巷道通風摩擦阻力系數數據庫設計與實現

梁 軍 ，王麒翔

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

為有效保障通風系統的可靠和穩定，了解礦井通風系統運行情況，掌握全礦井通風阻力分布至關重要，但是現目前對全礦井進行通風阻力測定，普遍存在“測不準”的問題。各種測量方法所測量出的數據，還需要人工處理，調整誤差，方可代入礦井通風系統中進行通風網絡解算，直至模擬出整個礦井的通風情況（風量，風速，阻力分布)[1-3]。在進行通風仿真模擬中，遇到未測巷道時，只能根據經驗設定1個摩擦阻力系數。為此，十分有必要建立一個綜合、動態、權威、精確的摩擦阻力系數系統數據庫[4]，以便在進行通風仿真模擬時能有一個依據確定一個摩擦阻力系數，精準確定巷道阻力。

1 數據庫技術和數據來源

1）數據庫技術。經過數據分析，選擇使用Microsoft SQL Server數據庫；Microsoft SQL Server是一個高性能的、可擴展的、為分布式客戶機/服務器計算所設計的數據庫管理系統，能運行于現有大部分操作系統中，其擁有許多優點：①數據處理高性能，它可以充分利用系統優勢，增加數據檢索效率，針對大數據量提供多種解決方案；②數據共享機制成熟，可通過網絡遠程訪問，提供不同權限用戶讀取方式；③事務處理能力優異，可保存多種數據，并保護數據完整性；④數據庫擁有自己的SQL編程語言，能自主編寫存儲過程等，且支持對稱多處理器結構、ODBC；⑤良好的兼容性，提供多種API可支持C++，c#，JAVA等多種編程語言。瓦斯通風阻力系數數據庫擁有大量巷道及參數基本數據需要存儲分析，Microsoft SQL Server可完全滿足數據管理需求，提供一個高性能、高規范的數據管理平臺。

2）數據來源。瓦斯通風阻力系數數據庫主要用于確定未知巷道摩擦阻力系數，基于大數據分析[5]，數據來源于一下方面：①礦井通風阻力測定數據，根據煤礦安全規程，每年煤礦都應進行1次全礦井通風阻力測定，對實測數據進行篩選后錄入數據庫中；②通風系統仿真數據，許多煤礦基于自身條件建設有通風網絡仿真系統，系統中包括已知的該礦井模擬數據，可通過網絡上傳至數據庫中；③單位歷史經驗數據，許多科研單位擁有大量巷道參數數據，將其進行篩選，分析驗證后錄入數據庫中。

2 數據存儲設計

數據存儲設計規范化應遵循3個范式規則：①第一范式：1NF是對屬性的原子性約束，要求每個分量必須是不可分的數據項，即不能是組合的數據項；②第二范式：2NF是對記錄的惟一性約束，要求每條記錄需具備惟一標識，即每個非主屬性完全依賴于主碼；③第三范式：3NF是對字段冗余性的約束，即要求數據表中字段不能是其他字段派生，要求字段沒有冗余。

數據庫設計時完全沒有冗余的數據庫設會喪失靈活性，且浪費更多的檢索資源，所以在進行數據庫設計時需要降低范式標準，適當保留冗余數據；在進行概念數據模型設計時遵守第三范式，滿足數據庫設計原則，而進行物理數據模型[6]設計時考慮降低設計范式標準，允許數據表增加派生字段，提高系統運行時的檢索效率。數據庫表結構設計圖如圖1。

3 數據比對與精確定位

圖1 數據庫表結構設計圖

礦井通風系統中巷道的各項參數影響著它的摩擦阻力：斷面，支護方式，巷道類別，巷道壁面特征，當前確定摩擦阻力系數，主要根據其用途，及支護形式給出建議值范圍，無法精確確定其系數；基于大數據技術[7-9]建立礦井巷道通風摩擦阻力系數數據庫，在進行通風網絡仿真時，未測巷道可以根據自身情況，在數據庫中匹配相似巷道類型，得出建議的摩擦阻力系數，計算巷道風阻。數據具有量大、分散、可擴展等特性，因此精確定位所需數據至關重要，需建立以下幾方面機制：①對大量數據進新分析對比，建立數據挖掘模型，統計同一客觀條件下，巷道摩擦系數使用率；②建立數據可信度機制，對上傳及測定數據進行可信度檢測，分析比對數據庫中固有數據，對出入較大數據設置較低可信度；③建立用戶成功匹配數據回執機制，對用戶成功使用的匹配數據進行回執記錄，成功使用次數多，即該數據精確度高。

4 數據庫總體結構及主要功能模塊

數據庫以管理巷道基本信息及阻力系數影響參數為主，建立阻力系數確定的快速響應機制，為礦井風網仿真、通風網絡快速構建提供數據支持。數據庫功能結構圖如圖2。

主要功能模塊如下:

1）數據篩選分析模塊。由于數據源多且雜，對繁多的數據進行篩選，在數據庫中保存有效數據對數據庫至關重要，因此開發數據篩選模塊，針對數據源提供的所有數據，逐一和數據庫中有效數據進行相似度與相異度分析，剔除差異較大、重復的數據，保留有效巷道參數數據，為保證數據庫的數據正確性、有效性提供有效手段。提供監測，日常維護與災難恢復，數據邏輯校驗，外部用戶管理等。

圖2 數據庫功能結構圖

2）數據精確度檢測模塊。建立數據精確度檢測模塊，對于在數據篩選沖出現的重復數據，不單一地進行刪除，可以設定精確度機制，如果該數據重復較多，則說明該巷道摩擦阻力系數在固定條件下取該值的可行度最大，即取該值的精確度最高[10]。在進行數據推送時應優先推送精確度較高的數據值。

3）數據確定及使用回執模塊。增加瓦斯數據庫數據記錄準確性，是其發揮最大作用的保證，設計用戶使用回執模塊，當用戶在進行巷道通風網絡仿真，使用數據庫推送的建議數據并成功應用時，數據庫應予以記錄回執；設置數據回執機制，記錄數據使用率，使用率高的數據即是可信度高的數據。

4）數據的統計分析模塊。數據庫中包含大量巷道模擬數據，系統可進行深入數據挖據，分析如巷道同一基本參數條件下巷道由于某一條件，如積水的多少，對巷道摩擦阻力的影響等；為更加精確的通風仿真模擬奠定數據基礎。

5）數據共享模塊。數據庫提供數據接口，數據庫用戶可通過調用數據接口，輸入預訂巷道參數即可，接口通過數據庫數據分析模塊進行數據匹配，返回可靠度和精確度都較高的數據結果。

5 結語

基于大數據管理技術建立礦井巷道通風摩擦阻力系數數據庫，在進行通風網絡仿真時，未測巷道可以根據自身情況，在數據庫中匹配相似巷道類型，得出建議的摩擦阻力系數，可快速計算巷道風阻；為快速建立通風仿真網絡模型提供了高效的數據參照；數據庫的建設為礦井通風網絡快速構建、巷道摩擦阻力影響因素深入研究提供堅實的數據基礎，對促進礦井通風安全、風網風流研究具有重要意義。