礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的根本保障。由于自然風(fēng)壓、作業(yè)地點(diǎn)、采礦條件等因素的變化，礦井通風(fēng)系統(tǒng)始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，易造成井下風(fēng)流紊亂，難以及時(shí)排出生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害氣體與粉塵，從而引發(fā)難以預(yù)測(cè)的中毒和窒息事故。因此，必須對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，確保風(fēng)流有序流動(dòng)。傳統(tǒng)的人工或半人工調(diào)控方法難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控，這主要是因?yàn)檎{(diào)控決策所依賴的全局風(fēng)流參數(shù)難以實(shí)時(shí)獲取。

為解決金屬礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控滯后的突出問(wèn)題，合理布設(shè)礦井風(fēng)流參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器并構(gòu)建礦井風(fēng)流智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，中國(guó)計(jì)量大學(xué)王海寧教授團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)了礦井全局風(fēng)流參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，進(jìn)而構(gòu)建了金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的智能通風(fēng)管控軟件平臺(tái)，并基于某金屬礦山開展了工程應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)采用深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的AI算法模型，利用礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)生成的模擬數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，形成了風(fēng)流參數(shù)智能感知系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用多屬性決策理論和方法，結(jié)合礦井需風(fēng)量調(diào)控要求，建立了礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控體系。通過(guò)闡明礦井智能通風(fēng)原理，提出了包含礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)、風(fēng)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能感知與決策系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)的金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)與調(diào)控方法，并開發(fā)了集成的運(yùn)行管控軟件平臺(tái)

金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)原理

金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)主要由完善的礦井通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)流監(jiān)測(cè)與智能感知系統(tǒng)以及智能調(diào)控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)所提供的模擬數(shù)據(jù)集是訓(xùn)練和測(cè)試AI算法模型的基礎(chǔ)，而傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則為AI感知系統(tǒng)提供了輸入數(shù)據(jù)來(lái)源。該AI感知系統(tǒng)可根據(jù)智能控制需求感知（預(yù)測(cè)）井下任意作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流參數(shù)，其輸出數(shù)據(jù)可作為智能控制機(jī)制決策的依據(jù)。

金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)架構(gòu)

金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)：

（1）礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)

良好的礦井通風(fēng)方案是保障礦井安全生產(chǎn)、改善井下人員作業(yè)環(huán)境、提升防災(zāi)抗災(zāi)與應(yīng)急救援能力的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是建設(shè)智能通風(fēng)系統(tǒng)的前提。因此，必須確保金屬礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及構(gòu)筑物具備可調(diào)控性；此外，還應(yīng)結(jié)合礦山實(shí)際情況，應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Scott-Hinsley迭代法理論，開發(fā)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，構(gòu)建礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)，通過(guò)模擬不同自然風(fēng)壓與主扇運(yùn)行狀態(tài)下的風(fēng)流參數(shù)，建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為智能系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）風(fēng)流監(jiān)測(cè)與智能感知系統(tǒng)

應(yīng)用平均風(fēng)速監(jiān)測(cè)技術(shù)、風(fēng)流參數(shù)智能監(jiān)測(cè)與智能感知方法，構(gòu)建礦井風(fēng)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及智能感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井主要進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)流參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)，并智能感知全局風(fēng)流參數(shù)。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步提供給智能分析決策模塊，為礦井智能通風(fēng)調(diào)控機(jī)制的制定提供依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為AI算法模型的輸入，其輸出結(jié)果傳輸至分析決策系統(tǒng)。

?風(fēng)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。風(fēng)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、紅外熱成像攝影儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，監(jiān)測(cè)內(nèi)容涵蓋主扇與輔扇風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)（如風(fēng)量、風(fēng)壓等）、主要通風(fēng)巷道的風(fēng)流參數(shù)（包括風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)向等）以及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的火險(xiǎn)參數(shù)（如風(fēng)速、溫度、CO濃度等）。通過(guò)配套建設(shè)的井下通信系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸至礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管控軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而完成對(duì)礦井風(fēng)流參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可視化展示，直觀反映主輔扇及礦井整體風(fēng)流狀態(tài)，并為礦井風(fēng)流智能感知與災(zāi)害預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

