CN115186509A - 矿井通风系统风量全局调节方法、装置及设备 - Google Patents

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CN115186509A CN202210972784.9A CN202210972784A CN115186509A CN 115186509 A CN115186509 A CN 115186509A CN 202210972784 A CN202210972784 A CN 202210972784A CN 115186509 A CN115186509 A CN 115186509A
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Abstract

本申请公开了一种矿井通风系统风量全局调节方法、装置及设备。该方法包括：获取矿井通风系统的通风网络模型；基于通风网络解算方法对通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整通风网络模型，直至通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；基于井下通风风量需求和矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；基于至少一个待选的风量调节方案与井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；其中，设定优化模型为多目标全局优化模型。如此，可以得到矿井通风系统在多目标优化下的最佳风量调节方案，进而实现了矿井通风系统的全局优化控制，可以全面满足矿井通风系统的综合风量调节需求。

Description

矿井通风系统风量全局调节方法、装置及设备
技术领域
本申请涉及通风控制领域，尤其涉及一种矿井通风系统风量全局调节方法、装置及设备。
背景技术
矿井通风的目的，就是给采矿作业区供给足量的新鲜空气，及时将井下污浊空气排出地表，改善矿井通风环境，强化安全生产标准，为井下职工创造一个良好的、舒适的作业环境。
通风优化调控要求在满足井下不同时期动态按需分风的前提下，采用基于流体网络的通风优化理论获得满足矿山实际安全生产要求、技术合理可靠和经济性能最优的通风优化调控方案，以调整通风网络的风量分配和风压分布状态，确保矿井通风系统安全、可靠、稳定、经济运行。
传统的通风系统优化模型往往仅以最低能耗为目标进行优化，得到的调节方式通常不是最佳的调节方案，一般难以直接应用到井下实际调风过程中。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种矿井通风系统风量全局调节方法、装置及设备，旨在实现矿井通风系统的全局优化控制。
本申请实施例的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供了一种矿井通风系统风量全局调节方法，包括：
获取矿井通风系统的通风网络模型；
基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；
基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；
基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；
其中，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
在一些实施例中，所述基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，得到风量分配计算结果；
基于阻力测定方式对巷道风阻参数进行调整，直至所述风量分配计算结果与实测巷道风量的对比误差在设定阈值内；
基于所述风量分配计算结果得到所述通风网络模型中风机的模拟工况；
判断风机的模拟工况与实际工况是否匹配，若否，则调整所述通风网络模型的模型参数，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配。
在一些实施例中，所述设定优化模型如下所示：
Figure BDA0003797434900000021
Figure BDA0003797434900000031
其中，Z为优化目标，ω1为第一权重系数，ω2为第二权重系数，ω3为第三权重系数，ω4为第四权重系数，ω5为第五权重系数，ω6为第六权重系数，ω7为第七权重系数，N为通风网络的分支数，qj为第j条按需分风分支的风量，rj为第j条分支的风阻，Δhj为第j条分支的风压调节值，hN,j为第j条分支的自然风压，Nd为所有按需分风分支的集合，
Figure BDA0003797434900000032
为第j条按需分风分支按需分风范围上限偏差量，qj 为第j条按需分风分支按需分风范围下限偏差量，nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节，sj为第j条分支的调节级数，nj,c表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节，nj,b表示是否需要对第j条分支进行增阻调节，qt为矿井总进风量，Δh′j为Δhj的绝对值，J为通风网络的节点数，aij表示节点与分支的关系，bij表示分支与回路的关系，hj为第j条分支风压的代数和，qj,min为第j条按需分风分支允许风量下限，qj,max为第j条按需分风分支允许风量上限，vj,min为第j条分支允许风速下限，vj,max为第j条分支允许风速上限，Sj为第j条分支的巷道断面面积，ρ′j表示第j条分支允许忽略的增能或降阻调节量，ρ″j表示第j条分支允许忽略的增阻调节量，Δhj,min为第j条分支可调节风压下限，Δhj,max为第j条分支可调节风压上限，Na为通风网络中允许调节分支的个数，ρj表示第j条分支允许忽略的调节量，nmax,a为第一正常量，nmax,b为第二正常量，nmax,c为第三正常量。
