矿井通风系统分析与优化研究

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分类号：ＴＤ７２

单位代码

安嵌理工大学
ＡＮＨＵＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

嘎士学位论文

论文题目：
作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时问：

矿井通风系统分析与优化研究

～————————————一———————————～
邱进伟
安全技术及工程

张同枢教授
二ｏ

ｏ五年四月

矿井通风系统分析与优化研究

摘要
矿井通风系统分析与优化研究的当务之急是总结已有经验，完善并改进现 有矿井通风系统分析理论，应用一切先进的技术手段，实现矿井通风系统的智 能化和高效化。 本论文在对己有研究成果归纳总结基础上，将非结构模糊集系统理论、模 糊优选神经网络模型、矿井通风系统工程理论以及计算机技术交叉结合，应用 到矿井通风系统分析和优化研究之中。并在此基础上，研制开发了具有综合性、 通用性较强的矿井通风系统分析与优化软件，并以河南平顶山八矿为实验对象， 来验证软件的实用性和正确性。此项开发对于矿井通风系统分析及矿井通风系 统设计、改造以及优化将提供更加重要的应用价值。

关键词：非结构理论；模糊优选；神经网络；优化；系统分析

矿井通风系统分析与优化研究

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

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得

塞徵理王友鲎

或其他教育机构的学位或证书而使用

过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：印盘修

签字目期：埘年芗月艿日

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本学位论文作者完金了解

塞搬獯姜太堂

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位论文酶规定，即：研究生在棱设读学德期闽论文工作的知识产权单 位属于安徽理主大学。学校有叙瓣鳃游淘国寰莉美部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论麦被壹瓣和惜阚。本太授权

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太堂

一可以将学位论文的金鼙磁部分海客鳊入有关数据库进行检

索，可以采用：影印、缩印或扫撼荐囊制等壤保痞、汇编学位论文。（保 密的学位论文在解密后适用零搅投书，

学位论文作穗名：簪科
签字日期：≯姑年每月够习

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签字雕期滴噼缃高勺

矿井通风系统分析与优化研究

１绪论
１．１论文研究背景和意义 １．１．１论文研究的背景“”。 矿井通风系统是由通风网络（包括风网中各条巷道及其风流、通风构筑物和 各类用风场所）、主通风机等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统。其 复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时变性和可维修性以及 系统各影响因素之间的强耦合性。由此容易随机产生大量影响煤矿井下正常通 风及安全生产的随机故障或事故隐患。 矿井通风的目的是为矿井各用风场所提供足够的新鲜风量，保证作业空间 良好气候条件，冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘等。而矿井通风状况的好坏， 在很大程度上直接影响到矿井的安全生产、矿井的经济效益、矿井的稳产和高 产及矿井灾害时期的应变能力等。因此，在矿井通风设计与生产期间，均应对 矿井通风系统的稳定性及可靠性进行分析。 矿井通风系统分析是对矿井通风系统的结构、功能、安全技术经济指标或 存在的问题，进行理论分析或实验研究，以便发现问题、找出疫结、进行评价 分析、并为寻求理想的方案和改进措旌提供理论依据。而矿井通风系统可靠性 就是满足矿井通风目的的可靠程度，具体包含两方碰含义：一是指系统在规定

时间内保持正常运转功能，保证矿井安全生产；二是能够预防各类灾害性事故 的发生，在灾害发生后，具有极强的抗灾能力。
然而，由于煤矿自然条件非常复杂、影响矿井逶风系统的因素很多，以及 煤矿的安全管理水平以及计算机水平都较低。因此，把计算机技术应用到矿井 通风系统分析与优化中去，实现矿井安全生产的计算机化，这将对于煤矿的安 全生产做出很大的贡献。 １．１．２论文研究的意义“ 矿井通风系统分析与优化研究的当务之急是在总结已有经验基础上，完善

并改进现有矿井通风系统分析理论，应用一切先进的技术管理手段，实现矿井
通风系统的智能化和高效化，使之真正成为保障煤矿安全集约化生产、永不停

息的大动脉。近年来，随着可靠性数学理论、模糊理论和系统优化理论等交叉
学科理论的发展，以及计算机技术、人工神经两络技术的普及提高，推动着系 统可靠性研究进入到了一个崭新阶段。 本论文以河南平顶山八矿为研究对象，通过对该矿现状、过渡时期以及二 水平三个不同时期的通风系统进行分析，了解了该矿通风系统使用情况，并获

矿井通风系统分析与优化研究

得的许多现场数据，在对己有研究成果归纳总结基础Ｌ，将计算机技术、模糊 神经网络技术与现有的矿井通风系统工程理论交叉结合，应用到矿井通风系统 分析和优化研究之中。并在此基础上，研制开发了具有综合知识、通用性较强 的矿井通风系统分析与优化软件（简称ＭＶＳＡ０软件）。此项开发对于矿井通风系 统分析及矿井通风系统设计、改造以及优化将提供更加重要的应用价值。 １．２国内外研究现状及存在问题 矿井通风系统分析与优化研究不仅涉及通风系统稳定性、可靠性分析及决 策优化的研究领域，而且还涉及到模糊理论。…、计算机技术、人工神经网络技 术Ｉ…、系统工程理论等领域。现对研究内容所涉及的主要研究领域，国内外研 究现状及存在的问题作一回顾。
１ ２

１矿井通风系统分析在国内外的研究现状。¨埘。” 稳定性理论由俄国数学家李雅普诺夫创立的，二十世纪三十年代以来，稳

定性理论有很大发展，在自动控制，振动理论，系统工程方面有广泛应用。 国内外将稳定性理论应用矿井通风领域，主要是通过对网络分支的风流方 向问题的研究，主要的方法有线性方程法，井巷风阻比复合判别法和节点位势 法等。这些方法对于大型复杂网络的风流向判别比较困难，但随着计算机的普 及，网络解算程序的应用，问题就得到较好解决。但对于网络分支的风阻变化 规律及这种变化对于其它分支的风量的大小和方向影响，却没有得到很好的解
决。

可靠性理论作为一门独立的工程基础学科，于上世纪３０年代初率先在美国 形成，但是，在２０世纪６０年代，我国才首先在电子工业部门进行了可靠性工 程技术的开拓性工作。 对于可靠性研究，在国外，前苏联在这方面研究的较早，他们将矿井通风 系统的可靠性定义为：矿井通飙系统在运转过程中保持其工作参数值的能力， 以维持井下所必须清洁风量的供应：并将通风系统的失效按重要性分为三级： 一级失效是指整个矿井失效，二级失效是指矿井的很大部分失效（一个煤层、一 翼、一个矿层），三级失效是指矿井的个别采区失效。他们所采用的评定方法主 要有结构法、模拟模型法、以及统计评价法等。 此外，在通风网络解算方面，各国的通风专家学者提出了许多理论上可行 的方法。在通风网络可靠度的不交和算法中，学者Ｆｏｎｇ等提出的改进算法是很 有效的；在文献中，作者引入了路径集中独立集的概念，使复杂、多路径的矿 井通风网络解算工作得以在计算机上实现，避免了传统节点遍历法造成的内存 空问不足问题。 在国内，我国矿井通风系统研究也是从八十年代开始的。北京理工大学、

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中国矿业大学、东北大学和辽宁工程技术大学等科研院校于现场实际相结合， 在矿井通风系统可靠性指标确定、通风系统可靠性基础理论研究、以及不确定 性环境下网络分风理论研究等方面都进行了有益探讨。以上研究在一定程度卜－ 借鉴了机械、电子等领域的可靠性研究成果和结论。目前对矿井通风系统可靠 性进行的定性研究多，定量研究少，尚无一个统一的标准来衡量矿井通风系统 可靠性。其中定量研究主要成果大致有以下几部分： １９８５年，徐瑞龙教授应用图论和可靠性理论相结合的方式讨论了通风网络 的可靠度计算，为矿井通风系统的可靠性分析提供了一种定量判别的途径。文 中定义了风路和风网的可靠度，提出了用通路法和半割集法计算风网的可靠度， 以及用风网的灵敏度分析来找出影响整个风网的可靠度的关键风路，为矿井通 风系统的可靠性分析提供了依据。 １９８７年，赵永生教授提出了用逐步线性回归分析法求对网络影响最大的风 路。其基本研究思想是：当要研究因变量ｑ，与自变量ｒ。（ｉ＝ｌ，２，…，ｎ）之间的相 互关系、并利用这种相互关系对因变量ｑ。进行预测和估计时，就可采用多元回 归的方法，把诸变量之间的相互关系用回归方程式表示出来。为了减少观测的 项目及减少计算工作量，人们通常并不把所有的自变量ｒ，和因变量ｑ，都建立在 同一个回归方程之中，而是把为数众多的可能影响预报量ｑ。的自变量ｒ．进行“筛 选”，找出最重要的因素，从而建立一个最优的回归方程。 １．２．２模糊优化理论研究及应用现状…“’ 决策是人类社会活动中不可缺少的重要部分，是管理的核心。它涉及到人 类生活的各个领域。决策有狭义和广义之分。狭义地讲，进行决策是在几种行 为方案中进行选择。广义地讲，决策还包括在做出最后选择之前必须进行的一 切活动。广义上的定义，基本上把握了决策的含义。决策是指为达到一定的目 标，从两个以上的可行方案中选择一个合理方案的分析判断过程，即决策是决 策者经过各种考虑和比较之后，对应该做什么和应该怎么做所作的决定。在进 行决策时，需要有“目标”和“备选方案”两方面的因素。 模糊决策理论是一门将模糊数学与决策理论相结合的理论。模糊数学就是 用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学分支。模糊性的产生源于模 糊概念，所谓模糊概念是指有一定内涵但没有明确外延的概念。模糊性就是指 客观事物差异的不分明性。人们不能为迁就现有的数学方法而改变由于这些学 科的特点决定的客观规律，而只能改造数学，使它的应用面更为广泛，模糊数 学就是在这样的背景下形成的。模糊数学诞生于１９６５年，它的创始人是美国自 动控制专家扎德（Ｌ¨Ａ．Ｚａｄｅｈ）教授。他提出了“模糊”的概念：“所谓模糊，是 指边晃不清楚，即在质上没有确切的定义，在量上没有明确的界限”。引入了“隶 属度函数”这个概念来描述差异的中间过渡，这是精确性对模糊性的一种逼近。

３

矿井通风系统分析与优化研究

隶属度函数的引入标志着模糊数学的建立，因为它是描述模糊性的关键。 １９８８年，陈守煌、赵瑛琪将系统分析与模糊集分析有机结合，提出了系统 层次分析模糊决策优选模型。其基本思想是：根据系统可分性原理，将评价因 素按其属性分解为若干个分系统，然后逐一地对每个分系统进行方案集的模糊 优次评价，确定分系统中各个方案从属于模糊概念“优”的隶属度（称为优属度） 再根据各个分系统中各个方案的优属度进行高一层次方案集的模糊优次评价， 如此由系统的最低层次出发，逐一地对每一层次进行模糊优次评价，最后可以 得到最优方案的优次排序。这一模型为解决水资源大系统多层次多方案的综合 评价问题提供了一条解决问题的新途径。为了分析此模型的特点，陈守煌提出 了多目标决策模糊优选逆命题的两种求解方法，并应用于丰满水库的防洪调度 决策中，给实现决策者的防洪调度决策意图带来方便。 １，２．３计算机技术在矿井通风中应用现状及存在的问题 （１）计算机在矿井通风中的应用现状 由于煤矿生产环境的复杂性和特殊性，计算机技术在矿井通风中的应用也 较晚，以前的研究大多数仅限于理论研究，但是，随着电子计算机的出现，矿 井通风网络分析中大量复杂的数值计算才成为可能，矿井通风网络理论才得到 迅速的发展和应用：本世纪５０年代以前，各国学者就一直在研究通风网络的具 体算法，但都未得到实际的应用；５０年代末，计算机开始应用于矿井通风网络； ６０年代初，英、美、日、苏、德等国学者开始了计算机在矿井通风方砸的应用 研究；我国在７０年代中期也开始了网络解算方面的研究。 目前，在这一方面的研究取得了一系列的成果，在矿井设计和生产中亦得 到了广泛的应用，比较典型的有：中国矿业大学研究的矿井通风网络解算系统 软件，采用Ｖｃ语言开发，该软件采用通风网络参数解算与通风系统图形相结合 的方式，为解决复杂的通风网络调试中经常出现的分支反向问题提供了便利的 处理工具；西安建筑科技大学应用面向对象的高级语言ＶＣ开发了矿井通风系统 模拟平台。这些软件能进行矿井通风网络解算和网络分析，为矿井通风网络的 设计和改造提供方便：但是，这些软件也存在许多缺点。 （２）存在的主要问题 随着计算机性能和计算速度的大幅度提高，已有一些软件能够解决一般的 通风网络问题。而国内还尚缺少方便、实用的矿井通风系统分析与优化软件， 传统的软件大多数存在以下缺陷： １）软件解决问题的能力较差，分析的问题不够全面。 ２）数据均以数据文件的格式存储，处理起来较困难，编辑能力较差。 ３）软件的可视化程序不高，功能不够完善，不能很好地实现人机接口，大 多数软件必须经过专门培训后才能进行推广。

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矿井通风系统分析与优化研究

４）软件实用性较差，自动化程度较差，人参与的程度较高。 尽管在矿井通风系统分析与决策优化方面已有相当的研究成果，然而到目 前为止，通用性较强，得到本专业同行…致认可，且应用简便，有相应程序软 件的研究成果并不多见。 １．３论文研究内容及技术路线 １．３，１论文研究内容 本论文主要研究目的：以矿井通风系统为研究对象，根据国内外的研究现 状及煤炭行业的具体实情，并在研究矿井通风系统分析与优化模型理论及其 些算法的基础上，通过对矿井生产实际条件的调查、了解，收集了有关的资料， 根据矿井及科研人员的具体要求，应用可视化和面向对象的编程语占Ｖｉ
ＢａｓｉＣ ｓｕａｌ

