CN110633540A - 金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统及方法 - Google Patents

金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统及方法 Download PDF

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杨帅
刘杰
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Abstract

本发明公开了金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统及方法，包括：视频监视系统、环境监测系统、远程自动监控系统及矿井通风三维仿真模拟系统；所述矿井通风三维仿真模拟系统可以对视频监视系统做出指令操作，根据需要在视频监视界面切换到指定的位置；所述环境监测系统根据监测到的井下环境参数进行监视并传输至矿井通风三维仿真模拟系统；所述矿井通风三维仿真模拟系统将监测到的实时数据与已经存在于数据库中的相关井巷数据结合起来，对通风网络进行实时解算和三维仿真，并利用远程自动监控系统对通风系统进行远程调节控制。实现了矿井通风三维仿真模拟系统、环境监测系统系统、视频监视系统系统和远程自动监控系统系统的自适应运行。

Description

金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统及方法
技术领域
本发明监测领域，尤其涉及金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
矿井通风系统作为传统的地下开采矿山八大系统之一，是地下矿井开采安全生产的重要保障。矿井通风的目的是为井下人员提供新鲜空气，并排除由于矿井作业而产生的有毒有害气体，为井下创造良好的工作环境。近年来，随着矿井工作开展迅速，井下开采深度逐步增加，矿井通风系统的网络结构也越来越复杂，釆用人工手段对复杂网络的解算已经不能跟上产业的发展，不但不便于管理还会带来极大的安全隐患。
随着对矿井通风的深入研究和探讨，国内外已经开发出很多计算机模拟管理系统，使得计算机在矿井生产作业中的应用也变得普遍起来。国内外的科技人员在矿井通风网络计算机解算、实现矿井通风系统的三维可视化等方面取得了丰硕的成果。但是在取得丰硕成果的同时，也有系统软件的不足，例如通风网络的实时解算、视频监视和远程监控。
目前的通风网络在计算时存在的问题：
未能与环境监测系统结合起来，无法自动根据实际通风状况调整风速、风量、风压等通风参数，继而无法实现风网实时解算。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统，实现风网实时解算，并实现矿井通风三维仿真模拟系统与监视系统、远程自动监控系统的自适应运行，为优化通风系统的布置提供辅助决策依据。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统，包括：
视频监视系统、环境监测系统、远程自动监控系统及矿井通风三维仿真模拟系统；
所述环境监测系统根据监测到的井下环境参数进行监视并传输至矿井通风三维仿真模拟系统；
所述矿井通风三维仿真模拟系统对视频监视系统做出指令操作，根据需要在视频监视界面切换到指定的位置；
所述矿井通风三维仿真模拟系统的数据库中存储有巷道断面积、长度、摩擦阻力系数，结合井下安装的环境参数监测传感器监测的风速、风压、温度实时数据，可以对通风网络进行实时解算和三维仿真；
所述矿井通风三维仿真模拟系统根据风网实时解算结果，利用远程自动监控系统对通风系统进行远程调节控制。
进一步的技术方案，所述视频监视系统包括视频服务器及安装在井下的摄像头，摄像头将采集的数据通过电缆传输到视频服务器中。
本发明还公开了金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，包括：
