礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
本文關鍵詞：礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
分類號：ＴＤ７２
單位代碼
安嵌理工大學
ＡＮＨＵＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
嘎士學位論文
論文題目：
作者姓名： 學科專業(yè)： 導師姓名： 完成時問：
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
～————————————一———————————～
邱進偉
安全技術及工程
張同樞教授
二ｏ
ｏ五年四月
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
摘要
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究的當務之急是總結已有經驗，完善并改進現(xiàn) 有礦井通風系統(tǒng)分析理論，應用一切先進的技術手段，實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)的智 能化和高效化。 本論文在對己有研究成果歸納總結基礎上，將非結構模糊集系統(tǒng)理論、模 糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型、礦井通風系統(tǒng)工程理論以及計算機技術交叉結合，應用 到礦井通風系統(tǒng)分析和優(yōu)化研究之中。并在此基礎上，研制開發(fā)了具有綜合性、 通用性較強的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件，并以河南平頂山八礦為實驗對象， 來驗證軟件的實用性和正確性。此項開發(fā)對于礦井通風系統(tǒng)分析及礦井通風系 統(tǒng)設計、改造以及優(yōu)化將提供更加重要的應用價值。
關鍵詞：非結構理論；模糊優(yōu)選；神經網(wǎng)絡；優(yōu)化；系統(tǒng)分析
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｔａｓｋ ｏｆ ｔｏｐ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ
ｍｉｎｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｏ
ｕｓｅ
ｔｈｅｏｒｙ
ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｍｉｎｅ
ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
ａｌｌ ａｄｖａｎｃｅｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｍａｋｅ ｍｉｎｅ
ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ
ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．
Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｎｏｔ．ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｕｚｚｙ
ｓｅｔ
ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅｏｒｙ，ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ
ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｏｐｔｉｍｕｍ，ｓｙｓｔｅｍ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｉｎｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ
ａｎｄ
ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ
ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ
ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ
ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎａｂｉｌｉｔｉｖｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｅｉｇｈｔｈ ｍｉｎｅ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ
ａｓ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｓｕｂｊｅｃｔｓ
ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｅｘａｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐ ｗｉｌｌ ｏｆｆｅｒ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｅｓｉｇｎｓ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ ａｎｄ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄ：Ｎｏｔ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｔｈｅｏｒｙ；ｆｕｚｚｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｎｅｕｒａｌ
ｎｅｔｗｏｒｋ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ
—ＩＩ
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塞搬獯姜太堂
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塞縫堡三
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礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
１緒論
１．１論文研究背景和意義 １．１．１論文研究的背景“”。 礦井通風系統(tǒng)是由通風網(wǎng)絡（包括風網(wǎng)中各條巷道及其風流、通風構筑物和 各類用風場所）、主通風機等若干子系統(tǒng)及其單元組成的大型復雜關聯(lián)系統(tǒng)。其 復雜關聯(lián)的屬性具體表現(xiàn)為系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)性、非線性、時變性和可維修性以及 系統(tǒng)各影響因素之間的強耦合性。由此容易隨機產生大量影響煤礦井下正常通 風及安全生產的隨機故障或事故隱患。 礦井通風的目的是為礦井各用風場所提供足夠的新鮮風量，保證作業(yè)空間 良好氣候條件，沖淡或稀釋有毒有害氣體和礦塵等。而礦井通風狀況的好壞， 在很大程度上直接影響到礦井的安全生產、礦井的經濟效益、礦井的穩(wěn)產和高 產及礦井災害時期的應變能力等。因此，在礦井通風設計與生產期間，均應對 礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性進行分析。 礦井通風系統(tǒng)分析是對礦井通風系統(tǒng)的結構、功能、安全技術經濟指標或 存在的問題，進行理論分析或實驗研究，以便發(fā)現(xiàn)問題、找出疫結、進行評價 分析、并為尋求理想的方案和改進措旌提供理論依據(jù)。而礦井通風系統(tǒng)可靠性 就是滿足礦井通風目的的可靠程度，具體包含兩方碰含義：一是指系統(tǒng)在規(guī)定
時間內保持正常運轉功能，保證礦井安全生產；二是能夠預防各類災害性事故 的發(fā)生，在災害發(fā)生后，具有極強的抗災能力。
然而，由于煤礦自然條件非常復雜、影響礦井逶風系統(tǒng)的因素很多，以及 煤礦的安全管理水平以及計算機水平都較低。因此，把計算機技術應用到礦井 通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化中去，實現(xiàn)礦井安全生產的計算機化，這將對于煤礦的安 全生產做出很大的貢獻。 １．１．２論文研究的意義“ 礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究的當務之急是在總結已有經驗基礎上，完善
并改進現(xiàn)有礦井通風系統(tǒng)分析理論，應用一切先進的技術管理手段，實現(xiàn)礦井
通風系統(tǒng)的智能化和高效化，使之真正成為保障煤礦安全集約化生產、永不停
息的大動脈。近年來，隨著可靠性數(shù)學理論、模糊理論和系統(tǒng)優(yōu)化理論等交叉
學科理論的發(fā)展，以及計算機技術、人工神經兩絡技術的普及提高，推動著系 統(tǒng)可靠性研究進入到了一個嶄新階段。 本論文以河南平頂山八礦為研究對象，通過對該礦現(xiàn)狀、過渡時期以及二 水平三個不同時期的通風系統(tǒng)進行分析，了解了該礦通風系統(tǒng)使用情況，并獲
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
得的許多現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在對己有研究成果歸納總結基礎Ｌ，將計算機技術、模糊 神經網(wǎng)絡技術與現(xiàn)有的礦井通風系統(tǒng)工程理論交叉結合，應用到礦井通風系統(tǒng) 分析和優(yōu)化研究之中。并在此基礎上，研制開發(fā)了具有綜合知識、通用性較強 的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件（簡稱ＭＶＳＡ０軟件）。此項開發(fā)對于礦井通風系 統(tǒng)分析及礦井通風系統(tǒng)設計、改造以及優(yōu)化將提供更加重要的應用價值。 １．２國內外研究現(xiàn)狀及存在問題 礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究不僅涉及通風系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性分析及決 策優(yōu)化的研究領域，而且還涉及到模糊理論�！⒂嬎銠C技術、人工神經網(wǎng)絡技 術Ｉ…、系統(tǒng)工程理論等領域�，F(xiàn)對研究內容所涉及的主要研究領域，國內外研 究現(xiàn)狀及存在的問題作一回顧。
１ ２
１礦井通風系統(tǒng)分析在國內外的研究現(xiàn)狀�！P�！� 穩(wěn)定性理論由俄國數(shù)學家李雅普諾夫創(chuàng)立的，二十世紀三十年代以來，穩(wěn)
定性理論有很大發(fā)展，在自動控制，振動理論，系統(tǒng)工程方面有廣泛應用。 國內外將穩(wěn)定性理論應用礦井通風領域，主要是通過對網(wǎng)絡分支的風流方 向問題的研究，主要的方法有線性方程法，井巷風阻比復合判別法和節(jié)點位勢 法等。這些方法對于大型復雜網(wǎng)絡的風流向判別比較困難，但隨著計算機的普 及，網(wǎng)絡解算程序的應用，問題就得到較好解決。但對于網(wǎng)絡分支的風阻變化 規(guī)律及這種變化對于其它分支的風量的大小和方向影響，卻沒有得到很好的解
決。
可靠性理論作為一門獨立的工程基礎學科，于上世紀３０年代初率先在美國 形成，但是，在２０世紀６０年代，我國才首先在電子工業(yè)部門進行了可靠性工 程技術的開拓性工作。 對于可靠性研究，在國外，前蘇聯(lián)在這方面研究的較早，他們將礦井通風 系統(tǒng)的可靠性定義為：礦井通飆系統(tǒng)在運轉過程中保持其工作參數(shù)值的能力， 以維持井下所必須清潔風量的供應：并將通風系統(tǒng)的失效按重要性分為三級： 一級失效是指整個礦井失效，二級失效是指礦井的很大部分失效（一個煤層、一 翼、一個礦層），三級失效是指礦井的個別采區(qū)失效。他們所采用的評定方法主 要有結構法、模擬模型法、以及統(tǒng)計評價法等。 此外，在通風網(wǎng)絡解算方面，各國的通風專家學者提出了許多理論上可行 的方法。在通風網(wǎng)絡可靠度的不交和算法中，學者Ｆｏｎｇ等提出的改進算法是很 有效的；在文獻中，作者引入了路徑集中獨立集的概念，使復雜、多路徑的礦 井通風網(wǎng)絡解算工作得以在計算機上實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)節(jié)點遍歷法造成的內存 空問不足問題。 在國內，我國礦井通風系統(tǒng)研究也是從八十年代開始的。北京理工大學、
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
中國礦業(yè)大學、東北大學和遼寧工程技術大學等科研院校于現(xiàn)場實際相結合， 在礦井通風系統(tǒng)可靠性指標確定、通風系統(tǒng)可靠性基礎理論研究、以及不確定 性環(huán)境下網(wǎng)絡分風理論研究等方面都進行了有益探討。以上研究在一定程度卜－ 借鑒了機械、電子等領域的可靠性研究成果和結論。目前對礦井通風系統(tǒng)可靠 性進行的定性研究多，定量研究少，尚無一個統(tǒng)一的標準來衡量礦井通風系統(tǒng) 可靠性。其中定量研究主要成果大致有以下幾部分： １９８５年，徐瑞龍教授應用圖論和可靠性理論相結合的方式討論了通風網(wǎng)絡 的可靠度計算，為礦井通風系統(tǒng)的可靠性分析提供了一種定量判別的途徑。文 中定義了風路和風網(wǎng)的可靠度，提出了用通路法和半割集法計算風網(wǎng)的可靠度， 以及用風網(wǎng)的靈敏度分析來找出影響整個風網(wǎng)的可靠度的關鍵風路，為礦井通 風系統(tǒng)的可靠性分析提供了依據(jù)。 １９８７年，趙永生教授提出了用逐步線性回歸分析法求對網(wǎng)絡影響最大的風 路。其基本研究思想是：當要研究因變量ｑ，與自變量ｒ。（ｉ＝ｌ，２，…，ｎ）之間的相 互關系、并利用這種相互關系對因變量ｑ。進行預測和估計時，就可采用多元回 歸的方法，把諸變量之間的相互關系用回歸方程式表示出來。為了減少觀測的 項目及減少計算工作量，人們通常并不把所有的自變量ｒ，和因變量ｑ，都建立在 同一個回歸方程之中，而是把為數(shù)眾多的可能影響預報量ｑ。的自變量ｒ．進行“篩 選”，找出最重要的因素，從而建立一個最優(yōu)的回歸方程。 １．２．２模糊優(yōu)化理論研究及應用現(xiàn)狀…“’ 決策是人類社會活動中不可缺少的重要部分，是管理的核心。它涉及到人 類生活的各個領域。決策有狹義和廣義之分。狹義地講，進行決策是在幾種行 為方案中進行選擇。廣義地講，決策還包括在做出最后選擇之前必須進行的一 切活動。廣義上的定義，基本上把握了決策的含義。決策是指為達到一定的目 標，從兩個以上的可行方案中選擇一個合理方案的分析判斷過程，即決策是決 策者經過各種考慮和比較之后，對應該做什么和應該怎么做所作的決定。在進 行決策時，需要有“目標”和“備選方案”兩方面的因素。 模糊決策理論是一門將模糊數(shù)學與決策理論相結合的理論。模糊數(shù)學就是 用數(shù)學方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的數(shù)學分支。模糊性的產生源于模 糊概念，所謂模糊概念是指有一定內涵但沒有明確外延的概念。模糊性就是指 客觀事物差異的不分明性。人們不能為遷就現(xiàn)有的數(shù)學方法而改變由于這些學 科的特點決定的客觀規(guī)律，而只能改造數(shù)學，使它的應用面更為廣泛，模糊數(shù) 學就是在這樣的背景下形成的。模糊數(shù)學誕生于１９６５年，它的創(chuàng)始人是美國自 動控制專家扎德（Ｌ¨Ａ．Ｚａｄｅｈ）教授。他提出了“模糊”的概念：“所謂模糊，是 指邊晃不清楚，即在質上沒有確切的定義，在量上沒有明確的界限”。引入了“隸 屬度函數(shù)”這個概念來描述差異的中間過渡，這是精確性對模糊性的一種逼近。
３
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