?風(fēng)流智能感知系統(tǒng)。風(fēng)流智能感知系統(tǒng)由風(fēng)流參數(shù)預(yù)測(cè)（感知）模塊、火險(xiǎn)智能感知模塊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，其中風(fēng)流智能感知模塊的核心為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)AI算法模型。該系統(tǒng)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）深度學(xué)習(xí)理論構(gòu)建礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)AI算法模型與智能感知系統(tǒng)，并借助通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型建立AI算法模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)。利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠智能感知作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流參數(shù)及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)等信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送至智能調(diào)控系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)直觀展示礦井內(nèi)部風(fēng)流狀態(tài)及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)情況。

（3）智能調(diào)控系統(tǒng)

?智能分析決策模塊。應(yīng)用人工智能技術(shù)與多屬性決策理論方法，構(gòu)建智能分析決策模塊，并針對(duì)金屬礦井通風(fēng)系統(tǒng)的不同需求，設(shè)置了正常運(yùn)行、交接班運(yùn)行與反風(fēng)運(yùn)行3種控制模式。在正常模式下，通過(guò)對(duì)比分析井下作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流感知數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)需風(fēng)量值，生成對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率及通風(fēng)構(gòu)筑物的調(diào)控指令；在交接班模式下，系統(tǒng)于設(shè)定的交接班時(shí)段內(nèi)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)能耗的降低；在反風(fēng)模式下，依據(jù)火險(xiǎn)分析結(jié)果，智能生成全礦反風(fēng)、區(qū)域反風(fēng)或局部反風(fēng)方案，并據(jù)此發(fā)出一鍵反風(fēng)信號(hào)。

?通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控模塊。通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控模塊實(shí)時(shí)接收智能分析決策模塊信號(hào)，并向中控系統(tǒng)發(fā)出風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率值、通風(fēng)構(gòu)筑物調(diào)節(jié)指令等，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控。

?火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)模塊。火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)模塊由設(shè)備管理模塊、實(shí)時(shí)預(yù)覽模塊、報(bào)警信息模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等組成，主要功能包括管理智能感知系統(tǒng)上的設(shè)備信息、接收智能感知系統(tǒng)的報(bào)警信息、智能感知系統(tǒng)配置設(shè)置等。該模塊通過(guò)紅外熱成像攝像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的風(fēng)流參數(shù)或可燃物溫度變化趨勢(shì)，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警預(yù)報(bào)。

?主扇一鍵智能反風(fēng)模塊。若火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，智能系統(tǒng)將根據(jù)礦井通風(fēng)AI算法模型的火險(xiǎn)感知結(jié)果，分析火險(xiǎn)情況并傳輸給智能分析與決策系統(tǒng)，給出全礦反風(fēng)、區(qū)域反風(fēng)或局部反風(fēng)方案，接警人員只需一鍵啟動(dòng)即可進(jìn)行自動(dòng)反風(fēng)。

金屬礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管控軟件平臺(tái)基于Visual Studio Code、Redis等軟件，采用VUE框架和IntelliJ IDEA開發(fā)工具構(gòu)建而成。該平臺(tái)集成了風(fēng)流參數(shù)智能監(jiān)測(cè)與感知、分析決策、通風(fēng)系統(tǒng)智能調(diào)控和可視化系統(tǒng)管理等功能模塊，并采用現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)、過(guò)程控制級(jí)、過(guò)程管理級(jí)與平臺(tái)管理級(jí)相結(jié)合的縱向管控架構(gòu)，打破了通風(fēng)系統(tǒng)各關(guān)聯(lián)信息之間的孤島狀態(tài)。平臺(tái)將系統(tǒng)管理、風(fēng)流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、風(fēng)流參數(shù)智能感知、火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、一鍵反風(fēng)及三維可視化通風(fēng)系統(tǒng)等功能融于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的智能調(diào)控、火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、風(fēng)流與火險(xiǎn)參數(shù)可視化展示，以及報(bào)表分析與輸出等綜合管理功能。