６．０和数据库技术，开发基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的矿井通风系统分析与优

化软件，从而达到对通风系统设计与改造提供指导意义。论文研究主要包括如 下内容： （１）建立矿井通风系统设计与改造优化评判指标，并确立评判指标权重 本部分是通过对影响矿井通风系统优化决策的模式的研究分析，建立评判 指标体系，并根据对方案优选影响因素的不同，从中选择对方案优选影响较明 显，或在不同方案之间进行比较中影响程度差别较大的因素，作为最终的评判 指标；然后根据确立的评判指标提出了基本单元系统因素权重的求解原理，并 求解评判指标的权重。本部分研究内容包括：影响矿井通风系统优化决策的模 式分析、矿井通风系统决策优化指标的确定与分析、基本单元系统因素权重的 求解原理。 （２）确立矿井通风系统优化的数学模型 通过对矿井通风系统优化工作的详细分析，将模糊优选、决策理论和模糊 神经网络技术结合，实现了矿井通风系统设计与改造方案尝试性的优选。本部 分主要内容包括：模糊优选的理论模型介绍、多层系统模糊优选及其与ＢＰ神经 网络的关系、模糊优选神经网络模型以及与综合评判优选法的比较分析。 （３）矿井通风系统分析的理论研究及模型的建立 本部分主要是以矿井通风安全理论为基础，通过对矿井通风系统进行研究， 从而建立起矿井通风系统稳定性、通风网络结构合理性、阻力分布合理性、主 通风机稳定性分析数学模型，从而达到实现矿井通风系统分析的目的，为矿井 通风系统分析或优化研究与开发提供了理论依据。 （４）矿井通风系统分析与优化软件的研制与开发 本部分主要是研究矿井通风系统分析与优化软件的研制与开发过程与思 路。该软件是以矿井通风系统分析与优化理论为基础，将各章独立子系统进行

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矿井通风系统分析与优化研究

了程序连接及数据共用处理。首先，对软件开发的基本理论进行介绍：其次， 该系统整体结构特点、开发工具、主要功能模块、界面设计进行总体介绍；再 次，对该系统主要子模块的数据结构、程序流程及界面设计进行详细介绍；最 后，对软件的使用环境与测试进行了简要的介绍。 （５）综合应用 本论文以平项山八矿的通风系统为研究对象，通过所开发的软件对该矿现 状的通风系统进行了分析，并对该矿井二水平通风系统方案进行了尝试性的优 选，从而为该矿的通风系统优化以及后期改造设计提供了理论依据；同时验证 矿井通风系统分析与决策优化软件的正确性与实用性。
１

３

２论文研究技术路线 鉴于理论分析、算法实现与应用研究三者之间存在的内在规律性，该论文

主要遵循矿井通风系统分析与优化理论研究（包括矿井通风系统优化模型的建 立、通风系统稳定性、网络结构合理性、阻力分布合理性、主通风机稳定性分

析等）一软件开发（包括开发环境的选择、实现方法及可行性验证等）一应用研究 （包括数据分析、处理技术等）的技术研究路线进行，研究框图如图卜１所示。
收集整理归纳以往研究成果

矿井通风系统 分析理论研究

通风系统优化 影响因素分析 系统优化评判指标建立

Ｌ——Ｆ＝Ｊ匕产 酬殿㈣骝剥厘星 ｜｜学模型Ｉ广＿上，
系统稳定ｌｌ网络结构｛１分布合理１ｌ风机稳定ｌ 性分析数｜｜分析数学｜Ｉ性分析数｜｜性分析数Ｉ
学模型

ｌ；：：：：。”…。。。。：。

｜｜

模型

｜｜学模型

系统优化评 判模型建立

通风系统分析子模块研制

通风系统优化子系统研制

嘲卜ｌ论文研究的技术路线图
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矿井通风系统分析与优化研究

３矿井通风系统模糊优选理论模型
３．１概述 决策的实质是优选。优是模糊概念，且优与劣之间不存在绝对分明的界限； 而模糊性是指客观事物、概念处于共维条件下的差异在中介过渡时所呈现的办

此办彼性”１。模糊集合论的运用是从模糊性中去确立广义的排中率一隶属度规
律。模糊性不服从排中率，存在着中介状态是办此亦彼，但是在办此亦彼中依 然存在一定的差异，仍可以相互比较。 决策活动是人们进行选择或判断的一种思维活动。对于复杂的社会经济系 统，过去人们主要靠主观判断进行决策，缺乏科学性。５０年代开始由于系统工 程的发展，人们从系统分析的观点出发，运用晟优化的理论与方法，对系统进 行决策分析，大大地发展了系统工程的理论。但大量的实践表明，由于系统的 复杂性，大部分现实的复杂系统很难完全用精确的经典最优化理论模型解决。 因此，决策方案的选择决不是简单地在决策模型基础上的一次性数据大小的比 较，也不是简单地对决策模型给出的方案进行优劣评价的问题，而要综合考虑 多方面的因素，进行一系列的决策一反馈一再决策一再反馈，通过这种对话式 的决策信息输出和反馈，最终达到决策优选的目的。 本章将利用陈守煜教授和聂相田副教授创立的模糊优选人工神经网络理论 对平顶山八矿二水平通风系统方案进行决策，以适应该矿井的通风系统的需要。 最后将该决策结果与其它传统的决策方法进行对比计算。 ３．２模糊优选的理论模型 ３．２．１模糊决策矩阵 设系统有满足约束条件的ｎ个方案组成的方案集，以ｍ个目标（指标）对 方案的优劣进行评价，则矩阵ｘ表示ｍ个目标对ｎ个决策方案的目标特征值矩 阵（决策矩阵）：
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目标ｉ的特征值。 对于设计方案模糊优选分析分析的目的在于：确定每个方案对于模糊概念 “优”的隶属度，其中隶属度最大的方案，即为最优方案。

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矿井通风系统分析与优化研究

２矿井通风系统决策优化指标的选取及权重的确定
２．１影响矿井通风系统优化决策的模式 矿井通风系统通常是一个多目标、多属性、多层次、多功能、多阶段的决 策系统。系统决策不仅要掌握自然规律的变化对系统带来的影响，同时更需要 掌握矿井灾害事故对社会、经济、生态、环境的系统造成的严重后果。而制约 矿井通风系统优化决策的因素有很多，它涉及到自然、社会、经济、技术等多 个复杂的相互联系但又彼此制约的因素或目标。它具有规模大、联合性和随机 性的特点。因此，它是一个具有复杂性和不确定性的系统，属于多目标模糊优 化决策问题。 矿井通风系统优选决策是利用科学的方法综合考虑影响矿井通风系统的各 种因素，并应用先进的手段和方法从众多的方案中确定技术可行、经济合理、 安全可靠等方面总体效果最佳的方案。最优化的决策结果能给矿井的生产带来 显著的经济效益和巨大的生产潜力。它是矿井通风系统设计的主要内容之一， 是反映矿井设计或改造和质量的关键因素。因此，最优化的评判结果能给矿井 生产带来显著的经济效益和巨大的生产潜力。 影响矿井通风系统的因素有很多，而且各因素之间还存在着不可公度性和 矛盾性。因此，可以把影响矿井通风系统优化的因素划分为两类：复杂性模式 和不确定性模式。
２

１．１复杂性模式 复杂性模式主要指矿井通风中存在的优化问题的复杂性和在技术快速发展

环境下模拟工具的复杂性。具体有可分为三个方面：问题复杂性、计算能力和 优化技术。 （１）矿井通风系统优化问题复杂性。第一，矿井资源的开发和利用，涉及 到国计民生、生态环境等许许多多的因素。因此，矿井资源系统通常是一个结 构复杂、功能综合、影响因素众多的复杂的大系统。第二，矿井通风系统优化 需要考虑的因素很多，其间关系错综复杂，往往难以用精确的数学模型来描述。 第三，矿井通风系统优化目标常常涉及多方面，其中不仅包括许多易于定量的 清晰目标，而且有更多的不易确定的定性目标。最后，系统决策受到决策人的 经验、知识水平等多种模糊性因素影响。 （２）计算能力。随着各项技术的进步，计算机的处理能力、处理速度、存 储能力都大幅度提高，但是本质上还是采取大规模的集成电路，仍属于第四代 计算机。 （３）优化技术。优化技术的进步是上世纪系统分析方法的引入。系统分析

矿井通风系统分析与优化研究

方法主要研究确定系统内部有关要素、结构、功能、状态、行为等之问的关系 及其与外部之间的相互关系，并通过逻辑思维推理和科学计算的定量途径，找 出可行方案；在经过分析、综合和评价技术，选出可行方案的最佳者，供决策 者参考。所以系统分析是对系统工程做出定量评价的基础，也是优选方案的工 具。系统分析的重要内容是：确定系统目的和目标，建立系统数学模型，实施 模拟和优化技术，进行分析、综合和评价，做出选择方案的满意决策“１。系统 分析包括模拟技术和优化技术两大类，而优化决策的前提条件是进行系统分析。 ２．１．２不确定性模式 不确定性模式是指与矿井通风系统优化相关的数据可利用性和变量随时间 和空间的自然变化，具体有可分为三个方面：不确定性、可利用数据和条件变 化，其关系如图２一ｌ所示。

时间卒间

图２－ｌ不确定性模式示意图

（１）不确定性。影响矿井通风系统的不确定性因素很多，且随着煤的不断 开采，这些不确定性因素会越来越多。这些不确定因素可以划分为两类：由通 风网络结构的变化引起的不确定性和由管理或社会环境引起的不确定性。而这 两类不确定性都存在一定的模糊性。 （２）可利用数据。矿井通风系统是一个动态的生产系统，它随着时间和空 间的变化，数据发生不断的变化，以前的一些数据的可利用性都会相应的下降。 （３）条件变化。随着气候条件的变化、人类的活动的影响及地质条件的变 化，矿井通风系统也发生变化。 ２．２矿井通风系统决策优化指标的确定与分析 新矿井在通风系统设计或生产矿井在进行通风系统技术改造设计时，必须 根据矿井的地质条件、矿井开拓和生产布局可拟定出很多可行的设讨’方案，并 且各个方案各有优缺点。要从众多的方案中确定出最优的通风系统方案，必须 首先确定矿井通风系统的评判指标。 对于不同的矿井或通风系统，涉及因素又有不同，而要想将影响因素全部

８一

矿井通风系统分析与优化研究

罗列出来，并确定出进行方案比较的评判指标是很困难的。因此，必须从解决 矿井通风系统方案优选的观点出发，确定进行方案优选影响因素分析及建立评 判指标体系，仅选择对方案选择影响较明显，或在不同方案之间进行比较中影 响程度差别较大的因素。根据影响因素，建立指标体系，选择相同因子。
２ ２

１矿井通风系统评判因子的确定的原则 通过对影响矿井通风系统决策优化复杂性和不确定性模式的分析，由此归

纳出矿井通风系统评判因子确定必须坚持的６项基本原则： （１）评判因子的确定应该充分体现科学性、可比性、客观性、针对性、超 前性和可操作性。 （２）评判因子的建立要坚持“系统性和完整性相结合”、“科学性与实用性 相结合”、“特殊性与普遍相结合”、“定性与定量相结合”、“动静相结合”、“面 面俱到”和“不可偏废”的原则。 （４）评判因子的建立要以“揭示问题、促进管理水平提高、促进科学技术 进步、促进矿井安全程度提高”为目的。 （５）评判因子的建立要具有导向作用，即评判指标能指导今后工作和努力 方向。 （６）评判因子的建立必须符合多数专家的意见，能够全面确切地反映出矿 井通风系统的状况和技术质量特征，具有独立的物理意义。
２．２

２矿井通风系统决策优化评判因子的确定 安全性较好的矿井通风系统的标志是通风系统完整，主要通风机装置运行

状况良好、与通风网络匹配，通风井巷联结形式合理，风质风量满足要求。通 风系统的状况和质量是用一套定性和定量指标表示的。定性指标没有计量单位， 离散性、确定性是矿井通风系统定性参数的特点；定量指标是从数量方面来说 明矿井通风系统的，即它们的变化具有数量尺度。 表明矿井通风系统的指标较多，且每一类中也有较多的指标，如果直接用 这些指标对矿井通风系统进行评判则太繁琐，并且有的指标物理意义相同，只 是从不同的侧面说明同一个问题而已。为了从这些指标中确定出评判矿井通风 系统的指标，通常采用的“征集专家评分”方法，即把事先印好的“矿井通风 系统评判指标征求意见表”发给各位专家，请各位专家根据实际工作经验、知 识和综合分析能力，对矿井的通风系统指标进行评议和打分，依靠各位专家的 经验、知识和综合分析能力，确定评判矿井通风系统方案的指标。 根据评判指标确立的６项基本原则，并在大量调研、文献检索、统计分析、 经验总结和反复听取并征求各方面专家的意见的基础上，提出了影响矿井通风 系统方案优选的主要因素指标集，共分３大类，１１小项，其层次结构模型如图

ｇ

矿井通风系统分析与优化研究

２

２所示。 目标层（Ａ）Ｉ通风系统设计与改造优化

准则层（Ｂ）ｌ技术先进Ｂ．Ｉ

ｌ经济合理Ｂ：ｌ

ｌ安全可靠Ｂ，

指标层（ｃ）

矿 井 风 压

风 噩 供 需
比

结 构 △
ＩＺ３

井 巷
工

设 备 购
置

理 性

程 费

费

巷 道 维 护 费

吨 煤 通 风 电 费

用 风 地 点 角 联 数

风 速 超 限 状 况

风 机 运 转 稳 定

性

矿 井 抗 灾 能 力

图２－２矿井通风系统优化的层次结构模型图

２．２．３矿井通风系统评判指标及其数学描述 矿井通风系统评判指标力求全面客观地评估矿井通风系统的可靠程度，其 指标应能反映矿井通风系统的技术质量特征，从安全角度出发对矿井通风系统 进行全面分析，并参考《煤矿安全规程》和《生产矿井质量标准化标准》中有 关规定和现场科技人员的经验，综合分析，按照主从相关、回归关系和方向性 原则，确定的评价指标。 （１）表明技术先进的指标 ①矿井风压。矿井风压是指ｌｍ／ｓ的空气流过矿井通风网络时，所消耗的 机械能量。矿井风压越高，通风管理难度就越大，一般认为矿井的风压不超过
３０００

Ｐａ，其计算公式为：

，：ｌ
风量供需比Ｂ。即Ｂ＝Ｑ／Ｑ０

１而＾＞３０００
ｈ≤３０００

（２一１）

【１

其中ｈ为风压（取整数），Ｐａ，。多台主要通风机联合运转时，分别计算各 台主要通风机所担负系统的风压，并取较小的值作为ｆ的值。 ②风量供需比。矿井实际通过的风量Ｑ与矿井所需风量瓯的比值即是矿井

一般认为矿井风量供需比值在［１，１．２］之间较为合理，小于ｌ时矿井风量 不足，大于１．２时风量过剩，最大不超过１．５，由此得出该指标量化公式为：

１０一

矿井通风系统分析与优化研究

０

∥≥１．５或∥＜１

５一半１．２＜卢＜１．５（２－２）
１ １≤口≤１．２

，＝仁恭ｏｓｓ

∞，，

Ｄ—Ｎｘ２４ｘ

３６５ｘＣ

８７６０

丝

，元／ｒ

（２—６）

矿井通风系统分析与优化研究

ｎ。——变压器效率，取０．８； Ｂ——矿井的年产量，ｔ。
（３）表明安全可靠的指标 ①用风地点角联数。它是指矿井用风地点的角联总数。 ②风速超限状况。矿井通风要求巷道的风速符合《煤矿安全规程》的规定， 而风速超限的分支数的多少反映了矿井井巷的通风状况。则其量化计算公式为： ，＝ｎⅣ（２－７）

