煤礦井下AI風門控制系統中的智能優化算法設計與應用

吳偉，王小平，孟學東，杜佳偉，王洋

（陜西煤業物資榆通有限責任公司，陜西 榆林 719300）

在對煤礦井下風門控制系統進行深入研究時，通過分析煤礦井下通風系統的重要性、挑戰和問題，認識到智能優化算法在提高系統效率和保障礦工安全方面的巨大潛力。因此提出針對該系統的設計原則和約束條件，并詳細探討了風門控制系統的動態建模與控制策略，進一步探討了風門控制系統的架構，強調了系統設計和實施的重要性，合理的硬件組成和布局可以確保風門控制系統的高效運行和穩定性。此外，文章還從系統驗證和性能評估的角度進行了論述，考慮到系統的可靠性、安全性和性能指標，提供了相應的評估方法，以驗證風門控制系統的應用效果。

1 煤礦井下通風系統概述

1.1 煤礦井下通風系統的重要性

煤礦井下通風系統在煤礦生產中扮演著至關重要的角色，其重要性體現在兩個方面。一方面對于礦工來說，通風系統能夠保障礦工的安全，通過提供新鮮空氣、排除有害氣體和煤塵等方式，采用適當的風流控制和過濾技術，減少有害氣體和煤塵的濃度，有效降低礦工接觸有毒有害物質的風險，防止瓦斯爆炸、煤塵爆炸和窒息等事故的發生，從而保障礦工的生命安全。另一方面針對礦井整體而言，通風系統在維持礦井穩定性的同時提高了礦井的生產效率，良好的通風系統可以控制礦井內的空氣流動，避免大氣壓力不平衡引發坍塌和地質災害，保持礦井穩定。優化通風系統的設計和運行，提供礦井所需的氧氣和新鮮空氣，調節溫度、濕度和氣流分布，可以保證適宜的工作環境，從而提高生產效率和質量。

1.2 煤礦井下通風系統面臨的挑戰和問題

地下礦井通常具有復雜的地質構造和不規則的空間布局，這對通風系統的設計和布局提出了挑戰。地質條件可能導致通風路徑的阻塞或扭曲，增加了通風系統的復雜性，并且隨著煤礦井下工作的推進，工況的變化很大程度上影響著通風系統的運行。在礦井生產過程中，通風需求可能隨著工作的推進而發生變化，即通風系統需要及時調整通風量和風門開度，以適應不同工況下的需求。這一因素也對通風系統的監測和控制技術產生了影響，在礦下工作的進程中，隨時準確監測礦井內的氣體濃度和溫濕度等參數對于通風系統的有效運行至關重要。再加上煤礦井下存在多種有害氣體，煤礦井內產生的瓦斯、煤塵和其他有害氣體都會對礦工的健康構成威脅，通風系統必須有效地控制和排除這些有害物質，確保礦工的安全和健康[1]。通風系統的不間斷工作也導致能源消耗和運行成本成為新的問題。通風系統通常需要大量的能源供應，包括電力和風機的運行成本，優化通風系統的能源利用效率，減少運行成本，是一個重要的挑戰。

1.3 現有的風門控制方法

風門控制系統是煤礦井下通風系統中的關鍵組成部分，現有的風門控制方法主要包括手動控制、定時控制和傳感器反饋控制，如表1所示，不同的風門控制方法在實際應用中具有各自的特點和適用場景。最為基礎的風門控制方法是手動控制，是一種傳統而簡單的方法，通過人工操作礦工可以根據通風需求手動調整風門的開度。而定時控制，更適用于生產周期穩定、通風需求相對固定的情況，原因在于這種控制方法是基于時間設定的，根據礦井生產的工作周期或時間段，預先設定風門的開啟和關閉時間，比如在礦井休息期間就關閉風門，生產期間開啟風門。綜合考慮通風需求的復雜性和煤礦井內環境的多變性，傳感器反饋控制方法在現代風門控制系統中得到廣泛應用。它能夠實現自動化調節，提高通風系統的效率和安全性，同時減輕礦工的工作負擔，為煤礦通風管理帶來了更加便捷和可靠的解決方案。例如當檢測到有害氣體濃度超過安全范圍時，自動開啟風門增加通風量，直到濃度下降到安全水平。

