基于云平臺的礦井智能通風監測與控制系統設計

高忠國，溫國惠，高建新，劉 馨，侯澤民

內蒙古雙欣礦業有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017001

煤炭的開采環境通常比較特殊，使得煤礦的安全生產面臨著巨大的挑戰。煤礦事故除了礦井透水事故外，其他事故均與礦井通風相關。事故之所以發生，多數是因為礦井通風網絡中各點風流的監控與監測不完善，煤礦井下的通風動力裝置不先進，主要通風構筑物的相關控制技術不全面或者通風系統的整體監測、控制以及管理水平不夠高[1]。因此有必要采用智能化控制的方法來提高礦井通風系統的運行能力，有效消除礦井通風系統中存在的安全隱患，還能實時監控礦井通風系統的狀態[2-3]。

近年來，關于煤礦通風的研究取得了較多的成果[4-15]。文獻 [4]中利用 Ventsim 系統建立礦井通風系統三維模型，對通風系統動態模擬和實時監測，為通風系統優化改造提供指導依據；文獻 [5]設計了一種基于 S7 系列 PLC 的礦井通風系統監測報警系統，通過 RS485 與現場設備進行數據通信，將數據上傳至遠程監控系統，實現礦井通風系統監測；文獻 [6]通過分析不平衡樣本集對通風系統故障診斷的影響搭建了基于 Wasserstein 距離生成對抗網絡 (WGAN-div) 對不平衡數據集進行數據增強處理，為智能通風的應用提供技術支撐；文獻 [7]構建了基于 OCISVM 的礦井通風系統，解決礦井通風系統樣本獲取困難的問題，填補了應用傳感器實時監測數據進行故障分支診斷的空白。

筆者通過構建一個礦井智能通風監測與控制系統，以通風相關設施為基礎，依托智能感知設備，通過對風流精準感知、多源信息融合技術、通風診斷預警分析及通風網絡解算與智能聯動調控，實現礦井日常按需供風。同時在災變狀態情況下，根據預設方案，實現避災路線規劃及應急情況下通風、調風、控風功能，保障通風系統運行的科學性與先進性。

1 整體結構

礦井智能通風監測與控制系統的系統框架如圖1所示，主要由井下端監測、控制等硬件設備及地面端顯示、解算、預警等軟件系統組成。

圖1 礦井智能通風監測與控制系統Fig.1 Intelligent ventilation monitoring and control system for mines

1.1 地面管理層

地面管理層可以對井下通風網絡進行實時監控、監測數據存儲以及通風構筑物管理等功能，同時具備數據管理、分析等輔助功能，便于礦井通風系統科學管理[16]。

地面管理層開發了“礦井智能通風監測與控制系統”與“礦井三維通風輔助決策系統”的 B/ S 架構服務，并部署到服務器端，工作人員可通過 PC 端或手機 APP 端進行可視化瀏覽，并通過連接通信設備，可以對井下設備進行遠程故障診斷、數據采集、風網解算、風量調控、分析預警、智能控制等操作。運用通風網絡動態解算模型及算法，實現對全巷道風量、風壓、風速實時動態解算，對井下風流按需分配模擬，并為智能決策調控建議回歸驗證模擬提供決策支持，輔助工作人員進行災害預案制定和緊急情況下人員撤退路徑分析等操作。

1.2 井下設備層

將礦井通風系統的超聲波風速傳感器、壓差傳感器、局扇風機、主扇風機、遠程控制風門、遠程調節風窗、遠程調節風門等設備進行技術改造與升級，并增設變頻局部通風機、高清攝像頭視覺識別等設備，提高監測數據的精確性和可靠性。

建設監控分站，通過總線連接監控設備，對風速、風量、風壓、溫濕度進行判斷，實現對掘進工作面局部通風機遠程監測、變頻局部通風機的遠程開停控制、主備局部通風機自動切換、風量動態智能調節控制等功能，最后通過環網交換機連接到服務器進行實時數據上傳。考慮數據傳輸的速度及穩定性等因素，系統以工業以太網為通信工具，并將 Modbus/TCP 協議作為井下集控單元與井上控制平臺的信息媒介，完成通信傳輸[17]。

