周英烈

基于時(shí)間序列法的礦井空氣品質(zhì)預(yù)測及仿真

周英烈

(飛翼股份有限公司，湖南 長砂 410600)

井下空氣品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到作業(yè)人員的生命安全，而掌握井下空氣品質(zhì)動態(tài)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地求解出礦山井下各個(gè)時(shí)刻礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)的動態(tài)變化。因此，以煤礦井為例，選擇5種非煤礦山井下危害較大的有毒有害物質(zhì)濃度標(biāo)度指數(shù)作為礦井空氣品質(zhì)評價(jià)因子，建立了基于時(shí)間序列法的礦井空氣品質(zhì)預(yù)測模型。結(jié)合礦山井下空氣品質(zhì)未來動態(tài)變化資料進(jìn)行了Simulink仿真預(yù)測分析。結(jié)果表明，時(shí)間序列法礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)實(shí)際值與預(yù)測值的誤差在?0.06~0.05之間，滿足精度要求。

礦井空氣品質(zhì);時(shí)間序列法;預(yù)測;Simulink仿真

為了礦山井下作業(yè)人員獲得適宜的工作環(huán)境，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的，礦井需要進(jìn)行通風(fēng)，將地表新鮮空氣輸送至井下，并排出受污染空氣。因此，有必要隨時(shí)掌握井下空氣品質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)變化，以指導(dǎo)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)科學(xué)合理地運(yùn)行。近年來，非煤礦山礦產(chǎn)資源被不斷開發(fā)，礦山安全事故也隨之急劇上升。礦山安全生產(chǎn)也越來越引起了國家的重視，國家相關(guān)部門加強(qiáng)了對礦山日常生產(chǎn)過程的安全監(jiān)管，礦井空氣品質(zhì)的研究引起了廣大專家學(xué)者的關(guān)注。其中采用廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法進(jìn)行的礦井空氣品質(zhì)綜合標(biāo)度指數(shù)評價(jià)體系研究較為成熟[1-2]。

本文選擇非煤礦山井下對人體危害較大的5種有毒有害物質(zhì)（CO、NO2、H2S、SO2及粉塵）濃度指數(shù)作為依據(jù)，應(yīng)用時(shí)間序列預(yù)測法的相關(guān)理論，建立非煤礦山井下空氣品質(zhì)預(yù)測模型，并對模型進(jìn)行Simulink模擬仿真，以隨時(shí)掌握礦山井下空氣品質(zhì)的動態(tài)變化，從而為井下主、輔扇風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)控以及通風(fēng)系統(tǒng)的自動控制提供參考。

1 金屬礦山井下空氣品綜合指數(shù)研究

礦山日常生產(chǎn)作業(yè)以及柴油設(shè)備的運(yùn)行都會產(chǎn)生各種污染井下風(fēng)流的有毒有害物質(zhì)，嚴(yán)重威脅從業(yè)人員的身體健康，因此及時(shí)掌握井下空氣品質(zhì)的動態(tài)變化，對指導(dǎo)井下風(fēng)機(jī)的高效調(diào)節(jié)，改善井下作業(yè)環(huán)境意義重大。

依據(jù)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值（GBZ2.1—2007）》的規(guī)定，非煤礦山井下作業(yè)區(qū)主要有毒有害物質(zhì)濃度的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 井下空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

由于危害最大最主要的有毒有害物質(zhì)對井下風(fēng)流的污染程度決定了礦山井下空氣品質(zhì)的優(yōu)劣，所以選擇礦山井下對人體危害最大的5種毒有害物質(zhì)（CO、NO2、H2S、SO2及粉塵）濃度指數(shù)作為預(yù)測依據(jù)是科學(xué)合理的。依據(jù)相關(guān)研究成果，擬采用礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)對井下空氣質(zhì)量進(jìn)行描述，并將該指數(shù)值作為預(yù)測模型歷史的數(shù)據(jù)及預(yù)測對象[4]。

2 時(shí)間序列法預(yù)測原理及數(shù)學(xué)模型建立

時(shí)間序列是研究人員針對各種現(xiàn)象或問題按照時(shí)間順序獲取的一系列具有一定規(guī)律性的觀測值，這些觀測值會依據(jù)時(shí)間呈現(xiàn)出具有周期性的變化規(guī)律。時(shí)間序列預(yù)測法的研究過程是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)方法來分析某一現(xiàn)象或問題的歷史觀測值，以揭示該現(xiàn)象或問題內(nèi)在的周期性規(guī)律，從而建立觀測數(shù)據(jù)與預(yù)測目標(biāo)值之間的對應(yīng)關(guān)系，最終對研究對象或問題的特定未來趨勢做出預(yù)測[5-6]。

由于三角函數(shù)曲線具有隨時(shí)間變化的周期性特征，另外三角函數(shù)的周期是能夠通過數(shù)列特征進(jìn)行調(diào)節(jié)的，與此同時(shí)通過若干組不同周期的三角函數(shù)曲線疊加可以得到任何具有規(guī)律性的數(shù)列曲線，因此三角函數(shù)模型能夠較為科學(xué)地做出具備時(shí)間序列特征的數(shù)值擬合與預(yù)測。應(yīng)用該模型可以較好地反映出井下礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出來的變化規(guī)律[7]。

根據(jù)金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)歷史數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的周期性規(guī)律，擬采用三角函數(shù)模型對金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，如式（1）所示。