在一些实施例中，所述基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案，包括：
根据井下通风风量需求，设定所述设定优化模型的各权重系数以及决策变量；
基于设定的权重系数以及决策变量，利用所述设定优化模型求解出至少一个待选的风量调节方案。
在一些实施例中，所述基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法，对所述至少一个待选的风量调节方案进行风量分配计算，得到各风量调节方案对应的风量分配计算结果；
将所述各风量调节方案对应的风量分配计算结果与基于所述井下通风风量需求确定的按需分风分支的分配风量进行比对，确定最佳的风量调节方案。
在一些实施例中，所述方法还包括：
基于所述最佳的风量调节方案调节所述矿井通风系统。
第二方面，本申请实施例提供了一种矿井通风系统风量全局调节装置，包括：
通风网络模型获取模块，用于获取矿井通风系统的通风网络模型；
通风网络模型优化模块，用于基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；
风量调节方案生成模块，用于基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；
风量调节方案选取模块，用于基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；
其中，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述处理器，用于运行计算机程序时，执行本申请实施例第一方面所述方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本申请实施例第一方面所述方法的步骤。
本申请实施例提供的技术方案，获取矿井通风系统的通风网络模型；基于通风网络解算方法对通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整通风网络模型，直至通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；基于井下通风风量需求和矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；基于至少一个待选的风量调节方案与井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；其中，设定优化模型为多目标全局优化模型。如此，可以得到矿井通风系统在多目标优化下的最佳风量调节方案，进而实现了矿井通风系统的全局优化控制，可以全面满足矿井通风系统的综合风量调节需求。
附图说明
图1为本申请实施例矿井通风系统风量全局调节方法的流程示意图；
图2为本申请实施例矿井通风系统风量全局调节装置的结构示意图；
图3为本申请实施例电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本申请再作进一步详细的描述。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
为了满足矿井通风系统的智能化调节需求，本申请实施例提供了一种矿井通风系统风量全局调节方法，其可以应用于具有数据处理能力的电子设备上，例如，笔记本、台式电脑或者服务器中，用于智能确定矿井通风系统的风量调节方案。本申请实施例的方法，除了考虑最低通风能耗之外，还可以进一步考虑调节设施成本和调节方案可行性相关的调节位置、调节方式和调节数目等约束因素，从而可以综合地确定风量调节方案，满足矿井通风系统的井下通风需求。
如图1所示，本申请实施例的矿井通风系统风量全局调节方法，包括：
步骤101，获取矿井通风系统的通风网络模型。
需要说明的是，该通风网络模型为根据矿井通风系统的井下实测数据建立的，其为构建本申请实施例的设定优化模型的数据基础。
示例性地，获取矿井通风系统的通风网络模型，包括：
步骤a、利用矿井开采各水平设计与实测平剖面图建立三维通风网络图；
步骤b、通过通风阻力测定采集所有通风网络巷道风阻参数；
步骤c、调查井下风机与构筑物设施的安装布置情况，确定通风网络模型的初始状态；
步骤d、采集各级机站风机的运行状态，确定各台风机所在机站级数和风机变频运行的当前转速；
步骤e、对于非变频风机，可以认为风机运转转速比为100％且不允许调整风机转速。
步骤102，基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配。
可以理解是，通过比较通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况，使得通风网络模型能够准确地反映风机的运行性能。其中，风机的工况可以理解为风机在当前转速下对应的风量和风压。
示例性地，所述基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，得到风量分配计算结果；
基于阻力测定方式对巷道风阻参数进行调整，直至所述风量分配计算结果与实测巷道风量的对比误差在设定阈值内；
