Walidacja programu komputerowego do prognozowania przewietrzania kopalni z zastosowaniem metod optymalizacji numerycznej

• Autorzy: Dziurzyński W. , Krach A. , Pałka T. , Wasilewski St.

Warianty tytułu

EN

Validation of a computer programme for prognosticating the mine airing conditions based on numerical optimisation methods

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dotychczasowe doświadczenia z zakresu walidacji modelu matematycznego zastosowanego w programie komputerowym VentZroby pokazują, że jest to zagadnienie trudne, przede wszystkim z powodu konieczności dysponowania dostatecznie dużą liczbą zarejestrowanych w kopalni przebiegów przejściowych porównywanych wielkości. Przyjęto, że wiarygodność prognozy procesu przewietrzania sieci wyrobisk kopalni opracowanej na podstawie symulacji jest ściśle związana z wiarygodnością poziomu dopasowania zastosowanego w programie symulacjach modelu do rzeczywistej sieci wentylacyjnej kopalni. Walidację modelu matematycznego przeprowadzono poprzez weryfikację wyników otrzymanych na drodze obliczeń numerycznych i porównanie ich z wynikami otrzymanymi z pomiarów za pomocą czujników systemu monitoringu wentylacji wyrobisk kopalni. Wykonane w latach 2000-2011 badania walidacyjne prowadzone były w oparciu o jakościowe kryteria obserwowanych przebiegów czasowych wyników symulacji (Dziurzyński i in., 2001, 2005, 2007a, 2007b, 2008, 2009, 2011). Do walidacji programów symulacyjnych stosowano procedurę wykorzystującą miarę odległości danych z prognozy i danych z monitoringu w postaci sumy kwadratów różnic wartości zmierzonych i prognozowanych z wagami. Obecnie zaproponowano, że miara taka jest funkcją celu minimalizowaną wybraną metodą optymalizacji numerycznej. Miara odległości szeregów czasowych dobrze nadaje się do zastosowania w numerycznych metodach minimalizacji funkcji celu, co pozwoliło na podjęcie próby automatyzacji procesów weryfikacji parametrów modelu matematycznego zastosowanego w programie VentZroby. W pierwszej kolejności opracowano algorytm automatycznej optymalizacji wybranego parametru modelu, którym jest strumień objętości przepływającego powietrza. Funkcję celu stanowi unormowany kwadrat odległości wektorów stanu prognozowanego i rzeczywistego, przy czym składniki tych wektorów to strumień objętości powietrza prognozowany i obliczony na podstawie pomiarów prędkości przez anemometry systemu monitoringu rozmieszczone w wybranych wyrobiskach kopalni. Następnie opracowano algorytmy optymalizacji numerycznej, dla których ułożono nowe procedury programu komputerowego VentZroby. Do testowania procedur przygotowano przykład obliczeniowy, a odpowiedni model numeryczny oraz dane z czujników systemu monitoringu (gazometrii) pozwoliły na sprawdzenie poprawności działania przyjętej metody optymalizacji numerycznej procesu estymacji stanu sieci wentylacyjnej. Uzyskane wyniki przedstawiono na wykresach i zestawieniach tabelarycznych. W podsumowaniu przedstawiono wnioski potwierdzające trudności prowadzenia badań walidacyjnych wynikające zarówno z powodu złożonego modelu matematycznego opisującego przepływ powietrza oraz trudności z uzyskaniem dobrej jakości danych pomiarowych za pomocą czujników systemu monitoringu wyrobisk kopalni.