其中，ｎ一一矿井风速超限的分支数

Ｎ——矿井分支总数
③风机运转稳定性。它是指风机的工况点是否在合理的范围内，各风机之 间是否有干扰。 从安全角度出发，主要通风机的实际工作风压上限不得超过最高风压的 ９０％；从经济角度出发，不得低于最高风压的６０％。则主要通风机运转稳定性的 量化计算公式为：

厂＝｛０主｜５篓慧ｎ６
的ｆ值。

ｐｓ，

其中ｋ，＝Ｈ．。／Ｈ。。式中Ｈ｛。一主要通风机实际工作风压，Ｐａ；Ｈ…，一主要通
风机最高风压，Ｐａ。对于多台风机的情况，计算每台通风机的ｋ，值，并取最小

④矿井抗灾能力。矿井抗灾能力是一个综合指标，它是指矿井通风系统具 有的有利于冲淡、排放瓦斯，有利于降尘，有利于防灭火，有利于降温的能力， 及矿井通风系统是否有可靠的安全出口、避灾路线和其他安全措施等。 ２．３非结构决策分析单元系统因素权重的求解原理 上一节建立矿井通风系统决策优化指标体系，要想用指标体系进行方案比 较，就必须确定指标的权重。而权重是权系数集合的简称，是各项指标相对隶 属度的关系集，它表明了各指标与评判结果之间的确定关系。指标体系按层次 性和结构性要求建立之后，确定之后，要研究指标之间的相关形式和相关程度， 以及它们之间在系统中的层次分布，权重反映各个指标在通风系统的重要和相 关程度。其确定的合理性直接影响到评判结果的合理性，是决定评判工作成败 的关键之一。
２

３．１权重的求解方法的选取

１２

矿井通风系统分析与优化研究

由于评判项目和评判指标多、涉及范围较广，所以确定权重是较为复杂的 问题。确定权重的方法有许多，目前比较重要的方法有：层次分析法（ＡＨＰ）、 统计实验法和专家评议法等。 但是，指标权重的确定通常渗入人的主观意识，因此可以说指标权重的确 定任意性很大，不同的决策者和不同的领域专家，甚至相同领域专家对同一指 标所赋的值都不一定相同，有时差别还很大。 鉴于这种种难以解决的难题，陈守煜“１根据我国语言与思维习惯的“互补性” 判断准则，提出了非结构决策模糊集分析单元系统理论，而非结构性决策的基 本特点是在对系统进行分解与综合的基础上，充分运用人的经验与知识，对大

量复杂的定性因素，反复就关于模糊概念一一重要性、优越性等进行二元相对
比较与量化。并根据我国语言与思维的习惯，以互补性准则作为二元对比的判 断准则。 基本单元系统就是系统的层次之间因素与因素、因素与方案的联结结构， 将非结构性决策系统优化问题，变换为对一系列单元系统非结构模糊优选问题 的求解。而对基本单元系统因素权重的求解也属于这一求解内容。 ２．３．２基本单元系统因素权重的求解原理 Ｆ面重点介绍基本单元系统因素权重的求解原理：即先定性后定量来确定 因素的权向量。
Ｗ＝（ｗ．，Ｗ２，…，Ｗ。）
（２－９）

（１）、重要性有序二元比较定性排序原理 设基本单元系统中的方案集ｃ。与Ｃ．间作重要性二元比较，以ｆ。表示重要性 定性排序标度。

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。与ｃ，同样重要，取名＝厂肫＝０．５Ｉ
有￡。＋ｆ。Ｆ１，ｆｋ。＝ｆ－。＝Ｏ．５。 定理２－１ 设基本单元系统中有因素集（指标集） Ｃ＝｛ｃ．，ｃ２，…，ｃ。） 其重要性的二元对比矩阵为：

＾。
ｆｌｗ ＝（＾，） （２—１１）

｛。、｛。：??－

｛。。

一１３一

矿井通风系统分析与优化研究

ｋ＝ｌ，２，…，ｍ；ｌ＝ｌ，２，…，ｍ。

若满足条件

（１）凯＞厶时，

瓠＝０

ｌ
（２一１２）

（２）当名＜Ａ，时，有丘＝１｝ （３）当名＝Ａ，＝０．５时，有名＝０．５Ｉ

则矩阵Ｆ必满足重要性排序的传递性，Ｆ称为重要性排序一致性标度矩阵。
ｈ＝１，２，…，ｎ．

根据定理２—１可得出推论２—２如下： 重要性排序一致性标度矩阵Ｆ各行和数由大到小的排序，给出因素集在满 足排序一致性条件下的重要性定性排序。其中标度为０．５的两个元素，对应行 和数相等排序相同。 由以上的重要性有序二元比较法确定各因素之间的相对重要性的排列关 系，然后相应地采用语言变量由强到弱的语言值去求每个方案的指标的权重。 （２）、建立语气算子与相对隶属度之间的对应关系式 为了在二元对比中更易于按我国的语言习惯给出了定量标度，故建立了语 气算子与重要性标度之间的对应关系式，而这两者之间的对应关系之间存在两 个边界值：语气算子“同样”和“无可比拟”，其定量标度分别为０．５和ｌ，它 们之间的对应关系如下表２－１所示：
表２—１语气算予与定量标度相对隶属度之间的关系 语气算子 定量标度
０．５２５ ０．５７５ ０．６２５

同样稍稍略为较为明显显著十分非常极其极端无可比拟
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

相对隶属 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）、指标权重的归一化处理 应用表２．１得到非归一化的指标权重的相对隶属度向量

Ｗ’＝（Ｗ：，Ｗ■．，ｗ：）
这里序号ｉ，２，…，ｍ是按因素集对重要性的有序摊列，且ｗ’＿１。

（２－１３）

将非归一化的指标权重的相对隶属度向量归一化处理后，得到因素集的权

１４

矿井通风系统分析与优化研究

Ｗ＝【ｗ：，∑Ｗ～ｉ，Ｗ２／∑ｗ；，
向量： ＝（ｗｌ，ｗ ２，…Ｗ。），∑ｗ。＝１
』＝１

（２—１４）

应该指出，上述确定因素集权向量的理论与方法，完全适用于非结构性或 结构性决策的目标特征值的确定。

矿井通风系统分析与优化研究

３矿井通风系统模糊优选理论模型
３．１概述 决策的实质是优选。优是模糊概念，且优与劣之间不存在绝对分明的界限； 而模糊性是指客观事物、概念处于共维条件下的差异在中介过渡时所呈现的办

此办彼性”１。模糊集合论的运用是从模糊性中去确立广义的排中率一隶属度规
律。模糊性不服从排中率，存在着中介状态是办此亦彼，但是在办此亦彼中依 然存在一定的差异，仍可以相互比较。 决策活动是人们进行选择或判断的一种思维活动。对于复杂的社会经济系 统，过去人们主要靠主观判断进行决策，缺乏科学性。５０年代开始由于系统工 程的发展，人们从系统分析的观点出发，运用晟优化的理论与方法，对系统进 行决策分析，大大地发展了系统工程的理论。但大量的实践表明，由于系统的 复杂性，大部分现实的复杂系统很难完全用精确的经典最优化理论模型解决。 因此，决策方案的选择决不是简单地在决策模型基础上的一次性数据大小的比 较，也不是简单地对决策模型给出的方案进行优劣评价的问题，而要综合考虑 多方面的因素，进行一系列的决策一反馈一再决策一再反馈，通过这种对话式 的决策信息输出和反馈，最终达到决策优选的目的。 本章将利用陈守煜教授和聂相田副教授创立的模糊优选人工神经网络理论 对平顶山八矿二水平通风系统方案进行决策，以适应该矿井的通风系统的需要。 最后将该决策结果与其它传统的决策方法进行对比计算。 ３．２模糊优选的理论模型 ３．２．１模糊决策矩阵 设系统有满足约束条件的ｎ个方案组成的方案集，以ｍ个目标（指标）对 方案的优劣进行评价，则矩阵ｘ表示ｍ个目标对ｎ个决策方案的目标特征值矩 阵（决策矩阵）：
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目标ｉ的特征值。 对于设计方案模糊优选分析分析的目的在于：确定每个方案对于模糊概念 “优”的隶属度，其中隶属度最大的方案，即为最优方案。

１６

矿井通风系统分析与优化研究

３ ２

２定量与定性目标特征值相对隶属度的确定 一般来说，不同的评价目标往往具有不同的量纲和量纲单位，同时方案的

优选是个备选方案相对比较而言的，具有相对性。为了消除量纲和量纲单位不 同所带来的不可公度性和便于计算、优选分析，在决策前应将评价指标的绝对 量转化为相对量，这就是相对隶属度（或相对优属度）。通常各个指标的相对隶 属度为［０，１］区间的小数，这样有利于将各个指标进行规范化，增加各指标之 间的可比性。 因此，由于各目标值通常存在不可公度性和矛盾性，需进行定量目标的规 范化和定性目标的定量化处理。 （１）、定量目标的规范化 通常考虑的有以下三种类型：

一类是效益型指标一一越大越优目标，如安全性、稳定性、可靠性等，其
特征是数值越大越好，此时可按以下关系式求解

＿，：毒（ｆ＿１’２，…ｍ） ｏ。高ｕ州’２’…ｍ’
ｌ，＝忑ｘ“丽－ｍｉｉｎ（ｘ丽ｏ）（ｆ＝ｌ加。肌）
（３—２）

或

一类是成本型指标一一越小越优目标，如造价、巷道维修、施工难度等、
其特征是数值越小越好，此时可按阻下关系式求解

，ｆ，＝—ｍｉｎ（：＿ｘｏ）（ｆ－ｌ，２，…ｍ）
或

，ｆ，＝蕊ｍ万ａｘ（ｘｉ“）－丽ｘｇ

（ｆ＝１加，州）

（３—３）

另外一类是适中型目标： 标度，则可按以下关系式求解：

设ｏｐｔＸ。为序列（Ｘ，，Ｘ２，Ｘ矿一，ｘ。）中的适中最优

，ｆ』２２０ｐｔＸ，
Ｘ“

当ｘ“≤ｏｐｔＸ。时 当ｘ“≤ｏｐｔＸ。时

（３—４）

ｒｔｊ：＝—ｏｐｔ—Ｘｔ
ｘ”

（３—５）

式中ｍａｘ（Ｘ。，），ｍｉｎ（ｘ，。）分别表示决策集Ｄ中目标的特征值取大、取小；ｍ 为决策集中的非劣方案数。

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（２）、定性目标的定量化 在多目标决策问题中，决策事物的属性指标通常有定量和定性两种不同的 表示形式。为了便于对属性指标进行必要的数学处理，普遍采用ＭａｃＣｒｉｍｍｏｎ提 出的两极比例方法“３（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｓｃａｌｉｎｇ）将定性指标转化为定量指标“…。其转 化方式如图３ ｌ所示。
对于成本类属性 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 对于效益类属性

高

很高

最高

图３－１定性指标向定量指标转化的两极比例方法

对指标迸行归一化处理后，由此确定ｎ个方案相对于ｍ个因素的相对隶属 度矩阵（决策矩阵）为：
＿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）为方案ｉ中目标ｊ的相对优属度。 ３．２．３模糊优选模型 根据相对隶属度定义，劣、优分别处于参考连续的两个极点，则方案的目 标相对优属度向量分别为
ｂ＝（０，０，…，Ｏ）

ｇ＝（１，１，…，１） 设方案集中ＩＴｌ个目标的归一化后的权向量为 ｗ＝（ｗｌ，Ｗ ２，…ｗ。），∑ｗｌ＝１
ｉ＝ｌ

（３－７）

方案Ｊ与优、劣方案的广义海明权距离分别为：

一１８

矿井通风系统分析与优化研究

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）

设方案ｊ对优的相对隶属度以ｕ。表示；对劣的相对隶属度以。：表示，按模 糊集合的余集定义，有：

将隶属度定义为权重，则方案ｊ与优方案之间的权距离为
Ｄｊｇ＝ｕｊｄ』ｇ

方案ｊ与劣方案之间的权距离为

Ｄｊｂ＝“；ｄ扣＝（１一“，）ｄｐ
为了求得最优解，建立优化准则为：方案ｊ的加权距优距离平方与加权距劣 距离平方之和最小，即目标函数为

ｍｉｎ｛Ｆ（？２／）｝：壤＋碥：“；（１一羔Ⅵ％）ｚ＋（１－ｕｊ）ｚ（艺ｗ』。）２
ｉ＝１

拉Ｉ

这是最小二乘法准则“距离平方和最小”的拓广，对于目标函数求导数，

并令其为零，则有竺挲尘：０，经计算整理得到以距离参数Ｐ：１的海明距离表
ｄｕ．

示的模糊优选模型为：

％２雨１
３

２０写１
ｄｐ

。叫∞

ｄｊｂ

对所有各选方案，以隶属度极大原则选择多目标决策的最优方案，即：

甜”，。詈凳讧，ｊ
２．４多目标模糊优选理论模型合理分析 由多目标模糊优选理论模型分析可得：

（３－１１）

（１）、利用该模型可得出第Ｊ个多目标决策方案从属于理想方案的优属程 度，即反映了该方案的优劣程度，从而能根据该理论模型计算的结果对各决策 方案进行优劣排序，达到决策评价的目的。

（２）、该模型考虑了两个具有优劣标准的参数距优距离和距劣距离，

１定

１９

矿井通风系统分析与优化研究

程度上克服了仅考虑距优距离、且当两个待选方案在此参数下相差很小时而难 以决策的局面。该模型的结果是经过非线形处理的，因此更具有可信性和精度。 （３）、由模型进一步得到：

毒＝器旭嚣＝器∞

由此可知，ｕ。关于ｄ，。与ｄ。是单调的，这表明将最小二乘法“距离平方和 最小”准则拓广构造目标函数的合理性。同时，该模型的结果因数据有较大的 离散性，易于决策者进行决策。由此可见，上述模型不仅数学推导严谨。而且 物理概念清楚，意义明确。 ３．３模糊优选模型与综合评判法的比较分析 模糊综合评判是运用模糊数学知识，对系统多种相互因素所影响的事物或 现象进行综合评价，而这种评价过程涉及模糊问题。目前矿井通风系统优化所 应用较广泛的是这种综合评判方法，下面将模糊优选与模糊综合评判法进行比 较。 假设模糊综合评判的权向量为ｗ，，归一化处理后的决策矩阵为ｒ¨，则模糊 综合评判模型为：