基于所述风量分配计算结果得到所述通风网络模型中风机的模拟工况；
判断风机的模拟工况与实际工况是否匹配，若否，则调整所述通风网络模型的模型参数，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配。
需要说明的是，上述基于阻力测定方式对巷道风阻参数进行调整，可以使得通风网络模型的各网络分支的风量与实测风量尽量相符，该设定阈值可以根据设计精度进行合理确定。
需要说明的是，本领域技术人员可以基于上述模拟工况与风机的实际工况的比对结果，调整通风网络模型的模型参数，直至模拟工况与实际工况的差异的合理精度范围之内。优选地，电子设备还可以基于模型优化算法智能调整通风网络模型的模型参数，直至模拟工况与实际工况的差异的合理精度范围之内。
步骤103，基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案。
这里，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
在一些实施例中，所述基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案，包括：
根据井下通风风量需求，设定所述设定优化模型的各权重系数以及决策变量；
基于设定的权重系数以及决策变量，利用所述设定优化模型求解出至少一个待选的风量调节方案。
在一应用示例中，生成至少一个待选的风量调节方案，包括：
步骤a，根据井下通风风量需求，计算各作业点需风量，以便采用风量调节方案对井下风量进行按需调控；
步骤b，根据矿山实际需求，选择相应的目标和约束条件，构建本申请实施例的设定优化模型；
步骤c，根据井下风量按需调控需求，设置各优化目标的权重系数，以及按需通风需求分支风量偏差范围、工况风量偏差范围、工况风压偏差范围以及风机运转范围等参数；
步骤d，采用设定优化模型进行求解运算，得到至少一个待选的风量调节方案，该风量调节方案包括通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
步骤104，基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案。
示例性地，所述基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法，对所述至少一个待选的风量调节方案进行风量分配计算，得到各风量调节方案对应的风量分配计算结果；
将所述各风量调节方案对应的风量分配计算结果与基于所述井下通风风量需求确定的按需分风分支的分配风量进行比对，确定最佳的风量调节方案。
需要说明的是，井下通风风量需求可以根据井下作业人员数量、废气排放需求等进行合理确定，按需分风分支的分配风量可以由井下通风风量需求及通风规程中的计算公式经过换算处理得到，相关换算处理属于现有技术，在此不再赘述。
可以理解的是，本申请实施例的方法，可以基于上述多目标优化的设定优化模型生成至少一个风量调节方案，并基于至少一个待选的风量调节方案与井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案，从而可以基于该最佳的风量调节方案实现矿井通风系统的智能调节，可以满足通风能耗最小、调节点个数最少、调节点位置最佳等多种需求的综合调节。
在一些实施例中，所述设定优化模型如下所示：
Figure BDA0003797434900000091
Figure BDA0003797434900000101
其中，Z为优化目标，ω1为第一权重系数，ω2为第二权重系数，ω3为第三权重系数，ω4为第四权重系数，ω5为第五权重系数，ω6为第六权重系数，ω7为第七权重系数，N为通风网络的分支数，qj为第j条按需分风分支的风量，rj为第j条分支的风阻，Δhj为第j条分支的风压调节值，hN,j为第j条分支的自然风压，Nd为所有按需分风分支的集合，
Figure BDA0003797434900000102
为第j条按需分风分支按需分风范围上限偏差量，qj 为第j条按需分风分支按需分风范围下限偏差量，nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节，sj为第j条分支的调节级数，nj,c表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节，nj,b表示是否需要对第j条分支进行增阻调节，qt为矿井总进风量，Δh′j为Δhj的绝对值，J为通风网络的节点数，aij表示节点与分支的关系，bij表示分支与回路的关系，hj为第j条分支风压的代数和，qj,min为第j条按需分风分支允许风量下限，qj,max为第j条按需分风分支允许风量上限，vj,min为第j条分支允许风速下限，vj,max为第j条分支允许风速上限，Sj为第j条分支的巷道断面面积，ρ′j表示第j条分支允许忽略的增能或降阻调节量，ρ″j表示第j条分支允许忽略的增阻调节量，Δhj,min为第j条分支可调节风压下限，Δhj,max为第j条分支可调节风压上限，Na为通风网络中允许调节分支的个数，ρj表示第j条分支允许忽略的调节量，nmax,a为第一正常量，nmax,b为第二正常量，nmax,c为第三正常量。
需要说明的是，上式中s.t.是subject to(such that)的缩写，即受约束的意思。
在一些实施例中，所述方法还包括：
基于所述最佳的风量调节方案调节所述矿井通风系统。
可以理解的是，上述最佳的风量调节方案可以输出给终端设备，由人工控制的方式进行调节，例如，采用人工控制的方式通过调整和/或安装风机、风门和风窗等通风构筑物，实现井下按需通风。优选地，电子设备还可以基于最佳的风量调节方案调控矿井通风系统，例如，远程调控各安装风机、风门和风窗等通风构筑物，从而实现井下按需通风。
