礦井通風系統(tǒng)是礦井安全生產的根本保障。由于自然風壓、作業(yè)地點、采礦條件等因素的變化，礦井通風系統(tǒng)始終處于動態(tài)變化之中，易造成井下風流紊亂，難以及時排出生產過程中產生的有毒有害氣體與粉塵，從而引發(fā)難以預測的中毒和窒息事故。因此，必須對礦井通風系統(tǒng)進行實時調控，確保風流有序流動。傳統(tǒng)的人工或半人工調控方法難以實現(xiàn)實時調控，這主要是因為調控決策所依賴的全局風流參數難以實時獲取。

為解決金屬礦井通風系統(tǒng)調控滯后的突出問題，合理布設礦井風流參數監(jiān)測傳感器并構建礦井風流智能監(jiān)測系統(tǒng)，中國計量大學王海寧教授團隊采用機器學習方法，實現(xiàn)了礦井全局風流參數的實時獲取，進而構建了金屬礦井智能通風系統(tǒng)，開發(fā)了相應的智能通風管控軟件平臺，并基于某金屬礦山開展了工程應用。

團隊采用深度學習方法構建了礦井通風系統(tǒng)的AI算法模型，利用礦井通風三維仿真系統(tǒng)生成的模擬數據庫對模型進行訓練與測試，形成了風流參數智能感知系統(tǒng)。在此基礎上，應用多屬性決策理論和方法，結合礦井需風量調控要求，建立了礦井通風系統(tǒng)智能調控體系。通過闡明礦井智能通風原理，提出了包含礦井通風三維仿真系統(tǒng)、風流監(jiān)測系統(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系統(tǒng)架構與調控方法，并開發(fā)了集成的運行管控軟件平臺

金屬礦井智能通風系統(tǒng)原理

金屬礦井智能通風系統(tǒng)主要由完善的礦井通風系統(tǒng)、風流監(jiān)測與智能感知系統(tǒng)以及智能調控系統(tǒng)等部分構成。礦井通風三維仿真系統(tǒng)所提供的模擬數據集是訓練和測試AI算法模型的基礎，而傳感器實時監(jiān)測數據則為AI感知系統(tǒng)提供了輸入數據來源。該AI感知系統(tǒng)可根據智能控制需求感知（預測）井下任意作業(yè)區(qū)域的風流參數，其輸出數據可作為智能控制機制決策的依據。

金屬礦井智能通風系統(tǒng)架構

金屬礦井智能通風系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)：

（1）礦井通風仿真系統(tǒng)

良好的礦井通風方案是保障礦井安全生產、改善井下人員作業(yè)環(huán)境、提升防災抗災與應急救援能力的重要基礎，同時也是建設智能通風系統(tǒng)的前提。因此，必須確保金屬礦井通風系統(tǒng)中的通風設備、通風網絡及構筑物具備可調控性；此外，還應結合礦山實際情況，應用通風網絡Scott-Hinsley迭代法理論，開發(fā)礦井通風網絡解算軟件，構建礦井通風三維仿真系統(tǒng)，通過模擬不同自然風壓與主扇運行狀態(tài)下的風流參數，建立礦井通風系統(tǒng)基礎數據庫，為智能系統(tǒng)提供數據支撐。

（2）風流監(jiān)測與智能感知系統(tǒng)

應用平均風速監(jiān)測技術、風流參數智能監(jiān)測與智能感知方法，構建礦井風流監(jiān)測系統(tǒng)及智能感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦井主要進風巷道風流參數的實時監(jiān)測與預測，并智能感知全局風流參數。這些數據進一步提供給智能分析決策模塊，為礦井智能通風調控機制的制定提供依據?，F(xiàn)場監(jiān)測點傳感器采集的實時數據作為AI算法模型的輸入，其輸出結果傳輸至分析決策系統(tǒng)。

?風流監(jiān)測系統(tǒng)。風流監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、紅外熱成像攝影儀、數據采集系統(tǒng)、監(jiān)控組態(tài)軟件和數據傳輸系統(tǒng)組成，監(jiān)測內容涵蓋主扇與輔扇風機的運行參數（如風量、風壓等）、主要通風巷道的風流參數（包括風量、風速、風向等）以及火災風險點的火險參數（如風速、溫度、CO濃度等）。通過配套建設的井下通信系統(tǒng)，監(jiān)測數據被實時傳輸至礦井智能通風系統(tǒng)運行管控軟件平臺，實現(xiàn)數據交互，從而完成對礦井風流參數的實時監(jiān)測與可視化展示，直觀反映主輔扇及礦井整體風流狀態(tài)，并為礦井風流智能感知與災害預警提供基礎數據支持。

?風流智能感知系統(tǒng)。風流智能感知系統(tǒng)由風流參數預測（感知）模塊、火險智能感知模塊和數據傳輸系統(tǒng)等組成，其中風流智能感知模塊的核心為礦井通風網絡解算模型與礦井通風網絡AI算法模型。該系統(tǒng)基于卷積神經網絡（CNN）深度學習理論構建礦井通風網絡AI算法模型與智能感知系統(tǒng)，并借助通風網絡解算模型建立AI算法模型的訓練數據庫。利用實時監(jiān)測數據，系統(tǒng)能夠智能感知作業(yè)區(qū)域的風流參數及火災風險點的溫度變化趨勢等信息，并將這些數據傳送至智能調控系統(tǒng)。同時，通過礦井通風三維仿真系統(tǒng)直觀展示礦井內部風流狀態(tài)及火災風險點情況。

（3）智能調控系統(tǒng)