隸屬度函數(shù)的引入標志著模糊數(shù)學的建立，因為它是描述模糊性的關鍵。 １９８８年，陳守煌、趙瑛琪將系統(tǒng)分析與模糊集分析有機結合，提出了系統(tǒng) 層次分析模糊決策優(yōu)選模型。其基本思想是：根據(jù)系統(tǒng)可分性原理，將評價因 素按其屬性分解為若干個分系統(tǒng)，然后逐一地對每個分系統(tǒng)進行方案集的模糊 優(yōu)次評價，確定分系統(tǒng)中各個方案從屬于模糊概念“優(yōu)”的隸屬度（稱為優(yōu)屬度） 再根據(jù)各個分系統(tǒng)中各個方案的優(yōu)屬度進行高一層次方案集的模糊優(yōu)次評價， 如此由系統(tǒng)的最低層次出發(fā)，逐一地對每一層次進行模糊優(yōu)次評價，最后可以 得到最優(yōu)方案的優(yōu)次排序。這一模型為解決水資源大系統(tǒng)多層次多方案的綜合 評價問題提供了一條解決問題的新途徑。為了分析此模型的特點，陳守煌提出 了多目標決策模糊優(yōu)選逆命題的兩種求解方法，并應用于豐滿水庫的防洪調度 決策中，給實現(xiàn)決策者的防洪調度決策意圖帶來方便。 １，２．３計算機技術在礦井通風中應用現(xiàn)狀及存在的問題 （１）計算機在礦井通風中的應用現(xiàn)狀 由于煤礦生產環(huán)境的復雜性和特殊性，計算機技術在礦井通風中的應用也 較晚，以前的研究大多數(shù)僅限于理論研究，但是，隨著電子計算機的出現(xiàn)，礦 井通風網(wǎng)絡分析中大量復雜的數(shù)值計算才成為可能，礦井通風網(wǎng)絡理論才得到 迅速的發(fā)展和應用：本世紀５０年代以前，各國學者就一直在研究通風網(wǎng)絡的具 體算法，但都未得到實際的應用；５０年代末，計算機開始應用于礦井通風網(wǎng)絡； ６０年代初，英、美、日、蘇、德等國學者開始了計算機在礦井通風方砸的應用 研究；我國在７０年代中期也開始了網(wǎng)絡解算方面的研究。 目前，在這一方面的研究取得了一系列的成果，在礦井設計和生產中亦得 到了廣泛的應用，比較典型的有：中國礦業(yè)大學研究的礦井通風網(wǎng)絡解算系統(tǒng) 軟件，采用Ｖｃ語言開發(fā)，該軟件采用通風網(wǎng)絡參數(shù)解算與通風系統(tǒng)圖形相結合 的方式，為解決復雜的通風網(wǎng)絡調試中經常出現(xiàn)的分支反向問題提供了便利的 處理工具；西安建筑科技大學應用面向對象的高級語言ＶＣ開發(fā)了礦井通風系統(tǒng) 模擬平臺。這些軟件能進行礦井通風網(wǎng)絡解算和網(wǎng)絡分析，為礦井通風網(wǎng)絡的 設計和改造提供方便：但是，這些軟件也存在許多缺點。 （２）存在的主要問題 隨著計算機性能和計算速度的大幅度提高，已有一些軟件能夠解決一般的 通風網(wǎng)絡問題。而國內還尚缺少方便、實用的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件， 傳統(tǒng)的軟件大多數(shù)存在以下缺陷： １）軟件解決問題的能力較差，分析的問題不夠全面。 ２）數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)文件的格式存儲，處理起來較困難，編輯能力較差。 ３）軟件的可視化程序不高，功能不夠完善，不能很好地實現(xiàn)人機接口，大 多數(shù)軟件必須經過專門培訓后才能進行推廣。
４
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
４）軟件實用性較差，自動化程度較差，人參與的程度較高。 盡管在礦井通風系統(tǒng)分析與決策優(yōu)化方面已有相當?shù)难芯砍晒�，然而到�?前為止，通用性較強，得到本專業(yè)同行…致認可，且應用簡便，有相應程序軟 件的研究成果并不多見。 １．３論文研究內容及技術路線 １．３，１論文研究內容 本論文主要研究目的：以礦井通風系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)國內外的研究現(xiàn) 狀及煤炭行業(yè)的具體實情，并在研究礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化模型理論及其 些算法的基礎上，通過對礦井生產實際條件的調查、了解，收集了有關的資料， 根據(jù)礦井及科研人員的具體要求，應用可視化和面向對象的編程語占Ｖｉ
ＢａｓｉＣ ｓｕａｌ
６．０和數(shù)據(jù)庫技術，開發(fā)基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)
化軟件，從而達到對通風系統(tǒng)設計與改造提供指導意義。論文研究主要包括如 下內容： （１）建立礦井通風系統(tǒng)設計與改造優(yōu)化評判指標，并確立評判指標權重 本部分是通過對影響礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化決策的模式的研究分析，建立評判 指標體系，并根據(jù)對方案優(yōu)選影響因素的不同，從中選擇對方案優(yōu)選影響較明 顯，或在不同方案之間進行比較中影響程度差別較大的因素，作為最終的評判 指標；然后根據(jù)確立的評判指標提出了基本單元系統(tǒng)因素權重的求解原理，并 求解評判指標的權重。本部分研究內容包括：影響礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化決策的模 式分析、礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化指標的確定與分析、基本單元系統(tǒng)因素權重的 求解原理。 （２）確立礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學模型 通過對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化工作的詳細分析，將模糊優(yōu)選、決策理論和模糊 神經網(wǎng)絡技術結合，實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)設計與改造方案嘗試性的優(yōu)選。本部 分主要內容包括：模糊優(yōu)選的理論模型介紹、多層系統(tǒng)模糊優(yōu)選及其與ＢＰ神經 網(wǎng)絡的關系、模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型以及與綜合評判優(yōu)選法的比較分析。 （３）礦井通風系統(tǒng)分析的理論研究及模型的建立 本部分主要是以礦井通風安全理論為基礎，通過對礦井通風系統(tǒng)進行研究， 從而建立起礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性、通風網(wǎng)絡結構合理性、阻力分布合理性、主 通風機穩(wěn)定性分析數(shù)學模型，從而達到實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)分析的目的，為礦井 通風系統(tǒng)分析或優(yōu)化研究與開發(fā)提供了理論依據(jù)。 （４）礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件的研制與開發(fā) 本部分主要是研究礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件的研制與開發(fā)過程與思 路。該軟件是以礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化理論為基礎，將各章獨立子系統(tǒng)進行
５
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
了程序連接及數(shù)據(jù)共用處理。首先，對軟件開發(fā)的基本理論進行介紹：其次， 該系統(tǒng)整體結構特點、開發(fā)工具、主要功能模塊、界面設計進行總體介紹；再 次，對該系統(tǒng)主要子模塊的數(shù)據(jù)結構、程序流程及界面設計進行詳細介紹；最 后，對軟件的使用環(huán)境與測試進行了簡要的介紹。 （５）綜合應用 本論文以平項山八礦的通風系統(tǒng)為研究對象，通過所開發(fā)的軟件對該礦現(xiàn) 狀的通風系統(tǒng)進行了分析，并對該礦井二水平通風系統(tǒng)方案進行了嘗試性的優(yōu) 選，從而為該礦的通風系統(tǒng)優(yōu)化以及后期改造設計提供了理論依據(jù)；同時驗證 礦井通風系統(tǒng)分析與決策優(yōu)化軟件的正確性與實用性。
１
３
２論文研究技術路線 鑒于理論分析、算法實現(xiàn)與應用研究三者之間存在的內在規(guī)律性，該論文
主要遵循礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化理論研究（包括礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化模型的建 立、通風系統(tǒng)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡結構合理性、阻力分布合理性、主通風機穩(wěn)定性分
析等）一軟件開發(fā)（包括開發(fā)環(huán)境的選擇、實現(xiàn)方法及可行性驗證等）一應用研究 （包括數(shù)據(jù)分析、處理技術等）的技術研究路線進行，研究框圖如圖卜１所示。
收集整理歸納以往研究成果
礦井通風系統(tǒng) 分析理論研究
通風系統(tǒng)優(yōu)化 影響因素分析 系統(tǒng)優(yōu)化評判指標建立
Ｌ——Ｆ＝Ｊ匕產 酬殿㈣騮剝厘星 ｜｜學模型Ｉ廣＿上，
系統(tǒng)穩(wěn)定ｌｌ網(wǎng)絡結構｛１分布合理１ｌ風機穩(wěn)定ｌ 性分析數(shù)｜｜分析數(shù)學｜Ｉ性分析數(shù)｜｜性分析數(shù)Ｉ
學模型
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模型
｜｜學模型
系統(tǒng)優(yōu)化評 判模型建立
通風系統(tǒng)分析子模塊研制
通風系統(tǒng)優(yōu)化子系統(tǒng)研制
嘲卜ｌ論文研究的技術路線圖
６
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
３礦井通風系統(tǒng)模糊優(yōu)選理論模型
３．１概述 決策的實質是優(yōu)選。優(yōu)是模糊概念，且優(yōu)與劣之間不存在絕對分明的界限； 而模糊性是指客觀事物、概念處于共維條件下的差異在中介過渡時所呈現(xiàn)的辦
此辦彼性”１。模糊集合論的運用是從模糊性中去確立廣義的排中率一隸屬度規(guī)
律。模糊性不服從排中率，存在著中介狀態(tài)是辦此亦彼，但是在辦此亦彼中依 然存在一定的差異，仍可以相互比較。 決策活動是人們進行選擇或判斷的一種思維活動。對于復雜的社會經濟系 統(tǒng)，過去人們主要靠主觀判斷進行決策，缺乏科學性。５０年代開始由于系統(tǒng)工 程的發(fā)展，人們從系統(tǒng)分析的觀點出發(fā)，運用晟優(yōu)化的理論與方法，對系統(tǒng)進 行決策分析，大大地發(fā)展了系統(tǒng)工程的理論。但大量的實踐表明，由于系統(tǒng)的 復雜性，大部分現(xiàn)實的復雜系統(tǒng)很難完全用精確的經典最優(yōu)化理論模型解決。 因此，決策方案的選擇決不是簡單地在決策模型基礎上的一次性數(shù)據(jù)大小的比 較，也不是簡單地對決策模型給出的方案進行優(yōu)劣評價的問題，而要綜合考慮 多方面的因素，進行一系列的決策一反饋一再決策一再反饋，通過這種對話式 的決策信息輸出和反饋，最終達到決策優(yōu)選的目的。 本章將利用陳守煜教授和聶相田副教授創(chuàng)立的模糊優(yōu)選人工神經網(wǎng)絡理論 對平頂山八礦二水平通風系統(tǒng)方案進行決策，以適應該礦井的通風系統(tǒng)的需要。 最后將該決策結果與其它傳統(tǒng)的決策方法進行對比計算。 ３．２模糊優(yōu)選的理論模型 ３．２．１模糊決策矩陣 設系統(tǒng)有滿足約束條件的ｎ個方案組成的方案集，以ｍ個目標（指標）對 方案的優(yōu)劣進行評價，則矩陣ｘ表示ｍ個目標對ｎ個決策方案的目標特征值矩 陣（決策矩陣）：
ＸＩｌ
Ｘ１２…Ｘ１月 Ｘ２２…Ｘ２ｎ
Ｘ＝
Ｘ２１
＝（Ｘ。）
（３—１）
式中ｉ＝ｌ，２，…，ｉｌｌ；ｊ＝ｌ，２，…，ｎ；Ｘ，，方案Ｊ目標ｉ的特征值。 對于設計方案模糊優(yōu)選分析分析的目的在于：確定每個方案對于模糊概念 “優(yōu)”的隸屬度，其中隸屬度最大的方案，即為最優(yōu)方案。
１６
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
２礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化指標的選取及權重的確定
２．１影響礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化決策的模式 礦井通風系統(tǒng)通常是一個多目標、多屬性、多層次、多功能、多階段的決 策系統(tǒng)。系統(tǒng)決策不僅要掌握自然規(guī)律的變化對系統(tǒng)帶來的影響，同時更需要 掌握礦井災害事故對社會、經濟、生態(tài)、環(huán)境的系統(tǒng)造成的嚴重后果。而制約 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化決策的因素有很多，它涉及到自然、社會、經濟、技術等多 個復雜的相互聯(lián)系但又彼此制約的因素或目標。它具有規(guī)模大、聯(lián)合性和隨機 性的特點。因此，它是一個具有復雜性和不確定性的系統(tǒng)，屬于多目標模糊優(yōu) 化決策問題。 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)選決策是利用科學的方法綜合考慮影響礦井通風系統(tǒng)的各 種因素，并應用先進的手段和方法從眾多的方案中確定技術可行、經濟合理、 安全可靠等方面總體效果最佳的方案。最優(yōu)化的決策結果能給礦井的生產帶來 顯著的經濟效益和巨大的生產潛力。它是礦井通風系統(tǒng)設計的主要內容之一， 是反映礦井設計或改造和質量的關鍵因素。因此，最優(yōu)化的評判結果能給礦井 生產帶來顯著的經濟效益和巨大的生產潛力。 影響礦井通風系統(tǒng)的因素有很多，而且各因素之間還存在著不可公度性和 矛盾性。因此，可以把影響礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的因素劃分為兩類：復雜性模式 和不確定性模式。
２
１．１復雜性模式 復雜性模式主要指礦井通風中存在的優(yōu)化問題的復雜性和在技術快速發(fā)展
環(huán)境下模擬工具的復雜性。具體有可分為三個方面：問題復雜性、計算能力和 優(yōu)化技術。 （１）礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化問題復雜性。第一，礦井資源的開發(fā)和利用，涉及 到國計民生、生態(tài)環(huán)境等許許多多的因素。因此，礦井資源系統(tǒng)通常是一個結 構復雜、功能綜合、影響因素眾多的復雜的大系統(tǒng)。第二，礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化 需要考慮的因素很多，其間關系錯綜復雜，往往難以用精確的數(shù)學模型來描述。 第三，礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化目標常常涉及多方面，其中不僅包括許多易于定量的 清晰目標，而且有更多的不易確定的定性目標。最后，系統(tǒng)決策受到決策人的 經驗、知識水平等多種模糊性因素影響。 （２）計算能力。隨著各項技術的進步，計算機的處理能力、處理速度、存 儲能力都大幅度提高，但是本質上還是采取大規(guī)模的集成電路，仍屬于第四代 計算機。 （３）優(yōu)化技術。優(yōu)化技術的進步是上世紀系統(tǒng)分析方法的引入。系統(tǒng)分析
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
方法主要研究確定系統(tǒng)內部有關要素、結構、功能、狀態(tài)、行為等之問的關系 及其與外部之間的相互關系，并通過邏輯思維推理和科學計算的定量途徑，找 出可行方案；在經過分析、綜合和評價技術，選出可行方案的最佳者，供決策 者參考。所以系統(tǒng)分析是對系統(tǒng)工程做出定量評價的基礎，也是優(yōu)選方案的工 具。系統(tǒng)分析的重要內容是：確定系統(tǒng)目的和目標，建立系統(tǒng)數(shù)學模型，實施 模擬和優(yōu)化技術，進行分析、綜合和評價，做出選擇方案的滿意決策“１。系統(tǒng) 分析包括模擬技術和優(yōu)化技術兩大類，而優(yōu)化決策的前提條件是進行系統(tǒng)分析。 ２．１．２不確定性模式 不確定性模式是指與礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)可利用性和變量隨時間 和空間的自然變化，具體有可分為三個方面：不確定性、可利用數(shù)據(jù)和條件變 化，其關系如圖２一ｌ所示。
時間卒間
圖２－ｌ不確定性模式示意圖
（１）不確定性。影響礦井通風系統(tǒng)的不確定性因素很多，且隨著煤的不斷 開采，這些不確定性因素會越來越多。這些不確定因素可以劃分為兩類：由通 風網(wǎng)絡結構的變化引起的不確定性和由管理或社會環(huán)境引起的不確定性。而這 兩類不確定性都存在一定的模糊性。 （２）可利用數(shù)據(jù)。礦井通風系統(tǒng)是一個動態(tài)的生產系統(tǒng)，它隨著時間和空 間的變化，數(shù)據(jù)發(fā)生不斷的變化，以前的一些數(shù)據(jù)的可利用性都會相應的下降。 （３）條件變化。隨著氣候條件的變化、人類的活動的影響及地質條件的變 化，礦井通風系統(tǒng)也發(fā)生變化。 ２．２礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化指標的確定與分析 新礦井在通風系統(tǒng)設計或生產礦井在進行通風系統(tǒng)技術改造設計時，必須 根據(jù)礦井的地質條件、礦井開拓和生產布局可擬定出很多可行的設討’方案，并 且各個方案各有優(yōu)缺點。要從眾多的方案中確定出最優(yōu)的通風系統(tǒng)方案，必須 首先確定礦井通風系統(tǒng)的評判指標。 對于不同的礦井或通風系統(tǒng)，涉及因素又有不同，而要想將影響因素全部
８一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