在一应用示例中，矿井通风系统的风量全局优化调控数学模型(即前述的设定优化模型)如下所示：
Figure BDA0003797434900000111
其中，
ωk为第k个调节目标的权重系数；
zk为优化模型的第k个调节目标；
K为优化模型的调节目标个数。
下面对该风量全局优化调控数学模型的优化目标说明如下：
(1)最小通风能耗目标
最小通风能耗目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000121
其中，
z1表示最小通风能耗目标；
F为所有风机分支f的集合，包括主扇和辅扇；
qf为风机分支f的风机风量；
hf为风机分支f的风机风压；
N为通风网络的分支数；
h′r,j为第j条分支通风阻力的代数和，h′r,j＝hr,j+Δhj-hN,j；
hr,j为第j条分支的通风阻力，
Figure BDA0003797434900000122
rj为第j条分支的风阻；
qj为第j条分支的风量；
Δhj为第j条分支的风压调节值；
hN,j为第j条分支的自然风压。
(2)按需分风需求目标
按需分风需求目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000123
其中，
z2表示按需分风需求目标；
Nd表示所有按需分风分支的集合；
Δqj,n表示第j条分支(按需分风分支)按需分风范围偏差。
第j条分支(按需分风分支)按需分风范围偏差可以通过以下公式计算
Figure BDA0003797434900000131
其中，
qj表示第j条分支(按需分风分支)的风量；
qj,min为第j条分支(按需分风分支)允许风量下限，满足qj,min>0；
qj,max为第j条分支(按需分风分支)允许风量上限，满足qj,max≥qj,min>0。
第j条分支(按需分风分支)qj,min和qj,max的取值可以根据该分支实际需风量来确定。
(a)当要求实际风量不小于需风量时
qj,max＞＞qj,n＝qj,min>0 (5)
其中，qj,n表示第j条分支(按需分风分支)的需风量。
(b)当要求实际风量不大于需风量时
qj,max＝qj,n＞＞qj,min>0 (6)
(c)当要求实际风量近似等于需风量时
qj,max≈qj,n≈qj,min>0 (7)
为了便于求解数学模型，按需分风需求目标需要转化为以下标准形式
Figure BDA0003797434900000132
其中，
Figure BDA0003797434900000133
为第j条分支(按需分风分支)按需分风范围上限偏差量；
qj 为第j条分支(按需分风分支)按需分风范围下限偏差量。
Figure BDA0003797434900000134
满足以下条件
Figure BDA0003797434900000135
qj 满足以下条件
Figure BDA0003797434900000141
在以上条件的约束下，存在
Figure BDA0003797434900000142
和qj 必有一个为零的隐式约束条件。当该分支风量分配值处于按需分风范围内时，按需分风范围上限偏差量
Figure BDA0003797434900000143
和按需分风范围下限偏差量qj 均为零。
(3)最佳调节位置目标
为了量化通风网络中特定调节位置分支的可调节性，可以定义一种分支调节级数(整数类型数值)来表示调节位置约束。本发明构造的分支调节级数满足以下特性：
(a)分支调节级数的默认数值为零，表示该分支为允许任意调节方式的可调分支；
(b)分支调节级数的绝对值越大，表示该分支越不可调节；
(c)分支调节级数符号为正且数值越大，表示该分支越不可增阻调节；
(d)分支调节级数符号为负且数值越小，表示该分支越不可增能调节或降阻调节；
(e)可调分支调节级数的绝对值接近于零，不可调分支调节级数的绝对值趋于一个较大的整数值；
(f)可增阻调节分支调节级数的符号为正，可增能调节分支或可降阻调节分支调节级数的符号为负。
最佳调节位置目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000144
其中，
z3表示最佳调节位置目标；
sj表示第j条分支的调节级数，为由用户设置的常量；
nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节；
nj,a满足
Figure BDA0003797434900000151
Δhj为第j条分支的风压调节值；
ρj表示第j条分支允许忽略的调节量(调节因子)，满足ρj>0。
为了便于求解数学模型，引入混合整数规划方法将nj,a定义为0-1整型变量，表示是否需要对第j条分支进行调节。为了表示nj,a中的|Δhj|，引入Δh′j表示Δhj的绝对值。Δh′j满足以下条件
Figure BDA0003797434900000152
在以上条件的约束下，存在Δh′j≥0的隐式约束条件。为了限制Δh′j的大小，采用优先等级法引入一个具有最高优先级的目标约束，以确保Δh′j＝|Δhj|。
min z0＝ω0Δh′j j＝1,2,…,N (13)
其中，
z0表示限制风压调节值变量的附加目标；
ω0表示限制风压调节值变量的权重系数(取一个较大的数值)。
上述附加目标必须得到优先满足，否则会影响0-1整型变量nj,a取值的可靠性。0-1整型变量nj,a需要满足以下条件
Figure BDA0003797434900000153
其中，
nmax,a可设置为一个较大的正常量，以确保Δh′j-ρj≤nmax,a。