Ｖ，＝∑ｗ。ｏ
将模糊综合评判模型代入
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

叶。Ｆ蒂了

ｖ，２

研究一下模糊优选模型距离参数Ｐ＝ｌ时的函数与模糊综合评判函数的关 系，下面分析如下：

由孔飙腓线形函数删等＝矿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，是关于ｖ．的单调增函数。又

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当ｖ，：ｏ．５时，害兰｝：ｏ；当ｖ．＜ｏ．５时，妄≥＞ｏ，故函数图形在区间［ｏ，ｏ．５］
ｄｖ．ｄｖ．

为凹性：

ｖｊ＞Ｏ．５时，ｉｄ万２ｔｔｓ＜ｏ，故函数图形在区间［。．５，１］为凸性。因而ｖ．＝。．５

为定义区间［０，１］的单调增函数式的唯一拐点。因此该函数为Ｓｉｇｍｏｉｄ型即Ｓ 型函数，如图３－２所示：
ｕｊ １．０

０．５

０ ０．５ １．０
Ｖ

图３－２模糊优选模型Ｓ型函数

根据对以上函数性态的研究可得出以下结论： （１）函数ｕ。是关于ｖ．的单调增函数，所以在相同的指标规范化矩阵Ｒ的 条件下，模糊优选模型与模糊综合评判模型的各决策方案的相对优属度的各个 方案的评判值不同，但是方案关于优的排序相同。
ｍ

（２）模糊综合评判模型是直接将ｖ，＝∑ｗ，ｒ，ｓ作为评判值，故各决策方案的
ｆｌｌ

评判值趋于均化，常出现各决策方案的综合评判值相差不大，难以决策与选择。 对于模糊优选模型，由于函数ｕ，对于ｖ，是的非线形函数。函数在区间［０，０．５］ 上是凹性，在区间［０．５，１］为凸性，在拐点（０．５，０．５）两侧有更大的离散性， 即各决策方案的相对优属度有更大的分散性，更易于决策并提高决策的可性度。 ３．４基于模糊优选的ＢＰ神经网络模型
３

４．１多层系统模糊优选原理 设系统分解为Ｈ层，最高层为Ｈ。若最低层（第ｌ层）有若干个并列的单元系

统，每个单元系统均有多个目标特征值输入，用式（３一ｌＯ）对第ｉ单元系统计算输

出——方案相对优属度向量
ｕ。１＝（ｕ。１。，
ｕ，２１，

…
，

ｕ。。Ｉ）

２１

矿井通风系统分析与优化研究

它组成２层中某个单元系统的第ｉ个输入，如图Ｓ－３所示。令 （ｕ，，４）＝（ｒ，Ｊ）

层

图３－３多层优选模型系统图

设２层并列单元系统的权向量为ｗ。（ｗ－，ｗ：，…，％），且∑ｗｊ＝１；则模糊优选
Ｉ＝ｌ

理论模型（３—１０）可用于２层中单元系统的计算。如此从１层向上层进行计算，直 至最高Ｈ层。由于最高层中只有一个单元系统，可得最高Ｈ层单元系统的输出 方案的相对优属度向量 ｕ＝（Ｌ１ｌ，ｕ２，…，ｕ。） 据此可优选多层次多目标系统满意方案。 ３．４．２模糊优选系统与ＢＰ神经网络对应关系 ＢＰ网络由输入层、一个或多个隐含层和输出层组成。现在将上述多层系统 模糊优选原理与神经网络ＢＰ系统相对应，以建立网络合理的拓扑结构：隐含层 数、隐含层节点数及具有明确物理含义的模糊优选神经网络权重调整模型。 多层模糊优选系统与神经网络系统相对应，构造合理网络拓扑结构：隐含 层数、隐含层节点数、节点激励函数的模式，在提出合理网络拓扑结构的基础 上，将模糊优选与神经网络ＢＰ算法结合起来，构建模糊优选神经网络权重调整 ＢＰ模型。把ｎ个方案按模糊优选的全部目标特征值进行规格化，变为目标相对优 属度，把模糊优选的全部目标总数作为神经网络系统输入层的节点总数，每个 节点输出一个目标相对优属度。模糊优选最高层的惟一单元系统的方案相对优 属度输出，作为神经网络系统输出层的单输出。模糊优选系统中间层次作为隐 含层，同层中的单元系统数为该隐含层的节点数。由此可将多层次模糊优选系 统变为ＢＰ神经网络系统，非输入节点的激励函数为模糊优选模型。
（３－１３）

一２２

矿井通风系统分析与优化研究

３．４．３模糊优选ＢＰ（Ｂａｃｋ

Ｐｒｏｐ ｒａｇａｔｉ

ｏｎ）神经网络模型

ＢＰ神经网络模型，也即反向传播网络，也就是说网络的学习过程实质上是一 种误差修正的算法。它的模型如下： 设有３层的模糊优选ＢＰ神经网络系统，输入层有ｍ个输入节点，即有Ｅｌ＿个 目标特征值；隐含层有１个隐节点，即有１个单元系统；输出层仅有一个单节 点输出，如图３—４所示。

隐

１个隐含点 ｍ个输入节点

输入层

图３－４模糊优选神经网络结构示意图

设有ｎ个样本，对于样本ｊ的输入为ｒ…ｉ＝１，２，…，ｍ；ｊ＝ｌ，２ …，ｉ２。在输 入层节点ｉ将信息直接传给隐含层节点，故节点输出与输入相等， 即
Ｌｌｌｊ２ｒｉ Ｊ

对隐含层的节点ｋ，其输入为

如＝∑ｗ。ｋｒｕ
ｌ；１

输出为

％。ｉ１ ＋［（≥：ｍ，Ｊ，Ｌ１］２～”Ｈ… ｉＷ万百２而两
式中Ｗｉｋ一一节点ｉ、ｋ的连接权重，要求满足

１

１

ｆ３—１４）

∑Ｗｉｋ＝ｌ，
输出层仅一个节点Ｐ，输入为：

Ｗ＊≥０

，。＝∑Ｗ扣％
式中ｗ。。——隐含层和输出层的连接权重，要求满足：

∑～＝１，

～≥０

—２３

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输出为
（３—１５）

１＋［（∑ｗ扣“Ｈ）
网络的实际输出ｕ，，就是模糊优选ＢＰ神经网络对输入ｒ．。的响应。设样本Ｊ 的期望输出为Ｍ（ｕ。．），则其平方误差为： ＥＪ＝ｉ１阻∥一Ｍ（ｕｐｊ）］２ 调节网络中的连接权重使Ｅ。最小。应用梯度下降法，对连接权重进行调整， 连接权重的调整量为：

～～一印意
０Ｅ

扭．

～％一卵意
式中

ｎ一为学习效率

隐含层节点ｋ与输出层节点Ｐ的权重调整量公式为：

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）

输入层节点ｉ与隐含层节点ｋ的权重调整量公式为

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丝一｜［Ｍ（％）－Ｕｐ）］ （∑ｗ印“Ｈ）３｜
Ｊ

模型（３－１６）、（３－１７）为模糊优选ＢＰ神经网络权重调整模型。该模型构造 的网络拓扑结构，对于三层以上的多目标多层次多阶段的决策系统同样适用。

—?２４?—

矿井通风系统分析与优化研究

４矿井通风系统分析
４

１矿井通风系统概述及影响因素解析 《煤矿安全规程》规定，矿井通风系统应该满足以下几项要求：第一，能

将足够的风量送往用风地点，通风效果好、风质好、有效风量率高；第二，运 行可靠，系统简单，稳定性高；第三，通风阻力小，分布合理，可挖掘、易调 整；第四，抗灾能力强，即平时易于防灾，灾变时又能限制灾害扩大，易于救 灾，易于尽快恢复生产；第五，经济合算，基建投资、维修和运转费用低。 但是，矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的动态系统。而要使 矿井通风系统在矿井的生产中达到《煤矿安全规程》规定要求，就必须对矿井 通风系统稳定性和可靠性等影响因素进行研究。 ４．１．１矿井通风系统的特点 矿井通风系统是一个复杂的、随机的、非稳定的动态系统。 （１）矿井通风系统的复杂性 矿井通风系统是由诸多变量组成的一个复杂系统，就大型矿井而言‘，网络 分支可达３００～６００条，网络节点数一般为３００～５００个，角联分支数约占总分支 数１５％～４５％，全矿巷道长度约为５０～２００ｋｍ。通风设施数目数十个，用风地点一一 般有１５～４０个，甚至上百个。自然条件也很恶劣，开采深度从４００米～ｉ０００多米 不等，煤层厚度０．５～６．５米；煤层倾角从００～９００，褶曲、断层、沉陷等地质构 造复杂、发育。瓦斯涌出量也变化很大。诸多的因素使通风系统成为一个复杂 的系统。 （２）矿井通风系统的动态性 矿井通风系统结构随着煤矿生产的进行而不断地发生变化。采掘工作面不 断推进、接替，采区的准备、投产、结束与接替；矿井开拓延伸等工程的不断 进展，使通风系统在网络结构上随时间发生变化，也引起通风系统正常运行的 各个因素，如瓦斯、温度、煤尘等发生变化；此外，由于采矿活动的影响，通 风巷道受压变形、断面缩小，冒顶事故时有发生；通风设施受压变形，漏风率 增大；各种通风设备也因磨损、锈蚀性能衰退、通风机性能也逐渐减弱。从而 使系统的通风参数发生变化，而且各种参数的变化是随机的。可见通风系统是 一个动态的随机的系统。 ４．１．２矿井通风系统分析影响因素 在矿井通风系统的影响因素有：通风网络、通风动力、阻力分布。 （１）通风网络

矿井通风系统分析与优化研究

空气在为进行生产或通风及其它特殊用途而掘出的井巷中流动，满足生产 和安全的需要。空气流过的井巷就组成了矿井通风系统的通风网络。通风网络 由通风巷道、通风构筑物组成。 通风巷道按其位置在网络中的相互关系可分为并联巷道、串联巷道和角联
巷道。

当前，对矿井通风系统网络可靠性的研究主要以角联网络为重点，而且主 要是有关风流方向的问题。研究的方法主要是推导通风网络中风流不稳定的那 些风路的风向判别式。波兰学者Ａ?弗雷茨通过研究发现：风网分支的角联性取 决于风机的位置；分支的角联是相对的。他提出了一种对网络进行拓朴变换用 图表查找确定有分支角联性的方法，并可用计算机帮助实现为个功能，但对于 非平面通风网络判断其分支的角联性就相当困难了。矿井通风网络属于大型复 杂网络，对于这样一个具有上百条分支的大型复杂网络，存在许多角联分支。 如何确定出这些角联分支本身自然就是一件比较困难的事。在矿井通风系统中， 对于风流的稳定性问题，人们也进行了研究，通过研究发现：不仅风网中的角 联网络存在着风流稳定性的问题，而且其它风路中也不同程度地存在着风流稳 定性问题，而对生产矿井有实际指导意义的是井下用风点的风流稳定性问题。 就目前的方法而言，由于矿井通风网络的形式繁多，推导不稳定风路的风向判 别式相当麻烦，即使推导出的判别式对不同网络也各不相同，因此实用价值不 大，甚至有时不可能推导出不稳定风路风向的判别式。 另外，通过寻找网络中各条风路的敏感性，以此判断风路对风网稳定性的 影响程度；风网是一个动态变化的网络，这种方法没有考虑风阻、风压的动态 变化，因而很难对整个通风系统的稳定性给出正确评价。 （２）通风动力 矿井的通风动力装置有两大类，一类是主要通风机；另一类是局部通风机 或辅助通风机。其中以主要通风机对通风系统稳定性的影响最大、最直接。矿 井主要通风机分离心式和轴流式，它通过机械为矿井通风提供动力，一般为负 压通风。国内外的研究结果和实际生产的实践表明，矿井通风系统中主要通风 机设备有效度很高，其影响虽然重大，但一般发生故障的概率很低。 局部通风机在矿井通风系统中往往用在掘进或局部需调整风量满足临时需 要，而其他通风部分改动困难、不经济或改动无法满足需要时。由于局部通风 机在通风网络的某个分支上加上了一定的动力，从而明显改变网络中风流的分 布状况，影响矿井通风系统的稳定。 （３）阻力分布 由于不同的通风巷道的断面积、支护形式、断面形状、长度以及风量不同， 从而它的阻力大小也不同。矿井通风阻力分布的状况直接影响到矿井通风情况 及风量调节能力。

一２６

矿井通风系统分析与优化研究

４

２矿井通风系统的风流稳定性分析 矿井通风系统的非稳态过程包括风路、网路的非稳态。通风系统是一个动

态过程，系统内各参数Ｒ、Ｈ、Ｑ随着时间的变化而变化的，研究它们的变化过程 与变化规律就是稳定性分析。下面要研究的就是当△Ｒ≠０时，如何确定△Ｑ、△ Ｈ。同时针对不同的通风网络形式、不同的通风网络规模，建立其稳定性分析的 数学模型。 ４．２．１风路稳定性 风路可以划分为一般风路与角联风路。当系统中风路的风阻仅是大小变化 时，系统中的角联风路有风流逆转的可能；当系统中风路的风阻还有正负变化 时，，系统中的一般风路也有风流逆转的可能（如火负压引起风流逆转）。显然， 研究风路的风流稳定性（特别是研究处于角联分支上工作面风流的稳定性）具有 普遍意义的。 （１）角联风路的定义 在通风系统网络Ｇ＝（Ｖ，Ｅ）中，当系统中某条风路ｅ，的风阻发生大小变化时， 引起另一条风路。ｅ“（ｉ≠ｋ）的风流方向发生改变，改变风流方向的风路ｅ。就是角 联风路。如图４—１所示，因为它的拓扑关系完全与。结构相同，我们把它称ｅ结 构，其中ｅ４角联风路。

ｖ３

ｖ４

ｖ１

图４－１

０型网络拓扑结构

角联分支的特点是流向不稳定，所以复杂网络稳定性的核心问题归结为角 联结构问题。角联分支在火灾、风阻变化等条件下可能发生风流方向的改变， 这对正常通风条件下的风流稳定性及通风管理是不利的。 （２）角联风路确定的数学模型

２７

矿井通风系统分析与优化研究

角联风路是指当通风网路中某条风路与该网络中某两条通路相关联，且该 风路的始末点不与这两条通路上的任何两个相邻的公共点或两个相邻的公共点 之外相连接，则该风路就是角联风流“２３ 首先建立节点通路矩阵Ｐ