2 軟件設計與智能風量計算

本系統主要進行礦井智能通風監測系統與礦井三維通風輔助決策系統開發設計。礦井智能通風監測系統的功能主要有實時數據顯示、組合查詢、歷史報警查詢；礦井三維通風輔助決策系統的功能主要有風流感知、通風設備檢測、通風環境監測、通風異常報警、通風網絡解算、通風遠程控制和災變應急控制。

2.1 礦井智能通風監測系統

礦井智能通風監測系統通過接口適配功能同礦井現有的安全監測監控系統、主通風及智能監控系統、掘進工作面風量和風速智能調節系統進行集成，并實現互聯互通，完成數據交互，從地面集中控制柜中讀取數據和下達指令。系統功能如圖2 所示。

圖2 礦井智能通風監測系統功能Fig.2 Function of intelligent ventilation monitoring system for mines

2.1.1 實時數據顯示

平臺支持系統的監測數據，可訪問當前數據和任意時間的歷史數據；報警數據用紅色顯示，能夠聲音報警；支持循環顯示、多屏幕顯示。

2.1.2 信息組合查詢

平臺實現了對融合通風生產數據、監測數據的報警信息、故障信息，并按單位、類型、持續時間、間隔和日期等進行組合查詢。

2.1.3 歷史報警查詢

平臺依托融合通風生產各類監測數據，通過系統平臺預設指標參數閾值進行對比，實時記錄相關預警信息，可對歷史預警記錄信息，按報警類別、報警等級、起始日期、結束日期、持續時間、大于某個值等進行查詢。

2.2 礦井三維通風輔助決策系統

礦井三維通風輔助決策系統人機操作界面基于三維可視化動態仿真模擬平臺，提供三維巷道編輯工具，可快速繪制、打斷和插入新巷道。所建礦井通風網絡模型可真實反映巷道長度、斷面形狀和空間關系，動態模擬巷道內風流方向和風速。用戶可以通過點擊圖標查看設備信息，通過各種檢索條件查詢想要查看的設備，亦可對風門、風扇等設備進行遠程操控。礦井三維通風輔助決策系統功能如圖3 所示。

圖3 三維通風輔助決策系統功能Fig.3 Functions of 3D ventilation decision support system

2.2.1 風流感知

該模塊主要對風流監測設備編號、設備名稱、設備位置、預警類型、監測位、預警時間等信息進行展示，可實時監控，查看歷史數據和預警信息。

2.2.2 通風設備監測

該模塊提供了對風門、風窗、風扇、主扇信息的監測功能，主要監測顯示內容包括電動機數據、主扇運行參數和系統故障。

2.2.3 通風環境監測

該模塊主要對通風環境和通風風量進行監測。用戶可以根據巷道名稱、位置、傳感器編碼進行查詢，查詢內容包括風速、面積、風量、坐標、模式、最小值、最大值等信息。

2.2.4 通風異常報警

該模塊可以對風門、風窗、風機的預警信息進行報警顯示。用戶可以根據設備編號，設備名稱，預警類型，時間段來進行查詢，出現異常時會實時發出預警。

2.2.5 通風網絡解算

該模塊對通風網絡的基本參數進行顯示，包括設備名稱、巷道編號、巷道面積、摩擦因數、風阻、風速、風量、節點等信息，以及對通風解算進行模擬，并對通風網絡解算模型進行解算。

2.2.6 通風遠程控制

該模塊為用戶提供了通過線上對井下設備的遠程操作功能，輸入開度設定和動作時間，即可對風門、風窗、局扇、主扇進行遠程控制，同時顯示各項預警狀態、開關進度、監測數據和操作記錄等信息。

