基于GIS的不稳定网络模型和系统应用的智能矿井通风

文摘

等先进技术的发展,人工智能和物联网的建设正在积极推进“智慧矿山”,在智能矿井通风的主要担忧之一,为安全生产提供了有效保证地下煤矿系统。本研究旨在集成地理信息系统(GIS)和非定常通风网络模型,提供基于位置的信息和在线实时决策支持系统。首先,提出了一个基于GIS的不稳定网络模型,其算法步骤。其次,一个原型网络系统,名为3 d VentCloud,设计开发基于前和结束技术,有效地整合了提出的算法。第三,对模型进行了验证,系统应用于一个真正的煤矿通风解决方案,这表明,模型是合理和实用的。在线仿真系统有效的提供实时支持。预计这项研究潜力和实时指导煤矿安全生产。

1。介绍

“智慧矿山”正在建设和近年来蓬勃发展,预计提供可靠、快速、智能、准确的决策支持在地下煤矿安全操作和生产。矿井通风系统是其中最重要的和基本的系统,以确保安全生产。一个有效的通风系统是煤矿工人的潜在保证一个健康的工作环境,确保地下煤矿的可持续发展体系。智能矿井通风的概念被提出,尽管仍然存在很多需要解决的科学问题(1,2]。

当前研究通风网络模型和通风软件主要集中在传统的稳定计算模型。然而,矿井通风系统本质上属于一个动态的复杂系统与地理空间和时间特性。例如,尽管通风状态是稳定的煤矿正常生产期间,各种内部扰动和地面气压会对巷道内气流和压力有一定的影响;因此,它会导致气流脉动(3]。,此外,由于瓦斯突出,矿井发生火灾等重大事故,通风状态将改变瞬间并导致巷道内瞬态气流的紊乱。因此,正常生产过程中通风状态或灾难都应该被视为非定常流;因此,它需要建立一个统一的通风仿真模型,这是适应智能矿井通风的概念(4]。

除此之外,目前的数据采集和处理程序矿井通风缺乏在线集成系统,以更好地适应智能矿井通风系统。如今,有很多通风软件系统,实现信息化矿井通风,例如,波兰科学院发达VENTGRAPH和矿井火灾模拟软件(5- - - - - -7]。鸿沟公司在澳大利亚Ventsim软件开发,这是世界各地的广泛使用(8]。美国和英国也开发了一些通风软件系统如VentPC 2003、通风设计、VR-MNE,数据挖掘9]。国内也有一些成功的通风系统,如MFire mvs, ventana由中国机构和大学(10,11]。矿井通风系统的深刻理解和伟大的对实际生产的需求,矿井通风属于典型的地理环境中,空间、时间和属性数据和空间拓扑关系(12]。幸运的是,地理信息系统(GIS)被认为是最有效的方法来管理地理空间数据(13]。因此,基于传统的GIS技术,大量的通风软件系统开发。例如,LongruanGIS LKGIS, VRMine GIS平台和一些基于AutoCAD的二次开发系统或ArcGIS开发和广泛使用的(14- - - - - -17]。

然而,很难处理空间、时间和属性数据以及使用AutoCAD的拓扑关系。此外,通风软件系统基于GIS大多关注传统GIS的结合或静态GIS与稳定通风仿真模型。因此,一个统一的非定常通风模型与GIS集成技术是需要提供在线和快速决策支持,以更好地满足智能矿井通风的要求。

因此,本研究旨在提供一个快速在线通风仿真解决方案,促进智能整合矿井通风的不稳定的施工通风网络模型和GIS以及系统开发。首先,介绍了基本的通风理论和算法提出了基于GIS的不稳定的网络模型。其次,根据通风模型的数据结构以及巷道网络,一个原型仿真网络系统,称为3 d VentCloud,设计和发展。第三,实现两个实验来验证通风模型和应用网络系统,分别。

2。可视化网络模型不稳定可

矿井通风是一个日常工作,确保煤矿安全生产,这需要准确模拟了解现场通风情况。而不是传统的稳定通风仿真模型,本节主要介绍了基于GIS技术的不稳定网络模型以及模型与在线网络系统集成。

