巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 軍 ，王麒翔

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

為有效保障通風(fēng)系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，了解礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況，掌握全礦井通風(fēng)阻力分布至關(guān)重要，但是現(xiàn)目前對(duì)全礦井進(jìn)行通風(fēng)阻力測(cè)定，普遍存在“測(cè)不準(zhǔn)”的問(wèn)題。各種測(cè)量方法所測(cè)量出的數(shù)據(jù)，還需要人工處理，調(diào)整誤差，方可代入礦井通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，直至模擬出整個(gè)礦井的通風(fēng)情況（風(fēng)量，風(fēng)速，阻力分布)[1-3]。在進(jìn)行通風(fēng)仿真模擬中，遇到未測(cè)巷道時(shí)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定1個(gè)摩擦阻力系數(shù)。為此，十分有必要建立一個(gè)綜合、動(dòng)態(tài)、權(quán)威、精確的摩擦阻力系數(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，以便在進(jìn)行通風(fēng)仿真模擬時(shí)能有一個(gè)依據(jù)確定一個(gè)摩擦阻力系數(shù)，精準(zhǔn)確定巷道阻力。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)來(lái)源

1）數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，選擇使用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)；Microsoft SQL Server是一個(gè)高性能的、可擴(kuò)展的、為分布式客戶機(jī)/服務(wù)器計(jì)算所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能運(yùn)行于現(xiàn)有大部分操作系統(tǒng)中，其擁有許多優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)據(jù)處理高性能，它可以充分利用系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，增加數(shù)據(jù)檢索效率，針對(duì)大數(shù)據(jù)量提供多種解決方案；②數(shù)據(jù)共享機(jī)制成熟，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，提供不同權(quán)限用戶讀取方式；③事務(wù)處理能力優(yōu)異，可保存多種數(shù)據(jù)，并保護(hù)數(shù)據(jù)完整性；④數(shù)據(jù)庫(kù)擁有自己的SQL編程語(yǔ)言，能自主編寫(xiě)存儲(chǔ)過(guò)程等，且支持對(duì)稱(chēng)多處理器結(jié)構(gòu)、ODBC；⑤良好的兼容性，提供多種API可支持C++，c#，JAVA等多種編程語(yǔ)言。瓦斯通風(fēng)阻力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)擁有大量巷道及參數(shù)基本數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)分析，Microsoft SQL Server可完全滿足數(shù)據(jù)管理需求，提供一個(gè)高性能、高規(guī)范的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

2）數(shù)據(jù)來(lái)源。瓦斯通風(fēng)阻力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于確定未知巷道摩擦阻力系數(shù)，基于大數(shù)據(jù)分析[5]，數(shù)據(jù)來(lái)源于一下方面：①礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)，根據(jù)煤礦安全規(guī)程，每年煤礦都應(yīng)進(jìn)行1次全礦井通風(fēng)阻力測(cè)定，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中；②通風(fēng)系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)，許多煤礦基于自身?xiàng)l件建設(shè)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括已知的該礦井模擬數(shù)據(jù)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中；③單位歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，許多科研單位擁有大量巷道參數(shù)數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行篩選，分析驗(yàn)證后錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范化應(yīng)遵循3個(gè)范式規(guī)則：①第一范式：1NF是對(duì)屬性的原子性約束，要求每個(gè)分量必須是不可分的數(shù)據(jù)項(xiàng)，即不能是組合的數(shù)據(jù)項(xiàng)；②第二范式：2NF是對(duì)記錄的惟一性約束，要求每條記錄需具備惟一標(biāo)識(shí)，即每個(gè)非主屬性完全依賴于主碼；③第三范式：3NF是對(duì)字段冗余性的約束，即要求數(shù)據(jù)表中字段不能是其他字段派生，要求字段沒(méi)有冗余。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)完全沒(méi)有冗余的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)會(huì)喪失靈活性，且浪費(fèi)更多的檢索資源，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)需要降低范式標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)保留冗余數(shù)據(jù)；在進(jìn)行概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)時(shí)遵守第三范式，滿足數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原則，而進(jìn)行物理數(shù)據(jù)模型[6]設(shè)計(jì)時(shí)考慮降低設(shè)計(jì)范式標(biāo)準(zhǔn)，允許數(shù)據(jù)表增加派生字段，提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的檢索效率。數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1。