羅列出來，并確定出進行方案比較的評判指標是很困難的。因此，必須從解決 礦井通風系統(tǒng)方案優(yōu)選的觀點出發(fā)，確定進行方案優(yōu)選影響因素分析及建立評 判指標體系，僅選擇對方案選擇影響較明顯，或在不同方案之間進行比較中影 響程度差別較大的因素。根據(jù)影響因素，建立指標體系，選擇相同因子。
２ ２
１礦井通風系統(tǒng)評判因子的確定的原則 通過對影響礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化復雜性和不確定性模式的分析，由此歸
納出礦井通風系統(tǒng)評判因子確定必須堅持的６項基本原則： （１）評判因子的確定應該充分體現(xiàn)科學性、可比性、客觀性、針對性、超 前性和可操作性。 （２）評判因子的建立要堅持“系統(tǒng)性和完整性相結合”、“科學性與實用性 相結合”、“特殊性與普遍相結合”、“定性與定量相結合”、“動靜相結合”、“面 面俱到”和“不可偏廢”的原則。 （４）評判因子的建立要以“揭示問題、促進管理水平提高、促進科學技術 進步、促進礦井安全程度提高”為目的。 （５）評判因子的建立要具有導向作用，即評判指標能指導今后工作和努力 方向。 （６）評判因子的建立必須符合多數(shù)專家的意見，能夠全面確切地反映出礦 井通風系統(tǒng)的狀況和技術質量特征，具有獨立的物理意義。
２．２
２礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化評判因子的確定 安全性較好的礦井通風系統(tǒng)的標志是通風系統(tǒng)完整，主要通風機裝置運行
狀況良好、與通風網(wǎng)絡匹配，通風井巷聯(lián)結形式合理，風質風量滿足要求。通 風系統(tǒng)的狀況和質量是用一套定性和定量指標表示的。定性指標沒有計量單位， 離散性、確定性是礦井通風系統(tǒng)定性參數(shù)的特點；定量指標是從數(shù)量方面來說 明礦井通風系統(tǒng)的，即它們的變化具有數(shù)量尺度。 表明礦井通風系統(tǒng)的指標較多，且每一類中也有較多的指標，如果直接用 這些指標對礦井通風系統(tǒng)進行評判則太繁瑣，并且有的指標物理意義相同，只 是從不同的側面說明同一個問題而已。為了從這些指標中確定出評判礦井通風 系統(tǒng)的指標，通常采用的“征集專家評分”方法，即把事先印好的“礦井通風 系統(tǒng)評判指標征求意見表”發(fā)給各位專家，請各位專家根據(jù)實際工作經驗、知 識和綜合分析能力，對礦井的通風系統(tǒng)指標進行評議和打分，依靠各位專家的 經驗、知識和綜合分析能力，確定評判礦井通風系統(tǒng)方案的指標。 根據(jù)評判指標確立的６項基本原則，并在大量調研、文獻檢索、統(tǒng)計分析、 經驗總結和反復聽取并征求各方面專家的意見的基礎上，提出了影響礦井通風 系統(tǒng)方案優(yōu)選的主要因素指標集，共分３大類，１１小項，其層次結構模型如圖
ｇ
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
２
２所示。 目標層（Ａ）Ｉ通風系統(tǒng)設計與改造優(yōu)化
準則層（Ｂ）ｌ技術先進Ｂ．Ｉ
ｌ經濟合理Ｂ：ｌ
ｌ安全可靠Ｂ，
指標層（ｃ）
礦 井 風 壓
風 噩 供 需
比
結 構 △
ＩＺ３
井 巷
工
設 備 購
置
理 性
程 費
費
巷 道 維 護 費
噸 煤 通 風 電 費
用 風 地 點 角 聯(lián) 數(shù)
風 速 超 限 狀 況
風 機 運 轉 穩(wěn) 定
性
礦 井 抗 災 能 力
圖２－２礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化的層次結構模型圖
２．２．３礦井通風系統(tǒng)評判指標及其數(shù)學描述 礦井通風系統(tǒng)評判指標力求全面客觀地評估礦井通風系統(tǒng)的可靠程度，其 指標應能反映礦井通風系統(tǒng)的技術質量特征，從安全角度出發(fā)對礦井通風系統(tǒng) 進行全面分析，并參考《煤礦安全規(guī)程》和《生產礦井質量標準化標準》中有 關規(guī)定和現(xiàn)場科技人員的經驗，綜合分析，按照主從相關、回歸關系和方向性 原則，確定的評價指標。 （１）表明技術先進的指標 ①礦井風壓。礦井風壓是指ｌｍ／ｓ的空氣流過礦井通風網(wǎng)絡時，所消耗的 機械能量。礦井風壓越高，通風管理難度就越大，一般認為礦井的風壓不超過
３０００
Ｐａ，其計算公式為：
，：ｌ
風量供需比Ｂ。即Ｂ＝Ｑ／Ｑ０
１而＾＞３０００
ｈ≤３０００
（２一１）
【１
其中ｈ為風壓（取整數(shù)），Ｐａ，。多臺主要通風機聯(lián)合運轉時，分別計算各 臺主要通風機所擔負系統(tǒng)的風壓，并取較小的值作為ｆ的值。 ②風量供需比。礦井實際通過的風量Ｑ與礦井所需風量甌的比值即是礦井
一般認為礦井風量供需比值在［１，１．２］之間較為合理，小于ｌ時礦井風量 不足，大于１．２時風量過剩，最大不超過１．５，由此得出該指標量化公式為：
１０一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
０
∥≥１．５或∥＜１
５一半１．２＜盧＜１．５（２－２）
１ １≤口≤１．２
，＝仁恭ｏｓｓ
∞，，
Ｄ—Ｎｘ２４ｘ
３６５ｘＣ
８７６０
絲
，元／ｒ
（２—６）
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
ｎ�！儔浩餍�，�。埃�； Ｂ——礦井的年產量，ｔ。
（３）表明安全可靠的指標 ①用風地點角聯(lián)數(shù)。它是指礦井用風地點的角聯(lián)總數(shù)。 ②風速超限狀況。礦井通風要求巷道的風速符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定， 而風速超限的分支數(shù)的多少反映了礦井井巷的通風狀況。則其量化計算公式為： ，＝ｎⅣ（２－７）
其中，ｎ一一礦井風速超限的分支數(shù)
Ｎ——礦井分支總數(shù)
③風機運轉穩(wěn)定性。它是指風機的工況點是否在合理的范圍內，各風機之 間是否有干擾。 從安全角度出發(fā)，主要通風機的實際工作風壓上限不得超過最高風壓的 ９０％；從經濟角度出發(fā)，不得低于最高風壓的６０％。則主要通風機運轉穩(wěn)定性的 量化計算公式為：
廠＝｛０主｜５簍慧ｎ６
的ｆ值。
ｐｓ，
其中ｋ，＝Ｈ．。／Ｈ。。式中Ｈ｛。一主要通風機實際工作風壓，Ｐａ；Ｈ…，一主要通
風機最高風壓，Ｐａ。對于多臺風機的情況，計算每臺通風機的ｋ，值，并取最小
④礦井抗災能力。礦井抗災能力是一個綜合指標，它是指礦井通風系統(tǒng)具 有的有利于沖淡、排放瓦斯，有利于降塵，有利于防滅火，有利于降溫的能力， 及礦井通風系統(tǒng)是否有可靠的安全出口、避災路線和其他安全措施等。 ２．３非結構決策分析單元系統(tǒng)因素權重的求解原理 上一節(jié)建立礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化指標體系，要想用指標體系進行方案比 較，就必須確定指標的權重。而權重是權系數(shù)集合的簡稱，是各項指標相對隸 屬度的關系集，它表明了各指標與評判結果之間的確定關系。指標體系按層次 性和結構性要求建立之后，確定之后，要研究指標之間的相關形式和相關程度， 以及它們之間在系統(tǒng)中的層次分布，權重反映各個指標在通風系統(tǒng)的重要和相 關程度。其確定的合理性直接影響到評判結果的合理性，是決定評判工作成敗 的關鍵之一。
２
３．１權重的求解方法的選取
１２
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
由于評判項目和評判指標多、涉及范圍較廣，所以確定權重是較為復雜的 問題。確定權重的方法有許多，目前比較重要的方法有：層次分析法（ＡＨＰ）、 統(tǒng)計實驗法和專家評議法等。 但是，指標權重的確定通常滲入人的主觀意識，因此可以說指標權重的確 定任意性很大，不同的決策者和不同的領域專家，甚至相同領域專家對同一指 標所賦的值都不一定相同，有時差別還很大。 鑒于這種種難以解決的難題，陳守煜“１根據(jù)我國語言與思維習慣的“互補性” 判斷準則，提出了非結構決策模糊集分析單元系統(tǒng)理論，而非結構性決策的基 本特點是在對系統(tǒng)進行分解與綜合的基礎上，充分運用人的經驗與知識，對大
量復雜的定性因素，反復就關于模糊概念一一重要性、優(yōu)越性等進行二元相對
比較與量化。并根據(jù)我國語言與思維的習慣，以互補性準則作為二元對比的判 斷準則。 基本單元系統(tǒng)就是系統(tǒng)的層次之間因素與因素、因素與方案的聯(lián)結結構， 將非結構性決策系統(tǒng)優(yōu)化問題，變換為對一系列單元系統(tǒng)非結構模糊優(yōu)選問題 的求解。而對基本單元系統(tǒng)因素權重的求解也屬于這一求解內容。 ２．３．２基本單元系統(tǒng)因素權重的求解原理 Ｆ面重點介紹基本單元系統(tǒng)因素權重的求解原理：即先定性后定量來確定 因素的權向量。
Ｗ＝（ｗ．，Ｗ２，…，Ｗ。）
（２－９）
（１）、重要性有序二元比較定性排序原理 設基本單元系統(tǒng)中的方案集ｃ。與Ｃ．間作重要性二元比較，以ｆ。表示重要性 定性排序標度。
若ｃ。比ｃ，重要，取厶＝ｌ，厶＝０Ｉ 若ｃ，比ｃ。重要，取厶＝ｏ，厶＝１｝
（２—１０）
若ｃ。與ｃ，同樣重要，取名＝廠肫＝０．５Ｉ
有￡。＋ｆ。Ｆ１，ｆｋ。＝ｆ－。＝Ｏ．５。 定理２－１ 設基本單元系統(tǒng)中有因素集（指標集） Ｃ＝｛ｃ．，ｃ２，…，ｃ。） 其重要性的二元對比矩陣為：
＾。
ｆｌｗ ＝（＾，） （２—１１）
｛。、｛。：??－
｛。。
一１３一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
ｋ＝ｌ，２，…，ｍ；ｌ＝ｌ，２，…，ｍ。
若滿足條件
（１）凱＞厶時，
瓠＝０
ｌ
（２一１２）
（２）當名＜Ａ，時，有丘＝１｝ （３）當名＝Ａ，＝０．５時，有名＝０．５Ｉ
則矩陣Ｆ必滿足重要性排序的傳遞性，Ｆ稱為重要性排序一致性標度矩陣。
ｈ＝１，２，…，ｎ．
根據(jù)定理２—１可得出推論２—２如下： 重要性排序一致性標度矩陣Ｆ各行和數(shù)由大到小的排序，給出因素集在滿 足排序一致性條件下的重要性定性排序。其中標度為０．５的兩個元素，對應行 和數(shù)相等排序相同。 由以上的重要性有序二元比較法確定各因素之間的相對重要性的排列關 系，然后相應地采用語言變量由強到弱的語言值去求每個方案的指標的權重。 （２）、建立語氣算子與相對隸屬度之間的對應關系式 為了在二元對比中更易于按我國的語言習慣給出了定量標度，故建立了語 氣算子與重要性標度之間的對應關系式，而這兩者之間的對應關系之間存在兩 個邊界值：語氣算子“同樣”和“無可比擬”，其定量標度分別為０．５和ｌ，它 們之間的對應關系如下表２－１所示：
表２—１語氣算予與定量標度相對隸屬度之間的關系 語氣算子 定量標度
０．５２５ ０．５７５ ０．６２５
同樣稍稍略為較為明顯顯著十分非常極其極端無可比擬
０．５ ０．５５ ０．６ ０．６５ ０．７ ０．７５ ０．８ ０．８５ ０．９ ０．９５ ０．９７５ ０ １
０．６７５ ０．７２５ ０．７７５
０．８２５ ０．８７５ ０．９２５ ０．１７６ ０．１ｌｌ
相對隸屬 度
１．０
０．８１８
０．６６７ ０．５３８ ０．４２９ ０．６０
０．３３３ ０．２５
０．０６３ ０．０２６
０．９０５ ０．７３９
０．４８１ ０．３７９ ０．２９
０．２１２
０．１４３ ０．０８１
（３）、指標權重的歸一化處理 應用表２．１得到非歸一化的指標權重的相對隸屬度向量
Ｗ’＝（Ｗ：，Ｗ■．，ｗ：）
這里序號ｉ，２，…，ｍ是按因素集對重要性的有序攤列，且ｗ’＿１。
（２－１３）
將非歸一化的指標權重的相對隸屬度向量歸一化處理后，得到因素集的權
１４
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
Ｗ＝【ｗ：，∑Ｗ～ｉ，Ｗ２／∑ｗ；，
向量： ＝（ｗｌ，ｗ ２，…Ｗ。），∑ｗ。＝１
』＝１
（２—１４）
應該指出，上述確定因素集權向量的理論與方法，完全適用于非結構性或 結構性決策的目標特征值的確定。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
３礦井通風系統(tǒng)模糊優(yōu)選理論模型
３．１概述 決策的實質是優(yōu)選。優(yōu)是模糊概念，且優(yōu)與劣之間不存在絕對分明的界限； 而模糊性是指客觀事物、概念處于共維條件下的差異在中介過渡時所呈現(xiàn)的辦
此辦彼性”１。模糊集合論的運用是從模糊性中去確立廣義的排中率一隸屬度規(guī)
律。模糊性不服從排中率，存在著中介狀態(tài)是辦此亦彼，但是在辦此亦彼中依 然存在一定的差異，仍可以相互比較。 決策活動是人們進行選擇或判斷的一種思維活動。對于復雜的社會經濟系 統(tǒng)，過去人們主要靠主觀判斷進行決策，缺乏科學性。５０年代開始由于系統(tǒng)工 程的發(fā)展，人們從系統(tǒng)分析的觀點出發(fā)，運用晟優(yōu)化的理論與方法，對系統(tǒng)進 行決策分析，大大地發(fā)展了系統(tǒng)工程的理論。但大量的實踐表明，由于系統(tǒng)的 復雜性，大部分現(xiàn)實的復雜系統(tǒng)很難完全用精確的經典最優(yōu)化理論模型解決。 因此，決策方案的選擇決不是簡單地在決策模型基礎上的一次性數(shù)據(jù)大小的比 較，也不是簡單地對決策模型給出的方案進行優(yōu)劣評價的問題，而要綜合考慮 多方面的因素，進行一系列的決策一反饋一再決策一再反饋，通過這種對話式 的決策信息輸出和反饋，最終達到決策優(yōu)選的目的。 本章將利用陳守煜教授和聶相田副教授創(chuàng)立的模糊優(yōu)選人工神經網(wǎng)絡理論 對平頂山八礦二水平通風系統(tǒng)方案進行決策，以適應該礦井的通風系統(tǒng)的需要。 最后將該決策結果與其它傳統(tǒng)的決策方法進行對比計算。 ３．２模糊優(yōu)選的理論模型 ３．２．１模糊決策矩陣 設系統(tǒng)有滿足約束條件的ｎ個方案組成的方案集，以ｍ個目標（指標）對 方案的優(yōu)劣進行評價，則矩陣ｘ表示ｍ個目標對ｎ個決策方案的目標特征值矩 陣（決策矩陣）：
ＸＩｌ
Ｘ１２…Ｘ１月 Ｘ２２…Ｘ２ｎ
Ｘ＝
Ｘ２１
＝（Ｘ。）
（３—１）
式中ｉ＝ｌ，２，…，ｉｌｌ；ｊ＝ｌ，２，…，ｎ；Ｘ，，方案Ｊ目標ｉ的特征值。 對于設計方案模糊優(yōu)選分析分析的目的在于：確定每個方案對于模糊概念 “優(yōu)”的隸屬度，其中隸屬度最大的方案，即為最優(yōu)方案。
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礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
３ ２
２定量與定性目標特征值相對隸屬度的確定 一般來說，不同的評價目標往往具有不同的量綱和量綱單位，同時方案的
優(yōu)選是個備選方案相對比較而言的，具有相對性。為了消除量綱和量綱單位不 同所帶來的不可公度性和便于計算、優(yōu)選分析，在決策前應將評價指標的絕對 量轉化為相對量，這就是相對隸屬度（或相對優(yōu)屬度）。通常各個指標的相對隸 屬度為［０，１］區(qū)間的小數(shù)，這樣有利于將各個指標進行規(guī)范化，增加各指標之 間的可比性。 因此，由于各目標值通常存在不可公度性和矛盾性，需進行定量目標的規(guī) 范化和定性目標的定量化處理。 （１）、定量目標的規(guī)范化 通�？紤]的有以下三種類型：
一類是效益型指標一一越大越優(yōu)目標，如安全性、穩(wěn)定性、可靠性等，其
特征是數(shù)值越大越好，此時可按以下關系式求解
＿，：毒（ｆ＿１’２，…ｍ） ｏ。高ｕ州’２’…ｍ’
ｌ，＝忑ｘ“麗－ｍｉｉｎ（ｘ麗ｏ）（ｆ＝ｌ加。�。�
（３—２）
或
一類是成本型指標一一越小越優(yōu)目標，如造價、巷道維修、施工難度等、
其特征是數(shù)值越小越好，此時可按阻下關系式求解
，ｆ，＝—ｍｉｎ（：＿ｘｏ）（ｆ－ｌ，２，…ｍ）
或
，ｆ，＝蕊ｍ萬ａｘ（ｘｉ“）－麗ｘｇ
（ｆ＝１加，州）
（３—３）
另外一類是適中型目標： 標度，則可按以下關系式求解：
設ｏｐｔＸ。為序列（Ｘ，，Ｘ２，Ｘ礦一，ｘ。）中的適中最優(yōu)
，ｆ』２２０ｐｔＸ，
Ｘ“
當ｘ“≤ｏｐｔＸ。時 當ｘ“≤ｏｐｔＸ。時
（３—４）
ｒｔｊ：＝—ｏｐｔ—Ｘｔ
ｘ”
（３—５）
式中ｍａｘ（Ｘ。，），ｍｉｎ（ｘ，。）分別表示決策集Ｄ中目標的特征值取大、取�。唬� 為決策集中的非劣方案數(shù)。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
（２）、定性目標的定量化 在多目標決策問題中，決策事物的屬性指標通常有定量和定性兩種不同的 表示形式。為了便于對屬性指標進行必要的數(shù)學處理，普遍采用ＭａｃＣｒｉｍｍｏｎ提 出的兩極比例方法“３（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｓｃａｌｉｎｇ）將定性指標轉化為定量指標“…。其轉 化方式如圖３ ｌ所示。
對于成本類屬性 最高很高
０ ｌ
高
３
平均
５
低
７
很低
９
最低
１０
０
１
３
５
７
９
１０
最低很低
低
平均 對于效益類屬性
高
很高
最高
圖３－１定性指標向定量指標轉化的兩極比例方法
對指標迸行歸一化處理后，由此確定ｎ個方案相對于ｍ個因素的相對隸屬 度矩陣（決策矩陣）為：
＿１＿２…＿。
Ｒ＝ 屯１ ｒ２２‘一ｒ２。
＝（ｏ）
（３—６）
‰ｌ‰２…ｋ。
式中ｒ，，（ｉ＝ｌ，２，…ｍ；ｊ＝ｌ，２，…ｎ）為方案ｉ中目標ｊ的相對優(yōu)屬度。 ３．２．３模糊優(yōu)選模型 根據(jù)相對隸屬度定義，劣、優(yōu)分別處于參考連續(xù)的兩個極點，則方案的目 標相對優(yōu)屬度向量分別為
ｂ＝（０，０，…，Ｏ）
ｇ＝（１，１，…，１） 設方案集中ＩＴｌ個目標的歸一化后的權向量為 ｗ＝（ｗｌ，Ｗ ２，…ｗ。），∑ｗｌ＝１
ｉ＝ｌ
（３－７）
方案Ｊ與優(yōu)、劣方案的廣義海明權距離分別為：
一１８