将测得的通风系统的相关数据输入到矿井通风三维仿真模拟系统之后，矿井通风三维仿真模拟系统对其数据进行自动处理，形成节点编号，并将巷道参数、通风构筑物、风量、通风阻力参数链接到相应的巷道上，后期环境监测系统监测到的通风参数会自动链接到相应的巷道上，在巷道属性中查看相应的巷道的信息；
根据环境监测系统监测的井下风速、风压、温度等实时环境参数，结合存储的巷道断面积、长度、摩擦阻力系数相关数据，对通风网络进行实时风网解算和三维仿真。
进一步的技术方案，风网解算：以图论为载体，在求解过程中首先构造出最小树，然后根据最小树确定余数，选定回路，最后再进行风量迭代计算，直至计算结果满足合适的精度要求；
在通风系统数据录入并检查整体通风系统图无误之后，结合环境监测系统实时监测到的通风参数，对通风系统进行实时风网解算。
进一步的技术方案，在进行通风网络解算之后，对特殊性质的巷道进行查询，包括无风流通过的巷道分支、风流反向的巷道分支、风阻为零的巷道分支、有风机的巷道分支、风速超限的巷道分支；
分支数据可视化：将通风系统整体各分支巷道的风阻、风量以专题图或数据的形式展示出来。
进一步的技术方案，根据通风网络实时解算结果，结合专家数据库对通风系统的通风能力、通风阻力及风流分布情况、风机工况点合理性进行分析，通过提出调节风门、通风机相应建议措施，模拟出矿井通风系统的最优方案。
进一步的技术方案，根据最优方案及实际情况来决定是否对风门、通风机通风设施做出调节控制，若需要，通过远程自动监控系统对自动控制风门、通风机通风设施进行远程控制调节；若不需要，保持当前通风状态。
进一步的技术方案，在三维可视化图中显示环境监测系统监测到的实时风流方向，通过风流方向流动快慢来表示风流大小。
进一步的技术方案，查看某条巷道或采场、洞室的通风参数的同时，矿井通风三维仿真模拟系统可以对监视系统发出指令操作，将监视系统的画面切换到指定位置，查看该位置的实时监视画面，实现三维仿真模拟系统与监视系统的自适应运行。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开将环境监测、视频监视、远程自动监控和通风系统三维仿真模拟结合起来，利用环境数据监测传感器监测到的实时数据，结合通风系统三维仿真模拟系统本身数据库里巷道的相关信息，实现通风网络实时解算与三维仿真，根据风网解算结果提出通风系统优化建议，通过远程自动监控系统远程控制自动控制风门和通风机等通风设施，并能够通过三维仿真模拟系统对视频监视系统做出指令操作，根据需要指示视频监视系统切换监视画面，实现了矿井通风三维仿真模拟系统、环境监测系统、视频监视系统和远程自动监控系统的自适应运行。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本公开实施例子的系统的组成；
图2为本公开实施例子的系统的网络结构。
图3为本公开实施例子的仿真模拟与监视系统的流程；
图4为本公开实施例子的系统结构图。
图中：1、矿井通风三维仿真模拟系统，2、环境监测系统，3视频监视系统，4、远程自动监控系统，5、网络数据库服务器，6、局域网，7、光纤交换机，8、光纤，9、光纤收发器，10、PLC控制柜，11、视频服务器，12、电缆线，13、环境监测传感器，14、通风机，15、自动控制风门，16、摄像头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出的总体思路：
将环境监测、视频监视、远程自动监控和通风系统三维仿真模拟结合起来，利用环境数据监测传感器监测到的实时数据，结合通风系统三维仿真模拟软件本身数据库里巷道的相关信息，实现通风网络实时解算与三维仿真，根据风网解算结果提出通风系统优化建议，通过远程自动监控系统远程控制自动控制风门和通风机等通风设施，并能够通过三维仿真模拟软件对视频监视系统做出指令操作，根据需要指示视频监视系统切换监视画面，实现了矿井通风三维仿真模拟系统、环境监测系统、视频监视系统和远程自动监控系统的自适应运行。
实施例一