Ｐ＝（鼻，Ｂ，…，Ｒ）＝（只）一

（４—１）

式中弓＝佬嚣节点础通路上
假设任意丽条通路Ｐ，与Ｐ。之间有子路ｚ＝（ｅｍ ｅｍ…，ｅ。。）存在，它们以首 尾相接且同向。子路ｚ的节点集合为：

Ｚ＝｛ｖ１０“），Ｖ１（Ｐ々２），…，Ｖｌ（ｅｎ），Ｖ２（ｅｋｅ）＿｝（ｃ＝１，２，…，＜ｎ）
下面分两种情况讨论 情况１ （ＰＴＡ）Ｎ（Ｐｊ－Ａ）＝中 ｖ。（ｅ ｋ。）、ｖ２（ｅｋ。）ｇＡ
（４－２）

即Ｐ，与Ｐ，除ｖ，与ｖ。两节点外没有相交的节点。
当
（４－３）

即子路ｚ的始、末节点均不是ｖ，与ｖ，节点。 （Ｚ－Ｄ）ｎ（Ｐ。ｕ Ｐ，）＝巾 即子路除始、末两节点外，不与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、末节点分别与Ｐ．、Ｐｊ相交。 则由ｃ条风路构成的子路均为角联风路。 情况２ 令 （Ｐ，一Ａ）ｎ（ＰＦＡ）≠巾
（４－６）

即Ｐ．、Ｐｊ两条通路除ｖ：、ｖ。两节点外有相交的节点。
ｘ＝Ｐ，ｎ Ｐｊ，Ｘ（１）∈Ｘ

即由Ｐ．与Ｐ．所相交的节点构成集合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将Ｐ．、Ｐ，划分为若干个子通路Ｐ．、Ｐｊ。
当

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、末节点集合 Ｄ一子路的始、末节点集合

矿井通风系统分析与优化研究

则由ｃ条风路构成的子路均为角联风路，子路可以是一条风路（ｃ＝１），也可 以由多条风路构成。在判别过程中，只要满足其中的情况之一就是角联风路。 （３）角联风路的风向判别 对于某些简单类型的通风网络，有不少学者推导出其角联风路风向的判别 式。这些判别式不仅可以判断角联风路的风流方向，而且还可以确定预防风流 不稳定的措施，因此，具有一定的理论价值和实用价值。但是由于判别式较为 复杂，实际使用起来非常麻烦。对于较于复杂的通风网络，甚至不可能推导出 某一确定的判别式。 单纯从角联风路的方向判别来说，只要网路结构与Ｒ值分布一定，就能采用 自然分风网络解算来确定角联风路的风流方向。判别方法是先任意假设风流方 向，从而给予某一个风量，解算得到各分支的实际风量，根据解算风量的正负 就可以确定各分支原假设的风向是否正确。
４ ２

２网络的稳定性 （１）网络稳定性的基本准则 两个平衡定律 ａ、风量变化平衡定律

∑％＝ｏ
ｂ、风压变化平衡定律

Ｊ∈ｊ，ｉ＝１，２，…，ｍ－１

（４—９）

上式表明：网络中任一节点，其风路的风量的变化值的代数和为零。

∑ＡｈＦ＝０

，∈ｆ，ｆ＝１，２，…，”一ｍ＋ｌ（４－１０）

上式表明：网络中任一回路，其风路的风压的变化值的代数和为零。 （２）网络稳定性分析的基本数学模型 当网络中无变化时，其风压方程为：

∑勺ｇ：＝０

，∈，，ｉ＝１，２，…，ｎ－ｍ＋１

（４—１１）

当风阻的变化＿＝０＋ｑ引起风量的改变幻＝ｑ，＋Ａｑ，，其风压方程为

∑（ｏ＋△～）（ｇｙ＋ＡｑＦ）２＝０
将上面两式相减，得

，∈ｆ，ｉ＝１，２，－一，ｎ－ｍ＋１

（４—１２）

∑２ｒ；ｑ，＋∑峨ｇ；＋Ｚ吩Ａｑ；“ｏ（４－１３）
上式就是网络稳定性分析的基本数学模型，由式４—４可解出（ｎ—ｍ＋１）个△ｑ，

２９

矿井通风系统分析与优化研究

其余的（ｍ一１）个Ａｑ可由４—３式解出。 （３）网络稳定性分析的一般算式

对于任意的通风网络Ｇ＝（Ｖ，Ｅ），Ｖ是节点集合，ｆ Ｖ｝＝ｍ；Ｅ是风路的集合，Ｉ Ｅ｜＝ｉ２。
建立以下基本矩阵： Ｅ＝（ｅ１，ｃ２，…，ｅ。） △Ｒ＝（ａｒ．，Ａｒ２，…，ａｒ．）
△Ｑ＝（Ａｑ，，ａｑ：，…，ａｑ。）

建立回路矩阵Ｂ： Ｂ＝（Ｂ。，Ｂ，）＝（Ｉ，Ｂ。）＝（ｂ，ｊ）（。。）。。
Ａ

Ｑｔ＝△ＱＬＢＴ

令ｙ＝ＢＴＴ＝（Ｙ，ｊ）“－１）蛐…） Ｙ矩阵的行反映Ａ Ｑ。，Ｙ矩阵的列反映Ａ Ｑ。 令

ｘ＝（ｘ。）。。其中（ｘ。＝２ｒ’；ｑ；，ｉ＝ｌ，２，…，ｎ）
有风阻变化的回路（风阻变化的风路应为基准风踌，即为余支）：

舰２瓢而轰％丽
川

卜１４）

州膨

无风阻变化的回路：

驴萎若韵匈ｔ
程组既是满秩的，又是非齐次的，所以有唯一解。 ４．３矿井通风网络结构合理性分析

卜嘲

式（４—１４）、（４—１５）即为任意通风网络稳定性分析的计算通式。当网络中独 立回路的个数（ｎ—ｍ＋１）／＞３时，式（４—１５）就是一个（ｎ—ｍ）阶的线性方程，该线性方

通风网络结构的合理性，反映通风系统中为了实现按需配风而需要人工增
阻程度。对通风系统的阻力分布、系统内部的风量分配和圭要通风机工作压力 起决定性的影响。通过网络结构合理性分析，有助于调整网络结构，降低通风 系统阻力。提高通风系统的可靠性和经济性。

网络结构合理性系数是由自然分风的压力与按需分风的压力比值确定，即
网络合理性系数Ｋ可用下式表示：
Ｋ＝二三盟
爿

ｆ４一１６１

式中Ｋ一网络结构合理性系数；

一３０一

矿井通风系统分析与优化研究

Ｈｒ自然分风时系统的压力：
Ｈ一按需分风时系统的压力。
所谓自然分风压力，是指采煤工作面按自然分风解算，其余所有的用风地 点都按实际需风量进行网络解算，所得到的风机压力。所谓按需分风压力是指 除通风最困难的工作面外，其余的用风地点都按实际需风量进行网络解算，得 到的风机压力。 单一风机工作的通风系统Ｋ值应在１以下。Ｋ值越大，说明调节量越小，网 络结构较合理。反之亦然。一般要求Ｋ＞０．８５。如果Ｋ＜０．６，则在采掘布局卜 加以注意和改进。对于多风井系统，有可能比值大于１。这表明，该系统受相邻 系统影响较严重。
４

４矿井通风阻力分布合理性分析

４．４．１用阻力递增法求最大阻力路线 定义：设图Ｇ＝（Ｖ，Ｅ），其中Ｖ为图Ｇ的顶点集，Ｅ为图Ｇ的边集。若对Ｅ中每条 边ｅ都有一个实数１（ｅ）附在其上，则称ｌ（ｅ）为边ｅ上的权，并称Ｇ为带权图。当 ｅ＝（／１，ｖ）时（ｅ是连接顶点ｕ，ｖ的边），可将ｌ（ｅ）记为ｌ（ｕ，ｖ），并规定对任意的 顶点ｕ∈Ｖ，ｌ（ｕ，ｕ）＝０，当ｕ，ｖ不相邻时，１（ｕ，ｖ）＝。。。 在矿井通风网络图中，任意两点ｕ、ｖ，从ｕＮｖ的通路可能有多条，在这些 路径中，求从ｕＮｖ的阻力之总和最大的那条路径Ｐ，就称Ｐ为从ｕＮｖ的最大阻力 路线。 求从指定起点ｖ。到指定终点ｖ，或是从指定起点ｖ。到其余各顶点最大阻力的 方法，本人提出了一个按路径阻力递增的次序产生最大阻力路线的算法。其算 法描述如下： （１）将通风网络图按照节点在某特定意义下距离根节点的远近，对节点进 行分层，如图４—２所示。 （２）从根节点开始，依次寻找它们所引出的所有的出端点，并在起始点的 基础上通过阻力递增来计算每一个出端点至始点的阻力值Ｈ（ｖ），并记下这条路 线上的节点信息。同时，对每层支路所引出的端点必须判断它是否已经到达终 点，如果已经到达终点，那么就不在继续引出它的所有支路。 （３）以此类推，若所有的支路所引出的端点都已经到达终点，则停止。那 么所有汇合的终点中，阻力最大者则为所求的最大阻力值，该路线即为最大阻 力路线。

３１—

矿井通风系统分析与优化研究

根节点

第１层

／

，／＼
５

２／
４

：７＼；
６

＼第２层

３层

图４－２节点分层ＢＦＳ法

４．４．２矿井通风阻力分布 矿井通风系统按风流在网络中的位置可分为进风、用风和回风三段。三段 划分的依据是：从进风井口到进风大巷为进风段；从迸风石门到回风石门为用 风段；从回风石门到排风井口为回风段。三段的阻力比例是衡量通风优劣的重 要标志之一，这三段的阻力比例关系为２５％：４５％：３０％，即进风段占总阻力的２５％， 用风段占总阻力的４５％，回风段占总阻力的３０％。 而对于多风井系统，其公共段阻力与系统总阻力的比应＜１５％；一般不超过 任一风机风压的３０％。 ４．５矿井主通风机稳定性分析 ４．５．１主通风机合理性工况点分析 矿井通风系统包含主通风机和等效网络两部分。通风网络所要求的必需风

量Ｑ和负压Ｈ所确定的点即为通风网络的工况点。
工况点的位置决定着通风机的实际运转效率，并反跌主通风机与风网的匹 配性。任何主通风机的高效区总有一定范围，高效区范围之外还存在较大范围 的低效区：如果工况点的位置处于低效区内，功能再强的主通风机也只能是低 效运行，甚至是故障运行。 （１）主通风机性能曲线绘制原理 主通风机性能曲线的数据一般均采用查表或从己有主通风机特性蓝线上选 取，采用计算机进行主通风机性能进行分析时，因计算机本身无法直接识图， 故应首先将主通风机性能曲线离散化，由人工将每一根曲线离散成许多点，再 将这些点的值输入计算机。在计算机再现主通风机特性曲线时，必须构造方程 式，用最小二乘法对进行多项式拟合。在其正常工作范围内，拟合曲线均可以 用ｍ次多项式近似表达，即：

３２—

矿井通风系统分析与优化研究

Ｐ＝ｂｏ＋ｂｌＱ＋ｂ２Ｑ２＋???＋６。Ｑ… 式中：ｂ。、ｂ。、ｂ。、…、ｂ。为ｍ次多项式中的系数。

（４—１７）

方程式中ｂ．（ｉ：０，１，２，…，ｍ）待定系数取决于主通风机的型号、转速和叶片安 装角等因素。 （２）主通风机工况范围的确定 为使主通风机安全、经济、可靠地运转，要求其工况点在主通风机整个服 务期内必须保持在合理的范围之内。从经济角度出发，主通风机工况点效率应 不低于６０％；从安全方面考虑，其工况点必须位于主通风机个体特性曲线驼峰点 的右侧、单调下降的直线段上；一般规定工况点的风压不超过最高风压的９０％。 假设主通风机在效率为ｎ时对应的风量，记为为Ｑ。；同理，给出风压０．９ｈｍａｘ 时所对应的主通风机风量，记为Ｑｄ；则主通风机合理工作区的风量瓯所对应的 区域是［Ｑ。，Ｑ。］。 将矿井风阻曲线绘制到主通风机性能曲线上，则从风量角度确定的主通风 机合理工况范围应该是：由矿井通风容易时期的风量Ｏ，和通风困难时期的风量Ｑ。 所对应的合理工作区共同组成了一个曲面，凡是落在此曲面内的任一点皆是满 足合理工作区的工况点。 ４．５．２多台主要通风机的相互影响分析 对于多台主要通风机的通风系统，当改变系统中某一台主要通风机时，其 它主要通风机会不同程度地受其影响。 假设某个简化的通风系统，如图４—３所示。己知：风Ｎｒ。，ｒ．，ｒ。，ｒ。，ｒ。风量 ｑｏ，ｑｔ＝ｑｔ，ｑｆｑ¨；风压ｈｌ，ｈ口。下面来分析一下Ｉ、ＩＩ之间的相互影响：
Ｉ ＩＩ

图４－３简化赢的通风系统图

∥

当ＩＩ的风量由ｑ－－增加到ｑ；，而Ｉ保持不变时，ＩＩ为了风量要求，必须调整
其工况点使其满足要求，则调整后，公共段阻力及ＩＩ的阻力变化分别为：

矿井通风系统分析与优化研究

ｈ≯ｈ；＋ｈｌ
即：ｈ≯ｈｏ，虽然ｌ的风量不变，但是公共段阻力是出Ｉ和ＩＩ两台风机共同
来克服的，这就要求Ｉ的工况点做出一定的调整，则调整后Ｉ的阻力增加，其 变化为：

彬＝ｈ；＋ｈｉ

而Ｉ、１１的工作风阻分别变为吖＝ｈ；／ｑ？，嵋＝ｈｉ／ｇ；，并且有ｒＩ＜０ ｒＩ，＞《。
以上分析表明，各主要通风机的工作风阻不一定是常数，它们之间有下列 关系： 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：各主要通风机的风量比例发生变化时，其工作风阻也要相应发生改变。 根据以上分析得出以下结论： （１）当公共段的风阻ｒ。曲线越陡，总风量ｑ。就越小，此时，Ｉ、ＩＩ的风量均 不能满足要求。 （２）当两台主要通风机的特性曲线相差越大，矿井所需的风量就越难保证， 能力较小的风机出现不稳定运转的可能性就越大。 （３）当两台主要通风机的特性曲线相差越大，且公共段的风阻又很大时， 有可能造成公共段的阻力等于能力较小的风机零风量下的风压；也可能造成公 共段的阻力大于能力较小的风机在零风量下的风压，这时该风机的风流就会反 向。 因此，对于多台主要通风机联合运转时，公共段的风阻越小，各台主要通 风机的能力越接近，则安全稳定运转就越能保证。在通风设计中，要尽可能降 低公共段的风阻，使该段阻力远小于较小主要通风机的风压。一般规定：多风 井系统的公共段阻力与系统总阻力的比应＜１５％；一般不超过任意一台风机风
压的３０％。