表1 風門控制方法

2 基于智能優化算法的風門控制系統設計原則

2.1 風門控制系統設計要求

在對風門控制系統進行設計時，不僅僅要基于智能優化算法，還要考慮全面，遵循一些設計要求。設計中主要考慮目標優化，設計的風門控制系統應該有明確的優化目標，根據具體目標來制定優化算法。除此之外，在設計過程中要考慮多個變量，如氣體濃度、溫濕度、風流速度等。通過收集和分析傳感器數據，系統應做到對這些變量進行實時監測和反饋控制，以實現精確的調節和優化。在設計系統過程中，保持系統的靈活性以及實時性也相當重要。風門控制系統不但要具備可調節性和靈活性，根據實時變化的通風需求，自動調節風門開度和通風量，以保持礦井內部環境的穩定性和安全性，而且要提升系統的實時性，實現快速響應，在短時間內根據新的監測數據進行決策，并調整風門控制參數，以滿足實時的通風需求[2]。比如，假設某個煤礦井下的風門控制系統旨在最小化礦井內的有害氣體濃度。設計的智能優化算法可以基于實時傳感器數據進行決策，如公式（1）所示：

將風門開度表示為變量K(t)，有害氣體濃度表示為變量C(t)，Cthreshold表示有害氣體濃度的預設閾值。當檢測到有害氣體濃度超過預設閾值時，算法會自動調整風門開度，增加通風量，以降低濃度。一旦濃度降低到安全水平以下，算法會適當減小通風量，以節約能源并維持合適的通風狀態。

2.2 風門控制系統動態建模與控制策略

動態建模是風門控制系統設計過程中的核心步驟，該模型應能夠準確地描述通風系統的行為和響應特性。在建模過程中，需要考慮通風系統的物理特性、傳感器數據和風門控制參數之間的關系，以及礦井的特定要求和約束條件，這可以通過分析風門開度、通風量、風速、溫濕度等變量的動態變化，并采用數學或統計模型進行描述。譬如，在考慮礦井內部的氣體濃度、溫濕度、風速等因素對風門控制系統的影響下，建立了一個動態模型，根據歷史數據和實時傳感器數據，可以分析了這些變量的動態變化，并將其建模為一個多變量系統，還可以使用傳感器數據和時間序列分析方法來估計氣體濃度的趨勢和周期性變化，以及其與其他變量的關聯關系。而對于控制策略，則是要基于動態模型進行策略設計，這是確保風門控制系統高效運行的關鍵。控制策略要以礦井內部的實時情況，包括氣體濃度、溫濕度和風速等，以及設定的目標，如最小化有害氣體濃度或節約能源為依據，來決定如何調整風門開度和通風量。假設風門開度和通風量分別受到環境參數的影響，可以定義控制策略公式來決定如何調整風門開度和通風量。根據公式（2）所示：

t表示時間，C(t)、T(t)、H(t)、S(t)表示礦井內的氣體濃度、溫度、濕度和風速，這些環境參數隨時間變化。O(t)表示控制策略的目標，比如最小化有害氣體濃度或節約能源。函數g1和g2是控制策略函數，根據實時環境參數和設定目標，決定當前時刻的風門開度和通風量。這些函數可以采用先進的控制算法，如模糊控制、PID控制或基于神經網絡的控制算法，以實現對風門控制系統的高效運行和精確控制。

2.3 優化目標函數的定義

在智能優化算法的風門控制系統設計中，優化目標函數值得重點關注。它用于定義系統要優化的目標或性能指標，起到指導優化算法搜索最優解或近似最優解的作用。而優化目標函數的定義取決于具體的風門控制系統設計目標和要求[3]。較為常見的目標函數定義是最小化有害氣體濃度和最大化新鮮空氣供應，以及能源消耗最小化。如表2所示，前兩者操作方式幾乎相同，只是目的各有區別，而能源消耗最小化則是既追求通風需求又減少能源消耗。優化目標函數的定義可以根據具體的礦井通風需求和系統要求進行定制，通過優化目標函數的定義，智能優化算法能夠在搜索解空間時，更加準確地朝著系統設計目標的方向前進，尋找最優或近似最優的解決方案。