本实施例公开了一种金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统，参见图1、图2所示，包含一网络数据库服务器(5)，所述网络数据库服务器(5)中安装有一矿井通风三维仿真模拟系统(1)、环境监测系统(2)、视频监视系统(3)和远程自动监控系统(4)，所述矿井通风三维仿真模拟系统(1)分别与所述环境监测系统(2)、视频监视系统(3)和远程自动监控系统(4)可相互调用所需数据，还包括网络数据库服务器(5)通过局域网(6)连接光纤交换机(7)和光纤收发器(9)，通过PLC控制柜(10)和视频服务器(11)与环境参数监测传感器(13)、通风机(14)、自动控制风门(15)和摄像头(14)连接起来。
能够实现矿井通风三维仿真模拟软件(1)、环境监测系统软件(2)和视频监视系统软件(3)和远程自动监控系统软件(4)自适应。
网络数据库服务器(5)经过局域网(6)连接到光纤交换机(7)，通过光纤(8)连接到光纤收发器(9)，进一步连接到PLC控制柜(10)和视频服务器(11)。
PLC控制柜(10)通过电缆线(12)连接环境参数监测传感器(13)、通风机(14)、自动控制风门(15)。
视频服务器(11)通过电缆线(12)连接摄像头(16)。
实施例二
本实施例公开了一种金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，参见附图3、4所示，包括以下步骤：
步骤101)通过井下安装的传感器和摄像头对通风参数进行监测和视频监视；
步骤102)利用PLC控制柜和视频服务器将数据信号传输到数据库中；
步骤103)矿井通风三维仿真模拟系统将监测到的实时数据与已经存在于数据库中的相关井巷数据结合起来，对通风网络进行实时解算和三维仿真，并且可以根据需要对监视系统发出指令切换监视画面；
具体的，环境监测系统监测到的数据会上传到矿井通风三维仿真模拟系统数据库中，矿井通风三维仿真模拟系统会对其数据进行自动处理，形成节点编号，并将巷道参数、通风构筑物、风量、通风阻力参数链接到相应的巷道上，然后矿井通风三维仿真模拟系统会运用自身程序对通风网络进行解算和三维仿真；
步骤104)根据风网实时解算结果，为优化通风系统的布置提供辅助决策依据；
步骤105)对通风系统进行远程调节控制。
步骤101的具体操作方法为：预先在井下合适的位置安装上相应的环境监测传感器和摄像头，通过传感器和摄像头将采集的数据通过电缆分别传输到PLC控制柜和视频服务器中。
步骤102的具体操作方法为：PLC控制柜和视频服务器将通过内部程序将信号传输到光纤收发器，光纤收发器经过光纤传输到光纤交换机，进一步经过局域网将信号传输到数据库中。
步骤103的具体操作方法为：矿井通风三维仿真模拟系统本身数据库中已经存在巷道断面积、长度、摩擦阻力系数等相关数据，结合井下安装的风速、风压、温度等环境参数监测传感器监测到的实时数据，对通风网络进行实时解算和三维仿真。
步骤103的具体操作方法为：在三维仿真模拟系统的显示界面中查看某条巷道或采场、洞室的通风参数的同时，如需查看某条巷道或采场、洞室的实时监视画面，矿井通风三维仿真模拟系统可以对视频监视系统进行指令操作，在视频监视系统中将监视画面切换到指定位置。
步骤104的具体操作方法为：根据通风网络实时解算结果，结合三维仿真模拟系统中的专家数据库对通风系统的通风能力、通风阻力及风流分布情况、风机工况点合理性进行分析，通过提出调节风门、风机以及其它相应建议措施，模拟出矿井通风系统的最优方案，为优化通风系统的结构提供辅助决策的依据。
矿井通风三维仿真模拟系统中设有专家数据库，包括国家相关法规、标准和规范、矿井通风参数的合理化数值范围，以及专家逻辑判断规则等，根据风网解算结果对比专家数据库，通过提出调节风门、风机以及其它相应建议措施，给出矿井通风系统优化方案。
优化方案包括：通风机的增设与安置；通风机叶片角、工况点等参数的调节；通风构筑物的增设与调节；巷道断面的调整；巷道和采场的密闭；通风路线的改造等。
步骤105的具体操作方法为：管理人员在接收到矿井通风三维仿真模拟系统提出的决策意见后，根据实际情况来决定是否对风门、风机等通风设施做出调节控制，若需要，直接点击“确定”便可通过远程自动监控系统对自动控制风门、通风机等通风设施进行远程控制调节；若不需要，点击“忽略”便可继续保持当前通风状态。