2.3 通風網絡風量解算

礦井的生產推進使得通風系統的網絡參數不斷發生變化，風量解算作為通風網絡優化中的重要一環，對于礦井通風的安全管理起著非常重要的作用。通風網絡風量解算是指在已知通風網絡結構、各巷道風阻、通風機特性以及自然風壓的條件下，解算整個通風網絡中風流流量分布的狀態參數[18]。

采用 Scott-Hinsley 法對風網進行風量解算：首先，根據風量平衡定律假定初始風量，根據回路風壓平衡定律和阻力定律列出網孔風壓平衡方程；然后，按照方程的泰勒級數展開式求風量的校正值，逐步對初擬風量進行校正，直至風壓逐漸平衡，風量值滿足預定精度值ε為止；最終，獲得近似方程組真實解的漸進風量值。

風流在通風網路中流動時，遵守三大定律：風量平衡定律、風壓平衡定律和阻力定律。它們反映了通風網路中 3 個最主要通風參數-風量、風壓和風阻間的相互關系。

2.3.1 風量平衡定律

在單位時間內流入某一節點或閉合回路的空氣質量，等于該時間內流出的空氣質量。若將礦井內空氣視為不可壓縮流體，則質量守恒定律可變為體積平衡定律，即單位時間內流入某節點或閉合回路的風量等于相應的流出風量。

式中：n為某個節點所匯集的分支數；aij為風流方向的符號函數；i為某風網中的第i個節點；Qj為第j條分支的風量。

2.3.2 風壓平衡定律

閉合回路或網孔中不同方向的風流，其各個分支的能量 (風壓) 代數和為零，在含有機械風壓或自然風壓的情況下，還應將二者考慮在內。

式中：n為某個回路或網孔中的分支數；k為某風網中包含的獨立回路或網孔數；bik為表示風流方向的符號函數；Rk、Qi分別為第k分支的風阻和風量；hfi、hni分別為回路i中的機械風壓和自然風壓。

2.3.3 通風阻力定律

一般情況下，井巷中的風流為紊流狀態。因此，通風網路中各分支都遵守紊流通風阻力定律。

式中：hi為風網中第i條分支的風壓；Ri為風網中第i條分支的風阻；Qi為風網中第i條分支的風量。

2.3.4 實現流程與步驟

Scott-Hinsley 法風網解算的執行流程如圖4 所示。其基本步驟如下。

圖4 Scott-Hinsley 法風網解算執行流程Fig.4 Execution process of wind networksolution by using Scott-Hinsley method

(1) 步驟 1 輸入礦井通風網絡參數信息，如網絡結構狀態、分支屬性參數、解算精度等。

(2) 步驟 2 進行風阻排序，求解最小風阻樹，確定獨立回路的組成。

(3) 步驟 3 由于風機工作存在不穩定性，需要求出風機的特性曲線，其中風壓特性曲線可視為二次或三次冪函數，可把風機在正常工作范圍內的部分曲線近似為二次拋物線：Hf=b0+b1Qf+b2Qf2，其中Hf、Qf分別為風機的工作風壓和工作風量。

(4) 步驟 4 擬定初始風量，通常先給余樹邊賦初始值，再計算各樹枝初始風量，對于計算機解算而言，可以任意給定一組整數作為初值。

(5) 步驟 5 迭代計算，分別計算各回路的風量修正值，對該回路的所有分支進行風量修正。

(6) 步驟 6 精度判斷，以獨立回路為單位進行迭代計算。對于一個獨立回路，先求出其修正值

用式 (4) 對回路中的分支風量進行修正，每修正一次后，立即判斷|ΔQi|max＜ε(1≤i≤M)。ε為預先給定的迭代精度指標，若滿足，則終止計算；否則，跳轉至步驟 5 繼續迭代。