2.1。数学模型

首先,一个理想的几何建立巷道模型建立不稳定通风网络模型的基本方程。我们可以看到在图1、巷道长度l和截面积,没有考虑到可压缩气流的属性。

没有任何外力,巷道内的气流属于稳态。如果风巷道的压力突然变化,将会有一个等价的外力F空气柱的两端。根据牛顿第二定律,假设外力使加速度一个,空气列对应的方程(18]: 在哪里R通风阻力,p₁和p₂是静态的压力,和巷道的速度结束,h_r是外部力量。假设单和水平巷道时,两端与大气相连。当一个电风扇的巷道突然开始,在方程(压差2)= 0,然后我们获得

至于巷道网络内的气流,空气都要遵循三个基本法律风的流动,通风阻力定律,回路压力平衡的法则,风力平衡节点的法则。这三个法律代表三个基本通风参数的限制和平衡的关系,也就是说,风量和通风阻力和节点压力通风巷道分支网络模型(19]。一个简单的通风网络图如图2。

的三个基本规律可以被描述为风流 在哪里N巷道分支的数目,米是网络节点的数量。和是元素的基本关联矩阵和独立回路矩阵网络图,该值为0,1或−1。 代表通风能力,包括风扇功率和自然力量 。方程(5)也可以简化回路方程的矩阵形式: 在哪里C循环矩阵,元素D是 。在此基础上,龙格-库塔迭代算法可以应用于模拟每个巷道分支的风量变化与时间(20.,21]。以下是我们的具体解决方案基于经典四阶龙格-库塔方法。

2.2。通风网络的数据模型

基于GIS理论和方法,数据模型不稳定通风网络模型的设计。首先,被描述为通风网络图G= (V,E),V= 在网络图是一组节点,E= 是一组巷道分支机构网络图。考虑到气流在每个巷道分支有风向;因此,通风网络图是一个有向图。然后,我们获得了邻接矩阵、关联矩阵,割集矩阵,循环矩阵,和路径网络的矩阵图,存储通风网络图的拓扑信息。此外,基于GIS的角度来看,属于典型的地理空间的通风网络图和模型对象,包括空间数据、属性数据、时序数据,和空间关系,在空间关系主要包括通风网络的拓扑关系图,连接巷道分支和节点,并存储为点线路(node-branch)索引结构基于GIS数据组织,我们可以看到在桌子上1。

具体数据结构建立了巷道分支和节点和表中给出2。

2.3。算法设计

整个算法设计了基于GIS的非定常通风网络模型。表3显示了整个结构的具体过程。这个模型和数据组织结构提供了更多的细节为通风网络地理空间和属性数据的集成地理信息。

3所示。系统设计和开发

一个原型系统,称为3 d VentCloud,目的是在这项研究中,结合研制的前端和后端技术。前端开发通过使用Html、JavaScript和CSS。后端主要包括模型和算法,这是由c++和Python。此外,龙卷风是采用服务器前端和后端之间的数据传输,因此两端连接。该系统主要包括三层。提出了图3分别,它们是技术层、服务层和应用程序层。

每一层及其功能具体描述如下:(1)技术层。这一层包含数据源和基于GIS的非定常通风网络模型,这是系统开发的关键技术。数据源包括巷道网络的中心线获得的原始数据,处理和存储在GIS数据库作为GeoJson格式,包括地理空间、属性和时态数据的巷道分支和节点。基于GIS的不稳定网络模型包括通风网络的拓扑关系的生成图,和非定常通风仿真模型的拓扑关系和动态仿真结果由点线路连接索引结构。这些模型共同构建核心模型库和通风仿真系统的关键技术。(2)服务层。在这一层,龙卷风架构应用服务,和WebSocket接口是用来链接Python的前端与后端JavaScript和c++程序实现数据传输。3 . js实现采用三维可视化功能。(3)应用程序层。这一层提供了非定常通风模拟功能,三维可视化和巷道网络的时空属性查询功能,和仿真结果。巷道中心线的系统可以读取原始数据存储和显示三维巷道模型和输出.stl文件巷道的几何模型。当模拟函数实现,每个巷道分支也可以呈现不同的颜色根据不同的空气体积,和巷道的地理坐标和属性数据可以查询并显示显示更多的地理巷道细节。