本发明的原理是：本系统设计与开发采用了构件式模块化的开发方式，将系统设计为3个模块，分别为管理模块、应用模块和数据库模块，具体系统结构如图4所示。每个系统模块负责处理不同的功能，在保证每个模块独立性的基础上，做好每个模块之间的衔接，通过模块间的衔接窗口实现各个模块之间的交互功能。通过模块化的设计，提高了系统设计的准确性、稳定性和适应性。
系统功能框架如下所示：
(1)通风系统信息管理
在将通风系统的相关数据录入到矿井通风三维仿真模拟系统中之后，软件会对其数据进行自动处理，形成节点编号，并将巷道参数、通风构筑物、风量、通风阻力等参数链接到相应的巷道上，后期环境监测系统监测到的通风参数也会自动在相应的巷道上进行调整，只要在二维操作平台上点击相应的巷道即可在巷道属性中查看，有助于工程管理人员更加清晰的掌握到每条巷道的相关信息。
(2)通风系统分析
显示特殊巷道：在进行通风网络解算之后，系统能够对特殊性质的巷道进行查询，如无风流通过的巷道分支、风流反向的巷道分支、风阻为零的巷道分支、有风机的巷道分支、风速超限的巷道分支等。
分支数据可视化：为了更加全面的把握矿井通风系统整体结构框架，可以对通风系统整体结构进行可视化操作，进而将通风系统整体各分支巷道的风阻、风量等以专题图或数据的形式展示出来。
(3)风网解算
风网解算的方法总体分为两类，一种是回路风量法，另一种是节点风压法，矿井通风三维仿真模拟系统采用的是回路法中的Scott-Hinsley法，该方法以图论为载体，在求解过程中首先构造出最小树，然后根据最小树确定余数，选定回路，最后再进行风量迭代计算，直至计算结果满足合适的精度要求。在通风系统数据录入并检查整体通风系统图无误之后，结合环境监测系统实时监测到的通风参数，便可对通风系统进行实时风网解算。
通风系统的数据在输入到矿井通风三维仿真模拟系统中之后，三维仿真模拟系统会利用自身程序对系统进行诊断检查，查看是否有遗漏、重复节点，未连接的巷道等差错。
解算结果包括巷道通风阻力、巷道风量、风压、通风机效率及工况点等。
(4)三维仿真
传统的通风系统图主要以二维平面为主，立体效果差，通过三维仿真模拟系统，结合矿井通风系统相关数据，可是实现通风系统图的三维显示，并且能够在三维立体图中显示环境监测系统监测到的实时风流方向，通过风流方向流动快慢来表示风流大小(流动越快，风流越大)。
(5)视频监视
通过在井下安装的摄像头，将监视到的视频画面经过视频服务器等设备上传到局域网中，进一步传输到网络数据库服务器中。在三维仿真模拟系统中查看某条巷道或采场、洞室的通风参数的同时，可以通过点击鼠标右键选择对视频监视系统发出指令操作，将监视系统的画面切换到指定位置，查看该位置的实时监视画面，实现三维仿真模拟系统与监视系统的自适应运行。
(6)环境监测
通过金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统环境监测功能，可以在矿井通风三维仿真模拟系统中查看环境监测界面。通过安装在矿井巷道相应位置中的传感器将监测到的风速、风压、温度、CO浓度等参数实时上传到软件中，实现对井下环境数据进行实时监测的目的。在监测界面中添加报警显示功能，如果监测系统监测到数值超过设定的警戒值，会在界面中进行报警显示；并且设有历史数据查询功能，可以通过分析历史数据来对井下作业环境进一步进行分析，有助于全面把握井下作业环境。
(7)辅助决策
根据通风网络实时解算结果，结合三维仿真模拟系统中的专家数据库对通风系统的通风能力、通风阻力及风流分布情况、风机工况点合理性进行分析，通过提出调节风门、风机以及其它相应建议措施，模拟出矿井通风系统的最优方案，为优化通风系统的结构提供辅助决策的依据。
(8)远程控制
管理人员在接收到矿井通风三维仿真模拟系统提出的辅助决策意见后，根据实际情况来决定是否对风门、风机等通风设施做出调节控制，若需要，直接点击“确定”便可通过远程自动监控系统对自动控制风门、通风机等通风设施进行远程控制调节；若不需要，点击“忽略”便可继续保持当前通风状态。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统，其特征是，包括：
