一种瓦斯传感器的布设方法技术

本发明专利技术公开了一种瓦斯传感器的布设方法，包括以下步骤，瓦斯传感器布设模型的建立：矿井通风有向图G，矿井通风网络图变为一个有向图G＝(V，E)，其中，V＝V1+V2，V1代表通风网络图中的巷道交汇节点集，V2代表依据相关技术规范必须安装瓦斯传感器的位置虚节点集，E＝(e1，e2，…，en)代表与V关联的巷道分支集，n为巷道交汇点与虚节点的和，本发明专利技术验证了混合GA‑DBPSO算法在求解瓦斯传感器布设模型方面的可行性和有效性。

A Layout Method of Gas Sensor

The invention discloses a method for laying out gas sensors, which includes the following steps: establishing a model for laying gas sensors: mine ventilation directed graph G, mine ventilation network graph into a directed graph G= (V, E), where V=V1+V2, V1 represents the collection of laneway intersection nodes in ventilation network graph, and V2 represents the collection of laneway intersection nodes according to relevant technology. The specification must install the virtual node set of the gas sensor position, E= (e1, e2,... The invention verifies the feasibility and effectiveness of the hybrid GA DBPSO algorithm in solving the gas sensor layout model.

【技术实现步骤摘要】
一种瓦斯传感器的布设方法
本专利技术涉及瓦斯传感器的布设
，尤其涉及一种瓦斯传感器的布设方法。
技术介绍
一、瓦斯传感器布设问题特性分析据调查，一些后果严重的瓦斯爆炸事故是由于局部瓦斯超限事故超出了矿井安装的全部瓦斯传感器的监测范围，而未得到及时报警导致的。因此，为实现利用最少瓦斯传感器达到全矿井瓦斯浓度的全面监测和准确预警的效果，需要对瓦斯传感器布设进行优化改进。利用最少数量的瓦斯传感器实现全矿井的瓦斯浓度监测的瓦斯传感器布设优化问题可具体描述为：在多个可供选择的瓦斯传感器布设方案中，找到一个合适的瓦斯传感器布设方案，使得所有有瓦斯超限可能的巷道均能够被安装的瓦斯传感器监测到。依据上述布设目标可知，瓦斯传感器布设问题可归属为设施选址领域中的位置集合覆盖问题。矿井通风网络图直观地反映了井下各个巷道之间的拓扑关系，借助图论理论将矿井通风网络图变为一个有向图G＝(V，E)，其中，V代表通风网络图中的巷道交汇点集(节点集)，E代表与V关联的巷道分支集。此时，瓦斯传感器位置集合覆盖问题就转化为在有向图中的节点上选择一定数量的备选节点布设瓦斯传感器的问题，利用图论理论中邻接矩阵分析节点和节点之间是否具有连通关系，最终找到能够覆盖整个通风网络的节点集合，即为瓦斯传感器的最优布设方案。在瓦斯传感器布设时应考虑相关技术规范和标准的规定，但这些规定安装瓦斯传感器的位置并不是通风网络图中的真实节点，因此，对于瓦斯传感器布设位置在转化为有向图的节点时可做如下处理：将规定安装瓦斯传感器的位置抽象为虚节点增加到矿井的有向图中。这样就可以将瓦斯传感器布设位置问题完全转化为有向图中节点之间相互关系的问题。二、瓦斯传感器布设相关定义及假设利用图论理论能够将矿井瓦斯传感器布设问题转化为有向图中的节点位置集合覆盖问题，有向图中节点位置集合覆盖问题可以转化为0-1整数规划问题，并定义如下概念作为构建瓦斯传感器布设模型的基础：(1)最短风流时间：矿井通风系统有向图中风流流经相邻节点和所需要的最短时间。(2)节点监测时间矩阵：所有相邻节点之间的最短风流时间组成的n阶矩阵，n为节点总数。(3)瓦斯传感器最短报警时间：最短报警时间等于瓦斯异常涌出后运移到瓦斯传感器位置并达到报警浓度的时间与传感器响应时间之和。节点上的瓦斯传感器监测到节点的瓦斯的具体允许时间，当节点能在这个允许时间内做出响应，说明节点上的瓦斯传感器能够监测到节点的瓦斯浓度变化，并能实现瓦斯超限的准确预警。(4)节点有效监测矩阵：在给定一个瓦斯传感器最短报警时间的情况下，反映各节点是否能够监测到自身相邻节点的瓦斯变化情况的0-1矩阵。(5)覆盖范围集合：能够被节点处的瓦斯传感器监测到瓦斯超限的所有节点集合，若某一集合的覆盖范围是整个通风网络，那么该集合中的各节点覆盖范围集合的并集就包含整个通风网络的所有节点。