在以上条件的约束下，0-1整型变量nj,a满足
Figure BDA0003797434900000154
此处要求ρj>0。
(4)最佳调节方式目标
调节级数考虑了分支对应的调节方式，而最佳调节位置目标没有考虑调节点位置的调节方式。因此，需要进一步构造最佳调节方式目标。
最佳调节方式目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000161
其中，
z4表示最佳调节方式目标；
sj表示第j条分支的调节级数，为由用户设置的常量；
nj,b表示是否需要对第j条分支进行增阻调节；
nj,b满足
Figure BDA0003797434900000162
nj,c表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节；
nj,c满足
Figure BDA0003797434900000163
Δhj为第j条分支的风压调节值；
ρj表示第j条分支允许忽略的调节量(调节因子)，满足ρj>0。
为了便于求解数学模型，引入混合整数规划方法将nj,b定义为0-1整型变量，表示是否需要对第j条分支进行增阻调节；将nj,c定义为0-1整型变量，表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节。
0-1整型变量nj,b需要满足以下条件
Figure BDA0003797434900000164
其中，
nmax,b可设置为一个较大的正常量，以确保Δhj-ρj≤nmax,b。
0-1整型变量nj,c需要满足以下条件
Figure BDA0003797434900000171
其中，
nmax,c可设置为一个较大的正常量，以确保-(Δhj+ρj)≤nmax,c。
(5)最少调节个数目标
最少调节个数目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000172
其中，
z5表示最少调节个数目标；
nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节；
nj,a满足
Figure BDA0003797434900000173
Δhj为第j条分支的风压调节值；
ρj表示第j条分支允许忽略的调节量(调节因子)，满足ρj>0。
(6)最大有效风量目标
最大有效风量目标可以表示为
Figure BDA0003797434900000174
其中，
z6表示最大有效风量目标；
ω6表示最大有效风量目标的权重系数；
Nd表示所有按需分风分支的集合；
qj表示第j条分支(按需分风分支)的风量；
qt表示矿井总进风量。
下面对该风量全局优化调控数学模型的约束条件说明如下：
(1)风量平衡约束条件
通风网络风量调节方案必须满足节点风量平衡条件，即在通风网络中流入与流出任意节点的各分支风量代数和为零。
Figure BDA0003797434900000181
其中，
N为通风网络的分支数；
J为通风网络的节点数；
qj为第j条分支的风量；
aij表示节点与分支的关系；
aij满足
Figure BDA0003797434900000182
(2)风压平衡约束条件
通风网络风量调节方案必须满足回路风压平衡条件，即在通风网络中任意回路中各分支风压代数和为零。
Figure BDA0003797434900000183
其中，
M为通风网络的独立回路数，M＝N-J+1；
hj为第j条分支风压的代数和，
Figure BDA0003797434900000184
rj为第j条分支的风阻；
Δhj为第j条分支的风压调节值；
hf,j为第j条分支的风机风压；
hN,j为第j条分支的自然风压；
bij表示分支与回路的关系；
bij满足
Figure BDA0003797434900000191
(3)按需分风约束条件
为了扩大优化模型求解可行域的范围(提高调节方案的可实施性)，按需分风分支的风量约束可以设置成一个可变的风量范围约束，以获取更灵活可靠的调节方式。
当按需分风分支风量不允许反向时，按需分风分支风量调节上下限约束为
qj,min≤qj≤qj,max (22)
其中，
qj表示第j条分支(按需分风分支)的风量；
qj,min为第j条分支(按需分风分支)允许风量下限，满足qj,min>0；
qj,max为第j条分支(按需分风分支)允许风量上限，满足qj,max≥qj,min>0。
对于按需分风分支，为了设置按需分风约束条件，可以对通风网络的分支增加允许风量上限值和允许风量下限值的属性。
(4)风速范围约束条件
当第j条分支风流方向不允许反向时，则
vj,min×Sj≤qj≤vj,max×Sj (23)
其中，
vj,min为第j条分支允许风速下限，满足vj,min≥0；
vj,max为第j条分支允许风速上限，满足vj,max≥vj,min≥0；
Sj为第j条分支的巷道断面面积。
当第j条分支风流方向允许反向时，则
vj,min×Sj≤|qj|≤vj,max×Sj (24)
当qj≥0时，表示第j条分支风量分配结果得到的风流方向与通风网络初始分支方向相同；当qj<0时，表示第j条分支风量分配结果得到的风流方向与通风网络初始分支方向相反。
为了便于求解数学模型，允许风流反向的风速范围约束条件需要转化为以下标准形式
Figure BDA0003797434900000201
为了设置风速范围约束条件，可以对通风网络的分支增加允许风速上限值和允许风速下限值的属性。
(5)风流方向约束条件
当要求第j条分支的风流方向不允许反向时，则
qj≥0 (26)
在实际构造风速、风量约束条件时，必须特别注意通风网络分支的初始风流方向，以免出现相反的约束效果导致优化模型无解。