軟件平臺(tái)架構(gòu)示意

金屬礦井智能通風(fēng)運(yùn)行管控軟件平臺(tái)主要包含系統(tǒng)總覽、系統(tǒng)管理、風(fēng)流監(jiān)測(cè)、主扇控制、視頻監(jiān)控、火災(zāi)熱成像、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、反風(fēng)系統(tǒng)、三維可視化、移動(dòng)端下載等10項(xiàng)功能模塊。

（a）軟件平臺(tái)主界面

（b）風(fēng)流監(jiān)測(cè)模塊

（c）主扇控制模塊

（d）火災(zāi)熱成像模塊

（e）火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊

（f）反風(fēng)系統(tǒng)模塊

（g）通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化模塊

軟件平臺(tái)部分功能模塊界面

基于一座大型露天與地下聯(lián)合開采礦山，開展了礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。風(fēng)流監(jiān)測(cè)模塊支持按監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、傳感器類型、時(shí)間等維度進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與報(bào)表分析，有效反映礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)流動(dòng)態(tài)，為礦山通風(fēng)安全管理提供重要支持；智能感知系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知（預(yù)測(cè)）礦井全局風(fēng)流參數(shù)，其感知數(shù)據(jù)的平均誤差低于5%，并可對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)流變化趨勢(shì)進(jìn)行分析總結(jié)；火災(zāi)監(jiān)測(cè)及熱成像模塊能夠直觀顯示井下火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的位置與風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)異常情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)井下火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)警與預(yù)報(bào)；智能調(diào)控系統(tǒng)可依據(jù)監(jiān)測(cè)與感知數(shù)據(jù)，結(jié)合各作業(yè)區(qū)域的需風(fēng)量要求，在礦井正常通風(fēng)狀態(tài)和井下交接班期間，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)流的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能調(diào)控。

風(fēng)流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示

風(fēng)流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表展示

感知數(shù)據(jù)展示界面

火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)運(yùn)行界面

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

火險(xiǎn)告警運(yùn)行界面

作者簡(jiǎn)介

王海寧

中國(guó)計(jì)量大學(xué)能源環(huán)境與安全工程學(xué)院二級(jí)教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，第六屆全國(guó)優(yōu)秀科技工作者，省主要學(xué)術(shù)學(xué)科與技術(shù)帶頭人，“贛鄱英才555工程”首批人選，省“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”人選，省高等學(xué)校中青年學(xué)科帶頭人。主要從事礦山通風(fēng)安全理論、技術(shù)及裝備和大氣污染控制理論及技術(shù)研究。獲省部級(jí)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)（排名第一）。在礦井通風(fēng)除塵領(lǐng)域獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利及軟件著作權(quán)等20余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，出版《礦井風(fēng)流流動(dòng)與控制》《非煤礦井通風(fēng)技術(shù)與應(yīng)用》等學(xué)術(shù)著作3部，牽頭編制了《有色金屬礦山智能通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。兼任國(guó)家、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)和項(xiàng)目評(píng)審專家，中國(guó)應(yīng)急管理學(xué)會(huì)第二屆理事會(huì)理事，全國(guó)應(yīng)急技術(shù)與管理本科專業(yè)高校聯(lián)盟理事會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)通風(fēng)安全與健康職業(yè)委員會(huì)第一屆委員會(huì)常務(wù)委員，國(guó)家礦山安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)通風(fēng)與瓦斯防治分技術(shù)委員會(huì)委員。

成果來(lái)源

李鴻蔚，王海寧，胡天壽，等.金屬礦井智能通風(fēng)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用[J].金屬礦山,2024(9):181-189.

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

校對(duì)：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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