视频监视系统、环境监测系统、远程自动监控系统及矿井通风三维仿真模拟系统；
所述环境监测系统根据监测到的井下环境参数进行监视并传输至矿井通风三维仿真模拟系统；
所述矿井通风三维仿真模拟系统对视频监视系统做出指令操作，根据需要在视频监视界面切换到指定的位置；
所述矿井通风三维仿真模拟系统的数据库中存储有巷道断面积、长度、摩擦阻力系数，结合井下安装的环境参数监测传感器监测的风速、风压、温度实时数据，对通风网络进行实时解算和三维仿真；
所述矿井通风三维仿真模拟系统根据风网实时解算结果，利用远程自动监控系统对通风系统进行远程调节控制。
2.如权利要求1所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制系统，其特征是，所述视频监视系统包括视频服务器及安装在井下的摄像头，摄像头将采集的数据通过电缆传输到视频服务器中。
3.金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，包括：
将测得的通风系统的相关数据输入到矿井通风三维仿真模拟系统之后，矿井通风三维仿真模拟系统对其数据进行自动处理，形成节点编号，并将巷道参数、通风构筑物、风量、通风阻力参数链接到相应的巷道上，后期环境监测系统监测到的通风参数会自动链接到相应的巷道上，在巷道属性中查看相应的巷道的信息；
根据环境监测系统监测的井下风速、风压、温度等实时环境参数，结合存储的巷道断面积、长度、摩擦阻力系数相关数据，对通风网络进行实时风网解算和三维仿真。
4.如权利要求3所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，风网解算：以图论为载体，在求解过程中首先构造出最小树，然后根据最小树确定余数，选定回路，最后再进行风量迭代计算，直至计算结果满足合适的精度要求；
在通风系统数据录入并检查整体通风系统图无误之后，结合环境监测系统实时监测到的通风参数，对通风系统进行实时风网解算。
5.如权利要求4所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，在进行通风网络解算之后，对特殊性质的巷道进行查询，包括无风流通过的巷道分支、风流反向的巷道分支、风阻为零的巷道分支、有风机的巷道分支、风速超限的巷道分支；
分支数据可视化：将通风系统整体各分支巷道的风阻、风量以专题图或数据的形式展示出来。
6.如权利要求3所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，根据通风网络实时解算结果，结合专家数据库对通风系统的通风能力、通风阻力及风流分布情况、风机工况点合理性进行分析，通过提出调节风门、通风机相应建议措施，模拟出矿井通风系统的最优方案。
7.如权利要求3所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，根据最优方案及实际情况来决定是否对风门、通风机通风设施做出调节控制，若需要，通过远程自动监控系统对自动控制风门、通风机通风设施进行远程控制调节；若不需要，保持当前通风状态。
8.如权利要求5所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，在三维可视化图中显示环境监测系统监测到的实时风流方向，通过风流方向流动快慢来表示风流大小。
9.如权利要求5所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，查看某条巷道或采场、洞室的通风参数的同时，矿井通风三维仿真模拟系统对视频监视系统发出指令操作，将监视系统的画面切换到指定位置，查看该位置的实时监视画面，实现三维仿真模拟系统与监视系统的自适应运行。
10.如权利要求6所述的金属矿山矿井通风三维可视化仿真辅助决策控制方法，其特征是，优化方案包括：通风机的增设与安置；通风机叶片角、工况点参数的调节；通风构筑物的增设与调节；巷道断面的调整；巷道和采场的密闭；通风路线的改造。
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