4所示。结果与讨论

4.1。可视化不稳定可通风网络模型验证

为了验证基于GIS的非稳定网络模型在现场应用之前,我们获得的数据参考3]。简化的矿井通风网络图及其最小生成树如图4。网络图11巷道分支机构包括一个虚拟分支,和8个节点。表4介绍了基本的通风网络的参数。案例研究调查了风流量和压力扰动引起的煤矿运输巷道、汽车运动属于不稳定流动现象。

在这个案例研究中,矿车运输巷道内正迎风(用树枝数字2和3),这将导致增加的动态风阻力和相应的减少巷道风量的分支2和3。根据非稳定网络模型,我们模拟了随时间变化规律,为每一个巷道风量,可以看到在图5。正值表示减少空气,负值代表空气量的增加价值。很明显,运输巷道分支数字2和3有最大的空气量减少,而分支5号最大的空气量增加,这很容易理解,因为大部分的气流从空气中摄取巷道流入巷道5号(分支)与运输巷道在节点2。

除此之外,我们还调查了特定巷道和节点观察风量和压力随时间变化规律的矿车停止后搬到迎风。如数据所示6和7,巷道分支2和5,节点3和5作为例子展示风量和压力变化的变动特征。这表明,我的汽车转向迎风,风量减少巷道2和5呈现明显上升趋势,下降趋势,分别,然后保持稳定状态。矿车停下后迎风,风量减少巷道2和5出现相反的趋势,最后达到最初的稳定状态。风压变化有相似的规律。结果是符合的研究发表在3),与气流的变化规律是一致的和风压通风网络模型。

4.2。一个案例研究申请一个真正的矿井通风网络

本研究也应用到新桥煤矿(位于中国河南省)扩展模型的实用性和调查真正的矿井通风的发展进一步促进智能通风。因此,真正的从新桥煤矿矿井通风网络数据,其中包含290巷道和222节点。新桥巷道网络的三维几何模型由3 d VentCloud系统阅读和可视化,呈现在图8。

特定的空间数据和属性数据包括巷道的ID和名称、ID和坐标的开始节点和结束节点,巷道断面的面积和周长,巷道长度、巷道类型、风阻力,通风阻力和摩擦阻力。在这里,一些基本的通风参数如表所示5。

通风网络图的拓扑结构新桥煤矿建立基于GIS模拟通风状态。起初,最短路径算法应用于巷道通风阻力,基于70剩余树枝和相应的网络图的最小生成树生成。通过添加每个剩余最小生成树树枝,分别创建70个独立的电路。然后,基于GIS的非稳定网络模型进行通风仿真应用。我们获得了每个巷道分支的风量随时间改变。当新桥煤矿的通风达到稳态时,结果是几乎相同的基于传统与国家稳定的通风网络模型。本研究需要几秒钟在网络仿真结果,它消耗4.72秒在我们最新的实验中,预计为后来网站提供快速或实时决策支持应用程序。

新桥巷道网络的3 d几何模型基于仿真结果和可视化呈现3 d VentCloud,可以看到在图9。网络系统支持用户交互等地理空间查询功能。例如,空间和属性特征将显示在web页面通过点击每个巷道分支。

5。结论

本文调查了不稳定矿井通风仿真模型基于GIS技术和开发了一个原型网络系统实现在线通风模拟,可以更好地适应和促进建设智能矿井通风。

具体来说,通过集成GIS技术和非定常通风仿真模型,本研究提供了一个统一的基于GIS的通风网络模型,可有效模拟动态变化不稳定的通风状态以及稳定的通风状态。此外,web系统原型开发基于该算法,可以提供快速的仿真结果和基于位置的信息。结果表明可有效模拟结果统一通风,和仿真系统预计将提供在线和实时决策支持煤矿安全生产。

然而,通风系统属于复杂和动态的3 d系统。矿难事故偶尔会发生在巷道网络。未来的工作应全面考虑巷道网络的内部结构和3 d特征以及气流,量化模型的准确性是在未来同样值得研究。

数据可用性

在这项研究中使用的数据是保密的。读者可以通过发送电子邮件访问数据到相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是财务上支持中国国家重点研究和发展项目(批准号2016 yfc0803108)和中国国家自然科学基金(批准号51774281)。