一３４一

矿井通风系统分析与优化研究

５矿井通风系统分析与优化软件的研制与开发
为了进行矿井通风系统分析与优化，本人对其它的矿井通风软件进行了完 善和改进，并增加了许多新功能，开发了新版的矿井通风系统分析与优化软件 （简称ＭＶＳＡ０软件）。该软件对已有通风网络解算软件进行了完善，并扩充了通 风网络角联分析、网络结构合理性分析、阻力分布合理性分析、主通风机稳定 性分析及通风系统决策优选分析等多种功能。 ５．１系统开发的需求分析及开发原则 ５．１．１系统开发的需求分析 系统开发的需求分析在系统的开发过程中是一个很重要的环节。通常，软 件工程项目的开发过程，称为软件生存期过程。一般可以分为项目定义期、开 发设计期和运行维护期。每个时期又由不同阶段组成，如图５—１所示。但根据系 统规模的大小和复杂程度，各阶段的详细程度有所差别，如规模较小的系统可 简单些。

图５－Ｉ软件工程项目开发阶段划分

一３５

矿井通风系统分析与优化研究

（１）需求分析阶段工作 需求分析是在可行性研究的基础上，确定新项目必须完成哪些任务，即对 项目最终目标提出完整、准确、清晰和具体的要求。 在系统开发中，需求分析是最重要的一步。因为需求分析的结构是新工程 项目开发的依据，直接关系到项目开发的成败和软件的质量，所以必须认真、 仔细和慎重地进行。 需求分析规定了系统设计最基本的要求，其分析的结果是系统设计、实现、 测试验收和维护的依据．需求分析的具体任务是： （ａ）确定用户对新系统的综合要求； （ｂ）分析新系统的数据要求； （Ｃ）导出新系统详细逻辑模型； （ｄ）初步确定系统开发计划。 （２）确定用户对新系统的综合要求 （ａ）开发系统的功能要求 开发人员在为用户确定系统功能时，应尽可能细化、具体和全面。首先要

确定主要功能和次要功能，并用文字、图形、逻辑或数学方法描述其特性。
系统的功能要求应按以下几个方面确定： ①输入：确定与功能有关的所有输入信息，包括数据来源、意义、格式、 数量、输入范围，必须说明优先顺序和使用的输入设备。 ②处理：必须确定从输入数据到获取输出结果的全过程。对每种功能算法 及其实现做文字描述。必要时给出图形、逻辑或数学描述。 ③输出：必须确定与功能有关的所有输出信息，包括信息的传递方式、意 义、格式、数量、输出范围。必须说明优先顺序和输出形式（显示和打印等）。 ④特殊要求：必须确定系统是否有特殊要求。 （ｂ）系统的性能要求 除满足用户的功能要求外，系统的性能要求也很重要。如果新系统不能提 高用户的工作效率，提供良好和简洁的工作界面，甚至还不如原理的系统、那 么用户将无法接受。 系统的性能要求通常包括：响应时间、处理容量、存储容量、精度要求、

人一机交互的友好性、系统的安全性、可靠性以及容错能力等。
（ｃ）分析新系统的数据要求 分析新系统数据要求的目的是：准确地描述系统所要处理的数据元素组成， 这有利于全系统的数据一致性，以便进行系统的详细设计。 新系统的数据包括向系统输入的数据和用户需要输出的数据。当系统细化

到分系统、子系统及模块时，就可确定外部输入系统的数据及系统向外输出的
数据。

矿井通风系统分析与优化研究

５．１．２软件系统设计开发原则 （１）实用、操作简单是系统设计开发的首要原则。实用性主要出系统的功 能柬体现，而易于使用是当前所有软件的必然要求。 （２）采用模块化结构和面向对象技术相结合的设计方法是系统设计开发的 第二个原则。利用模块化结构可以将系统分为若干个子块，易于实现功能的拓 展； 而面向对象技术是软件开发和软件工程的发震趋势，可提高编程的效率和 （３）界面清晰、友好，有较好的观赏性是该系统设计的第三个原则。在 Ｗｉｎｄｏｗｓ等以图形化为界面的操作系统下，一个优秀的软件不仅要有良好的功 能，也需提供友好的用户界面，以此来方便用户的使用、软件的推广及标准化。 所以在设计开发时必须注意这一点，可采用可视化控件、显示与计算等方法提 离系统的整体性能。 ５．２软件系统的总体设计 ５．２．１软件系统开发工具 本文的软件开发中，采用Ｖｉｓｕａｌ 和可视化的程序设计语言。Ｖｉｓｕａｌ 开发工具。Ｖｉｓｕｍ
Ｂａｓｉｃ Ｂａｓｉ ｃ

规范性。

６．０为程序设计语言，它是基于Ｂａｓｉ

ｃ

Ｂａｓｉｃ

６．ｏＲ§ｆｉｃｒｏｓｏｆｔ公司推出的可视化

６．ｏＨ一方面继承了其先辈Ｂａｓｉｃ所具有的程序设计语

言简单易用的特点，另一方面在其编程系统中采用了面向对象、事件驱动的编
程机制，用一种巧妙的方法把Ｗｉｎｄｏｗｓ的编程复杂性封装起来，提供了一种所见 即所得的可视化程序设计方法。另外，ＶＢ支持动态数据交换对象的链接与嵌入 等新型的编程技术。
５

２．２软件系统主要功能模块 根据软件工程理论的相关原理，将ＭＶＳＡ０软件划分为数据管理、网络图维

护、网络解算、系统分析及决策支持五大功能模块。软件系统的功能模块结构 如图５—２所示。 １）数据管理模块 包括新建数据库、打开数据库、录入维护、数据检查和数据导出等基本功 能。其中，新建数据库是软件能自动生成一个空的数据库，数据检查的功能是 自动查找网络基础数据中常见的数据错误，数据导出的功能是将网络基础数据 库、两络解算结果数据按照规定的格式导出至ｉｉｒｏｒｄ或Ｅｘｃｅｌ，以便形成文件。 ２）网络解算模块

包括独立回路选择、自然分风解算、按需分风解算和虚拟风机解算。其中，虚
拟风机解算是没有风机参与的通风网络解算。由于该内容不是本论文的重点，

３７

矿井通风系统分析与优化研究

这里不做详细论述。

图５—２矿井通风系统分析与优化软件功能结构图

３）网络图维护模块 包括图形打开、图形保存、边输边绘、自动绘制和导出至ＡｕｔｏＣＡＤ等功能。 其中网络图的绘制功能有边输边绘和自动绘制两种，边输边绘是在录入数据的 同时自动生成网络图，该方法是能在输入数据时自动检查网络结构的连通性。 自动绘制是有了数据库后自动生成通风网络图，对于该功能，安徽理工大学专 门开发了一套网络图自动生成软件。

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４）系统分析模块 包括风机工况点分析、最大阻力路线分布、角联分析、网络结构分析、特 殊分支查询等。该模块的有些功能将在下一节做重点介绍。 ５）决策支持模块 该模块包括以风定产、决策优化、风量调节和系统改造等子模块。其中以 风定产子模块主要功能是根据某矿井的吨煤需风量、相对瓦斯涌出量、绝对瓦 斯涌出量及瓦斯涌出不均匀系数等参数，计算该矿井总产量或每个系统的产量。 而本论文将要论述的是决策优选子模块，其中优选所采取的优选方法有：模糊 综合评判、模糊灰色理论和模糊神经网络等方法。后面将详细介绍该子模块功
能。

５．２．３系统界面设计 （１）矿井通风系统设计开发的使用对象是参与矿井系统分析与设计和科研 人员，他们对系统完成的工作任务有比较清楚的了解和思路，对矿井通风系统 的工作设计的工作流程比较熟悉。但是其计算机的操作水平可能会参差不齐， 因此，软件的界面设计除了遵循Ｗｉｎｄｏｗｓ程序设计规范外，还要遵循以下一些原 则： ａ、用户原则 人机界面设计首先要确立用户类型。划分类型可以从不同的角度，视实际 情况而定。确定类型后要针对其特点预测他们对不同界厩的反应。这就要从多 方面设计分析。 ｂ、一致性原则 设计应从任务、信息的表达、界面控制操作等方面与用户理解熟悉的模式 尽量保持一致。 ｃ、经济性原则 界面设计要用最少的支持用户所必须的步骤来实现一个操作，要尽量减少 用户记忆负担，采用有助于记忆的设计方案。 ｄ、帮助和提示原则 要对用户的操作命令做出反应，帮助用户处理问题。系统要设计有恢复出 错现场的能力，在系统内部处理工作要有提示，尽量把主动权让给用户。 （２）系统界面设计 本系统的总体界面如图５—３所示

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图５－３ ＭＶＳＡＯ系统主界面

５．３矿井通风系统分析子系统开发 ５．３．１通风网络角联分析模块 （１）模块功能及程序流程 矿井通风网络角联分析模块的主要功能是在给定的通风网络基础数据与风 机特性数据的条件下，通过按需分风解算后，再经过角联分析，自动识别跨越 两条通路之问的一条风流方向及其不稳定的分支。它能够分析整个通风网络， 也能分析单个通风系统，还能分析跨越不同通风系统的角联分支。其程序流程 图如图５－４所示。

一４０一

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图５—４矿井通风网络角联分析程序流程图

（２）软件界面及说明 在主界面的“系统分析”菜单下，选择“角联分析”命令，然后打开角联 分析数据库，选择数据表之后，程序将弹出如下图５—５所示角联分析界面。

—?４１—－

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图５－５通风系统角联分析子系统主界面

进入角联分析界面后，选择角联分析类型下拉列表框，这里有“整个网络

角联分析”，“单个系统角联分析”，“跨不同系统角联分析”三个选择项，如果
选择的是“跨不同系统角联分析”，还必须选择所要分析的通风系统，然后点击 “分析”命令按钮进行角联分析，分析结果可以导出至Ｅｘｃｅｌ。分析时间随着网 络复杂程度不同而不同，对于１００条以内的分支，分析时间大约１～２分钟；而 对于３００条左右的复杂网络，分析时间大约３～４分钟；而对于分支数超过３００ 条的通风网络，分析时间会更长。 ５．３．２阻力分布合理性分析模块 （１）模块功能及程序流程 阻力分布合理性分析模块的主要功能是找出各通风系统的通风阻力最困难 的一条路线来，并绘出这条路线上的巷道长度与阻力分布之间的关系趋势图， 同时，计算进风、用风及回风三段的阻力分布值，并用饼图表示它们三者之间 的比例关系。 矿井通风阻力分布合理性分析的程序流程图如图５－６所示。

一４２—

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图５－６

阻力分布合理性分析的程序流程

（２）软件界面及说明 在主界面的“系统分析”菜单下，选择“最大阻力路线分布”命令，程序将 弹出如下图５—７所示最大阻力路线查询界面。 进入最大阻力路线分布界面后，点击“连接数据库”，选择所需要的网络 数据库，然后选择网络基础数据表、风机特性数据表及解算结果数据表进行按 需分风解算。接着选择“通风网络系统信息”，进行最大阻力路线查询计算。

４３—

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图５—７最大阻力路线分布子系统主界面

５．３．３通风网络结构分析模块 （１）模块功能及程序流程 网络结构合理性分析模块的主要功能是计算网络结构合理性系数，分析通 风网络人工增阻的情况，并分析系统受相邻系统影响较严重程度。 矿井通风网络结构合理性分析的程序流程图如图５—８所示。

囱
Ｉ
图５－８网络合理性系数求解框图

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（２）软件分析结果界面，如图５—９所示。

图５－９

网络结构合理性分析结果界面

５．４矿井通风系统优化子系统开发 ５．４．｛模块功能简介及程序流程 本模块是采用基于知识的程序设计方法建立起来的推理机制，它能象领域 专家那样，应用多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，控制 并执行对问题的求解。推理机制在求解问题过程中，能使用知识库中的知识按 ～定的推理方法的控制策略进行推理，通过推理对所研究领域的问题作出智能 决策。 （１）权值的模糊推理过程 程序设计中系统采用了文字提示。以入机对话方式进行专家判别经验的知 识获取，然后，通过知识库的规则判断建立不同决策指标的二元对比优属标度 计算矩阵。在建立了二元对比优属度计算矩阵后，系统还具有对所获取知识是 否合理，即是否满足一致性要求的检验功能，若一致，给出输入正确向下进行 的提示，否刚指出一致对比不满足的条件，并提请重新调整。在获得优属度对

比矩阵之后，系统内的推理机制马上运行，选择以初始优属度最大值为对比对
象，利用领域专家经验进行其它影响因素的优属度推求。这就是权值模糊推理 整个过程，它的推理工作过程框图如图５—１０所示。

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图５．１０权值模糊推理工作过程框图

（２）半结构化的模糊特指标征值的定量化 该系统具有友好简洁极易操作的人机交互界面。作为半结构系统，其数据 库中定量指标数据可直接输入；对于定性指标数据，可以通过推理机制，得出

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其相对优属度，其推理过程类似于权值的模糊推理求解过程。 （３）评判优选计算 该评判优选计算是依据第三章模糊优选决策理论的基本原理，结合矿井通 风系统优化评判的特点和步骤，编写了矿井通风决策优选分析程序。该程序评 判计算流程图如图５－１１所示。

图５－１ １矿井通风系统决策优选计算流程图

５，４．２软件界面及说明 进入ＭＶＳＡＯ系统主界面，在“决策支持”菜单下，选择“决策优选”命令 进入５一１２所示的决策优选界面。

一４７

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图５－１２矿井通风系统决策优选分析子系统主界

在该矿井通风系统决策优选分析主界面里，可以对指标进行编辑，也可以 增加、删除方案。在拟定方案和建立指标特征值之后，程序将以人机对话方式 进行元知识（专家判别经验的知识）获取，然后，以产生规则建立知识库，通 过知识库规则判断建立不同指标二元对比优属标度计算矩阵。其人机对话式元 知识获取界面参见图５—１３所示。

图５一１３指标二元对比元知识输入界面

在推求得各指标的权值以及指标特征值定量化后，然后可以选择评判方法 进行评判计算，其计算结果将用二维直方图表示出来。

４８—

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５．５软件的使用环境与测试
５ ５

１软件的使用环境 由于该软件作为中小型企业或个人使用，对系统的运行环境及硬件要求不

高，对于主频４００Ｍ以上、内存６４Ｍ的档次的微机均符合要求。而Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、
Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ及Ｗｉｎｄｏｗｓ ５ ５