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
ｄ。＝∑ｗ，（１一，Ｆ）＝１一∑ｗ�！�
仁ｌ ｉ＝１
（３—８）
ｄ拍＝∑ｗ。（～－ｏ）＝∑ｗ。ｏ
ｚ＝１ ｔ＝ｌ
（３—９）
設方案ｊ對優(yōu)的相對隸屬度以ｕ。表示；對劣的相對隸屬度以。：表示，按模 糊集合的余集定義，有：
將隸屬度定義為權重，則方案ｊ與優(yōu)方案之間的權距離為
Ｄｊｇ＝ｕｊｄ』ｇ
方案ｊ與劣方案之間的權距離為
Ｄｊｂ＝“；ｄ扣＝（１一“，）ｄｐ
為了求得最優(yōu)解，建立優(yōu)化準則為：方案ｊ的加權距優(yōu)距離平方與加權距劣 距離平方之和最小，即目標函數(shù)為
ｍｉｎ｛Ｆ（？２／）｝：壤＋碥：“；（１一羔Ⅵ％）ｚ＋（１－ｕｊ）ｚ（藝ｗ』。）２
ｉ＝１
拉Ｉ
這是最小二乘法準則“距離平方和最小”的拓廣，對于目標函數(shù)求導數(shù)，
并令其為零，則有竺挲塵：０，經計算整理得到以距離參數(shù)Ｐ：１的海明距離表
ｄｕ．
示的模糊優(yōu)選模型為：
％２雨１
３
２０寫１
ｄｐ
。叫∞
ｄｊｂ
對所有各選方案，以隸屬度極大原則選擇多目標決策的最優(yōu)方案，即：
甜”，。詈凳訌，ｊ
２．４多目標模糊優(yōu)選理論模型合理分析 由多目標模糊優(yōu)選理論模型分析可得：
（３－１１）
（１）、利用該模型可得出第Ｊ個多目標決策方案從屬于理想方案的優(yōu)屬程 度，即反映了該方案的優(yōu)劣程度，從而能根據(jù)該理論模型計算的結果對各決策 方案進行優(yōu)劣排序，達到決策評價的目的。
（２）、該模型考慮了兩個具有優(yōu)劣標準的參數(shù)距優(yōu)距離和距劣距離，
１定
１９
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
程度上克服了僅考慮距優(yōu)距離、且當兩個待選方案在此參數(shù)下相差很小時而難 以決策的局面。該模型的結果是經過非線形處理的，因此更具有可信性和精度。 （３）、由模型進一步得到：
毒＝器旭囂＝器∞
由此可知，ｕ。關于ｄ，。與ｄ。是單調的，這表明將最小二乘法“距離平方和 最小”準則拓廣構造目標函數(shù)的合理性。同時，該模型的結果因數(shù)據(jù)有較大的 離散性，易于決策者進行決策。由此可見，上述模型不僅數(shù)學推導嚴謹。而且 物理概念清楚，意義明確。 ３．３模糊優(yōu)選模型與綜合評判法的比較分析 模糊綜合評判是運用模糊數(shù)學知識，對系統(tǒng)多種相互因素所影響的事物或 現(xiàn)象進行綜合評價，而這種評價過程涉及模糊問題。目前礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化所 應用較廣泛的是這種綜合評判方法，下面將模糊優(yōu)選與模糊綜合評判法進行比 較。 假設模糊綜合評判的權向量為ｗ，，歸一化處理后的決策矩陣為ｒ¨，則模糊 綜合評判模型為：
Ｖ，＝∑ｗ。ｏ
將模糊綜合評判模型代入
Ⅲ ｍ
（３—１２）
ｍｉｎ
Ｆ（ｕｊ））＝壤＋磷＝“ｊ（１ ∑ｗＪ～）２＋（１一虬）２（∑ｗｊｏ）２
ｌ＝１
ｊ＝１
然后求得
葉。Ｆ蒂了
ｖ，２
研究一下模糊優(yōu)選模型距離參數(shù)Ｐ＝ｌ時的函數(shù)與模糊綜合評判函數(shù)的關 系，下面分析如下：
由孔飆腓線形函數(shù)刪等＝礦２ｖ而ｊ（１－ｖｊ）
ｄ２“，２（１－２ｖＪ）【（１一Ｖ』）２＋ｖ』２＋４ｖＪ（１一ＶＪ）】
ｄｖＪ２
因ｌ＞ｖ，＞０，故ｕ，是關于ｖ．的單調增函數(shù)。又
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
當ｖ，：ｏ．５時，害蘭｝：ｏ；當ｖ．＜ｏ．５時，妄≥＞ｏ，故函數(shù)圖形在區(qū)間［ｏ，ｏ．５］
ｄｖ．ｄｖ．
為凹性：
ｖｊ＞Ｏ．５時，ｉｄ萬２ｔｔｓ＜ｏ，故函數(shù)圖形在區(qū)間［。．５，１］為凸性。因而ｖ．＝。．５
為定義區(qū)間［０，１］的單調增函數(shù)式的唯一拐點。因此該函數(shù)為Ｓｉｇｍｏｉｄ型即Ｓ 型函數(shù)，如圖３－２所示：
ｕｊ １．０
０．５
０ ０．５ １．０
Ｖ
圖３－２模糊優(yōu)選模型Ｓ型函數(shù)
根據(jù)對以上函數(shù)性態(tài)的研究可得出以下結論： （１）函數(shù)ｕ。是關于ｖ．的單調增函數(shù)，所以在相同的指標規(guī)范化矩陣Ｒ的 條件下，模糊優(yōu)選模型與模糊綜合評判模型的各決策方案的相對優(yōu)屬度的各個 方案的評判值不同，但是方案關于優(yōu)的排序相同。
ｍ
（２）模糊綜合評判模型是直接將ｖ，＝∑ｗ，ｒ，ｓ作為評判值，故各決策方案的
ｆｌｌ
評判值趨于均化，常出現(xiàn)各決策方案的綜合評判值相差不大，難以決策與選擇。 對于模糊優(yōu)選模型，由于函數(shù)ｕ，對于ｖ，是的非線形函數(shù)。函數(shù)在區(qū)間［０，０．５］ 上是凹性，在區(qū)間［０．５，１］為凸性，在拐點（０．５，０．５）兩側有更大的離散性， 即各決策方案的相對優(yōu)屬度有更大的分散性，更易于決策并提高決策的可性度。 ３．４基于模糊優(yōu)選的ＢＰ神經網(wǎng)絡模型
３
４．１多層系統(tǒng)模糊優(yōu)選原理 設系統(tǒng)分解為Ｈ層，最高層為Ｈ。若最低層（第ｌ層）有若干個并列的單元系
統(tǒng)，每個單元系統(tǒng)均有多個目標特征值輸入，用式（３一ｌＯ）對第ｉ單元系統(tǒng)計算輸
出——方案相對優(yōu)屬度向量
ｕ。１＝（ｕ。１。，
ｕ，２１，
…
，
ｕ。。Ｉ）
２１
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
它組成２層中某個單元系統(tǒng)的第ｉ個輸入，如圖Ｓ－３所示。令 （ｕ，，４）＝（ｒ，Ｊ）
層
圖３－３多層優(yōu)選模型系統(tǒng)圖
設２層并列單元系統(tǒng)的權向量為ｗ。（ｗ－，ｗ：，…，％），且∑ｗｊ＝１；則模糊優(yōu)選
Ｉ＝ｌ
理論模型（３—１０）可用于２層中單元系統(tǒng)的計算。如此從１層向上層進行計算，直 至最高Ｈ層。由于最高層中只有一個單元系統(tǒng)，可得最高Ｈ層單元系統(tǒng)的輸出 方案的相對優(yōu)屬度向量 ｕ＝（Ｌ１ｌ，ｕ２，…，ｕ。） 據(jù)此可優(yōu)選多層次多目標系統(tǒng)滿意方案。 ３．４．２模糊優(yōu)選系統(tǒng)與ＢＰ神經網(wǎng)絡對應關系 ＢＰ網(wǎng)絡由輸入層、一個或多個隱含層和輸出層組成�，F(xiàn)在將上述多層系統(tǒng) 模糊優(yōu)選原理與神經網(wǎng)絡ＢＰ系統(tǒng)相對應，以建立網(wǎng)絡合理的拓撲結構：隱含層 數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)及具有明確物理含義的模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡權重調整模型。 多層模糊優(yōu)選系統(tǒng)與神經網(wǎng)絡系統(tǒng)相對應，構造合理網(wǎng)絡拓撲結構：隱含 層數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)、節(jié)點激勵函數(shù)的模式，在提出合理網(wǎng)絡拓撲結構的基礎 上，將模糊優(yōu)選與神經網(wǎng)絡ＢＰ算法結合起來，構建模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡權重調整 ＢＰ模型。把ｎ個方案按模糊優(yōu)選的全部目標特征值進行規(guī)格化，變?yōu)槟繕讼鄬?yōu) 屬度，把模糊優(yōu)選的全部目標總數(shù)作為神經網(wǎng)絡系統(tǒng)輸入層的節(jié)點總數(shù)，每個 節(jié)點輸出一個目標相對優(yōu)屬度。模糊優(yōu)選最高層的惟一單元系統(tǒng)的方案相對優(yōu) 屬度輸出，作為神經網(wǎng)絡系統(tǒng)輸出層的單輸出。模糊優(yōu)選系統(tǒng)中間層次作為隱 含層，同層中的單元系統(tǒng)數(shù)為該隱含層的節(jié)點數(shù)。由此可將多層次模糊優(yōu)選系 統(tǒng)變?yōu)椋拢猩窠浘W(wǎng)絡系統(tǒng)，非輸入節(jié)點的激勵函數(shù)為模糊優(yōu)選模型。
（３－１３）
一２２
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
３．４．３模糊優(yōu)選ＢＰ（Ｂａｃｋ
Ｐｒｏｐ ｒａｇａｔｉ
ｏｎ）神經網(wǎng)絡模型
ＢＰ神經網(wǎng)絡模型，也即反向傳播網(wǎng)絡，也就是說網(wǎng)絡的學習過程實質上是一 種誤差修正的算法。它的模型如下： 設有３層的模糊優(yōu)選ＢＰ神經網(wǎng)絡系統(tǒng)，輸入層有ｍ個輸入節(jié)點，即有Ｅｌ＿個 目標特征值；隱含層有１個隱節(jié)點，即有１個單元系統(tǒng)；輸出層僅有一個單節(jié) 點輸出，如圖３—４所示。
隱
１個隱含點 ｍ個輸入節(jié)點
輸入層
圖３－４模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡結構示意圖
設有ｎ個樣本，對于樣本ｊ的輸入為ｒ…ｉ＝１，２，…，ｍ；ｊ＝ｌ，２ …，ｉ２。在輸 入層節(jié)點ｉ將信息直接傳給隱含層節(jié)點，故節(jié)點輸出與輸入相等， 即
Ｌｌｌｊ２ｒｉ Ｊ
對隱含層的節(jié)點ｋ，其輸入為
如＝∑ｗ。ｋｒｕ
ｌ；１
輸出為
％。ｉ１ ＋［（≥：ｍ，Ｊ，Ｌ１］２～”Ｈ… ｉＷ萬百２而兩
式中Ｗｉｋ一一節(jié)點ｉ、ｋ的連接權重，要求滿足
１
１
ｆ３—１４）
∑Ｗｉｋ＝ｌ，
輸出層僅一個節(jié)點Ｐ，輸入為：
Ｗ＊≥０
，。＝∑Ｗ扣％
式中ｗ。�！[含層和輸出層的連接權重，要求滿足：
∑～＝１，
～≥０
—２３
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
輸出為
（３—１５）
１＋［（∑ｗ扣“Ｈ）
網(wǎng)絡的實際輸出ｕ，，就是模糊優(yōu)選ＢＰ神經網(wǎng)絡對輸入ｒ．。的響應。設樣本Ｊ 的期望輸出為Ｍ（ｕ。．），則其平方誤差為： ＥＪ＝ｉ１阻∥一Ｍ（ｕｐｊ）］２ 調節(jié)網(wǎng)絡中的連接權重使Ｅ。最小。應用梯度下降法，對連接權重進行調整， 連接權重的調整量為：
～～一印意
０Ｅ
扭．
～％一卵意
式中
ｎ一為學習效率
隱含層節(jié)點ｋ與輸出層節(jié)點Ｐ的權重調整量公式為：
１一∑ｗ扣“自ｌ
Ａｊｗ扣＝２彬ｊ“目
ｋ＝Ｉ
１型Ｌ ０ｉＭ（ｕ月ｊ）一Ｕｐｊ】 （∑ｗ如“目）３
ｌ一∑ｗ。勺ｌ
（３—１６）
輸入層節(jié)點ｉ與隱含層節(jié)點ｋ的權重調整量公式為
Ａ』ｗｍ＝２眠，ｗ如“如２
弋旦一１６ｐｊ （∑ｗ。ｏ）３
（３—１７）
ｌ
１一∑％％Ｉ
其中
占月＝２ｕｐＺｊ
ｋ＝ｌ
１絲一｜［Ｍ（％）－Ｕｐ）］ （∑ｗ印“Ｈ）３｜
Ｊ
模型（３－１６）、（３－１７）為模糊優(yōu)選ＢＰ神經網(wǎng)絡權重調整模型。該模型構造 的網(wǎng)絡拓撲結構，對于三層以上的多目標多層次多階段的決策系統(tǒng)同樣適用。
—?２４?—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
４礦井通風系統(tǒng)分析
４
１礦井通風系統(tǒng)概述及影響因素解析 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井通風系統(tǒng)應該滿足以下幾項要求：第一，能
將足夠的風量送往用風地點，通風效果好、風質好、有效風量率高；第二，運 行可靠，系統(tǒng)簡單，穩(wěn)定性高；第三，通風阻力小，分布合理，可挖掘、易調 整；第四，抗災能力強，即平時易于防災，災變時又能限制災害擴大，易于救 災，易于盡快恢復生產；第五，經濟合算，基建投資、維修和運轉費用低。 但是，礦井通風系統(tǒng)是一個復雜的、隨機的、非穩(wěn)定的動態(tài)系統(tǒng)。而要使 礦井通風系統(tǒng)在礦井的生產中達到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定要求，就必須對礦井 通風系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性等影響因素進行研究。 ４．１．１礦井通風系統(tǒng)的特點 礦井通風系統(tǒng)是一個復雜的、隨機的、非穩(wěn)定的動態(tài)系統(tǒng)。 （１）礦井通風系統(tǒng)的復雜性 礦井通風系統(tǒng)是由諸多變量組成的一個復雜系統(tǒng)，就大型礦井而言‘，網(wǎng)絡 分支可達３００～６００條，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)一般為３００～５００個，角聯(lián)分支數(shù)約占總分支 數(shù)１５％～４５％，全礦巷道長度約為５０～２００ｋｍ。通風設施數(shù)目數(shù)十個，用風地點一一 般有１５～４０個，甚至上百個。自然條件也很惡劣，開采深度從４００米～ｉ０００多米 不等，煤層厚度０．５～６．５米；煤層傾角從００～９００，褶曲、斷層、沉陷等地質構 造復雜、發(fā)育。瓦斯涌出量也變化很大。諸多的因素使通風系統(tǒng)成為一個復雜 的系統(tǒng)。 （２）礦井通風系統(tǒng)的動態(tài)性 礦井通風系統(tǒng)結構隨著煤礦生產的進行而不斷地發(fā)生變化。采掘工作面不 斷推進、接替，采區(qū)的準備、投產、結束與接替；礦井開拓延伸等工程的不斷 進展，使通風系統(tǒng)在網(wǎng)絡結構上隨時間發(fā)生變化，也引起通風系統(tǒng)正常運行的 各個因素，如瓦斯、溫度、煤塵等發(fā)生變化；此外，由于采礦活動的影響，通 風巷道受壓變形、斷面縮小，冒頂事故時有發(fā)生；通風設施受壓變形，漏風率 增大；各種通風設備也因磨損、銹蝕性能衰退、通風機性能也逐漸減弱。從而 使系統(tǒng)的通風參數(shù)發(fā)生變化，而且各種參數(shù)的變化是隨機的�？梢娡L系統(tǒng)是 一個動態(tài)的隨機的系統(tǒng)。 ４．１．２礦井通風系統(tǒng)分析影響因素 在礦井通風系統(tǒng)的影響因素有：通風網(wǎng)絡、通風動力、阻力分布。 （１）通風網(wǎng)絡
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
空氣在為進行生產或通風及其它特殊用途而掘出的井巷中流動，滿足生產 和安全的需要�？諝饬鬟^的井巷就組成了礦井通風系統(tǒng)的通風網(wǎng)絡。通風網(wǎng)絡 由通風巷道、通風構筑物組成。 通風巷道按其位置在網(wǎng)絡中的相互關系可分為并聯(lián)巷道、串聯(lián)巷道和角聯(lián)
巷道。
當前，對礦井通風系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性的研究主要以角聯(lián)網(wǎng)絡為重點，而且主 要是有關風流方向的問題。研究的方法主要是推導通風網(wǎng)絡中風流不穩(wěn)定的那 些風路的風向判別式。波蘭學者Ａ?弗雷茨通過研究發(fā)現(xiàn)：風網(wǎng)分支的角聯(lián)性取 決于風機的位置；分支的角聯(lián)是相對的。他提出了一種對網(wǎng)絡進行拓樸變換用 圖表查找確定有分支角聯(lián)性的方法，并可用計算機幫助實現(xiàn)為個功能，但對于 非平面通風網(wǎng)絡判斷其分支的角聯(lián)性就相當困難了。礦井通風網(wǎng)絡屬于大型復 雜網(wǎng)絡，對于這樣一個具有上百條分支的大型復雜網(wǎng)絡，存在許多角聯(lián)分支。 如何確定出這些角聯(lián)分支本身自然就是一件比較困難的事。在礦井通風系統(tǒng)中， 對于風流的穩(wěn)定性問題，人們也進行了研究，通過研究發(fā)現(xiàn)：不僅風網(wǎng)中的角 聯(lián)網(wǎng)絡存在著風流穩(wěn)定性的問題，而且其它風路中也不同程度地存在著風流穩(wěn) 定性問題，而對生產礦井有實際指導意義的是井下用風點的風流穩(wěn)定性問題。 就目前的方法而言，由于礦井通風網(wǎng)絡的形式繁多，推導不穩(wěn)定風路的風向判 別式相當麻煩，即使推導出的判別式對不同網(wǎng)絡也各不相同，因此實用價值不 大，甚至有時不可能推導出不穩(wěn)定風路風向的判別式。 另外，通過尋找網(wǎng)絡中各條風路的敏感性，以此判斷風路對風網(wǎng)穩(wěn)定性的 影響程度；風網(wǎng)是一個動態(tài)變化的網(wǎng)絡，這種方法沒有考慮風阻、風壓的動態(tài) 變化，因而很難對整個通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性給出正確評價。 （２）通風動力 礦井的通風動力裝置有兩大類，一類是主要通風機；另一類是局部通風機 或輔助通風機。其中以主要通風機對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響最大、最直接。礦 井主要通風機分離心式和軸流式，它通過機械為礦井通風提供動力，一般為負 壓通風。國內外的研究結果和實際生產的實踐表明，礦井通風系統(tǒng)中主要通風 機設備有效度很高，其影響雖然重大，但一般發(fā)生故障的概率很低。 局部通風機在礦井通風系統(tǒng)中往往用在掘進或局部需調整風量滿足臨時需 要，而其他通風部分改動困難、不經濟或改動無法滿足需要時。由于局部通風 機在通風網(wǎng)絡的某個分支上加上了一定的動力，從而明顯改變網(wǎng)絡中風流的分 布狀況，影響礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定。 （３）阻力分布 由于不同的通風巷道的斷面積、支護形式、斷面形狀、長度以及風量不同， 從而它的阻力大小也不同。礦井通風阻力分布的狀況直接影響到礦井通風情況 及風量調節(jié)能力。
