礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)設(shè)計研究

楊帥 撒占友

摘 要： 為了提高地下礦井生產(chǎn)的安全性與信息化管理水平，本文結(jié)合礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本理論、圖論、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和計算機技術(shù)，設(shè)計出礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，建立了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法與通風(fēng)系統(tǒng)可視化實現(xiàn)的方法。通過礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的自動解算以及風(fēng)流、風(fēng)壓、風(fēng)阻等通風(fēng)參數(shù)的可視化，并且能夠?qū)嘛L(fēng)量及時做出調(diào)整，為進一步發(fā)展井巷三維可視化技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 礦井通風(fēng);網(wǎng)絡(luò)解算;三維可視化;系統(tǒng)設(shè)計

【中圖分類號】TP391.41 ? ? 【文獻標(biāo)識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）05-0197-01

礦井通風(fēng)的基本任務(wù)是為所有使用空氣場所提供足夠的新鮮空氣，稀釋和去除所有有毒有害氣體和灰塵，調(diào)節(jié)氣候，確保工作場所空氣質(zhì)量，營造安全舒適的操作環(huán)境。國內(nèi)開發(fā)出礦井通風(fēng)的軟件多呈現(xiàn)作坊式開發(fā)、功能單一、系統(tǒng)集成度低、三維顯示與模擬技術(shù)落后等特點。

1 礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，運行更加穩(wěn)定可靠。在礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程中，筆者采用模塊化的設(shè)計方法，將系統(tǒng)設(shè)計為5個模塊，即數(shù)據(jù)采集、風(fēng)網(wǎng)分析、網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)、圖像顯示和通風(fēng)管理五大模塊。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，也是決定礦井通風(fēng)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的決定性因素。根據(jù)數(shù)據(jù)庫性質(zhì)，將數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。

2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與可視化的實現(xiàn)

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

在礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)中，其基礎(chǔ)內(nèi)容是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算。在進行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算時可以采取的方法有很多，大體主要有Cross迭代法、節(jié)點壓力法、附加風(fēng)壓法和牛頓法，雖然其算法的特點不同，但根據(jù)其特點，總體上可以分為回路風(fēng)量法和節(jié)點風(fēng)壓法。本系統(tǒng)對比分析之后所采用的方法為回路法中的Cross迭代法，又稱為Scott-Hinsley法。該方法以圖論為載體，在求解過程中首先需要構(gòu)造出最小樹，然后根據(jù)最小樹確定余數(shù)，選定回路，最后再進行風(fēng)量迭代計算，直至計算結(jié)果滿足合適的精度要求。

2.2 系統(tǒng)可視化的實現(xiàn)

（1）風(fēng)流屬性的可視化

礦山在實際生產(chǎn)作業(yè)中，內(nèi)部巷道錯綜復(fù)雜，為便于區(qū)分通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和巷道性質(zhì)，本系統(tǒng)對巷道內(nèi)風(fēng)流的性質(zhì)實行多彩顯示，根據(jù)風(fēng)流性質(zhì)的不同，對進風(fēng)、回風(fēng)和用風(fēng)巷道分別用不同的顏色進行顯示（綠色表示進風(fēng)段，黃色表示用風(fēng)段，藍色表示回風(fēng)段）。

（2）通風(fēng)難易程度的可視化

為了使井巷通風(fēng)的難易程度顯示地更加形象具體，在系統(tǒng)圖層顯示的功能中加入了專題圖的形式，以圖像在整體圖中所占比例的大小表示其通風(fēng)的難易程度，圖形所占比例越大的表示通風(fēng)越困難，反之，越小表示越簡單。

（3）通風(fēng)參數(shù)的可視化

通風(fēng)構(gòu)筑物和風(fēng)機在通風(fēng)系統(tǒng)圖中是由許多線條組成的，其狀態(tài)參數(shù)的查閱編輯也可通過此方法進行實現(xiàn)，點擊其任意組成線條即可以實現(xiàn)其屬性的查詢。

（4）虛擬主扇

本系統(tǒng)采用最小二乘法來求解風(fēng)機特征方程。在風(fēng)機正常工作的曲線范圍內(nèi)取三個點，即上限點、工況點和下限點，便可求出b0、b1、b2。

3 風(fēng)量調(diào)節(jié)

（1）增阻調(diào)節(jié)法

增阻調(diào)節(jié)法實現(xiàn)調(diào)節(jié)局部風(fēng)量的方法是增加局部通風(fēng)阻力。為達到增加局部通風(fēng)阻力，通常采用調(diào)整管道通風(fēng)調(diào)節(jié)閥門或地下風(fēng)道調(diào)節(jié)風(fēng)窗等通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施。

（2）減阻調(diào)節(jié)法

減阻調(diào)節(jié)法通過減小通風(fēng)阻力，進而達到增加風(fēng)道總風(fēng)量的目的，但其實際應(yīng)用復(fù)雜，耗資較高。主要調(diào)節(jié)措施有：增大閥門開啟度或擴大風(fēng)道斷面、降低摩擦阻力系數(shù)、采用并聯(lián)風(fēng)路等。

（3）增壓調(diào)節(jié)法

增壓調(diào)節(jié)法是在需要調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)路中設(shè)置輔助扇風(fēng)機，以達到增加該風(fēng)路風(fēng)量的目的。在綜合比較了上述三種方法之后，本系統(tǒng)選擇采用增阻調(diào)節(jié)法來進行局部風(fēng)量的調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中，此方法比減阻調(diào)節(jié)法簡單，同時又比增壓調(diào)節(jié)法安全可靠，能夠安全高效地達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

4 結(jié)論

針對目前礦井三維可視化軟件的不足，設(shè)計出了礦井通風(fēng)三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動標(biāo)注風(fēng)網(wǎng)參數(shù)信息，并對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進行自動解算，將解算結(jié)果輸出到Excel中;通過對礦井風(fēng)機的模擬和風(fēng)量的調(diào)節(jié)，使礦井的通風(fēng)條件更能滿足實際生產(chǎn)的要求;將礦井通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行可視化操作與顯示，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可視化管理，有助于安全技術(shù)人員方便的了解與管理通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，為礦山的安全生產(chǎn)提供了便利的條件。

參考文獻

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