引用

1. 任c和s曹”,实现人工智能通风控制系统的可视化使用快速预测模型和有限的监测数据,”可持续城市和社会52卷,第860 - 101页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 学术界。陈,f的歌,F.-J。黄、吴l .“概率密度函数发生器基于神经网络,”自然史答:统计力学及其应用文章ID 123344卷,541年,2020年。视图:谷歌学术搜索
3. b . s . Wang刘,刘,“不稳定气流过程的计算机模拟在矿山强制通风网络,”辽宁科技大学学报(自然科学),19卷,不。5,449 - 453年,2000页。视图:谷歌学术搜索
4. h . h . g . Wang Wang任et al .,“2025场景和智能煤矿的发展道路,“中国煤炭学会杂志》上,43卷,不。2、295 - 305年,2018页。视图:谷歌学术搜索
5. w . Dziurzyński A Krach, t . Pałka”完成的可靠的方法,补偿网络中流动参数的测量结果的标题,“采矿科学档案,60卷,不。1,3-24,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. w . Dziurzyński e . Krause,“空气动力学领域的潜力和环境的影响采空区在甲烷危险在煤层长壁N-12 329/1, 329/1-2“krupiński“煤矿,”采矿科学档案卷,57号4、819 - 920年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 学术界。陈,“细胞probe-based车速估计的方法,”IEICE交易基础电子、通信和计算机科学E103卷。一,不。1,第267 - 265页,2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 美国Maleki,“应用VENTSIM 3 d和数学规划优化矿井通风网络:一个案例研究中,“《采矿与环境,9卷,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. d . Zielinski b·麦克唐纳,r .山冈”比较研究我虚拟现实仿真的输入设备”《IEEE虚拟现实(VR)2014年3月,明尼阿波利斯,美国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 问:Zhag, y姚明,j .赵“矿井通风技术的地位在中国和智能发展的前景,”煤炭科学技术,48卷,不。2、97 - 103年,2020页。视图:谷歌学术搜索
11. 学术界。陈,F.-J。黄,H.-Y。宫”,旅行时间预测系统基于数据聚类废物收集车辆,”IEICE交易信息和系统E102卷。弟弟,不。7,1374 - 1383年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. j .张和w·高,“矿井通风信息系统基于3 d GIS,”辽宁科技大学学报(自然科学)没有,卷。31日。5,634 - 637年,2012页。视图:谷歌学术搜索
13. 毛s h . Liu, m·李,王,“紧密耦合的GIS和时空建模在地下煤矿甲烷排放模拟系统,”应用科学,9卷,不。9,1931年,页2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. B.-R。李,m .井上,S.-B。沈,“矿井通风网络优化气流渐近的计算方法的基础上,“采矿科学杂志》,54卷,不。1,第110 - 99页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 和l . i . p, b . Lu,“两个和三维矿井通风仿真系统基于GIS和AutoCAD,”在煤矿安全卷,47号12日,第92 - 90页,2016年。视图:谷歌学术搜索
16. j . Suh S.-M。金、h·易和y崔”,基于gis技术的建模和危害程度评估概述:土壤、水和森林,”国际环境研究和公共卫生杂志》上,14卷,不。12,1463页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 崔s m . o . Karslıoğlu, n .德米雷尔“基于gis技术发展的一个地下煤矿安全监控和管理系统,“国际煤炭地质杂志》上,卷80,不。2、105 - 112年,2009页。视图:谷歌学术搜索
18. w . Nyaaba、美国Frimpong和k . a . El-Nagdy”优化矿井通风网络的使用等式约束的拉格朗日算法”国际期刊的采矿、回收和环境卷,29号3、201 - 212年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 太阳x, x, y . et al .,“导流隧洞的施工进度仿真的基础上,优化通风时间,“《有害物质,卷165,不。1 - 3、933 - 943年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. y梁,j .张任,z . Wang和美国歌曲,“应用通风模拟地下煤矿自燃控制:一个案例研究从Bulianta煤矿,”国际矿业科技杂志》上,28卷,不。2、231 - 242年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 和l . j . r . s . g . Wang Wang,“数学模型求解通风网络中传统的通风和紧急情况,”辽宁科技大学学报,22卷,不。4、436 - 438年,2003页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2020回族。刘等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。