(7) 步驟 7 輸出通風網絡風量的解算結果。

3 硬件安裝與系統實現

3.1 通風監測傳感器及其檢測裝置的安裝布局

3.1.1 超聲波測風傳感器安裝及布局

監測的礦井通風數據采用連續的一段巷道的平均風速，改變了傳統的“以點代面”的局限性。監測數據精確、真實可靠地反應當下礦井的通風風量，主要用于進回風巷、采區進回風巷、采煤工作面進回風巷等關鍵巷道及用風地點風速和風量測定[19]。系統選用GFC15 煤礦用超聲波風速傳感器來進行煤礦井下各種坑道、風口、扇風機、井口等處的風速和風向檢測。

巷道內設備布局如圖5 所示。超聲波風速傳感器安裝在有動力電纜的巷道中，要求換能器安裝在盡量遠離動力線纜的上方，超聲波風速傳感器的控制箱和電源箱必須安裝在巷道中無動力電纜的一側，超聲波換能器 A 安裝在動力線纜上方，換能器信號線垂直于動力線纜，連接超聲波風速傳感器控制器。

圖5 巷道內設備布局Fig.5 Equipment layout in roadway

3.1.2 風壓傳感器及全斷面測風裝置安裝及布局

利用動力機構驅動精準測風傳感器，在保持統一水平面上進行垂直運動，借助分站，通過環網將測量數據實時上傳至軟件平臺，經計算得到實時風量[20]，最終實現巷道全斷面智能無人精準測風。全斷面精準測風裝置如圖6 所示。

圖6 全斷面測風裝置Fig.6 Full-face wind measuring device

3.2 通風遠程控制裝置的安裝布局與系統實現

3.2.1 遠程調節風門

風門有 3 種運行模式：自動、手動和遠程。每個模式可以自主切換，并且每組風門都可以單獨設定工作模式，互不干擾。通風遠程控制裝置總體布局如圖7 所示。

圖7 通風遠程控制裝置總體布局Fig.7 Overall layout of ventilation remote control device

在風門外部安裝高清攝像儀，遠程控制平臺可以隨時查看風門的工作狀態。風門前面板含有手自動切換按鈕，遠程模式為地面遠程控制，此時風門的所有權限均為地面權限，紅外遮擋將不會開門；若要在井下正常使用，則需將按鈕切換至自動模式，在自動模式下，風門可按照正常遮擋信號開關門。此風門為電氣風門，手動模式即為氣控按扭開門。在紅外故障等應急的情況下，可切換至其他模式，采用氣控按鈕開門。現場風門如圖8 所示。

圖8 現場風門Fig.8 On-site air door

若出現通信中斷或傳感器故障，管理平臺會自動彈出提示，進行故障點分析，提醒操作人員及時進行檢修。

系統風門遠程控制如圖9 所示。該遠程控制可以通過線上對井下設備的遠程操作，輸入開度設定和動作時間即可完成風門遠程控制。

圖9 風門遠程控制界面Fig.9 Remote control interface for air door

3.2.2 遠程調節風窗

選用百葉窗式調節風窗，進風巷風窗采用電動控制，回風巷風窗采用氣動馬達作為動力源。調節風窗結構合理，運行平穩、可靠，可實現精準調風要求。風窗實景如圖10 所示。

系統對風窗采用獨立控制的方法，針對每一扇窗，通過手動和遠程控制調節風門，可以停留在設置的任何開閉角度，這種開閉方式能更好地滿足對巷道風速和流量的把控力度，讓風門風窗的風速和風壓流量的幅度更符合煤礦的要求。風門遠程控制界面如圖11 所示，用戶可根據需要遠程操作風窗，實時查看風門狀態和設置風門開度。

圖11 風窗遠程控制界面Fig.11 Remote control interface for air window

4 結語

通過設計礦井智能通風監測與控制系統，實現了通風系統的實時監控、異常診斷和風量可控可調，解決了風門同時打開造成的通風系統短路問題。該系統實現了礦井通風系統的安全穩定可靠運行，有效避免了礦井出現風流紊亂、風量不足等事故，提高了通風管理的工作效率，為救災、控災、治災提供了輔助決策，具有廣闊的應用前景。