化的可行解如表1所示。

表1基本参数和可行解

1、判断最优调节分支：

1.1、计算通风网路初期状态的风量分布Q₀，如表1所示；

1.2、计算Δq_j＝q_0j-q_mj(j＝1,2,…,13),Δq_j≥0且ls_j≥0的分支为(5,3,9,10,6,12)，即t_j＝1(j＝5,3,9,10,6,12)。

1.3、根据QM(q_m1,q_m2,…,q_mj,…,q_mb)QM的方向，有向通路矩阵为：

列的和等于1的分支为(4,5,8,9,11)，即独立分支集为NI＝(4,5,8,9,11)。

1.4、将分支按E＝(E₁,E₂,E₃)的顺序排列。NI中t_j＝1的分支为(5,9)，所以E₁＝(5,9)；(E-NI)中t_j＝1的分支为j＝(3,10,6,12)，但分支(10,6,12)与分支9属于同一个通路C₂＝(1,2,6,9,10,12,13)，分支(3,12)与分支5属于同一个通路C₅＝(1,3,5,7,10,12,13)，即分支(3,10,6,12)与分支(5,9)不是相互独立的，E₂为空集，E₃＝(1,2,3,4,6,7,8,10,11,12,13)。

1.5、阻力最大的通路为C₅＝(1,3,8,12,13)，其中分支8与E₁＝(9,5)相互独立。

1.6、得最优调节分支集为NS＝(5,8,9)。

2、判断最优解

2.1、表1所示可行解的调节分支数3、需风分支数3，调节分支数等于需风分支数；

2.2、关键通路C₅＝(1,3,8,12,13)中调节分支8的调节风阻值等于0；

2.3、需风分支的风量q_mj＝lq_j(j＝6,7,8)；

2.4、优化计算得到的调节分支(5,8,9)与NS＝(5,8,9)完全相同，并满足

2.4.1、调节分支(5,8,9)相互独立，且相互并联，

2.4.2、包含调节分支的通路C₂＝(1,2,6,9,10,12,13)、C₄＝(1,3,5,7,10,12,13)和C₅＝(1,3,8,12,13)都包含一条需风分支；

2.4.2、分支(5,8,9)的风阻调节值满足ls_j≤s_mj≤us_j(j＝5,8,9)，且分支(5,8,9)调节前后的风量变化最大；

可以判断表1所示可行解的是最优解。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种矿井通风网路优化最优解的判断方法，通风网路中有p个节点和b条分支，通风网路优化的可行解用QM(q_m1,q_m2,…,q_mj,…,q_mb)，SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)表示，其中，q_mj为分支风量，s_mj为调节风阻值，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定s_mj最优解的必要条件

1.1、调节的数量

通风网路调节所需要的调节数为ns≤nk，其中，ns：通风网路调节所需要的调节数，nk：需风分支数；

1.2、调节的大小

从进风井口沿着风流方向到达回风井口的节点和分支的交替序列称为有向通路，其中存在一条有向通路，该有向通路中调节分支的调节风阻值等于其允许调节范围的下限，该有向通路定义为关键通路；

1.3、风量分布

所有需风分支的风量都收敛于其需风量的下限，即q_mj＝lq_j(j∈NK)，其中，lq_j：需风分支需风量的下限，NK：需风分支的集合，|NK|＝nk；

1.4、调节分支的位置

最优调节分支的位置满足：

1.4.1、调节分支相互独立且相互并联，

1.4.2、包含一条调节分支的有向通路同时包含一条需风分支，

1.4.3、调节分支的调节前后的风量变化最大；

步骤二、判断通风网路优化的最优解

2.1、判断最优调节分支

2.1.1、计算通风网路初期状态的风量分布Q₀(q₀₁,q₀₂,…,q_0j,…,q_0b)，

其中，

q_0j：初期状态的分支风量；

2.1.2、计算Δq_j＝q_0j-q_mj(j＝1,2,…,b)，

对于分支j，如果Δq_j≥0且us_j≥0，则分支j可调，令t_j＝1，否则不可调，令t_j＝0，如果Δq_j＜0且ls_j＜0，则令t_j＝1，否则令t_j＝0，

其中，

us_j和ls_j：分别为分支j的允许调节范围的上下限，

t_j：调节函数，t_j＝1表示分支j可调，t_j＝0表示分支j不可调；

2.1.3、根据QM(q_m1,q_m2,…,q_mj,…,q_mb)的方向，求通风网路的有向通路矩阵C＝(c_ij)_l×b，

其中，

c_ij：有向通路矩阵的元素，i通路包含j分支时，c_ij＝1，i通路不包含j分支时，c_ij＝0，

l:有向通路数；

2.1.4、对有向矩阵C的列求和，列的和等于1的分支作为可调分支，并NI表示可调分支的集合；

2.1.5、将NI和(E-NI)中的分支分别按|Δq_j|由大到小的顺序排列，并将t_j＝0的分支排在序列的最后，得E＝(E₁,E₂,E₃)，但E₂必须与E₁相互独立，

其中，

E：通风网路包含的所有分支，

E₁：NI中t_j＝1的分支，

E₂：(E-NI)中t_j＝1的分支，

E₃：为其他分支；

2.1.6、如果|E₁|≥nk则从E₁中选前nk条分支；

2.1.7、如果|E₁|＜nk，则选取E₂中的分支作为E₁的补充，直到所选的分支数等于nk，或者E₂中的分支全部被选为止；

2.1.8、所选取的分支中必须有一条关键通路中的独立分支；

2.1.9、被选取的分支为最优调节分支，用NS表示；

2.2、判断最优解

同时满足下述条件的可行解为最优解：

2.2.1、SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)中s_mj不等于0的分支数小于等于需风分支数，即ns≤nk,ns：通风网路调节所需要的调节数，nk：需风分支数；

2.2.2、对于所有需风分支j，有q_mj＝lq_j；

2.2.3、对于关键通路中的调节分支j，有s_mj＝ls_j；对于仅允许增阻调节的通风网路，有s_mj＝0；

2.2.4、SM(s_m1,s_m2,…,s_mj,…,s_mb)中s_mj不等于0的分支为NS中的分支。