ＮＴ操作系统均适合。

２软件的测试 软件的系统需求分析、软件设计、软件编码、软件测试以及软件的安装与

维护是几个重要的软件开发周期。而软件测试是软件开发周期中一个非常重要 的环节，在软件测试分析中要尽量遵循“循环系统的理论”，即重复的检测每个 单元的正确性然后给出一个确定的单元测试结果；成功则进行下一个，不成功 修改后重新测试，其过程如图５—１４所示。

修改 图５—１４软件测试循环图

软件的测试采用递增式演进测试模型。在开发的过程中，会有经常的单元 测试，因此要对每一个功能单元进行严密的测试，以期望能达到功能测试中尽 量没有错误；在软件基本完成后，最后进行了整体的测试，即针对每一个功能 或目标从软件的熬体上进行测试，这一个阶段分为静态的整体测试和动态的整 体测试。而且，也进行了模拟的用户测试。 该矿井通风系统分析与优化软件是在程序编写过程中，根据系统的不同功 能，对每个子系统进行调试，调试通过后，再对整个系统进行反复调试通过。

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６应用实例
６．１平顶山八矿矿井概况 平顶山煤业有限责任公司八矿，位于河南省平顶山市最东部，西距市中心 １】公罩，该矿１９８１年２月１３日投产，矿井设计生产能力为３００万吨／年。 由于井田地质条件复杂，矿井采用立井、多水平、暗斜井，上下山开拓方 式。矿井分两个水平开采，一水平标高一４３０ｍ；二水平标高一６５０ｍ。 矿井为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井；煤层具有自然发火危险性，自燃发火

期４—６个月：煤尘有爆炸危险性，地温梯度较大，井在－－４３０ｍ水平地温为２８～
３３℃，一水平以下，地温梯度为３．４～４．９℃／１００ｍ，预计最高可达４５℃。

井下共有五个采区，分别为丁一、戊一采区、已三扩大采区、已二采区、
戊二四采区。有七个采煤工作面和一个备采面。矿井原煤采用分采分运。 目前，矿井采取中央并列式通风方式，副井、新副并和主井进风，西。、 西二、丁一和东风井回风，共有８对风机，正常有４台风机运行。 该矿井计划从２００６年开始由一水平向二水平过渡，二水平于２０１０年左右 投产。过渡时期仍维持４个通风系统，除丁一风井更换风机外，其余３个系统 维持现状。 随着采掘深度的加大，通风网络路线加长，以及一些回风巷道的失修，矿 井的通风阻力逐步加大，通风较困难，而且瓦斯、地温、冲击地压、自然发火 等诸多不利因素有加重的趋势。为了满足深部二水平开采的需风要求，保障矿 井生产作业安全，减轻或解决深部开采存在的问题，必须对全矿井通风系统进

行分析，然后提出后期的改造优化方案，并选择最优方案。
６．２平顶山八矿通风系统分析 （１）通风系统角联风路分析 将平顶山八矿通风网络基础数据输人ＭＶＳＡＯ软件运行后，得到该矿现状通风 系统分析的数据，整理后得各角联风路及非角联风路，为了节省篇幅，这里仅 列出部分数据，如表６一ｌ所示。

一５０一

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表６－１ 分支号
１ ２ ３ ４ ５ ６
７

平项山八矿通风系统角联风路分析表 巷道名称 副井 主井 新副井 已三大巷 已一大巷 中央火药库 中央变电所 ＿ｒ一进风巷 西翼空车线 西翼重车线 放煤站绕道 己三放煤站绕道 放煤站绕道 扩大皮带Ｆ山 己三高强进风 角联分支 否 否 否 否
否 否 否

始节点
１ １
１

末节点
２ ２ ５５ ３ ４３ ４９ ４９ ５７ ７９ ７９ ４ ２２ ５ ６ ２４

巷道类型 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 一般分支 用风地点 用风地点 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

风流方向 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边切眼 １１０３１边切眼 东风井外部漏风 ＿ｒ一风井外部漏风 西一风井外部漏风 西二风井外部漏风 东风机 丁一风机 硝一风机 西二风机 丁一上部运输平巷 已三扩大运输巷外 １２０５２回风道联巷 戊四东西石门联巷

是
否 否

一般分支 一般分支 用风地点 用风地点 用风地点 用风地点 风机分支 风机分支 风机分支 风机分支 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—

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该矿井的通风网络分支总数ｎ为３１８条，节点总数ｍ为２００个。通过计算 机程序执行后确定的角联ＪｘＬ路总数ｎ。为７７条，非角联风路总数２４ｌ条，跨越 不同通风系统的角联分支有１３条，占角联风路总数的１９．９％；而该矿井有四个 通风系统，经程序计算得各系统的角联风路数如下表６—２所示。
表６－２各系统的角联数计算表 系统名称 东风井 丁一风井 西一风井 西二风井 角联数／条
２７ １１ １７ １８

占卣分ＬＬ／％
３５．１

１４．１ ２２．１ ２３．４

从计算机处理结果来看，该矿通风系统是比较复杂的，矿井通风网络结构 的复杂度由下面公式求得：

Ｒ＝ｌｇ【ｍ×（ｎ＋ｎ，）Ｊ＿ｌｇ［２００×（３１８＋７７）］＿４．９
根据矿井通风网路的结构复杂程度Ｒ值，一般认为Ｒ≥４．３时，矿井为复杂矿 井；而该矿井的Ｒ等于４．９，因此，我们认为该矿井为复杂矿井。 通过角联风路分析，可以得出如下结论：

①该矿井是经过多次改造的矿井，角联风路所占的比例是较大的。
②该矿井共有四个通风系统，东风井系统角联数最多，风流最不稳定，丁 一‘风井系统角联数目较少，风流较为稳定；由于不同系统之间存在角联风路， 因此，四台风机之间存在相互影响。 ⑧该矿井有七个采煤工作面、一个备用工作面，因为工作面的通风要求比 较高，所以为保证通风网络的稳定性，应对工作面上的角联风路的关联分支进 行风阻调节。 ④通风系统发生变化时，角联风路将要随之变化。布置不得当的一条巷道， 甚至是很短的一条联络巷都有可能将一个采区变成角联采区。 ⑤通过对矿井通风网络结构的复杂度的计算，该矿井的网络结构的复杂度 Ｒ＞４．３，因此可以定义该矿井为复杂矿井。 （２）阻力分布合理性分析 应用ＭＶＳＡＯ软件分析可知，西一、西二和东风井系统阻力偏高。为了分 析系统阻力大的原因。现以西一风井系统为例，其最大阻力路线的阻力分布分 析如下：

①西一系统的最大阻力路线为：１—２—７９～８０一８１—８２—８３—８９—２２４— ２２５—９４—１５ｌ—１５７—９７—１１８—９８—１９３，该系统起点至终点的总阻力为：

５２

笙苎望垦墨丝坌堑量垡些堑茎
３３３６Ｐａ；该阻力路线为经过１２０５２工作面的通路，在这条路线上西翼空车线、 空重车线、１２０５２采面风巷、戊二西石门、戊二西石门通井底的通风阻力都超过 ｌＯＯＰａ，因此，要降低该系统的通风总阻力，必须降低这些高阻分支，其阻力分 布如表６－３所示。
表６ ３西一风井系统阻力分布表
风阻 风量
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

始点
１ ２ ７９ ８０ ８１ ８２ ８３ ８９ ２２４ ２２５ ９４ １５１ １５７ ９７ １１ ８ ９８ １９３

末点

巷道名称
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

西翼空车线 空重车线
己二石门 己二石门

轨道Ｆ山车场 轨道上山 １２０５２采面机巷 １２０５２采面 １２０５２采面风巷
边切眼 己二回风上山 戊二西石门 戊二西石门

６６５ ２２ １２３ ７７ ２５３ ６４０ １５ １

戊二西石门通井底 西一风井 髑一风机

②该系统进风段、用风段及回风段的阻力损失分布如表６＿４所示。
表６－４西一风井系统各区段的阻力分布表
区段

阻力损失／Ｐａ
１５２３ ６８２ １１３１ ３３３６

占百分比／％ ４５．７ ２０．４ ３３．９ １００

进风段 用风段 回风段 合计

根据表６－４绘出西一风井系统各区段的阻力分布的饼图，如图６－１所示，由

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该图可以看出，该系统的进风系统阻力偏大，应设法降低进风系统阻力。

３４

２０％

图６ ｌ两‘风机系统各阻力段阻力分布

（３）网络结构合理性分析 网络结构合理性系数是由自然分风的压力与按需分风的压力比值确定。表 示人工增阻程度。正常值在ｌ以下。对于多风井系统，有可能比值大于１。这表 明，该系统受相邻系统影响较严重。根据系统模拟，各个系统自然分风与实际 分风的压力及网络结构合理性系数如表６—５所示。
表６－５网络结构合理性系数表 系统名称 东风机 ｒ一风机 西一风机 西二风机 自然分风风压／Ｐａ
３０７９ １６９８ ３３３２ ２７０９

按需分风风压／Ｐａ
３０９７ １６８６ ３３３６ ２９５０

网络结构系数
０．９９４２ １ ００７１ ０．９９８８ ０．９１ ８３

通风系统网络分析和结构分析表明，八矿的通风系统除丁一系统受相邻系 统影响较大外，其余三个系统的网络结构较合理。 ６．３模糊优选神经网络的应用 ６．３．１二水平通风系统方案的拟定 根据二水平的开拓布局和需要解决的问题，逐步拟定了６个方案，通过逐 步的技术比较，有２个方案存在缺点： （１）方案５是在西二采区北部边界打进风井。该方案的缺点是，此方案井 口位置山高，井深，施工难度大，压煤多（初步计算１６６０万吨）；如采用此方 案，二水平新副井似有多余，有重复建井之缺点；另外，西二风井的风机能力 不能满足通风要求，必须更换风机。

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（２）方案６是在二采区深部打回风井，该方案不仅存在井口地处高山、井 深、施工难度大、压煤多的缺点，更为重要的是在采区回风下行，可靠性和安 全性差，技术上不合理。 通过分析比较，这两种方案在安全、经济上存在很大的不合理性，由单一 否决性指标将这两种方案给予否定，从而保留了前四种方案，如表６—６所示， 各方案的经过初步分析的优缺点如表６—７所示。由于这四种方案各有优缺点， 需要进一步从技术、经济和安全三个角度对它们进行科学的论证比较。
表６－６平顶山八矿二水平通风系统改造方案 方案 方案的前提条件与内容 ①北风井系统担负西＿二采区通风；②丁一风
ｌ

主要工程量 新打北回风井，井巷工程ｌｌＯＯｍ左

井担负ｒ一采区通风；③原西二回风井改为 进风井 ①北风井系统担负匹二采区通风；②Ｊ～风 右，Ｄ＝６ｍ

２

井担负Ｊ‘一采暖通风；③同时有Ｊ＿一、戊一 和已一三个采区生产 ①丁一风井担负丁一采区通风；②北风井担

丁一采区向北延伸１０００ｍ

３

负戊二采区通风；③原两二风井担负已二采 区通风 ①北风井系统担负西二采区通风；②丁一风

丁一采区向北延伸１０００ｍ

①在ｒ一与已一采区之间打暗立 井ｌＯＯｍ；②东风井回风系统要维 修２２００ｍ巷道，时间长达２０余年

４

井担负戊一、已一采区通风；⑨东风井担负 ｒ一采区通风

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表６．７平项山八矿二水平通风系统改造方案优缺点 方案 优点 ①回风路线缩短了１２００ｍ，对深部开采
１

缺点

有利；②西二：回风井该为进风井，新副 井进风量减少，进风系统阻力降低 ①丁…采区进一步延深开采，在通风方

方案Ｔ程量较大，撕＋造成一定压煤

２

面保证了矿井高产和高产稳定期延长； ②其余的优点与方案２相同

缺点同方案１

①西二风井系统阻力大，网络与风机性 西二风井得到利用，西二采区分区通
３

能不匹配，且不能满足供风要求；②风 机的工况点处在驼峰区；⑧矿井风机数 增加，管理较复杂、经济效果较差

风，调节程度变得容易

①东风井得到利用，实现部分采区的分
４

①东风井系统风量不能满足要求；②矿 井风机数增加，管理较复杂：⑧北风井 系统，缺点与方案２相同

区通风，调节程度变得容易；②其余的 优点与方案２相同

６．３．２各方案指标的参数值的确立 （１）指标权重值的确定 根据第二章所确定的矿井通风系统决策优化指标以及权熏的二元对比求解 方法，现在分别求各因子在分系统内的指标权重，并将所求得的相对优属度值， 进行归一化处理，现在分别对矿井通风系统决策的一级指标和二级指标予以说
明：

１）一级指标的权重的求解 给出一级指标之间的二元对比标度矩阵，其中Ｂ。为技术先进指标，＆为经 济合理指标，Ｂ。为安全可靠指标。
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）

根据矩阵Ｆ按推论２—２得到３项一级指标的重要性排序依次为Ｂ｛、Ｂ。、Ｂ．。 运用经验知识，以排序（１）的指标Ｂ３，依次与排序序号为（２）、（３）的指标

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Ｂ２、Ｂ，比较，给出重要性程度的二元对比判断如下：Ｂ。与Ｂ２相比，Ｂ。比Ｂ：“稍稍” 重要；＆与Ｂ。相比，＆比Ｂ．“略为”重要。应用表２－１的得到３个一级指标关 于重要性的相对隶属度向量，如表６ ８所示。
表６－８一级指标相对优属度及归一化指标权重结果表 指标Ｂ。
Ｂ－

比较指标因子
Ｂ２ 卧

优越一｜生比较
ＢＪ

略为
０．６６７ ０．２７７

稍稍
Ｏ．７３９ Ｏ．３０７

同样
１ Ｏ．４１６

相对优属度 归一化指标权重

２）二级指标的权重的求解 同样，依此方法分别进行技术先进分系统、经济合理分系统和安全可靠分 系统各指标相对优属度及归一化权重计算，其结果列于表６—９、６—１０、６－１１。
表６－９技术先进分系统各因素优属度及归一化指标权重结果表 指标Ｃ，
Ｃｌ