一２６
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
４
２礦井通風系統(tǒng)的風流穩(wěn)定性分析 礦井通風系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)過程包括風路、網(wǎng)路的非穩(wěn)態(tài)。通風系統(tǒng)是一個動
態(tài)過程，系統(tǒng)內各參數(shù)Ｒ、Ｈ、Ｑ隨著時間的變化而變化的，研究它們的變化過程 與變化規(guī)律就是穩(wěn)定性分析。下面要研究的就是當△Ｒ≠０時，如何確定△Ｑ、△ Ｈ。同時針對不同的通風網(wǎng)絡形式、不同的通風網(wǎng)絡規(guī)模，建立其穩(wěn)定性分析的 數(shù)學模型。 ４．２．１風路穩(wěn)定性 風路可以劃分為一般風路與角聯(lián)風路。當系統(tǒng)中風路的風阻僅是大小變化 時，系統(tǒng)中的角聯(lián)風路有風流逆轉的可能；當系統(tǒng)中風路的風阻還有正負變化 時，，系統(tǒng)中的一般風路也有風流逆轉的可能（如火負壓引起風流逆轉）。顯然， 研究風路的風流穩(wěn)定性（特別是研究處于角聯(lián)分支上工作面風流的穩(wěn)定性）具有 普遍意義的。 （１）角聯(lián)風路的定義 在通風系統(tǒng)網(wǎng)絡Ｇ＝（Ｖ，Ｅ）中，當系統(tǒng)中某條風路ｅ，的風阻發(fā)生大小變化時， 引起另一條風路。ｅ“（ｉ≠ｋ）的風流方向發(fā)生改變，改變風流方向的風路ｅ。就是角 聯(lián)風路。如圖４—１所示，因為它的拓撲關系完全與。結構相同，我們把它稱ｅ結 構，其中ｅ４角聯(lián)風路。
ｖ３
ｖ４
ｖ１
圖４－１
０型網(wǎng)絡拓撲結構
角聯(lián)分支的特點是流向不穩(wěn)定，所以復雜網(wǎng)絡穩(wěn)定性的核心問題歸結為角 聯(lián)結構問題。角聯(lián)分支在火災、風阻變化等條件下可能發(fā)生風流方向的改變， 這對正常通風條件下的風流穩(wěn)定性及通風管理是不利的。 （２）角聯(lián)風路確定的數(shù)學模型
２７
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
角聯(lián)風路是指當通風網(wǎng)路中某條風路與該網(wǎng)絡中某兩條通路相關聯(lián)，且該 風路的始末點不與這兩條通路上的任何兩個相鄰的公共點或兩個相鄰的公共點 之外相連接，則該風路就是角聯(lián)風流“２３ 首先建立節(jié)點通路矩陣Ｐ
Ｐ＝（鼻，Ｂ，…，Ｒ）＝（只）一
（４—１）
式中弓＝佬囂節(jié)點礎通路上
假設任意麗條通路Ｐ，與Ｐ。之間有子路ｚ＝（ｅｍ ｅｍ…，ｅ。。）存在，它們以首 尾相接且同向。子路ｚ的節(jié)點集合為：
Ｚ＝｛ｖ１０“），Ｖ１（Ｐ々２），…，Ｖｌ（ｅｎ），Ｖ２（ｅｋｅ）＿｝（ｃ＝１，２，…，＜ｎ）
下面分兩種情況討論 情況１ （ＰＴＡ）Ｎ（Ｐｊ－Ａ）＝中 ｖ。（ｅ ｋ。）、ｖ２（ｅｋ。）ｇＡ
（４－２）
即Ｐ，與Ｐ，除ｖ，與ｖ。兩節(jié)點外沒有相交的節(jié)點。
當
（４－３）
即子路ｚ的始、末節(jié)點均不是ｖ，與ｖ，節(jié)點。 （Ｚ－Ｄ）ｎ（Ｐ。ｕ Ｐ，）＝巾 即子路除始、末兩節(jié)點外，不與Ｐ，、Ｐｊ相交。 且 ｖ。（ｅｋ．）∈Ｐ。、ｖ２（ｅｋ。）ａＰ，
（ｉ≠ｊ，ｉ、ｊ＝ｌ，２，…，Ｗ）
（４－５）
（４—４）
即子路的始、末節(jié)點分別與Ｐ．、Ｐｊ相交。 則由ｃ條風路構成的子路均為角聯(lián)風路。 情況２ 令 （Ｐ，一Ａ）ｎ（ＰＦＡ）≠巾
（４－６）
即Ｐ．、Ｐｊ兩條通路除ｖ：、ｖ。兩節(jié)點外有相交的節(jié)點。
ｘ＝Ｐ，ｎ Ｐｊ，Ｘ（１）∈Ｘ
即由Ｐ．與Ｐ．所相交的節(jié)點構成集合ｘ，Ｘ（１）是ｘ的元素。 再令Ｐ７ｌ＿｛Ｘ（１），…，Ｘ（１＋１））Ｐ’ｆ呈Ｐ．
Ｐ ７，＝｛Ｘ（１），…，Ｘ（１＋１））Ｐ’Ｊ量ＰＪ
即由ｘ將Ｐ．、Ｐ，劃分為若干個子通路Ｐ．、Ｐｊ。
當
ｖｌ（ｅｋ【）、ｖｚ（ｅｋ。）《Ｘ （Ｚ—Ｄ）ｎ（Ｐ ７。ｕ
Ｐ ７．）＝中
（４－７）
且
ｖ１（ｅｋｌ）∈Ｐ’１、ｖ２（ｅｋ。）∈Ｐ’。
（ｉ≠ｊ，ｉ、ｊ＝１，２，…，Ｗ） （４－８）
式中
Ａ一通路的始、末節(jié)點集合 Ｄ一子路的始、末節(jié)點集合
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
則由ｃ條風路構成的子路均為角聯(lián)風路，子路可以是一條風路（ｃ＝１），也可 以由多條風路構成。在判別過程中，只要滿足其中的情況之一就是角聯(lián)風路。 （３）角聯(lián)風路的風向判別 對于某些簡單類型的通風網(wǎng)絡，有不少學者推導出其角聯(lián)風路風向的判別 式。這些判別式不僅可以判斷角聯(lián)風路的風流方向，而且還可以確定預防風流 不穩(wěn)定的措施，因此，具有一定的理論價值和實用價值。但是由于判別式較為 復雜，實際使用起來非常麻煩。對于較于復雜的通風網(wǎng)絡，甚至不可能推導出 某一確定的判別式。 單純從角聯(lián)風路的方向判別來說，只要網(wǎng)路結構與Ｒ值分布一定，就能采用 自然分風網(wǎng)絡解算來確定角聯(lián)風路的風流方向。判別方法是先任意假設風流方 向，從而給予某一個風量，解算得到各分支的實際風量，根據(jù)解算風量的正負 就可以確定各分支原假設的風向是否正確。
４ ２
２網(wǎng)絡的穩(wěn)定性 （１）網(wǎng)絡穩(wěn)定性的基本準則 兩個平衡定律 ａ、風量變化平衡定律
∑％＝ｏ
ｂ、風壓變化平衡定律
Ｊ∈ｊ，ｉ＝１，２，…，ｍ－１
（４—９）
上式表明：網(wǎng)絡中任一節(jié)點，其風路的風量的變化值的代數(shù)和為零。
∑ＡｈＦ＝０
，∈ｆ，ｆ＝１，２，…，”一ｍ＋ｌ（４－１０）
上式表明：網(wǎng)絡中任一回路，其風路的風壓的變化值的代數(shù)和為零。 （２）網(wǎng)絡穩(wěn)定性分析的基本數(shù)學模型 當網(wǎng)絡中無變化時，其風壓方程為：
∑勺ｇ：＝０
，∈，，ｉ＝１，２，…，ｎ－ｍ＋１
（４—１１）
當風阻的變化＿＝０＋ｑ引起風量的改變幻＝ｑ，＋Ａｑ，，其風壓方程為
∑（ｏ＋△～）（ｇｙ＋ＡｑＦ）２＝０
將上面兩式相減，得
，∈ｆ，ｉ＝１，２，－一，ｎ－ｍ＋１
（４—１２）
∑２ｒ；ｑ，＋∑峨ｇ；＋Ｚ吩Ａｑ；“ｏ（４－１３）
上式就是網(wǎng)絡穩(wěn)定性分析的基本數(shù)學模型，由式４—４可解出（ｎ—ｍ＋１）個△ｑ，
２９
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
其余的（ｍ一１）個Ａｑ可由４—３式解出。 （３）網(wǎng)絡穩(wěn)定性分析的一般算式
對于任意的通風網(wǎng)絡Ｇ＝（Ｖ，Ｅ），Ｖ是節(jié)點集合，ｆ Ｖ｝＝ｍ；Ｅ是風路的集合，Ｉ Ｅ｜＝ｉ２。
建立以下基本矩陣： Ｅ＝（ｅ１，ｃ２，…，ｅ。） △Ｒ＝（ａｒ．，Ａｒ２，…，ａｒ．）
△Ｑ＝（Ａｑ，，ａｑ：，…，ａｑ。）
建立回路矩陣Ｂ： Ｂ＝（Ｂ。，Ｂ，）＝（Ｉ，Ｂ。）＝（ｂ，ｊ）（。。）。。
Ａ
Ｑｔ＝△ＱＬＢＴ
令ｙ＝ＢＴＴ＝（Ｙ，ｊ）“－１）蛐…） Ｙ矩陣的行反映Ａ Ｑ。，Ｙ矩陣的列反映Ａ Ｑ。 令
ｘ＝（ｘ。）。。其中（ｘ。＝２ｒ’；ｑ；，ｉ＝ｌ，２，…，ｎ）
有風阻變化的回路（風阻變化的風路應為基準風躊，即為余支）：
艦２瓢而轟％麗
川
卜１４）
州膨
無風阻變化的回路：
驢萎若韻匈ｔ
程組既是滿秩的，又是非齊次的，所以有唯一解。 ４．３礦井通風網(wǎng)絡結構合理性分析
卜嘲
式（４—１４）、（４—１５）即為任意通風網(wǎng)絡穩(wěn)定性分析的計算通式。當網(wǎng)絡中獨 立回路的個數(shù)（ｎ—ｍ＋１）／＞３時，式（４—１５）就是一個（ｎ—ｍ）階的線性方程，該線性方
通風網(wǎng)絡結構的合理性，反映通風系統(tǒng)中為了實現(xiàn)按需配風而需要人工增
阻程度。對通風系統(tǒng)的阻力分布、系統(tǒng)內部的風量分配和圭要通風機工作壓力 起決定性的影響。通過網(wǎng)絡結構合理性分析，有助于調整網(wǎng)絡結構，降低通風 系統(tǒng)阻力。提高通風系統(tǒng)的可靠性和經濟性。
網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)是由自然分風的壓力與按需分風的壓力比值確定，即
網(wǎng)絡合理性系數(shù)Ｋ可用下式表示：
Ｋ＝二三盟
爿
ｆ４一１６１
式中Ｋ一網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)；
一３０一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
Ｈｒ自然分風時系統(tǒng)的壓力：
Ｈ一按需分風時系統(tǒng)的壓力。
所謂自然分風壓力，是指采煤工作面按自然分風解算，其余所有的用風地 點都按實際需風量進行網(wǎng)絡解算，所得到的風機壓力。所謂按需分風壓力是指 除通風最困難的工作面外，其余的用風地點都按實際需風量進行網(wǎng)絡解算，得 到的風機壓力。 單一風機工作的通風系統(tǒng)Ｋ值應在１以下。Ｋ值越大，說明調節(jié)量越小，網(wǎng) 絡結構較合理。反之亦然。一般要求Ｋ＞０．８５。如果Ｋ＜０．６，則在采掘布局卜 加以注意和改進。對于多風井系統(tǒng)，有可能比值大于１。這表明，該系統(tǒng)受相鄰 系統(tǒng)影響較嚴重。
４
４礦井通風阻力分布合理性分析
４．４．１用阻力遞增法求最大阻力路線 定義：設圖Ｇ＝（Ｖ，Ｅ），其中Ｖ為圖Ｇ的頂點集，Ｅ為圖Ｇ的邊集。若對Ｅ中每條 邊ｅ都有一個實數(shù)１（ｅ）附在其上，則稱ｌ（ｅ）為邊ｅ上的權，并稱Ｇ為帶權圖。當 ｅ＝（／１，ｖ）時（ｅ是連接頂點ｕ，ｖ的邊），可將ｌ（ｅ）記為ｌ（ｕ，ｖ），并規(guī)定對任意的 頂點ｕ∈Ｖ，ｌ（ｕ，ｕ）＝０，當ｕ，ｖ不相鄰時，１（ｕ，ｖ）＝。。。 在礦井通風網(wǎng)絡圖中，任意兩點ｕ、ｖ，從ｕＮｖ的通路可能有多條，在這些 路徑中，求從ｕＮｖ的阻力之總和最大的那條路徑Ｐ，就稱Ｐ為從ｕＮｖ的最大阻力 路線。 求從指定起點ｖ。到指定終點ｖ，或是從指定起點ｖ。到其余各頂點最大阻力的 方法，本人提出了一個按路徑阻力遞增的次序產生最大阻力路線的算法。其算 法描述如下： （１）將通風網(wǎng)絡圖按照節(jié)點在某特定意義下距離根節(jié)點的遠近，對節(jié)點進 行分層，如圖４—２所示。 （２）從根節(jié)點開始，依次尋找它們所引出的所有的出端點，并在起始點的 基礎上通過阻力遞增來計算每一個出端點至始點的阻力值Ｈ（ｖ），并記下這條路 線上的節(jié)點信息。同時，對每層支路所引出的端點必須判斷它是否已經到達終 點，如果已經到達終點，那么就不在繼續(xù)引出它的所有支路。 （３）以此類推，若所有的支路所引出的端點都已經到達終點，則停止。那 么所有匯合的終點中，阻力最大者則為所求的最大阻力值，該路線即為最大阻 力路線。
３１—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
根節(jié)點
第１層
／
，／＼
５
２／
４
：７＼；
６
＼第２層
３層
圖４－２節(jié)點分層ＢＦＳ法
４．４．２礦井通風阻力分布 礦井通風系統(tǒng)按風流在網(wǎng)絡中的位置可分為進風、用風和回風三段。三段 劃分的依據(jù)是：從進風井口到進風大巷為進風段；從迸風石門到回風石門為用 風段；從回風石門到排風井口為回風段。三段的阻力比例是衡量通風優(yōu)劣的重 要標志之一，這三段的阻力比例關系為２５％：４５％：３０％，即進風段占總阻力的２５％， 用風段占總阻力的４５％，回風段占總阻力的３０％。 而對于多風井系統(tǒng)，其公共段阻力與系統(tǒng)總阻力的比應＜１５％；一般不超過 任一風機風壓的３０％。 ４．５礦井主通風機穩(wěn)定性分析 ４．５．１主通風機合理性工況點分析 礦井通風系統(tǒng)包含主通風機和等效網(wǎng)絡兩部分。通風網(wǎng)絡所要求的必需風
量Ｑ和負壓Ｈ所確定的點即為通風網(wǎng)絡的工況點。
工況點的位置決定著通風機的實際運轉效率，并反跌主通風機與風網(wǎng)的匹 配性。任何主通風機的高效區(qū)總有一定范圍，高效區(qū)范圍之外還存在較大范圍 的低效區(qū)：如果工況點的位置處于低效區(qū)內，功能再強的主通風機也只能是低 效運行，甚至是故障運行。 （１）主通風機性能曲線繪制原理 主通風機性能曲線的數(shù)據(jù)一般均采用查表或從己有主通風機特性藍線上選 取，采用計算機進行主通風機性能進行分析時，因計算機本身無法直接識圖， 故應首先將主通風機性能曲線離散化，由人工將每一根曲線離散成許多點，再 將這些點的值輸入計算機。在計算機再現(xiàn)主通風機特性曲線時，必須構造方程 式，用最小二乘法對進行多項式擬合。在其正常工作范圍內，擬合曲線均可以 用ｍ次多項式近似表達，即：
３２—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
Ｐ＝ｂｏ＋ｂｌＱ＋ｂ２Ｑ２＋???＋６。Ｑ… 式中：ｂ。、ｂ。、ｂ。、…、ｂ。為ｍ次多項式中的系數(shù)。
（４—１７）
方程式中ｂ．（ｉ：０，１，２，…，ｍ）待定系數(shù)取決于主通風機的型號、轉速和葉片安 裝角等因素。 （２）主通風機工況范圍的確定 為使主通風機安全、經濟、可靠地運轉，要求其工況點在主通風機整個服 務期內必須保持在合理的范圍之內。從經濟角度出發(fā)，主通風機工況點效率應 不低于６０％；從安全方面考慮，其工況點必須位于主通風機個體特性曲線駝峰點 的右側、單調下降的直線段上；一般規(guī)定工況點的風壓不超過最高風壓的９０％。 假設主通風機在效率為ｎ時對應的風量，記為為Ｑ。；同理，給出風壓０．９ｈｍａｘ 時所對應的主通風機風量，記為Ｑｄ；則主通風機合理工作區(qū)的風量甌所對應的 區(qū)域是［Ｑ。，Ｑ。］。 將礦井風阻曲線繪制到主通風機性能曲線上，則從風量角度確定的主通風 機合理工況范圍應該是：由礦井通風容易時期的風量Ｏ，和通風困難時期的風量Ｑ。 所對應的合理工作區(qū)共同組成了一個曲面，凡是落在此曲面內的任一點皆是滿 足合理工作區(qū)的工況點。 ４．５．２多臺主要通風機的相互影響分析 對于多臺主要通風機的通風系統(tǒng)，當改變系統(tǒng)中某一臺主要通風機時，其 它主要通風機會不同程度地受其影響。 假設某個簡化的通風系統(tǒng)，如圖４—３所示。己知：風Ｎｒ。，ｒ．，ｒ。，ｒ。，ｒ。風量 ｑｏ，ｑｔ＝ｑｔ，ｑｆｑ¨；風壓ｈｌ，ｈ口。下面來分析一下Ｉ、ＩＩ之間的相互影響：
Ｉ ＩＩ
圖４－３簡化贏的通風系統(tǒng)圖
∥
當ＩＩ的風量由ｑ－－增加到ｑ；，而Ｉ保持不變時，ＩＩ為了風量要求，必須調整
其工況點使其滿足要求，則調整后，公共段阻力及ＩＩ的阻力變化分別為：
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
ｈ≯ｈ；＋ｈｌ
即：ｈ≯ｈｏ，雖然ｌ的風量不變，但是公共段阻力是出Ｉ和ＩＩ兩臺風機共同
來克服的，這就要求Ｉ的工況點做出一定的調整，則調整后Ｉ的阻力增加，其 變化為：
彬＝ｈ；＋ｈｉ
而Ｉ、１１的工作風阻分別變?yōu)檫梗剑瑁唬�？，嵋＝ｈｉ／ｇ；，并且有ｒＩ＜�?ｒＩ，＞《。
以上分析表明，各主要通風機的工作風阻不一定是常數(shù)，它們之間有下列 關系： １＝ｒｏ（１＋ｑⅡ／ｑＩ）２
＋ ＋
，ｌ，＝ｒｏ（１＋ｑ；ｌ／ｑ１）２
，ＩＩ＝ｒｏ（１＋ｑＩ／ｑＩＩ）２
（４—１８）
＋ ＋
ｒｎ’＝ｔｏ（１＋ｑ；／ｑ１１）２
‘＾吒如 、● ， ●Ｊ
即：各主要通風機的風量比例發(fā)生變化時，其工作風阻也要相應發(fā)生改變。 根據(jù)以上分析得出以下結論： （１）當公共段的風阻ｒ。曲線越陡，總風量ｑ。就越小，此時，Ｉ、ＩＩ的風量均 不能滿足要求。 （２）當兩臺主要通風機的特性曲線相差越大，礦井所需的風量就越難保證， 能力較小的風機出現(xiàn)不穩(wěn)定運轉的可能性就越大。 （３）當兩臺主要通風機的特性曲線相差越大，且公共段的風阻又很大時， 有可能造成公共段的阻力等于能力較小的風機零風量下的風壓；也可能造成公 共段的阻力大于能力較小的風機在零風量下的風壓，這時該風機的風流就會反 向。 因此，對于多臺主要通風機聯(lián)合運轉時，公共段的風阻越小，各臺主要通 風機的能力越接近，則安全穩(wěn)定運轉就越能保證。在通風設計中，要盡可能降 低公共段的風阻，使該段阻力遠小于較小主要通風機的風壓。一般規(guī)定：多風 井系統(tǒng)的公共段阻力與系統(tǒng)總阻力的比應＜１５％；一般不超過任意一臺風機風
壓的３０％。
一３４一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
５礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件的研制與開發(fā)
為了進行礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化，本人對其它的礦井通風軟件進行了完 善和改進，并增加了許多新功能，開發(fā)了新版的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件 （簡稱ＭＶＳＡ０軟件）。該軟件對已有通風網(wǎng)絡解算軟件進行了完善，并擴充了通 風網(wǎng)絡角聯(lián)分析、網(wǎng)絡結構合理性分析、阻力分布合理性分析、主通風機穩(wěn)定 性分析及通風系統(tǒng)決策優(yōu)選分析等多種功能。 ５．１系統(tǒng)開發(fā)的需求分析及開發(fā)原則 ５．１．１系統(tǒng)開發(fā)的需求分析 系統(tǒng)開發(fā)的需求分析在系統(tǒng)的開發(fā)過程中是一個很重要的環(huán)節(jié)。通常，軟 件工程項目的開發(fā)過程，稱為軟件生存期過程。一般可以分為項目定義期、開 發(fā)設計期和運行維護期。每個時期又由不同階段組成，如圖５—１所示。但根據(jù)系 統(tǒng)規(guī)模的大小和復雜程度，各階段的詳細程度有所差別，如規(guī)模較小的系統(tǒng)可 簡單些。