为了设置风流方向约束条件，可以对通风网络的分支增加一个是否固定分支风流方向的属性。
(6)调节位置约束条件
当第j条分支不允许安装调节设施(不可调分支)时，则
Δhj＝0 (27)
值得注意的是，在不影响调节效果的情况下，对于不可调分支，可以设置一个可以忽略的调节容差范围，因此第j条分支不允许安装调节设施约束可以表示为
-ρ′j≤Δhj≤ρj″ (28)
其中，
ρ′j表示第j条分支允许忽略的增能或降阻调节量(调节因子)，满足ρ′j>0；
ρ″j表示第j条分支允许忽略的增阻调节量(调节因子)，满足ρ″j>0。
(7)调节方式约束条件
第j条分支调节量约束条件
Δhj,min≤Δhj≤Δhj,max (29)
其中，
Δhj,min为第j条分支可调节风压下限；
Δhj,max为第j条分支可调节风压上限。
当第j条分支只允许增阻调节约束，则
Δhj≥0 (30)
当第j条分支只允许增能调节(或降阻调节)约束，则
Δhj≤0 (31)
在实际构造调节方式约束条件时，不宜对大量的分支设置限制特定调节方式的约束条件，否则可能导致优化模型无解。
为了设置调节方式约束条件，可以对通风网络的分支增加允许分支调节方式、分支可调节风压上限和分支可调节风压下限的属性。
(8)调节个数约束条件
为了降低通风系统调控成本、简化通风调控设施管理过程，优化模型的调节方案应尽量减少调节点数目。
Figure BDA0003797434900000211
其中，
Na为通风网络中允许调节分支的个数；
nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节；
nj,a满足
Figure BDA0003797434900000212
Δhj为第j条分支的风压调节值；
ρj表示第j条分支允许忽略的调节量(调节因子)，满足ρj>0。
(9)有效风量约束条件
全矿有效风量率约束要求优化模型应满足
Figure BDA0003797434900000221
其中，
Nd表示所有按需分风分支的集合；
qj表示第j条分支(按需分风分支)的风量；
qt表示矿井总进风量。
结合全局通风优化法的基础上，本应用示例构建基于多目标混合整数规划(0-1规划)的矿井通风网络全局优化调控数学模型，用于解决通风网络中调节位置和调节量的优化问题。该基于多目标混合整数规划的风量调控全局优化模型可以表示为：
Figure BDA0003797434900000222
Figure BDA0003797434900000231
需要说明的是，该数学模型的决策变量为所有未知风量分支的风量qj和所有分支的调节风压值Δhj，以及辅助决策变量
Figure BDA0003797434900000232
qj 、Δh′j、nj,a、nj,b和nj,c。目标函数和约束条件都为非线性函数，相应的数学模型是一种非线性混合整数规划数学模型。
为了实现本申请实施例的方法，本申请实施例还提供一种矿井通风系统风量全局调节装置，设置在电子设备，如图2所示，该矿井通风系统风量全局调节装置包括：通风网络模型获取模块201、通风网络模型优化模块202、风量调节方案生成模块203及风量调节方案选取模块204。
通风网络模型获取模块201用于获取矿井通风系统的通风网络模型；通风网络模型优化模块202用于基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；风量调节方案生成模块203用于基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；风量调节方案选取模块204用于基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；其中，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
在一些实施例中，通风网络模型优化模块202具体用于：
采用基于回路风量的通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，得到风量分配计算结果；
基于阻力测定方式对巷道风阻参数进行调整，直至所述风量分配计算结果与实测巷道风量的对比误差在设定阈值内；
基于所述风量分配计算结果得到所述通风网络模型中风机的模拟工况；
判断风机的模拟工况与实际工况是否匹配，若否，则调整所述通风网络模型的模型参数，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配。
在一些实施例中，所述设定优化模型如下所示：
Figure BDA0003797434900000241
Figure BDA0003797434900000251
其中，Z为优化目标，ω1为第一权重系数，ω2为第二权重系数，ω3为第三权重系数，ω4为第四权重系数，ω5为第五权重系数，ω6为第六权重系数，ω7为第七权重系数，N为通风网络的分支数，qj为第j条按需分风分支的风量，rj为第j条分支的风阻，Δhj为第j条分支的风压调节值，hN,j为第j条分支的自然风压，Nd为所有按需分风分支的集合，
Figure BDA0003797434900000252