比较指标因子
Ｃ２ Ｃｏ

优越性比较
ＣＩ

同样
１ ０．４７７

略为
０．６６７ ０３１８

明显
０．４２９ ０．２０５

相对优属度 闩一化指标权重

表６—１０经济合理分系统各因素优属度及归一化指标权重结果表 指标ｃ。
Ｃ４ Ｃ５ Ｃ８ Ｃ７

比较指标因子

优越性比较
Ｃ７

稍稍
０．７３９ ０．２５１

略为
０．６６７ ０．２２７

较为
０，５３８ Ｏ．１８３

同样
ｌ ０．３４

相对优属度 归一化指标权重 表６－１１

安全可靠分系统各因素优属度及归一化指标权重结果表 比较指标因子

指标Ｃ，’
Ｃ日 Ｃ９ Ｃ１０ Ｃ
Ｌｌ

优越性比较
Ｃｌｌ

较为
０．５３８ Ｏ １９３

明显
０．４２９ ０．１５４

稍稍
０．８１８ ０．２９４

同样
１ ０．３５９

相对优属度 归一化指标权重

３）将全系统的一级指标权重、二级指标权重进行统计，汇成相对优属度指

一５７

矿井通风系统分析与优化研究

标权重统计表，并计算系统所有指标的总排序，如表６—１２。
表６一１２ 一级指标 技术先进
０ ２７７
Ｂｌ

将全系统的各指标权重、总排序汇总表 权重 …级指标
Ｃｌ Ｃ２ Ｃ３ Ｃｄ

权重
０．４７７ Ｏ．３１８ ０．２０５ ０．２５ｌ ０．２２７ Ｏ．１８３ Ｏ．３４ ０．１９３ ０．１５４ ０．２９４ ０．３５９

总排序
Ｏ．１３２ｌ ０．０８８１ ０．０５６８ ０ ０７７１ ０．０６９７ ０．０５６２ ０１０４４ ０．０８０３ ０ ０６４１ Ｏ．１２２３ ０．１４９３

经济台理
０．３０７ Ｂ，

Ｃ５ Ｃ６ Ｃ， Ｃ８

安全可靠
０ ４１６ Ｂ，

Ｃ９ ＣＩＯ Ｃ１１

（２）各方案指标特征值的确定 根据平顶山八矿通风系统的实际情况，以及确立的１１个指标及通过模糊二 元对比计算得到的各指标的相对重要系数（权值）。并由矿井通风网络解算、图 表计算及专家评定，结合平顶山八矿通风阻力的测定结果，得出各方案指标的 属性值，见表６—１３。
表６—１３各方案主要评判指标属性值 一级 权重 指标 矿井风压 技术
０．２７７ ０．４７７ Ｏ ３１８ ０．２０５ Ｏ．２５１ ０．２２７ ０．１８３ ０．３４ ０．１９３ Ｏ．１５４ ０．２９４ ０．３５９

二级指标

权重 方案１
２９３７ １ ０１３７ ０ ８４９ １ ５２１．２３ ３４３．５ ０ ０．２７

各方案的指标特征值 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

先进 结构合理性 井巷工程费（万元） 经济
０．３０７

风量供需比

设备购置费（万元） 巷道维护费（万元） 吨煤通风电费（元／吨） 用风地点角联数

合理

１０ ０．０４０５

ｌｌ ０．０４６

ｌｌ ０．０，５２６

１１ ０．０４４２

安全 可靠

风速超限状况
０．４１６

风机运转稳定性 矿井抗灾能力

较稳定 一般

稳定 好

差 较好

一般 好

一５８

矿井通风系统分析与优化研究

６．３

３模糊优选神经网络的优选过程 （１）、模型结构 模糊优选神经网络由输入层、隐含层、输出层组成。其中隐含层包括技术

先进、经济合理及安全可靠三部分。输出层仅一个节点，即优属度。输入层由 １１个节点参数组成，技术先进的输入参数为矿井风压、风量供需比、结构合理 性；经济合理的输入参数为井巷工程费、设备购置费、巷道维护费、吨煤通风 电费；安全可靠的输入参数为用风地点角联数、风速超限状况、风机运转稳定 性和矿井抗灾能力。系统的模型结构如图６—２所示。

图６－２模糊优选神经网络模型结构图

（２）、模型参数 ａ、输入值 对风机运转稳定性和矿井抗灾能力２项定性目标，根据两极比例方法将其 定量化，得到定性目标相对优属度，并将它们和其它的定量目标列于表６—１４。 其中，目标ｃ：、ｃ。、ｃ。Ｃ。。为越大越优型，即效益型，目标ｃ。、ｃ。、ｃ。、ｃ。、 ｃｉ、ｃ。、ｃ。为越小越优，即成本型。根据公式３—２、３～３计算目标相对优属度，因 此在理论上可以将定量目标与定性目标的相对优属度合并组成半结构性目标相 对优属度矩阵。其系统输入值如下：

５９—

矿井通风系统分析与优化研究

表６一１４输入层定量化指标特征值表 输入层指标
Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３ Ｃ４ Ｃ５ Ｃ６ Ｃ７ Ｃｓ Ｃ９ Ｃｌｏ Ｃ１１

属性 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

各方案的定量化指标特征值 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

技术分系统所属指标因子为ｃ。～ｃ。，相对优属度矩阵为
１ ０．８６８ ０ １ ０ １ ０．６４４ ０．２６９ ｏ．０７９ ０．４９７

％术＝１

０．０９ ０

ｌ

经济分系统所属指标因子为Ｃ。～Ｃ，，相对优属度矩阵为
０ Ｏ．５８ Ｂ经济＝ １ Ｏ．８６ ０．４３ｌ １ １ ｌ ０．３９７ ０ ０．７４５ ０ １ ０．６２２ ０ ０．７１４

安全分系统所属指标因子为ｃ。～ｃ“，相对优属度矩阵为
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

矿井通风系统分析与优化研究

ｂ、输入层指标权值 由二元对比求解的各子系统指标的初始权向量分别为 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）、隐含层的输出

对于模糊优选神经网络模型，隐含层的输出可以根据式３—１０，经计算得出
隐含层的输出指标如下表６—１５所示。
表６—１５隐含层的输出指标特征值表 隐含层指标
Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３

权值 方案１
Ｏ，２７７ ０．３０７ ０．４１６ ０．５１２６ ０．７０１７ ０．６３２６

隐含层的输出指标特征值 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）、计算输出值 根据上述计算得到的隐含层的输出指标特征值和输出层的连接权重，利用 模糊优选神经网络理论的公式３—１１，得到四个方案的优属度向量为 Ｌｌ＝（ｕ。，ｕ：，ｕ。，ｕ４）＝（Ｏ．８２９，１，０．０２３４，０．６２） 因此，通过模糊神经网络的计算可以得到，四种方案的优劣顺序为：方案２， 方案１，方案４，方案３。而方案２为最优方案，这与专家实际所选择的最佳方 案一致。 ６．３．４模糊神经网络与模糊综合评判法的计算结果分析比较 同样，应用模糊综合评判模型对以上各方案进行优选评判，得出各方案的 相对隶属度，并与模糊优选神经网络模型的评判结果列于表６—１６。
表６—１６各评判方法的优选结果对比 评判方法 方案１ 模糊神经网络 模糊综合评判
０．８２９ ０．６６５８

计算结果 方案２
ｌ ｌ

方案３
０．０２３４ ０．１５０４

方案４
０．６２ ０．６２０３

两种方法计算结果的对比如图６—３所示，通过比较发现，模糊综合评判计 算的相对优属度差异没有模糊神经网络计算的相对优属度差异大，尤其是由模 糊综合评判计算的结果中，方案ｌ与方案４之间的相对优属度差异仅仅有０．０４５５

６ｌ

矿井通风系统分析与优化研究

这给决策工作造成了困难。而模糊神经网络与模糊综合评判的计算结果尽管排 序相同，而且最佳方案都是方案２，但其计算结果更具有离散性，即各方案之 间的差异程度更为星著，从而减少了因计算误差导致优等方案遭淘汰的可能性． 也使得决策工作更为顺利。

墨模糊神经网络
曰模糊综合评判

方案１

冀蓁
方案２

堋圈
方案３ 方案４

图６—３两种评判结果对照

矿井通风系统分析与优化研究

７结论与展望
７．１结论 本论文在对己有研究成果归纳总结基础上，将非结构决策模糊集分析单元 系统理论、模糊优选神经网络模型、矿井通风系统工程理论以及计算机技术交 叉结合，应用到矿井通风系统分析和优化研究之中。并在此基础上，研制开发 了具有综合性、通用性较强的矿井通风系统分析与优化软件，并以河南平顶山 八矿为实验对象，来验证软件的实用性和正确性。其主要研究结论如下： （１）系统地建立了矿井通风系统优化评判指标，从综合分析来看，采取按 技术先进、经济合理、安全可靠三个方面划分系统，选择了１１个对矿井通风系 统方案优选影响较大的因子，作为方案优选的依据。在确定方案集时，采取关 键影响因子一票否决的方法，该方法在确定比较方案集是非常必要的，它可以 减少方案优选的工作量。 （２）首次将非结构决策模糊集分析单元系统理论引入到矿井通风系统评判 指标权重的求解和指标特征值的定量化中，实验证明，该方法是可行的，所得 结论是可靠的；同时，本文应用该理论编制了采用人机对话界面输入元知识的 模糊推理系统。 （３）将模糊优选神经网络理论应用到多目标多层次的决策中，使其显示出 强大的生命力，而本论文应用该模型对平顶山八矿二水平通风系统方案进行＿『 尝试性的优选，其中，应用模糊神经网络得出各方案的相对隶属度的最大、最 小值相差０．９７６６，而应用模糊综合评判得出各方案的相对隶属度的最大、最小值 相差０．８４９６，尤其是方案１与方案４所计算的相对优属度的差异却只有０．０４５５， 这充分说明了模糊神经网络评判结果比模糊综合评判的结果更具有离散性。 （４）以矿井通风安全理论为基础，通过对矿井通风系统进行研究，从而建 立起矿井通风系统稳定性、通风网络结构合理性、阻力分布合理性、主通风机 稳定性分析数学模型，从而达到实现矿井通风系统分析的目的，为矿井通风系 统分析或优化研究与开发提供了理论依据。 （５）系统地应用了矿井通风系统分析和优化的理论模型和方法，有效地研 制开发了功能强大、界面设计美观、易于操作、实用性较强的矿井通风系统分 析与优化软件（简称ＭＶＳＡ０软件）。通过在平顶山八矿生产实际中的应用，证明 此编程思路是正确的，该软件是实用、高效的，具有非常明显的实用价值。
７

２展望 将计算机技术、模糊优选神经网络模型应用于矿井通风系统稳定性分析和

决策优化领域尚属初步阶段，达到直接应用于生产实际成果尚不多见。作为矿

６３

矿井通风系统分析与优化研究

井通风系统分析与决策优化软件的开发，设计内容广泛，需要研究的问题还很 多。而本研究与开发成果受时间和任务量的限制，在许多方面还不完善，本人 认为对如下问题有必要进…步的深入研究。 （１）在矿井通风系统决策优化子系统中，应完善权值的模糊推理求解和指 标特征值的定量化过程。 （２）对人的经验知识若能够较为准确地分析出关于相对优属度判断与语气 算子的关系，将会促进模糊决策理论的进一步发展。 （３）若能够将模糊优选决策集成为专家决策系统，使之具有友好的人机对 话界面，将会促进其在矿井通风系统优化中的应用。 （４）矿井通风网络分支的风阻变化规律及这种变化对于其它分支的风量的 大小和方向影响的定量分析有待研究。

６４～

矿井通风系统分析与优化研究

致谢
本论文是在我尊敬的导师张国枢教授悉心指导下完成的。在课题的选择、 研究工作的进行、以及论文的写作过程中，无不浸透着导师的心血。导师渊搏 的学识，严谨的治学作风，以及诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象，并成 为我以后工作及学习上的楷模。正是导师对我在学习、工作和生活等各方面的 精心指导和帮助，使课题的确定和论文的撰写得以顺利完成。在此之际，谨向 导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 同时，在本论文的撰写过程中，得到了刘泽功教授、戴广龙教授、石必明 教授、何启林教授、王佰顺副教授、吕品副教授以及其他老师的鼎力帮助，他 们在一些具体问题上给了我许多有益的建议。在此表示衷心感谢。 感谢河南平顶山八矿的领导、通风科的技术人员，提供了本文所需的大部

分基础数据和相关资料，正是因为他们不懈的努力与工作，才使得本课题得以
顺利完成。

感谢我的研究生同学束永保、唐明云、蔡峰、叶振兴、汪巍等，另外，还
有我的师兄秦汝祥、师弟杨应迪在我论文研究期间对我的帮助和支持。在此我 谨向所有曾经帮助与关心我的同学与朋芨说一声“谢谢”。 感谢我的父母、兄弟，感谢他们在我求学期阔对我的理解和支持。

最后，我要感谢在百忙中抽出时间悉心评阅本论文的各位专家教授。

作者：邱进伟 ２００５年６月

一６５一

矿井通风系统分析与优化研究

主要参考文献
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—６６—

矿爿：通风系统分析与优化研究

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Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，１９８２
ａ

ａｎｄ Ｒｉｃｈｈａｎｄ Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔ１１ｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ
ｏｓ

Ｍｉｎｅ

Ｆｉｒｅ ｂｙ ＣｏｍｐｕｔｅｒＰｒｅｃｅｅｄｉｎｇ

ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｎｔｅｒｅｎｃｅ．Ｏｎ Ｕｓｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎ

ｔｈｅ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１ ９８３

［４６】Ｇｒｅｕｅｒ，Ｒ。Ｅ。Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ
Ｐｒｏｄｕｃｔｓ

Ｐｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｏｆ

ｔｈｅ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｏｆ

Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ

ｉｎ ｔｈｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ

ｏｆ Ｍｉｎｅｓ，ＵＳ

ＢｕＭｉｎｅｓ－ＯＦＲ一２２８２，Ｐ—Ｂ８２—１８３１０４，１９８２

［４７】Ｒ，Ｅ．Ｂｅｌｌｌｌｍａｎ

ａｎｄ

Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ，Ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ

ｉｎ

ａ

ｆｕｚｚｙ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，

Ｍａｇｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｉ．１７（１９７０）Ｂ一１４１—１６３

［４８］Ｊ．Ｍａ，Ｚ．Ｐ．Ｆａｎ

ａｎｄ

Ｌ．Ｈ．Ｈｕａｎｇ．Ａ ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ

ｔｏ

ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｗｅｉｇｈｔｓ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊ．ｏｐｅｒ．Ｒｅｓ．１

１２（１９９９）３９７—４０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｔ

【４９］Ｗｈｉｔｅ ［５０］Ｘｕ

Ｃ Ｃ．Ａ Ｓｕｒｖｅｙ

ｏｎ

ｔｈｅ Ｉｎｉｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ
ｏｎ

Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

ＳＭＣ，１９９０，２０（２）：３５８－３６４
Ｆｕｚｚｙ

Ｒ Ｎ ａｎｄ Ｚｈａｉ ｘ Ｙ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｎａｌｙｔｉｃ Ｈｉｅｒａｒｅｈｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ

Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ．Ｆｕｚｚｙ Ｓｅｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９２（３）：２５１—２５８

６７



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