圖５－Ｉ軟件工程項目開發(fā)階段劃分
一３５
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
（１）需求分析階段工作 需求分析是在可行性研究的基礎上，確定新項目必須完成哪些任務，即對 項目最終目標提出完整、準確、清晰和具體的要求。 在系統(tǒng)開發(fā)中，需求分析是最重要的一步。因為需求分析的結構是新工程 項目開發(fā)的依據(jù)，直接關系到項目開發(fā)的成敗和軟件的質量，所以必須認真、 仔細和慎重地進行。 需求分析規(guī)定了系統(tǒng)設計最基本的要求，其分析的結果是系統(tǒng)設計、實現(xiàn)、 測試驗收和維護的依據(jù)．需求分析的具體任務是： （ａ）確定用戶對新系統(tǒng)的綜合要求； （ｂ）分析新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求； （Ｃ）導出新系統(tǒng)詳細邏輯模型； （ｄ）初步確定系統(tǒng)開發(fā)計劃。 （２）確定用戶對新系統(tǒng)的綜合要求 （ａ）開發(fā)系統(tǒng)的功能要求 開發(fā)人員在為用戶確定系統(tǒng)功能時，應盡可能細化、具體和全面。首先要
確定主要功能和次要功能，并用文字、圖形、邏輯或數(shù)學方法描述其特性。
系統(tǒng)的功能要求應按以下幾個方面確定： ①輸入：確定與功能有關的所有輸入信息，包括數(shù)據(jù)來源、意義、格式、 數(shù)量、輸入范圍，必須說明優(yōu)先順序和使用的輸入設備。 ②處理：必須確定從輸入數(shù)據(jù)到獲取輸出結果的全過程。對每種功能算法 及其實現(xiàn)做文字描述。必要時給出圖形、邏輯或數(shù)學描述。 ③輸出：必須確定與功能有關的所有輸出信息，包括信息的傳遞方式、意 義、格式、數(shù)量、輸出范圍。必須說明優(yōu)先順序和輸出形式（顯示和打印等）。 ④特殊要求：必須確定系統(tǒng)是否有特殊要求。 （ｂ）系統(tǒng)的性能要求 除滿足用戶的功能要求外，系統(tǒng)的性能要求也很重要。如果新系統(tǒng)不能提 高用戶的工作效率，提供良好和簡潔的工作界面，甚至還不如原理的系統(tǒng)、那 么用戶將無法接受。 系統(tǒng)的性能要求通常包括：響應時間、處理容量、存儲容量、精度要求、
人一機交互的友好性、系統(tǒng)的安全性、可靠性以及容錯能力等。
（ｃ）分析新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求 分析新系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求的目的是：準確地描述系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)元素組成， 這有利于全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性，以便進行系統(tǒng)的詳細設計。 新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括向系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)和用戶需要輸出的數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)細化
到分系統(tǒng)、子系統(tǒng)及模塊時，就可確定外部輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)向外輸出的
數(shù)據(jù)。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
５．１．２軟件系統(tǒng)設計開發(fā)原則 （１）實用、操作簡單是系統(tǒng)設計開發(fā)的首要原則。實用性主要出系統(tǒng)的功 能柬體現(xiàn)，而易于使用是當前所有軟件的必然要求。 （２）采用模塊化結構和面向對象技術相結合的設計方法是系統(tǒng)設計開發(fā)的 第二個原則。利用模塊化結構可以將系統(tǒng)分為若干個子塊，易于實現(xiàn)功能的拓 展； 而面向對象技術是軟件開發(fā)和軟件工程的發(fā)震趨勢，可提高編程的效率和 （３）界面清晰、友好，有較好的觀賞性是該系統(tǒng)設計的第三個原則。在 Ｗｉｎｄｏｗｓ等以圖形化為界面的操作系統(tǒng)下，一個優(yōu)秀的軟件不僅要有良好的功 能，也需提供友好的用戶界面，以此來方便用戶的使用、軟件的推廣及標準化。 所以在設計開發(fā)時必須注意這一點，可采用可視化控件、顯示與計算等方法提 離系統(tǒng)的整體性能。 ５．２軟件系統(tǒng)的總體設計 ５．２．１軟件系統(tǒng)開發(fā)工具 本文的軟件開發(fā)中，采用Ｖｉｓｕａｌ 和可視化的程序設計語言。Ｖｉｓｕａｌ 開發(fā)工具。Ｖｉｓｕｍ
Ｂａｓｉｃ Ｂａｓｉ ｃ
規(guī)范性。
６．０為程序設計語言，它是基于Ｂａｓｉ
ｃ
Ｂａｓｉｃ
６．ｏＲ§ｆｉｃｒｏｓｏｆｔ公司推出的可視化
６．ｏＨ一方面繼承了其先輩Ｂａｓｉｃ所具有的程序設計語
言簡單易用的特點，另一方面在其編程系統(tǒng)中采用了面向對象、事件驅動的編
程機制，用一種巧妙的方法把Ｗｉｎｄｏｗｓ的編程復雜性封裝起來，提供了一種所見 即所得的可視化程序設計方法。另外，ＶＢ支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換對象的鏈接與嵌入 等新型的編程技術。
５
２．２軟件系統(tǒng)主要功能模塊 根據(jù)軟件工程理論的相關原理，將ＭＶＳＡ０軟件劃分為數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡圖維
護、網(wǎng)絡解算、系統(tǒng)分析及決策支持五大功能模塊。軟件系統(tǒng)的功能模塊結構 如圖５—２所示。 １）數(shù)據(jù)管理模塊 包括新建數(shù)據(jù)庫、打開數(shù)據(jù)庫、錄入維護、數(shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)導出等基本功 能。其中，新建數(shù)據(jù)庫是軟件能自動生成一個空的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)檢查的功能是 自動查找網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù)中常見的數(shù)據(jù)錯誤，數(shù)據(jù)導出的功能是將網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù) 庫、兩絡解算結果數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式導出至ｉｉｒｏｒｄ或Ｅｘｃｅｌ，以便形成文件。 ２）網(wǎng)絡解算模塊
包括獨立回路選擇、自然分風解算、按需分風解算和虛擬風機解算。其中，虛
擬風機解算是沒有風機參與的通風網(wǎng)絡解算。由于該內容不是本論文的重點，
３７
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
這里不做詳細論述。
圖５—２礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件功能結構圖
３）網(wǎng)絡圖維護模塊 包括圖形打開、圖形保存、邊輸邊繪、自動繪制和導出至ＡｕｔｏＣＡＤ等功能。 其中網(wǎng)絡圖的繪制功能有邊輸邊繪和自動繪制兩種，邊輸邊繪是在錄入數(shù)據(jù)的 同時自動生成網(wǎng)絡圖，該方法是能在輸入數(shù)據(jù)時自動檢查網(wǎng)絡結構的連通性。 自動繪制是有了數(shù)據(jù)庫后自動生成通風網(wǎng)絡圖，對于該功能，安徽理工大學專 門開發(fā)了一套網(wǎng)絡圖自動生成軟件。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
４）系統(tǒng)分析模塊 包括風機工況點分析、最大阻力路線分布、角聯(lián)分析、網(wǎng)絡結構分析、特 殊分支查詢等。該模塊的有些功能將在下一節(jié)做重點介紹。 ５）決策支持模塊 該模塊包括以風定產、決策優(yōu)化、風量調節(jié)和系統(tǒng)改造等子模塊。其中以 風定產子模塊主要功能是根據(jù)某礦井的噸煤需風量、相對瓦斯涌出量、絕對瓦 斯涌出量及瓦斯涌出不均勻系數(shù)等參數(shù)，計算該礦井總產量或每個系統(tǒng)的產量。 而本論文將要論述的是決策優(yōu)選子模塊，其中優(yōu)選所采取的優(yōu)選方法有：模糊 綜合評判、模糊灰色理論和模糊神經網(wǎng)絡等方法。后面將詳細介紹該子模塊功
能。
５．２．３系統(tǒng)界面設計 （１）礦井通風系統(tǒng)設計開發(fā)的使用對象是參與礦井系統(tǒng)分析與設計和科研 人員，他們對系統(tǒng)完成的工作任務有比較清楚的了解和思路，對礦井通風系統(tǒng) 的工作設計的工作流程比較熟悉。但是其計算機的操作水平可能會參差不齊， 因此，軟件的界面設計除了遵循Ｗｉｎｄｏｗｓ程序設計規(guī)范外，還要遵循以下一些原 則： ａ、用戶原則 人機界面設計首先要確立用戶類型。劃分類型可以從不同的角度，視實際 情況而定。確定類型后要針對其特點預測他們對不同界廄的反應。這就要從多 方面設計分析。 ｂ、一致性原則 設計應從任務、信息的表達、界面控制操作等方面與用戶理解熟悉的模式 盡量保持一致。 ｃ、經濟性原則 界面設計要用最少的支持用戶所必須的步驟來實現(xiàn)一個操作，要盡量減少 用戶記憶負擔，采用有助于記憶的設計方案。 ｄ、幫助和提示原則 要對用戶的操作命令做出反應，幫助用戶處理問題。系統(tǒng)要設計有恢復出 錯現(xiàn)場的能力，在系統(tǒng)內部處理工作要有提示，盡量把主動權讓給用戶。 （２）系統(tǒng)界面設計 本系統(tǒng)的總體界面如圖５—３所示
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５－３ ＭＶＳＡＯ系統(tǒng)主界面
５．３礦井通風系統(tǒng)分析子系統(tǒng)開發(fā) ５．３．１通風網(wǎng)絡角聯(lián)分析模塊 （１）模塊功能及程序流程 礦井通風網(wǎng)絡角聯(lián)分析模塊的主要功能是在給定的通風網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù)與風 機特性數(shù)據(jù)的條件下，通過按需分風解算后，再經過角聯(lián)分析，自動識別跨越 兩條通路之問的一條風流方向及其不穩(wěn)定的分支。它能夠分析整個通風網(wǎng)絡， 也能分析單個通風系統(tǒng)，還能分析跨越不同通風系統(tǒng)的角聯(lián)分支。其程序流程 圖如圖５－４所示。
一４０一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５—４礦井通風網(wǎng)絡角聯(lián)分析程序流程圖
（２）軟件界面及說明 在主界面的“系統(tǒng)分析”菜單下，選擇“角聯(lián)分析”命令，然后打開角聯(lián) 分析數(shù)據(jù)庫，選擇數(shù)據(jù)表之后，程序將彈出如下圖５—５所示角聯(lián)分析界面。
—?４１—－
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５－５通風系統(tǒng)角聯(lián)分析子系統(tǒng)主界面
進入角聯(lián)分析界面后，選擇角聯(lián)分析類型下拉列表框，這里有“整個網(wǎng)絡
角聯(lián)分析”，“單個系統(tǒng)角聯(lián)分析”，“跨不同系統(tǒng)角聯(lián)分析”三個選擇項，如果
選擇的是“跨不同系統(tǒng)角聯(lián)分析”，還必須選擇所要分析的通風系統(tǒng)，然后點擊 “分析”命令按鈕進行角聯(lián)分析，分析結果可以導出至Ｅｘｃｅｌ。分析時間隨著網(wǎng) 絡復雜程度不同而不同，對于１００條以內的分支，分析時間大約１～２分鐘；而 對于３００條左右的復雜網(wǎng)絡，分析時間大約３～４分鐘；而對于分支數(shù)超過３００ 條的通風網(wǎng)絡，分析時間會更長。 ５．３．２阻力分布合理性分析模塊 （１）模塊功能及程序流程 阻力分布合理性分析模塊的主要功能是找出各通風系統(tǒng)的通風阻力最困難 的一條路線來，并繪出這條路線上的巷道長度與阻力分布之間的關系趨勢圖， 同時，計算進風、用風及回風三段的阻力分布值，并用餅圖表示它們三者之間 的比例關系。 礦井通風阻力分布合理性分析的程序流程圖如圖５－６所示。
一４２—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５－６
阻力分布合理性分析的程序流程
（２）軟件界面及說明 在主界面的“系統(tǒng)分析”菜單下，選擇“最大阻力路線分布”命令，程序將 彈出如下圖５—７所示最大阻力路線查詢界面。 進入最大阻力路線分布界面后，點擊“連接數(shù)據(jù)庫”，選擇所需要的網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)庫，然后選擇網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù)表、風機特性數(shù)據(jù)表及解算結果數(shù)據(jù)表進行按 需分風解算。接著選擇“通風網(wǎng)絡系統(tǒng)信息”，進行最大阻力路線查詢計算。
４３—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５—７最大阻力路線分布子系統(tǒng)主界面
５．３．３通風網(wǎng)絡結構分析模塊 （１）模塊功能及程序流程 網(wǎng)絡結構合理性分析模塊的主要功能是計算網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)，分析通 風網(wǎng)絡人工增阻的情況，并分析系統(tǒng)受相鄰系統(tǒng)影響較嚴重程度。 礦井通風網(wǎng)絡結構合理性分析的程序流程圖如圖５—８所示。
囪
Ｉ
圖５－８網(wǎng)絡合理性系數(shù)求解框圖
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
（２）軟件分析結果界面，如圖５—９所示。
圖５－９
網(wǎng)絡結構合理性分析結果界面
５．４礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化子系統(tǒng)開發(fā) ５．４．｛模塊功能簡介及程序流程 本模塊是采用基于知識的程序設計方法建立起來的推理機制，它能象領域 專家那樣，應用多年積累的經驗和專門知識，模擬領域專家的思維過程，控制 并執(zhí)行對問題的求解。推理機制在求解問題過程中，能使用知識庫中的知識按 ～定的推理方法的控制策略進行推理，通過推理對所研究領域的問題作出智能 決策。 （１）權值的模糊推理過程 程序設計中系統(tǒng)采用了文字提示。以入機對話方式進行專家判別經驗的知 識獲取，然后，通過知識庫的規(guī)則判斷建立不同決策指標的二元對比優(yōu)屬標度 計算矩陣。在建立了二元對比優(yōu)屬度計算矩陣后，系統(tǒng)還具有對所獲取知識是 否合理，即是否滿足一致性要求的檢驗功能，若一致，給出輸入正確向下進行 的提示，否剛指出一致對比不滿足的條件，并提請重新調整。在獲得優(yōu)屬度對
比矩陣之后，系統(tǒng)內的推理機制馬上運行，選擇以初始優(yōu)屬度最大值為對比對
象，利用領域專家經驗進行其它影響因素的優(yōu)屬度推求。這就是權值模糊推理 整個過程，它的推理工作過程框圖如圖５—１０所示。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５．１０權值模糊推理工作過程框圖
（２）半結構化的模糊特指標征值的定量化 該系統(tǒng)具有友好簡潔極易操作的人機交互界面。作為半結構系統(tǒng)，其數(shù)據(jù) 庫中定量指標數(shù)據(jù)可直接輸入；對于定性指標數(shù)據(jù)，可以通過推理機制，得出
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
其相對優(yōu)屬度，其推理過程類似于權值的模糊推理求解過程。 （３）評判優(yōu)選計算 該評判優(yōu)選計算是依據(jù)第三章模糊優(yōu)選決策理論的基本原理，結合礦井通 風系統(tǒng)優(yōu)化評判的特點和步驟，編寫了礦井通風決策優(yōu)選分析程序。該程序評 判計算流程圖如圖５－１１所示。
圖５－１ １礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)選計算流程圖
５，４．２軟件界面及說明 進入ＭＶＳＡＯ系統(tǒng)主界面，在“決策支持”菜單下，選擇“決策優(yōu)選”命令 進入５一１２所示的決策優(yōu)選界面。
一４７
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
圖５－１２礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)選分析子系統(tǒng)主界