表2 優化目標函數

2.4 智能優化算法的選擇和設計

在選擇智能優化算法時，不單單要依照問題的特性和要求，選擇適合的優化算法，還要針對具體的問題，設計合適的算法參數設置和操作策略。最后再進行算法的測試和優化，確保其在實際應用中的性能和效果。在風門控制系統設計中，選擇合適的智能優化算法是關鍵的第一步，不同的算法在解決不同類型問題時具有各自的優勢和適用性。這些算法在處理高維、非線性和多模態的優化問題時表現出色，因此在風門控制系統的優化和自動化中具有廣泛的應用前景，如表3所示，可以看到不同智能優化算法的適用性和設計原則，為風門控制系統的設計和優化提供了多樣化的工具和方法。這些智能優化算法的應用也將有助于提高風門控制系統的效率、智能化水平，實現更高效的通風調節和能源節約。

表3 智能優化算法

3 風門控制系統設計與實現

3.1 風門控制系統架構

風門控制系統的架構設計是十分關鍵的，如表4所示，它包括一個嵌入式計算機作為控制單元，多個傳感器分布在礦井中采集環境參數，并通過模擬或數字接口與控制器連接；執行器可以采用電動執行器，并通過PWM（脈寬調制）信號控制開度；控制器與其他系統通過以太網接口進行通信，實現數據交互和遠程監控，這些組件共同實現了對煤礦井下通風的精確控制和遠程監控[4]。其中的控制單元是風門控制系統的核心，負責接收傳感器數據、處理算法、控制風門和與其他系統進行通信，由嵌入式計算機或微控制器實現；傳感器用于采集煤礦井下的環境參數，如氣體濃度、溫濕度、風速等；執行器實質上是在控制風門的開度和通風；通信方式包括以太網、無線通信（如Wi-Fi或藍牙）等，與其他系統進行數據交互和遠程監控。通過合理的架構設計，風門控制系統才能夠有效地實現對煤礦井下通風的控制，并確保系統的穩定性、可靠性和安全性。

表4 風門控制系統設計與實現

3.2 系統驗證和性能評估

在風門控制系統設計中，系統驗證和性能評估的目的在于驗證系統是否滿足設計要求和功能需求，確保系統在實際應用中的性能和安全性。系統驗證包括功能測試、穩定性測試和安全性測試等多個方面，如表4所示。比如，測試系統對不同環境參數變化的響應能力，驗證系統是否能夠準確控制風門的開度以維持穩定的通風效果。同時進行故障情況下的應急處理測試，確保系統在異常情況下能夠及時采取措施以保證安全。通過系統驗證，也可以及時發現潛在的問題并進行改進，提高系統的可靠性和穩定性。除了系統驗證，性能評估也是風門控制系統設計過程中的關鍵環節。從表4中可以看出，性能評估考察系統的控制精度、響應速度和能耗效率等關鍵指標，以全面了解系統的實際表現，可以進一步幫助設計者了解系統的實際表現并進行性能優化，以提高系統的控制精度和能效[5]。

4 結語

綜上所述，風門控制系統通過智能優化算法的應用，可以有效提高煤礦井下通風系統的效率和安全性。智能優化算法在風門控制系統中的應用將為煤礦行業帶來巨大的變革，通過優化通風效果、降低能耗和提高系統的實時性和靈活性，可以實現煤礦井下通風系統的可持續發展和礦工的安全保障。隨著人工智能技術的發展和智能化控制的需求增加，風門控制系統在算法設計和系統優化方面可以進一步深入研究，以提升煤礦井下AI 風門控制系統的性能和效益。這一研究領域的進展將為煤礦工業的現代化轉型提供有力支持，為其他領域的智能優化控制系統設計與應用提供借鑒和啟示。