（1）

式中，為三角函數(shù)部分的項(xiàng)數(shù)；為三角函數(shù)角頻率；i，b為三角函數(shù)幅度；1，2為體現(xiàn)預(yù)測誤差的常數(shù)；F為調(diào)整系數(shù)。

3 時(shí)間序列法預(yù)測Simulink仿真模型的建立

由式（1）可知，基于時(shí)間序列法的金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測模型由常數(shù)、三角函數(shù)、線性系數(shù)3部分組成。與之相對應(yīng)，Simulink仿真模型也可以由常數(shù)模塊、三角函數(shù)模塊、增益線性系數(shù)模塊等模塊聯(lián)合組成。模型最終的輸出結(jié)果為仿真的預(yù)測值、實(shí)際值以及預(yù)測值與實(shí)際值的誤差，最終輸出形式為可供研究的數(shù)據(jù)或者較為直觀的波形，既科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，又能直觀形象。

被指數(shù)化的非煤礦山井下有毒有害物質(zhì)樣本數(shù)據(jù)被保存于預(yù)先設(shè)定的Excel表格中，然后將這些數(shù)據(jù)保存到一個(gè)mat文件，再經(jīng)過Simulink工具組的From File模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠被模型所識別的信號。模型中，需要的三角函數(shù)可以根據(jù)礦山的實(shí)際情況選取，本文取=9。此外，由于礦山環(huán)境具有復(fù)雜多變地不確定性，對最終結(jié)果的精度要求不是很高，所以可以對模型做進(jìn)一步的簡化，取1=1、2=0，由此，可以將式（1）簡化為：

該簡化模型由10個(gè)部分組成，皆可用Simulink工具組中相應(yīng)的模塊進(jìn)行表述，最終組合為一個(gè)完整的Simulink仿真模型，如圖1所示。該模型中，三角函數(shù)功能由fcn函數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，每個(gè)函數(shù)都要輸入實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的代碼。系數(shù)由Gain模塊實(shí)現(xiàn)，常數(shù)部分則由Constant模塊實(shí)現(xiàn)[8-9]。

4 應(yīng)用實(shí)例

輸入數(shù)據(jù)來源于某礦2017年8月1日至2017年9月1日井下某一作業(yè)面一個(gè)月的空氣品質(zhì)綜合指數(shù)實(shí)際數(shù)據(jù)，作為區(qū)域小時(shí)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)樣本數(shù)據(jù)。截取8月10日-8月20日10組數(shù)據(jù)建立輸入數(shù)據(jù)mat文件，對該礦8月21日空氣品質(zhì)綜合指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，并和8月21日的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出預(yù)測值與實(shí)際值的誤差。模型中的各個(gè)系數(shù)見表2。

表2 時(shí)間序列法空氣品質(zhì)預(yù)測模型參數(shù)值

8月21日24h實(shí)際值見圖2，預(yù)測結(jié)果見圖3，預(yù)測值和實(shí)際值對比見圖4，預(yù)測誤差見圖5。

圖2 時(shí)間序列法空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測實(shí)際值

圖3 時(shí)間序列法空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測預(yù)測值

從圖5中可以看出，預(yù)測誤差在可接受范圍內(nèi)，即時(shí)間序列法可以很好地應(yīng)用于金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測的研究。

圖4 時(shí)間序列法空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測值與實(shí)際值對比

圖5時(shí)間序列法空氣品質(zhì)綜合指數(shù)預(yù)測值與實(shí)際值誤差

5 結(jié) 論

（1）選擇礦山井下對人體危害最大的5種毒有害物質(zhì)（CO、NO2、H2S、SO2及粉塵）作為礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)的表述因子是科學(xué)合理的。

（2）應(yīng)用時(shí)間序列法三角函數(shù)模型對金屬礦山井下空氣品質(zhì)綜合指數(shù)進(jìn)行預(yù)測能較好地反應(yīng)這一數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。

（3）應(yīng)用模型對實(shí)例礦山進(jìn)行Simulink仿真，實(shí)際值與預(yù)測值誤差在?0.06~0.05之間，滿足預(yù)測精度要求。

[1] 李祚泳.大氣質(zhì)量評價(jià)的廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法[J].環(huán)境工程，2000,18(6):48-50.

[2] 葉勇軍,丁德馨,李向陽,等.鈾礦井下空氣質(zhì)量的廣義對比加權(quán)綜合標(biāo)度指數(shù)評價(jià)[J].鈾礦冶,2007,16(4):197-200.

[3] 袁梅芳,李志超,李印洪,等.礦井空氣品質(zhì)綜合指數(shù)與通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013,33(1):103-105.

[4] 劉偉強(qiáng),周英烈.基于物元模型的礦井空氣品質(zhì)綜合評價(jià)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015,35(3):61-63.

[5] 郭思元,易家松.時(shí)間序列法在廈門城市供水量預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].廈門科技, 2004(6):45-47.

[6] 徐國祥.統(tǒng)計(jì)預(yù)測和決策[M].上海:上海財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社,1998.

[7] 楊志高,張寶軍.時(shí)間序列法在供水量預(yù)測模型建立中的應(yīng)用[J].徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,4(3):31-34.

[8] 張 剛.基于模糊理論的城市配水系統(tǒng)SIMULINK仿真技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

[9] 周英烈.基于模糊理論的供水施救系統(tǒng)Simulink仿真研究:[D].長沙:中南大學(xué),2013.

(2019-03-18)

周英烈(1987—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井通風(fēng)、中深孔爆破，Email: Eyl87310@163. com。