3 數(shù)據(jù)比對(duì)與精確定位

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中巷道的各項(xiàng)參數(shù)影響著它的摩擦阻力：斷面，支護(hù)方式，巷道類(lèi)別，巷道壁面特征，當(dāng)前確定摩擦阻力系數(shù)，主要根據(jù)其用途，及支護(hù)形式給出建議值范圍，無(wú)法精確確定其系數(shù)；基于大數(shù)據(jù)技術(shù)[7-9]建立礦井巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，未測(cè)巷道可以根據(jù)自身情況，在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相似巷道類(lèi)型，得出建議的摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算巷道風(fēng)阻。數(shù)據(jù)具有量大、分散、可擴(kuò)展等特性，因此精確定位所需數(shù)據(jù)至關(guān)重要，需建立以下幾方面機(jī)制：①對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)新分析對(duì)比，建立數(shù)據(jù)挖掘模型，統(tǒng)計(jì)同一客觀條件下，巷道摩擦系數(shù)使用率；②建立數(shù)據(jù)可信度機(jī)制，對(duì)上傳及測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度檢測(cè)，分析比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中固有數(shù)據(jù)，對(duì)出入較大數(shù)據(jù)設(shè)置較低可信度；③建立用戶成功匹配數(shù)據(jù)回執(zhí)機(jī)制，對(duì)用戶成功使用的匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行回執(zhí)記錄，成功使用次數(shù)多，即該數(shù)據(jù)精確度高。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)及主要功能模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)以管理巷道基本信息及阻力系數(shù)影響參數(shù)為主，建立阻力系數(shù)確定的快速響應(yīng)機(jī)制，為礦井風(fēng)網(wǎng)仿真、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫(kù)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2。

主要功能模塊如下:

1）數(shù)據(jù)篩選分析模塊。由于數(shù)據(jù)源多且雜，對(duì)繁多的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存有效數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)至關(guān)重要，因此開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)篩選模塊，針對(duì)數(shù)據(jù)源提供的所有數(shù)據(jù)，逐一和數(shù)據(jù)庫(kù)中有效數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度與相異度分析，剔除差異較大、重復(fù)的數(shù)據(jù)，保留有效巷道參數(shù)數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)正確性、有效性提供有效手段。提供監(jiān)測(cè)，日常維護(hù)與災(zāi)難恢復(fù)，數(shù)據(jù)邏輯校驗(yàn)，外部用戶管理等。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)功能結(jié)構(gòu)圖

2）數(shù)據(jù)精確度檢測(cè)模塊。建立數(shù)據(jù)精確度檢測(cè)模塊，對(duì)于在數(shù)據(jù)篩選沖出現(xiàn)的重復(fù)數(shù)據(jù)，不單一地進(jìn)行刪除，可以設(shè)定精確度機(jī)制，如果該數(shù)據(jù)重復(fù)較多，則說(shuō)明該巷道摩擦阻力系數(shù)在固定條件下取該值的可行度最大，即取該值的精確度最高[10]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)推送時(shí)應(yīng)優(yōu)先推送精確度較高的數(shù)據(jù)值。

3）數(shù)據(jù)確定及使用回執(zhí)模塊。增加瓦斯數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性，是其發(fā)揮最大作用的保證，設(shè)計(jì)用戶使用回執(zhí)模塊，當(dāng)用戶在進(jìn)行巷道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真，使用數(shù)據(jù)庫(kù)推送的建議數(shù)據(jù)并成功應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)予以記錄回執(zhí)；設(shè)置數(shù)據(jù)回執(zhí)機(jī)制，記錄數(shù)據(jù)使用率，使用率高的數(shù)據(jù)即是可信度高的數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含大量巷道模擬數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可進(jìn)行深入數(shù)據(jù)挖據(jù)，分析如巷道同一基本參數(shù)條件下巷道由于某一條件，如積水的多少，對(duì)巷道摩擦阻力的影響等；為更加精確的通風(fēng)仿真模擬奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5）數(shù)據(jù)共享模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)庫(kù)用戶可通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接口，輸入預(yù)訂巷道參數(shù)即可，接口通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，返回可靠度和精確度都較高的數(shù)據(jù)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)管理技術(shù)建立礦井巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，未測(cè)巷道可以根據(jù)自身情況，在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相似巷道類(lèi)型，得出建議的摩擦阻力系數(shù)，可快速計(jì)算巷道風(fēng)阻；為快速建立通風(fēng)仿真網(wǎng)絡(luò)模型提供了高效的數(shù)據(jù)參照；數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建、巷道摩擦阻力影響因素深入研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)礦井通風(fēng)安全、風(fēng)網(wǎng)風(fēng)流研究具有重要意義。