为第j条按需分风分支按需分风范围上限偏差量，qj 为第j条按需分风分支按需分风范围下限偏差量，nj,a表示是否需要对第j条分支进行调节，sj为第j条分支的调节级数，nj,c表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节，nj,b表示是否需要对第j条分支进行增阻调节，qt为矿井总进风量，Δh′j为Δhj的绝对值，J为通风网络的节点数，aij表示节点与分支的关系，bij表示分支与回路的关系，hj为第j条分支风压的代数和，qj,min为第j条按需分风分支允许风量下限，qj,max为第j条按需分风分支允许风量上限，vj,min为第j条分支允许风速下限，vj,max为第j条分支允许风速上限，Sj为第j条分支的巷道断面面积，ρ′j表示第j条分支允许忽略的增能或降阻调节量，ρ″j表示第j条分支允许忽略的增阻调节量，Δhj,min为第j条分支可调节风压下限，Δhj,max为第j条分支可调节风压上限，Na为通风网络中允许调节分支的个数，ρj表示第j条分支允许忽略的调节量，nmax,a为第一正常量，nmax,b为第二正常量，nmax,c为第三正常量。
在一些实施例中，风量调节方案生成模块203具体用于：
根据井下通风风量需求，设定所述设定优化模型的各权重系数以及决策变量；
基于设定的权重系数以及决策变量，利用所述设定优化模型求解出至少一个待选的风量调节方案。
在一些实施例中，风量调节方案选取模块204具体用于：
采用基于回路风量的通风网络解算方法，对所述至少一个待选的风量调节方案进行风量分配计算，得到各风量调节方案对应的风量分配计算结果；
将所述各风量调节方案对应的风量分配计算结果与基于所述井下通风风量需求确定的按需分风分支的分配风量进行比对，确定最佳的风量调节方案。
在一些实施例中，该矿井通风系统风量全局调节装置还包括：调节模块205，用于基于所述最佳的风量调节方案调节所述矿井通风系统。
实际应用时，通风网络模型获取模块201、通风网络模型优化模块202、风量调节方案生成模块203、风量调节方案选取模块204及调节模块205，可以由电子设备中的处理器来实现。当然，处理器需要运行存储器中的计算机程序来实现它的功能。
需要说明的是：上述实施例提供的矿井通风系统风量全局调节装置在进行矿井通风系统风量全局调节时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的矿井通风系统风量全局调节装置与矿井通风系统风量全局调节方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
基于上述程序模块的硬件实现，且为了实现本申请实施例的方法，本申请实施例还提供一种电子设备。图3仅仅示出了该设备的示例性结构而非全部结构，根据需要可以实施图3示出的部分结构或全部结构。
如图3所示，本申请实施例提供的设备300包括：至少一个处理器301、存储器302、用户接口303和至少一个网络接口304。电子设备300中的各个组件通过总线系统305耦合在一起。可以理解，总线系统305用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统305除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图3中将各种总线都标为总线系统305。
其中，用户接口303可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。
本申请实施例中的存储器302用于存储各种类型的数据以支持电子设备的操作。这些数据的示例包括：用于在电子设备上操作的任何计算机程序。
本申请实施例揭示的矿井通风系统风量全局调节方法可以应用于处理器301中，或者由处理器301实现。处理器301可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，矿井通风系统风量全局调节方法的各步骤可以通过处理器301中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器301可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器301可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器302，处理器301读取存储器302中的信息，结合其硬件完成本申请实施例提供的矿井通风系统风量全局调节方法的步骤。
在示例性实施例中，电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，ProgrammableLogic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)、FPGA、通用处理器、控制器、微控制器(MCU，Micro Controller Unit)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述方法。
可以理解，存储器302可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本申请实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种存储介质，即计算机存储介质，具体可以是计算机可读存储介质，例如包括存储计算机程序的存储器302，上述计算机程序可由电子设备的处理器301执行，以完成本申请实施例方法所述的步骤。计算机可读存储介质可以是ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory、磁表面存储器、光盘、或CD-ROM等存储器。
需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
另外，本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种矿井通风系统风量全局调节方法，其特征在于，包括：