在該礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)選分析主界面里，可以對指標進行編輯，也可以 增加、刪除方案。在擬定方案和建立指標特征值之后，程序將以人機對話方式 進行元知識（專家判別經驗的知識）獲取，然后，以產生規(guī)則建立知識庫，通 過知識庫規(guī)則判斷建立不同指標二元對比優(yōu)屬標度計算矩陣。其人機對話式元 知識獲取界面參見圖５—１３所示。
圖５一１３指標二元對比元知識輸入界面
在推求得各指標的權值以及指標特征值定量化后，然后可以選擇評判方法 進行評判計算，其計算結果將用二維直方圖表示出來。
４８—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
５．５軟件的使用環(huán)境與測試
５ ５
１軟件的使用環(huán)境 由于該軟件作為中小型企業(yè)或個人使用，對系統(tǒng)的運行環(huán)境及硬件要求不
高，對于主頻４００Ｍ以上、內存６４Ｍ的檔次的微機均符合要求。而Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、
Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ及Ｗｉｎｄｏｗｓ ５ ５
ＮＴ操作系統(tǒng)均適合。
２軟件的測試 軟件的系統(tǒng)需求分析、軟件設計、軟件編碼、軟件測試以及軟件的安裝與
維護是幾個重要的軟件開發(fā)周期。而軟件測試是軟件開發(fā)周期中一個非常重要 的環(huán)節(jié)，在軟件測試分析中要盡量遵循“循環(huán)系統(tǒng)的理論”，即重復的檢測每個 單元的正確性然后給出一個確定的單元測試結果；成功則進行下一個，不成功 修改后重新測試，其過程如圖５—１４所示。
修改 圖５—１４軟件測試循環(huán)圖
軟件的測試采用遞增式演進測試模型。在開發(fā)的過程中，會有經常的單元 測試，因此要對每一個功能單元進行嚴密的測試，以期望能達到功能測試中盡 量沒有錯誤；在軟件基本完成后，最后進行了整體的測試，即針對每一個功能 或目標從軟件的熬體上進行測試，這一個階段分為靜態(tài)的整體測試和動態(tài)的整 體測試。而且，也進行了模擬的用戶測試。 該礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件是在程序編寫過程中，根據(jù)系統(tǒng)的不同功 能，對每個子系統(tǒng)進行調試，調試通過后，再對整個系統(tǒng)進行反復調試通過。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
６應用實例
６．１平頂山八礦礦井概況 平頂山煤業(yè)有限責任公司八礦，位于河南省平頂山市最東部，西距市中心 １】公罩，該礦１９８１年２月１３日投產，礦井設計生產能力為３００萬噸／年。 由于井田地質條件復雜，礦井采用立井、多水平、暗斜井，上下山開拓方 式。礦井分兩個水平開采，一水平標高一４３０ｍ；二水平標高一６５０ｍ。 礦井為高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井；煤層具有自然發(fā)火危險性，自燃發(fā)火
期４—６個月：煤塵有爆炸危險性，地溫梯度較大，井在－－４３０ｍ水平地溫為２８～
３３℃，一水平以下，地溫梯度為３．４～４．９℃／１００ｍ，預計最高可達４５℃。
井下共有五個采區(qū)，分別為丁一、戊一采區(qū)、已三擴大采區(qū)、已二采區(qū)、
戊二四采區(qū)。有七個采煤工作面和一個備采面。礦井原煤采用分采分運。 目前，礦井采取中央并列式通風方式，副井、新副并和主井進風，西。、 西二、丁一和東風井回風，共有８對風機，正常有４臺風機運行。 該礦井計劃從２００６年開始由一水平向二水平過渡，二水平于２０１０年左右 投產。過渡時期仍維持４個通風系統(tǒng)，除丁一風井更換風機外，其余３個系統(tǒng) 維持現(xiàn)狀。 隨著采掘深度的加大，通風網(wǎng)絡路線加長，以及一些回風巷道的失修，礦 井的通風阻力逐步加大，通風較困難，而且瓦斯、地溫、沖擊地壓、自然發(fā)火 等諸多不利因素有加重的趨勢。為了滿足深部二水平開采的需風要求，保障礦 井生產作業(yè)安全，減輕或解決深部開采存在的問題，必須對全礦井通風系統(tǒng)進
行分析，然后提出后期的改造優(yōu)化方案，并選擇最優(yōu)方案。
６．２平頂山八礦通風系統(tǒng)分析 （１）通風系統(tǒng)角聯(lián)風路分析 將平頂山八礦通風網(wǎng)絡基礎數(shù)據(jù)輸人ＭＶＳＡＯ軟件運行后，得到該礦現(xiàn)狀通風 系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)，整理后得各角聯(lián)風路及非角聯(lián)風路，為了節(jié)省篇幅，這里僅 列出部分數(shù)據(jù)，如表６一ｌ所示。
一５０一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
表６－１ 分支號
１ ２ ３ ４ ５ ６
７
平項山八礦通風系統(tǒng)角聯(lián)風路分析表 巷道名稱 副井 主井 新副井 已三大巷 已一大巷 中央火藥庫 中央變電所 ＿ｒ一進風巷 西翼空車線 西翼重車線 放煤站繞道 己三放煤站繞道 放煤站繞道 擴大皮帶Ｆ山 己三高強進風 角聯(lián)分支 否 否 否 否
否 否 否
始節(jié)點
１ １
１
末節(jié)點
２ ２ ５５ ３ ４３ ４９ ４９ ５７ ７９ ７９ ４ ２２ ５ ６ ２４
巷道類型 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 用風地點 用風地點 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支
風流方向 正向 正向 正向
正向
２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ３ ４ ４ ５ ５
上Ｅ向 止向 上Ｅ向 正向 正向 止向 正向 正向 上Ｅ向 正向 正向
８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １ ５
是
否 否
否 是 否 是 是
３０５ ３０６ ３０７ ３０８ ３０９ ３ｌＯ ３１１ ３１２ ３１３ ３１４ ３１５ ３１６ ３１７ ３１８
９３ １５４ １ １ １ ｌ １９１ １９２ １９３ １９４ ５６ １８０ ９４ １８１
１５５ １５ｌ １９１ １９２ １９３ １９４ ｌ １ １ １ ５７ ２４ １５５ １３３
１２０８２邊切眼 １１０３１邊切眼 東風井外部漏風 ＿ｒ一風井外部漏風 西一風井外部漏風 西二風井外部漏風 東風機 丁一風機 硝一風機 西二風機 丁一上部運輸平巷 已三擴大運輸巷外 １２０５２回風道聯(lián)巷 戊四東西石門聯(lián)巷
是
否 否
一般分支 一般分支 用風地點 用風地點 用風地點 用風地點 風機分支 風機分支 風機分支 風機分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支
Ⅱ：向 正向 正向 正向 正向 正向 正向 正向 止向 止向 止向
正向
否 否
否
否 否 否
否
是
是
是 是
正向 止向
一５１—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
該礦井的通風網(wǎng)絡分支總數(shù)ｎ為３１８條，節(jié)點總數(shù)ｍ為２００個。通過計算 機程序執(zhí)行后確定的角聯(lián)ＪｘＬ路總數(shù)ｎ。為７７條，非角聯(lián)風路總數(shù)２４ｌ條，跨越 不同通風系統(tǒng)的角聯(lián)分支有１３條，占角聯(lián)風路總數(shù)的１９．９％；而該礦井有四個 通風系統(tǒng)，經程序計算得各系統(tǒng)的角聯(lián)風路數(shù)如下表６—２所示。
表６－２各系統(tǒng)的角聯(lián)數(shù)計算表 系統(tǒng)名稱 東風井 丁一風井 西一風井 西二風井 角聯(lián)數(shù)／條
２７ １１ １７ １８
占卣分ＬＬ／％
３５．１
１４．１ ２２．１ ２３．４
從計算機處理結果來看，該礦通風系統(tǒng)是比較復雜的，礦井通風網(wǎng)絡結構 的復雜度由下面公式求得：
Ｒ＝ｌｇ【ｍ×（ｎ＋ｎ，）Ｊ＿ｌｇ［２００×（３１８＋７７）］＿４．９
根據(jù)礦井通風網(wǎng)路的結構復雜程度Ｒ值，一般認為Ｒ≥４．３時，礦井為復雜礦 井；而該礦井的Ｒ等于４．９，因此，我們認為該礦井為復雜礦井。 通過角聯(lián)風路分析，可以得出如下結論：
①該礦井是經過多次改造的礦井，角聯(lián)風路所占的比例是較大的。
②該礦井共有四個通風系統(tǒng)，東風井系統(tǒng)角聯(lián)數(shù)最多，風流最不穩(wěn)定，丁 一‘風井系統(tǒng)角聯(lián)數(shù)目較少，風流較為穩(wěn)定；由于不同系統(tǒng)之間存在角聯(lián)風路， 因此，四臺風機之間存在相互影響。 ⑧該礦井有七個采煤工作面、一個備用工作面，因為工作面的通風要求比 較高，所以為保證通風網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，應對工作面上的角聯(lián)風路的關聯(lián)分支進 行風阻調節(jié)。 ④通風系統(tǒng)發(fā)生變化時，角聯(lián)風路將要隨之變化。布置不得當?shù)囊粭l巷道， 甚至是很短的一條聯(lián)絡巷都有可能將一個采區(qū)變成角聯(lián)采區(qū)。 ⑤通過對礦井通風網(wǎng)絡結構的復雜度的計算，該礦井的網(wǎng)絡結構的復雜度 Ｒ＞４．３，因此可以定義該礦井為復雜礦井。 （２）阻力分布合理性分析 應用ＭＶＳＡＯ軟件分析可知，西一、西二和東風井系統(tǒng)阻力偏高。為了分 析系統(tǒng)阻力大的原因�，F(xiàn)以西一風井系統(tǒng)為例，其最大阻力路線的阻力分布分 析如下：
①西一系統(tǒng)的最大阻力路線為：１—２—７９～８０一８１—８２—８３—８９—２２４— ２２５—９４—１５ｌ—１５７—９７—１１８—９８—１９３，該系統(tǒng)起點至終點的總阻力為：
５２
笙苧望墾墨絲坌塹量垡些塹莖
３３３６Ｐａ；該阻力路線為經過１２０５２工作面的通路，在這條路線上西翼空車線、 空重車線、１２０５２采面風巷、戊二西石門、戊二西石門通井底的通風阻力都超過 ｌＯＯＰａ，因此，要降低該系統(tǒng)的通風總阻力，必須降低這些高阻分支，其阻力分 布如表６－３所示。
表６ ３西一風井系統(tǒng)阻力分布表
風阻 風量
ｍ３／ｓ １４６．３ ９０．９ １２２．５ ６８．４ ６６．６ １４．１ １２．１ ７．９ ７．９ ７．９ ５．５ ６０．４ ７８．３ ８２．５ ７７．２ １０９．３ １１４．３
阻力
Ｐａ ５８ ７１９ ６０１ ８７ ４５ ４ ９ １３
４
卣米阻力 ｋｇ／ｍ７
１０ ６４ １８２ ７８ ８１ ３ １ ４ ５ ２２１ ９ １７６ ８６ ８ｌ ５８１ ７ Ｏ
分支
ｌ ９ １４０ １４３ １４４ １４７ １４９ １６６ １６７ １６８ １７４ ２７４ ２８０ ２１３ １７７ １７８ ３１３
始點
１ ２ ７９ ８０ ８１ ８２ ８３ ８９ ２２４ ２２５ ９４ １５１ １５７ ９７ １１ ８ ９８ １９３
末點
巷道名稱
ｋｇ／ｍ７ 副井
０ ００２７ ０．０８７２ ０．０４０１ ０．０１８８ Ｏ．０１０２ ０．０２０４ ０．０６２４ ０．２０８６ ０．０６６２ １０．６２８３ ０ ７５１ ５ ０ ０３３８ ０．０１２６ ０．０３７２ ０．１０７５ ０．００１３ ０ ０００１
２ ７９ ８０ ８１ ８２ ８３ ８９ ２２４ ２２５ ９４ １５ｌ １５７ ９７ １１８ ９８ １９３ １
西翼空車線 空重車線
己二石門 己二石門
軌道Ｆ山車場 軌道上山 １２０５２采面機巷 １２０５２采面 １２０５２采面風巷
邊切眼 己二回風上山 戊二西石門 戊二西石門
６６５ ２２ １２３ ７７ ２５３ ６４０ １５ １
戊二西石門通井底 西一風井 髑一風機
②該系統(tǒng)進風段、用風段及回風段的阻力損失分布如表６＿４所示。
表６－４西一風井系統(tǒng)各區(qū)段的阻力分布表
區(qū)段
阻力損失／Ｐａ
１５２３ ６８２ １１３１ ３３３６
占百分比／％ ４５．７ ２０．４ ３３．９ １００
進風段 用風段 回風段 合計
根據(jù)表６－４繪出西一風井系統(tǒng)各區(qū)段的阻力分布的餅圖，如圖６－１所示，由
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
該圖可以看出，該系統(tǒng)的進風系統(tǒng)阻力偏大，應設法降低進風系統(tǒng)阻力。
３４
２０％
圖６ ｌ兩‘風機系統(tǒng)各阻力段阻力分布
（３）網(wǎng)絡結構合理性分析 網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)是由自然分風的壓力與按需分風的壓力比值確定。表 示人工增阻程度。正常值在ｌ以下。對于多風井系統(tǒng)，有可能比值大于１。這表 明，該系統(tǒng)受相鄰系統(tǒng)影響較嚴重。根據(jù)系統(tǒng)模擬，各個系統(tǒng)自然分風與實際 分風的壓力及網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)如表６—５所示。
表６－５網(wǎng)絡結構合理性系數(shù)表 系統(tǒng)名稱 東風機 ｒ一風機 西一風機 西二風機 自然分風風壓／Ｐａ
３０７９ １６９８ ３３３２ ２７０９
按需分風風壓／Ｐａ
３０９７ １６８６ ３３３６ ２９５０
網(wǎng)絡結構系數(shù)
０．９９４２ １ ００７１ ０．９９８８ ０．９１ ８３
通風系統(tǒng)網(wǎng)絡分析和結構分析表明，八礦的通風系統(tǒng)除丁一系統(tǒng)受相鄰系 統(tǒng)影響較大外，其余三個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構較合理。 ６．３模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡的應用 ６．３．１二水平通風系統(tǒng)方案的擬定 根據(jù)二水平的開拓布局和需要解決的問題，逐步擬定了６個方案，通過逐 步的技術比較，有２個方案存在缺點： （１）方案５是在西二采區(qū)北部邊界打進風井。該方案的缺點是，此方案井 口位置山高，井深，施工難度大，壓煤多（初步計算１６６０萬噸）；如采用此方 案，二水平新副井似有多余，有重復建井之缺點；另外，西二風井的風機能力 不能滿足通風要求，必須更換風機。
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
（２）方案６是在二采區(qū)深部打回風井，該方案不僅存在井口地處高山、井 深、施工難度大、壓煤多的缺點，更為重要的是在采區(qū)回風下行，可靠性和安 全性差，技術上不合理。 通過分析比較，這兩種方案在安全、經濟上存在很大的不合理性，由單一 否決性指標將這兩種方案給予否定，從而保留了前四種方案，如表６—６所示， 各方案的經過初步分析的優(yōu)缺點如表６—７所示。由于這四種方案各有優(yōu)缺點， 需要進一步從技術、經濟和安全三個角度對它們進行科學的論證比較。
表６－６平頂山八礦二水平通風系統(tǒng)改造方案 方案 方案的前提條件與內容 ①北風井系統(tǒng)擔負西＿二采區(qū)通風；②丁一風
ｌ
主要工程量 新打北回風井，井巷工程ｌｌＯＯｍ左
井擔負ｒ一采區(qū)通風；③原西二回風井改為 進風井 ①北風井系統(tǒng)擔負匹二采區(qū)通風；②Ｊ～風 右，Ｄ＝６ｍ
２
井擔負Ｊ‘一采暖通風；③同時有Ｊ＿一、戊一 和已一三個采區(qū)生產 ①丁一風井擔負丁一采區(qū)通風；②北風井擔
丁一采區(qū)向北延伸１０００ｍ
３
負戊二采區(qū)通風；③原兩二風井擔負已二采 區(qū)通風 ①北風井系統(tǒng)擔負西二采區(qū)通風；②丁一風
丁一采區(qū)向北延伸１０００ｍ
①在ｒ一與已一采區(qū)之間打暗立 井ｌＯＯｍ；②東風井回風系統(tǒng)要維 修２２００ｍ巷道，時間長達２０余年
４
井擔負戊一、已一采區(qū)通風；⑨東風井擔負 ｒ一采區(qū)通風
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
表６．７平項山八礦二水平通風系統(tǒng)改造方案優(yōu)缺點 方案 優(yōu)點 ①回風路線縮短了１２００ｍ，對深部開采
１
缺點
有利；②西二：回風井該為進風井，新副 井進風量減少，進風系統(tǒng)阻力降低 ①丁…采區(qū)進一步延深開采，在通風方
方案Ｔ程量較大，撕＋造成一定壓煤
２
面保證了礦井高產和高產穩(wěn)定期延長； ②其余的優(yōu)點與方案２相同
缺點同方案１
①西二風井系統(tǒng)阻力大，網(wǎng)絡與風機性 西二風井得到利用，西二采區(qū)分區(qū)通
３
能不匹配，且不能滿足供風要求；②風 機的工況點處在駝峰區(qū)；⑧礦井風機數(shù) 增加，管理較復雜、經濟效果較差
風，調節(jié)程度變得容易
①東風井得到利用，實現(xiàn)部分采區(qū)的分
４
①東風井系統(tǒng)風量不能滿足要求；②礦 井風機數(shù)增加，管理較復雜：⑧北風井 系統(tǒng)，缺點與方案２相同
區(qū)通風，調節(jié)程度變得容易；②其余的 優(yōu)點與方案２相同
６．３．２各方案指標的參數(shù)值的確立 （１）指標權重值的確定 根據(jù)第二章所確定的礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化指標以及權熏的二元對比求解 方法，現(xiàn)在分別求各因子在分系統(tǒng)內的指標權重，并將所求得的相對優(yōu)屬度值， 進行歸一化處理，現(xiàn)在分別對礦井通風系統(tǒng)決策的一級指標和二級指標予以說