?智能分析決策模塊。應用人工智能技術與多屬性決策理論方法，構建智能分析決策模塊，并針對金屬礦井通風系統(tǒng)的不同需求，設置了正常運行、交接班運行與反風運行3種控制模式。在正常模式下，通過對比分析井下作業(yè)區(qū)域的風流感知數據與設計需風量值，生成對風機電機的運行頻率及通風構筑物的調控指令；在交接班模式下，系統(tǒng)于設定的交接班時段內自動調整風機電機的運行頻率，以實現(xiàn)通風能耗的降低；在反風模式下，依據火險分析結果，智能生成全礦反風、區(qū)域反風或局部反風方案，并據此發(fā)出一鍵反風信號。

?通風系統(tǒng)智能調控模塊。通風系統(tǒng)智能調控模塊實時接收智能分析決策模塊信號，并向中控系統(tǒng)發(fā)出風機電機的運行頻率值、通風構筑物調節(jié)指令等，實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)智能調控。

?火險預警預報模塊。火險預警預報模塊由設備管理模塊、實時預覽模塊、報警信息模塊、通信模塊和數據庫管理模塊等組成，主要功能包括管理智能感知系統(tǒng)上的設備信息、接收智能感知系統(tǒng)的報警信息、智能感知系統(tǒng)配置設置等。該模塊通過紅外熱成像攝像儀實時監(jiān)測火災風險點的風流參數或可燃物溫度變化趨勢，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動預警預報。

?主扇一鍵智能反風模塊。若火險預警預報模塊發(fā)出報警信號，智能系統(tǒng)將根據礦井通風AI算法模型的火險感知結果，分析火險情況并傳輸給智能分析與決策系統(tǒng)，給出全礦反風、區(qū)域反風或局部反風方案，接警人員只需一鍵啟動即可進行自動反風。

金屬礦井智能通風系統(tǒng)運行管控軟件平臺基于Visual Studio Code、Redis等軟件，采用VUE框架和IntelliJ IDEA開發(fā)工具構建而成。該平臺集成了風流參數智能監(jiān)測與感知、分析決策、通風系統(tǒng)智能調控和可視化系統(tǒng)管理等功能模塊，并采用現(xiàn)場管理級、過程控制級、過程管理級與平臺管理級相結合的縱向管控架構，打破了通風系統(tǒng)各關聯(lián)信息之間的孤島狀態(tài)。平臺將系統(tǒng)管理、風流實時監(jiān)測、風流參數智能感知、火險監(jiān)測、一鍵反風及三維可視化通風系統(tǒng)等功能融于一體，實現(xiàn)對礦井通風系統(tǒng)的智能調控、火險預警預報、風流與火險參數可視化展示，以及報表分析與輸出等綜合管理功能。

軟件平臺架構示意

金屬礦井智能通風運行管控軟件平臺主要包含系統(tǒng)總覽、系統(tǒng)管理、風流監(jiān)測、主扇控制、視頻監(jiān)控、火災熱成像、火災監(jiān)測、反風系統(tǒng)、三維可視化、移動端下載等10項功能模塊。

（a）軟件平臺主界面

（b）風流監(jiān)測模塊

（c）主扇控制模塊

（d）火災熱成像模塊

（e）火災監(jiān)測模塊

（f）反風系統(tǒng)模塊

（g）通風系統(tǒng)三維可視化模塊

軟件平臺部分功能模塊界面

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系統(tǒng)的實際應用。風流監(jiān)測模塊支持按監(jiān)測點位置、傳感器類型、時間等維度進行數據展示與報表分析，有效反映礦井通風網絡中的風流動態(tài)，為礦山通風安全管理提供重要支持；智能感知系統(tǒng)能夠實時感知（預測）礦井全局風流參數，其感知數據的平均誤差低于5%，并可對一段時間內的風流變化趨勢進行分析總結；火災監(jiān)測及熱成像模塊能夠直觀顯示井下火災風險點的位置與風險狀態(tài)，對異常情況進行分析，實現(xiàn)井下火災風險的有效預警與預報；智能調控系統(tǒng)可依據監(jiān)測與感知數據，結合各作業(yè)區(qū)域的需風量要求，在礦井正常通風狀態(tài)和井下交接班期間，實現(xiàn)對風流的實時動態(tài)智能調控。

風流監(jiān)測數據展示

風流監(jiān)測數據報表展示

感知數據展示界面

火險監(jiān)測運行界面

火災風險點實時監(jiān)測結果

火險告警運行界面

作者簡介

王海寧

中國計量大學能源環(huán)境與安全工程學院二級教授，博士，博士研究生導師。

新世紀百千萬人才工程國家級人選，享受國務院政府特殊津貼，第六屆全國優(yōu)秀科技工作者，省主要學術學科與技術帶頭人，“贛鄱英才555工程”首批人選，省“新世紀百千萬人才工程”人選，省高等學校中青年學科帶頭人。主要從事礦山通風安全理論、技術及裝備和大氣污染控制理論及技術研究。獲省部級技術發(fā)明二等獎和科技進步二等獎5項（排名第一）。在礦井通風除塵領域獲得授權中國發(fā)明專利及軟件著作權等20余項，發(fā)表學術論文80余篇，出版《礦井風流流動與控制》《非煤礦井通風技術與應用》等學術著作3部，牽頭編制了《有色金屬礦山智能通風系統(tǒng)建設技術規(guī)范》團體標準。兼任國家、省部級科技獎勵和項目評審專家，中國應急管理學會第二屆理事會理事，全國應急技術與管理本科專業(yè)高校聯(lián)盟理事會副理事長，中國職業(yè)安全健康協(xié)會通風安全與健康職業(yè)委員會第一屆委員會常務委員，國家礦山安全行業(yè)標準化技術委員會通風與瓦斯防治分技術委員會委員。

成果來源

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

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

校對：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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