获取矿井通风系统的通风网络模型；
基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；
基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；
基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；
其中，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，得到风量分配计算结果；
基于阻力测定方式对巷道风阻参数进行调整，直至所述风量分配计算结果与实测巷道风量的对比误差在设定阈值内；
基于所述风量分配计算结果得到所述通风网络模型中风机的模拟工况；
判断风机的模拟工况与实际工况是否匹配，若否，则调整所述通风网络模型的模型参数，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定优化模型如下所示：
Figure FDA0003797434890000021
Figure FDA0003797434890000022
其中，Z为优化目标，ω1为第一权重系数，ω2为第二权重系数，ω3为第三权重系数，ω4为第四权重系数，ω5为第五权重系数，ω6为第六权重系数，ω7为第七权重系数，N为通风网络的分支数，qj为第j条按需分风分支的风量，rj为第j条分支的风阻，Δhj为第j条分支的风压调节值，hN，j为第j条分支的自然风压，Nd为所有按需分风分支的集合，
Figure FDA0003797434890000023
为第j条按需分风分支按需分风范围上限偏差量，qj 为第j条按需分风分支按需分风范围下限偏差量，nj，a表示是否需要对第j条分支进行调节，sj为第j条分支的调节级数，nj，c表示是否需要对第j条分支进行增能调节或降阻调节，nj，b表示是否需要对第j条分支进行增阻调节，qt为矿井总进风量，Δh′j为Δhj的绝对值，J为通风网络的节点数，aij表示节点与分支的关系，bij表示分支与回路的关系，hj为第j条分支风压的代数和，qj，min为第j条按需分风分支允许风量下限，qj，max为第j条按需分风分支允许风量上限，vj，min为第j条分支允许风速下限，vj，max为第j条分支允许风速上限，Sj为第j条分支的巷道断面面积，ρ′j表示第j条分支允许忽略的增能或降阻调节量，ρ″j表示第j条分支允许忽略的增阻调节量，Δhj，min为第j条分支可调节风压下限，Δhj，max为第j条分支可调节风压上限，Na为通风网络中允许调节分支的个数，ρj表示第j条分支允许忽略的调节量，nmax，a为第一正常量，nmax，b为第二正常量，nmax，c为第三正常量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案，包括：
根据井下通风风量需求，设定所述设定优化模型的各权重系数以及决策变量；
基于设定的权重系数以及决策变量，利用所述设定优化模型求解出至少一个待选的风量调节方案。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案，包括：
采用基于回路风量的通风网络解算方法，对所述至少一个待选的风量调节方案进行风量分配计算，得到各风量调节方案对应的风量分配计算结果；
将所述各风量调节方案对应的风量分配计算结果与基于所述井下通风风量需求确定的按需分风分支的分配风量进行比对，确定最佳的风量调节方案。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述最佳的风量调节方案调节所述矿井通风系统。
7.一种矿井通风系统风量全局调节装置，其特征在于，包括：
通风网络模型获取模块，用于获取矿井通风系统的通风网络模型；
通风网络模型优化模块，用于基于通风网络解算方法对所述通风网络模型进行风量分配计算，并基于风量分配计算结果调整所述通风网络模型，直至所述通风网络模型中风机的模拟工况与实际工况匹配；
风量调节方案生成模块，用于基于井下通风风量需求和所述矿井通风系统对应的设定优化模型，生成至少一个待选的风量调节方案；
风量调节方案选取模块，用于基于所述至少一个待选的风量调节方案与所述井下通风风量需求，确定最佳的风量调节方案；
其中，所述设定优化模型为多目标全局优化模型，包括以下优化目标：最小通风能耗目标、按需分风需求目标、最佳调节位置目标、最佳调节方式目标、最小调节个数目标及最大有效风量目标；所述设定优化模型的决策变量包括：所有未知风量分支的风量和所有分支的调节风压值；所述风量调节方案包括：通风构筑物的调节措施，所述通风构筑物包括以下至少之一：井下风机、风门和风窗。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，
所述处理器，用于运行计算机程序时，执行权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
9.一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117519047A (zh) * 2023-12-05 2024-02-06 中南大学 基于设备调控的矿井通风系统智能控制方法及系统

Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117519047A (zh) * 2023-12-05 2024-02-06 中南大学 基于设备调控的矿井通风系统智能控制方法及系统

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