明：
１）一級指標的權重的求解 給出一級指標之間的二元對比標度矩陣，其中Ｂ。為技術先進指標，＆為經 濟合理指標，Ｂ。為安全可靠指標。
Ｂｌ Ｂｌ Ｂ．Ｆ＝ Ｂ， Ｏ，５ １ ｌ Ｂ ０ Ｏ．５ １ Ｂ３ ０ ０ ０．５
２
排序 ０．５（３） １．５（２） ２．５（１）
根據(jù)矩陣Ｆ按推論２—２得到３項一級指標的重要性排序依次為Ｂ｛、Ｂ。、Ｂ．。 運用經驗知識，以排序（１）的指標Ｂ３，依次與排序序號為（２）、（３）的指標
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
Ｂ２、Ｂ，比較，給出重要性程度的二元對比判斷如下：Ｂ。與Ｂ２相比，Ｂ。比Ｂ：“稍稍” 重要；＆與Ｂ。相比，＆比Ｂ．“略為”重要。應用表２－１的得到３個一級指標關 于重要性的相對隸屬度向量，如表６ ８所示。
表６－８一級指標相對優(yōu)屬度及歸一化指標權重結果表 指標Ｂ。
Ｂ－
比較指標因子
Ｂ２ 臥
優(yōu)越一｜生比較
ＢＪ
略為
０．６６７ ０．２７７
稍稍
Ｏ．７３９ Ｏ．３０７
同樣
１ Ｏ．４１６
相對優(yōu)屬度 歸一化指標權重
２）二級指標的權重的求解 同樣，依此方法分別進行技術先進分系統(tǒng)、經濟合理分系統(tǒng)和安全可靠分 系統(tǒng)各指標相對優(yōu)屬度及歸一化權重計算，其結果列于表６—９、６—１０、６－１１。
表６－９技術先進分系統(tǒng)各因素優(yōu)屬度及歸一化指標權重結果表 指標Ｃ，
Ｃｌ
比較指標因子
Ｃ２ Ｃｏ
優(yōu)越性比較
ＣＩ
同樣
１ ０．４７７
略為
０．６６７ ０３１８
明顯
０．４２９ ０．２０５
相對優(yōu)屬度 閂一化指標權重
表６—１０經濟合理分系統(tǒng)各因素優(yōu)屬度及歸一化指標權重結果表 指標ｃ。
Ｃ４ Ｃ５ Ｃ８ Ｃ７
比較指標因子
優(yōu)越性比較
Ｃ７
稍稍
０．７３９ ０．２５１
略為
０．６６７ ０．２２７
較為
０，５３８ Ｏ．１８３
同樣
ｌ ０．３４
相對優(yōu)屬度 歸一化指標權重 表６－１１
安全可靠分系統(tǒng)各因素優(yōu)屬度及歸一化指標權重結果表 比較指標因子
指標Ｃ，’
Ｃ日 Ｃ９ Ｃ１０ Ｃ
Ｌｌ
優(yōu)越性比較
Ｃｌｌ
較為
０．５３８ Ｏ １９３
明顯
０．４２９ ０．１５４
稍稍
０．８１８ ０．２９４
同樣
１ ０．３５９
相對優(yōu)屬度 歸一化指標權重
３）將全系統(tǒng)的一級指標權重、二級指標權重進行統(tǒng)計，匯成相對優(yōu)屬度指
一５７
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
標權重統(tǒng)計表，并計算系統(tǒng)所有指標的總排序，如表６—１２。
表６一１２ 一級指標 技術先進
０ ２７７
Ｂｌ
將全系統(tǒng)的各指標權重、總排序匯總表 權重 …級指標
Ｃｌ Ｃ２ Ｃ３ Ｃｄ
權重
０．４７７ Ｏ．３１８ ０．２０５ ０．２５ｌ ０．２２７ Ｏ．１８３ Ｏ．３４ ０．１９３ ０．１５４ ０．２９４ ０．３５９
總排序
Ｏ．１３２ｌ ０．０８８１ ０．０５６８ ０ ０７７１ ０．０６９７ ０．０５６２ ０１０４４ ０．０８０３ ０ ０６４１ Ｏ．１２２３ ０．１４９３
經濟臺理
０．３０７ Ｂ，
Ｃ５ Ｃ６ Ｃ， Ｃ８
安全可靠
０ ４１６ Ｂ，
Ｃ９ ＣＩＯ Ｃ１１
（２）各方案指標特征值的確定 根據(jù)平頂山八礦通風系統(tǒng)的實際情況，以及確立的１１個指標及通過模糊二 元對比計算得到的各指標的相對重要系數(shù)（權值）。并由礦井通風網(wǎng)絡解算、圖 表計算及專家評定，結合平頂山八礦通風阻力的測定結果，得出各方案指標的 屬性值，見表６—１３。
表６—１３各方案主要評判指標屬性值 一級 權重 指標 礦井風壓 技術
０．２７７ ０．４７７ Ｏ ３１８ ０．２０５ Ｏ．２５１ ０．２２７ ０．１８３ ０．３４ ０．１９３ Ｏ．１５４ ０．２９４ ０．３５９
二級指標
權重 方案１
２９３７ １ ０１３７ ０ ８４９ １ ５２１．２３ ３４３．５ ０ ０．２７
各方案的指標特征值 方案２
２９６５ １ ００８９ ０．９９８ １１２０１２ １２０－４ ０ ０．２６
方案３
３１３４ ｌ ０６１ ０ ９４５ ｌｌ ５２ ４３ ６５０ ７ ２０４ ２ ０ ３３
方案４
３０８１ ｌ ０１３ ０ ９２３ ５９１ ４５ ３２０ ７ ８００ ３ ０ ２８
先進 結構合理性 井巷工程費（萬元） 經濟
０．３０７
風量供需比
設備購置費（萬元） 巷道維護費（萬元） 噸煤通風電費（元／噸） 用風地點角聯(lián)數(shù)
合理
１０ ０．０４０５
ｌｌ ０．０４６
ｌｌ ０．０，５２６
１１ ０．０４４２
安全 可靠
風速超限狀況
０．４１６
風機運轉穩(wěn)定性 礦井抗災能力
較穩(wěn)定 一般
穩(wěn)定 好
差 較好
一般 好
一５８
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
６．３
３模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡的優(yōu)選過程 （１）、模型結構 模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡由輸入層、隱含層、輸出層組成。其中隱含層包括技術
先進、經濟合理及安全可靠三部分。輸出層僅一個節(jié)點，即優(yōu)屬度。輸入層由 １１個節(jié)點參數(shù)組成，技術先進的輸入?yún)?shù)為礦井風壓、風量供需比、結構合理 性；經濟合理的輸入?yún)?shù)為井巷工程費、設備購置費、巷道維護費、噸煤通風 電費；安全可靠的輸入?yún)?shù)為用風地點角聯(lián)數(shù)、風速超限狀況、風機運轉穩(wěn)定 性和礦井抗災能力。系統(tǒng)的模型結構如圖６—２所示。
圖６－２模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型結構圖
（２）、模型參數(shù) ａ、輸入值 對風機運轉穩(wěn)定性和礦井抗災能力２項定性目標，根據(jù)兩極比例方法將其 定量化，得到定性目標相對優(yōu)屬度，并將它們和其它的定量目標列于表６—１４。 其中，目標ｃ：、ｃ。、ｃ。Ｃ。。為越大越優(yōu)型，即效益型，目標ｃ。、ｃ。、ｃ。、ｃ。、 ｃｉ、ｃ。、ｃ。為越小越優(yōu)，即成本型。根據(jù)公式３—２、３～３計算目標相對優(yōu)屬度，因 此在理論上可以將定量目標與定性目標的相對優(yōu)屬度合并組成半結構性目標相 對優(yōu)屬度矩陣。其系統(tǒng)輸入值如下：
５９—
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
表６一１４輸入層定量化指標特征值表 輸入層指標
Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３ Ｃ４ Ｃ５ Ｃ６ Ｃ７ Ｃｓ Ｃ９ Ｃｌｏ Ｃ１１
屬性 方案ｌ 成本型 效益型 效益型 成本型 成本型 成本型 成本型 成本型 成本型 效益型 效益型
２９３７ １ ０１３７ ０ ８４９ １５２１ ２３ ３４３ ５ ０ ０，２７
各方案的定量化指標特征值 方案２
２９６５ １．００８９ ０．９９８ １１２０１２ １２０ ４ ０ ０ ２６
方案３
３１３４ ｌ ０６１ ０ ９４５ １１５２ ４３ ６５０ ７ ２０４ ２ ０ ３３
方案４
３０８１ ｌ ０１ ３ ０ ９２３ ５９１ ４５ ３２０ ７ ８００ ３ ０ ２８
１０ ０．０４０５ ６ ５
１１ ０．０４６ ７ ７
ｌｌ ０．０５２６ ３ ６
１１ ０．０４４２ ５ ７
技術分系統(tǒng)所屬指標因子為ｃ�！恪�，相對優(yōu)屬度矩陣為
１ ０．８６８ ０ １ ０ １ ０．６４４ ０．２６９ ｏ．０７９ ０．４９７
％術＝１
０．０９ ０
ｌ
經濟分系統(tǒng)所屬指標因子為Ｃ�！�，，相對優(yōu)屬度矩陣為
０ Ｏ．５８ Ｂ經濟＝ １ Ｏ．８６ ０．４３ｌ １ １ ｌ ０．３９７ ０ ０．７４５ ０ １ ０．６２２ ０ ０．７１４
安全分系統(tǒng)所屬指標因子為ｃ�！恪埃鄬�(yōu)屬度矩陣為
１ ｌ Ｂ安牟 ０．７５ Ｏ Ｏ ０．５４５ ｌ １ ０ ０ ０ Ｏ．５ ０ ０．６９４ ０．５ １
６０
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
ｂ、輸入層指標權值 由二元對比求解的各子系統(tǒng)指標的初始權向量分別為 ｗ．。＝（Ｗ¨，ｗ，。，Ｗ，。）＝（０．４７７，０．３１８，０．２０５） Ｗ。。＝（Ｗ。。，Ｗ。。，ｗ。。，ｗ。。）＝（０．２５ｌ，０．２２７，０．１８３，０．３４）
Ｗ。。＝（ｗ。Ｗ。：，Ｗ ３３，Ｗ。。）＝（０．１９３，０．１５４，０．２９４，０．３５９）
（３）、隱含層的輸出
對于模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型，隱含層的輸出可以根據(jù)式３—１０，經計算得出
隱含層的輸出指標如下表６—１５所示。
表６—１５隱含層的輸出指標特征值表 隱含層指標
Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３
權值 方案１
Ｏ，２７７ ０．３０７ ０．４１６ ０．５１２６ ０．７０１７ ０．６３２６
隱含層的輸出指標特征值 方案２
０．７１７１ Ｏ．９７３１ ０．８８７
方案３
Ｏ．４０１１ ０．０８６８ ０，０４５７
方案４
０ １０５
０．７５０８ ０．７１４９
（４）、計算輸出值 根據(jù)上述計算得到的隱含層的輸出指標特征值和輸出層的連接權重，利用 模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡理論的公式３—１１，得到四個方案的優(yōu)屬度向量為 Ｌｌ＝（ｕ。，ｕ：，ｕ。，ｕ４）＝（Ｏ．８２９，１，０．０２３４，０．６２） 因此，通過模糊神經網(wǎng)絡的計算可以得到，四種方案的優(yōu)劣順序為：方案２， 方案１，方案４，方案３。而方案２為最優(yōu)方案，這與專家實際所選擇的最佳方 案一致。 ６．３．４模糊神經網(wǎng)絡與模糊綜合評判法的計算結果分析比較 同樣，應用模糊綜合評判模型對以上各方案進行優(yōu)選評判，得出各方案的 相對隸屬度，并與模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型的評判結果列于表６—１６。
表６—１６各評判方法的優(yōu)選結果對比 評判方法 方案１ 模糊神經網(wǎng)絡 模糊綜合評判
０．８２９ ０．６６５８
計算結果 方案２
ｌ ｌ
方案３
０．０２３４ ０．１５０４
方案４
０．６２ ０．６２０３
兩種方法計算結果的對比如圖６—３所示，通過比較發(fā)現(xiàn)，模糊綜合評判計 算的相對優(yōu)屬度差異沒有模糊神經網(wǎng)絡計算的相對優(yōu)屬度差異大，尤其是由模 糊綜合評判計算的結果中，方案ｌ與方案４之間的相對優(yōu)屬度差異僅僅有０．０４５５
６ｌ
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
這給決策工作造成了困難。而模糊神經網(wǎng)絡與模糊綜合評判的計算結果盡管排 序相同，而且最佳方案都是方案２，但其計算結果更具有離散性，即各方案之 間的差異程度更為星著，從而減少了因計算誤差導致優(yōu)等方案遭淘汰的可能性． 也使得決策工作更為順利。
墨模糊神經網(wǎng)絡
曰模糊綜合評判
方案１
冀蓁
方案２
堋圈
方案３ 方案４
圖６—３兩種評判結果對照
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
７結論與展望
７．１結論 本論文在對己有研究成果歸納總結基礎上，將非結構決策模糊集分析單元 系統(tǒng)理論、模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型、礦井通風系統(tǒng)工程理論以及計算機技術交 叉結合，應用到礦井通風系統(tǒng)分析和優(yōu)化研究之中。并在此基礎上，研制開發(fā) 了具有綜合性、通用性較強的礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化軟件，并以河南平頂山 八礦為實驗對象，來驗證軟件的實用性和正確性。其主要研究結論如下： （１）系統(tǒng)地建立了礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化評判指標，從綜合分析來看，采取按 技術先進、經濟合理、安全可靠三個方面劃分系統(tǒng)，選擇了１１個對礦井通風系 統(tǒng)方案優(yōu)選影響較大的因子，作為方案優(yōu)選的依據(jù)。在確定方案集時，采取關 鍵影響因子一票否決的方法，該方法在確定比較方案集是非常必要的，它可以 減少方案優(yōu)選的工作量。 （２）首次將非結構決策模糊集分析單元系統(tǒng)理論引入到礦井通風系統(tǒng)評判 指標權重的求解和指標特征值的定量化中，實驗證明，該方法是可行的，所得 結論是可靠的；同時，本文應用該理論編制了采用人機對話界面輸入元知識的 模糊推理系統(tǒng)。 （３）將模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡理論應用到多目標多層次的決策中，使其顯示出 強大的生命力，而本論文應用該模型對平頂山八礦二水平通風系統(tǒng)方案進行＿『 嘗試性的優(yōu)選，其中，應用模糊神經網(wǎng)絡得出各方案的相對隸屬度的最大、最 小值相差０．９７６６，而應用模糊綜合評判得出各方案的相對隸屬度的最大、最小值 相差０．８４９６，尤其是方案１與方案４所計算的相對優(yōu)屬度的差異卻只有０．０４５５， 這充分說明了模糊神經網(wǎng)絡評判結果比模糊綜合評判的結果更具有離散性。 （４）以礦井通風安全理論為基礎，通過對礦井通風系統(tǒng)進行研究，從而建 立起礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性、通風網(wǎng)絡結構合理性、阻力分布合理性、主通風機 穩(wěn)定性分析數(shù)學模型，從而達到實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)分析的目的，為礦井通風系 統(tǒng)分析或優(yōu)化研究與開發(fā)提供了理論依據(jù)。 （５）系統(tǒng)地應用了礦井通風系統(tǒng)分析和優(yōu)化的理論模型和方法，有效地研 制開發(fā)了功能強大、界面設計美觀、易于操作、實用性較強的礦井通風系統(tǒng)分 析與優(yōu)化軟件（簡稱ＭＶＳＡ０軟件）。通過在平頂山八礦生產實際中的應用，證明 此編程思路是正確的，該軟件是實用、高效的，具有非常明顯的實用價值。
７
２展望 將計算機技術、模糊優(yōu)選神經網(wǎng)絡模型應用于礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和
決策優(yōu)化領域尚屬初步階段，達到直接應用于生產實際成果尚不多見。作為礦
６３
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
井通風系統(tǒng)分析與決策優(yōu)化軟件的開發(fā)，設計內容廣泛，需要研究的問題還很 多。而本研究與開發(fā)成果受時間和任務量的限制，在許多方面還不完善，本人 認為對如下問題有必要進…步的深入研究。 （１）在礦井通風系統(tǒng)決策優(yōu)化子系統(tǒng)中，應完善權值的模糊推理求解和指 標特征值的定量化過程。 （２）對人的經驗知識若能夠較為準確地分析出關于相對優(yōu)屬度判斷與語氣 算子的關系，將會促進模糊決策理論的進一步發(fā)展。 （３）若能夠將模糊優(yōu)選決策集成為專家決策系統(tǒng)，使之具有友好的人機對 話界面，將會促進其在礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化中的應用。 （４）礦井通風網(wǎng)絡分支的風阻變化規(guī)律及這種變化對于其它分支的風量的 大小和方向影響的定量分析有待研究。
６４～
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
致謝
本論文是在我尊敬的導師張國樞教授悉心指導下完成的。在課題的選擇、 研究工作的進行、以及論文的寫作過程中，無不浸透著導師的心血。導師淵搏 的學識，嚴謹?shù)闹螌W作風，以及誨人不倦的態(tài)度給我留下了深刻的印象，并成 為我以后工作及學習上的楷模。正是導師對我在學習、工作和生活等各方面的 精心指導和幫助，使課題的確定和論文的撰寫得以順利完成。在此之際，謹向 導師致以衷心的感謝和崇高的敬意。 同時，在本論文的撰寫過程中，得到了劉澤功教授、戴廣龍教授、石必明 教授、何啟林教授、王佰順副教授、呂品副教授以及其他老師的鼎力幫助，他 們在一些具體問題上給了我許多有益的建議。在此表示衷心感謝。 感謝河南平頂山八礦的領導、通風科的技術人員，提供了本文所需的大部
分基礎數(shù)據(jù)和相關資料，正是因為他們不懈的努力與工作，才使得本課題得以
順利完成。
感謝我的研究生同學束永保、唐明云、蔡峰、葉振興、汪巍等，另外，還
有我的師兄秦汝祥、師弟楊應迪在我論文研究期間對我的幫助和支持。在此我 謹向所有曾經幫助與關心我的同學與朋芨說一聲“謝謝”。 感謝我的父母、兄弟，感謝他們在我求學期闊對我的理解和支持。
最后，我要感謝在百忙中抽出時間悉心評閱本論文的各位專家教授。
作者：邱進偉 ２００５年６月
一６５一
礦井通風系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究
主要參考文獻
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