定义上述基本概念后，瓦斯传感器布设模型的构建思路为：首先，以矿井通风网络图和瓦斯传感器相关规范和标准为基础，得到包含虚节点的完整矿井通风网络有向图，再借助相关算法获得节点监测时间矩阵，然后指定瓦斯传感器最短报警时间，构建节点有效监测矩阵，再将节点有效监测矩阵中的虚节点所在的列和所覆盖的行进行约简处理，获得经过简化后的节点有效监测矩阵，在此基础上确定目标函数，最终完成瓦斯传感器布设模型的建立。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种瓦斯传感器的布设方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种瓦斯传感器的布设方法，包括以下步骤，瓦斯传感器布设模型的建立：(1)矿井通风有向图G矿井通风网络图变为一个有向图G＝(V，E)，其中，V＝V1+V2，V1代表通风网络图中的巷道交汇节点集，V2代表依据相关技术规范必须安装瓦斯传感器的位置虚节点集，E＝(e1，e2，…，en)代表与V关联的巷道分支集，n为巷道交汇点与虚节点的和；(2)有向图邻接矩阵A邻接矩阵被用来描述有向图中任意两个节点是否有边相连，对于一个有向图G＝(V，E)，则邻接矩阵A可按如下方式构建：式中：V——有向图节点集合，i，j——节点的序号，n——节点总数，A(i，j)——邻接矩阵A中，第i行第j列的元素；由式1.1可知，邻接矩阵是一个n×n阶的0-1方阵；简易有向图的邻接矩阵如下：由上述邻接矩阵可知，邻接矩阵中主对角线上的元素均为零，并且第i行非零元素的个数即为第i个节点的出度，第i列非零元素的个数为第i个节点的入度；(3)节点监测时间矩阵T由邻接矩阵A的构建方式获得启示，节点监测时间矩阵可按如下方法获得：式中：tij——节点i处的风流流经到节点j处的最短时间；节点监测时间矩阵中的元素取值可按下式确定：式中：l(i，j)——节点i和下游节点j之间的巷道长度，m；u(i，j)——节点i和下游节点j之间的风流速度，m/s；tik——节点i处风流到过渡节点k的最短时间，s；tkj——过渡节点k处风流到节点j的最短时间，s；式1.4中的第二个式子的求解是属于图论理论中的最短路径问题；节点监测时间矩阵的求解是一个计算通风网络图中风流从特定节点分别到其他所有节点最短时间的过程，属于单源最短路径问题，故采用适用于求解单源最短路径问题的算法——深度优先搜索算法求解节点监测时间矩阵；(4)瓦斯传感器最短报警时间tA瓦斯传感器在最短报警时间内做出预警才能够避免瓦斯超限事故的扩大化；瓦斯传感器最短报警时间可按下式计算：tA＝tF+tR1.5式中：tF——瓦斯异常涌出后运移到瓦斯传感器位置并达到报警浓度的时间，s；tR——瓦斯传感器的响应时间，s，一般≤30s；(5)节点有效监测矩阵C根据瓦斯传感器布设模型建立流程图可知，在指定瓦斯传感器最短报警时间的基础之上，节点有效监测矩阵的形式如式1.6所示，矩阵中的元素可按式1.7取值：上述式1.6和1.7中，当上游节点i到下游节点j的风流流经最短时间tij不大于选择的瓦斯传感器最短报警时间tA时，cij的值取为1，表示下游节点j处的瓦斯传感器能够有效的监测到上游节点i处的瓦斯浓度变化；当上游节点i到下游节点j的风流流经最短时间tij大于选择的瓦斯传感器最短报警时间tA时，cij的值取为0，表示下游节点j处的瓦斯传感器不能有效的监测到上游节点i处的瓦斯浓度变化；由此可知，节点有效监测矩阵是一个主对角线均为1的0-1型n阶方阵，并且节点有效监测矩阵中第j列中的非零元素所在行对应的节点组成的集合即为节点j处的瓦斯传感器的监测范围集合，即D[j]＝{i|cij＝1，i∈n}；(6)瓦斯传感器布设优化模型的目标函数及约束条件在设计瓦斯传感器布设优化模型的目标函数前，做如下设定：对于通风系统有向图G＝(V，E)，设需要被监测瓦斯浓度变化的节点集合为I，相关规范规定必须安装瓦斯传感器的节点集合为M，可供选择安装瓦斯传感器的节点集合为J，那么，利用最少数量的瓦斯传感器实现对通风网络有向图中所有节点处的瓦斯浓度变化进行监测的过程可转化为寻找节点集合J的一个子集J′，满足J′∪M使得节点集合I中元素节点均被覆盖到的问题，瓦斯传感器布设问题属于设施选址领域中的位置集合覆盖问题；结合位置集合覆盖的定义，即针对一个n阶0-1矩阵，在保证最小成本的情况下在矩阵中选择一些列使其能覆盖所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种瓦斯传感器的布设方法，其特征在于，包括以下步骤，瓦斯传感器布设模型的建立：(1)矿井通风有向图G矿井通风网络图变为一个有向图G＝(V，E)，其中，V＝V1+V2，V1代表通风网络图中的巷道交汇节点集，V2代表依据相关技术规范必须安装瓦斯传感器的位置虚节点集，E＝(e1，e2，…，en)代表与V关联的巷道分支集，n为巷道交汇点与虚节点的和；(2)有向图邻接矩阵A邻接矩阵被用来描述有向图中任意两个节点是否有边相连，对于一个有向图G＝(V，E)，则邻接矩阵A可按如下方式构建：

【技术特征摘要】
1.一种瓦斯传感器的布设方法，其特征在于，包括以下步骤，瓦斯传感器布设模型的建立：(1)矿井通风有向图G矿井通风网络图变为一个有向图G＝(V，E)，其中，V＝V1+V2，V1代表通风网络图中的巷道交汇节点集，V2代表依据相关技术规范必须安装瓦斯传感器的位置虚节点集，E＝(e1，e2，…，en)代表与V关联的巷道分支集，n为巷道交汇点与虚节点的和；(2)有向图邻接矩阵A邻接矩阵被用来描述有向图中任意两个节点是否有边相连，对于一个有向图G＝(V，E)，则邻接矩阵A可按如下方式构建：式中：V——有向图节点集合，i，j——节点的序号，n——节点总数，A(i，j)——邻接矩阵A中，第i行第j列的元素；由式1.1可知，邻接矩阵是一个n×n阶的0-1方阵；简易有向图的邻接矩阵如下：由上述邻接矩阵可知，邻接矩阵中主对角线上的元素均为零，并且第i行非零元素的个数即为第i个节点的出度，第i列非零元素的个数为第i个节点的入度；(3)节点监测时间矩阵T由邻接矩阵A的构建方式获得启示，节点监测时间矩阵可按如下方法获得：式中：tij——节点i处的风流流经到节点j处的最短时间；节点监测时间矩阵中的元素取值可按下式确定：式中：l(i，j)——节点i和下游节点j之间的巷道长度，m；u(i，j)——节点i和下游节点j之间的风流速度，m/s；tik——节点i处风流到过渡节点k的最短时间，s；tkj——过渡节点k处风流到节点j的最短时间，s；式1.4中的第二个式子的求解是属于图论理论中的最短路径问题；节点监测时间矩阵的求解是一个计算通风网络图中风流从特定节点分别到其他所有节点最短时间的过程，属于单源最短路径问题，故采用适用于求解单源最短路径问题的算法——深度优先搜索算法求解节点监测时间矩阵；(4)瓦斯传感器最短报警时间tA瓦斯传感器在最短报警时间内做出预警才能够避免瓦斯超限事故的扩大化；瓦斯传感器最短报警时间可按下式计算：tA＝tF+tR1.5式中：tF——瓦斯异常涌出后运移到瓦斯传感器位置并达到报警浓度的时间，s；tR——瓦斯传感器的响应时间，s，一般≤30s；(5)节点有效监测矩阵C根据瓦斯传感器布设模型建立流程图可知，在指定瓦斯传感器最短报警时间的基础之上，节点有效监测矩阵的形式如式1.6所示，矩阵中的元素可按式1.7取值：上述式1.6和1.7中，当上游节点i到下游节点j的风流流经最短时间tij不大于选择的瓦斯传感器最短报警时间tA时，cij的值取为1，表示下游节点j处的瓦斯传感器能够有效的监测到上游节点i处的瓦斯浓度变化；当上游节点i到下游节点j的风流流经最短时间tij大于选择的瓦斯传感器最短报警时间tA时，cij的值取为0，表示下游节点j处的瓦斯传感器不能有效的监测到上游节点i处的瓦斯浓度变化；由此可知，节点有效监测矩阵是一个主对角线均为1的0-1型n阶方阵，并且节点有效监测矩阵中第j...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹，潘竞涛，张辉，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21