EN

The experience gathered during the validation of the mathematical model underpinning the computer program VentZroby reveals the complexity of the issue, caused by the large number quantities to be considered as well as their variability patterns. It is assumed that the reliability of the forecast of airing conditions in the mine obtained from simulations is associated with the reliability of the quality of fit between the simulated and real ventilation networks. The mathematical model was validated by verifying the numerical data and comparing them with measurement results obtained from the sensors making up the monitoring system. Validation tests performed between 2000-2011 were based on qualitative criteria of simulated time patterns of particular quantities (Dziurzyński et al. 2001, 2005, 2007a, 2007b, 2008, 2009, 2011). Validation of the simulation programme was fi rst based on a procedure using the measure of distance between the prognosticated results and monitoring data in the form of the sum of squared differences between measured and prognosticated results, with the appropriate weights. Now it is suggested that this measure should be an objective function minimised by the selected method of numerical optimisation. The measure of distance of time series is well applicable to numerical methods of minimisation of the objective function and so attempts can be made to automate the verification of mathematical model parameters used in the program VentZroby. In the fi rst place the algorithm was developed for automatic optimisation of the selected model parameter (volumetric airfl ow rate). The objective function was defined as the normalised squared distance between the prognosticated and real vectors of state, and the vectors components include the volumetric flow rate of air- those prognosticated and calculated from flow velocity measurements by the anemometers located at selected points in the mine and making up the monitoring system. Then the numerical optimisation algorithm was developed, supported by new procedures in the computer program VentZroby. The procedures will be tested on an example and the numerical model and data from the monitoring system will allow us to test the adequacy of the adopted method of numerical optimisation of estimation of the ventilation network condition. Results are shown in the form of graphs and tables. The summing-up section gives conclusions confirming the difficulties involved in validation procedures, mostly due to complexity of the mathematical airflow model and the fact that good-quality measurement data from the monitoring sensors are hard to obtain.

Słowa kluczowe

PL

prognozowanie procesu przewietrzania; walidacja programu komputerowego; zagrożenie metanowe; bezpieczeństwo

EN

prognosticating of the airing condition; validation of the computer program; methane hazard; safety

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 14, no. 1-4
• Strony: 121--137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dziurzyński W.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN; ul Reymonta 27, 30-059 Kraków

autor

Krach A.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN; ul Reymonta 27, 30-059 Kraków

autor

Pałka T.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN; ul Reymonta 27, 30-059 Kraków

autor

Wasilewski St.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN; ul Reymonta 27, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Dziurzyński W., Pałka T., Tracz J., 1995.: Optymalny rozkład czujników w celu minimalizacji błędów pomiarowych, Zadanie Z 09, Temat T 03 “Stany nieustalone w kopalnianych sieciach wentylacyjnych”, Sprawozdanie z działalności statutowej, IMG PAN, (1995).
• [2] Dziurzyński W., Pałka T., 2000: Algorytmy komputerowej symulacji procesu przewietrzania umożliwiające dostęp i wykorzystanie danych systemu monitoringu sieci wentylacyjnej. Prace IMG PAN, T. 2, Nr 1-2, s. 161-176, (2000).
• [3] Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., 2001: Prognozowanie rozkładu stężenia metanu w sieci wentylacyjnej z uwzględnieniem systemu monitoringu. Prace IMG PAN, T. 3, Nr 2, s. 163-182, (2001).
• [4] Dziurzyński W., Krach A., J Krawczyk, Pałka T., 2005: Walidacja modelu matematycznego przewietrzania kopalni stosowanego w programie VentMet z wykorzystaniem bazy danych pomiarowych wybranego rejonu wentylacyjnego KWK. Prace IMG PAN, T. 7, Nr 1-2, s. 101-115, (2005).
• [5] Dziurzyński W., Krach A. Krawczyk J., Pałka T., 2007: Zastosowanie miary odległości szeregów czasowych do walidacji modelu matematycznego przewietrzania kopalni stosowanego w programie VentMet. Przegląd Górniczy nr 1, (2007).
• [6] Dziurzyński W,. Krach A., Pałka T., Wasilewski St., 2007: Walidacja komputerowego programu symulacji wentylacji VentMet dla rejonu ściany, z uwzględnieniem zmiennych w czasie źródeł metanu, związanych z cykliczna pracą kombajnu. Prace IMG PAN, T. 9, Nr 1-4, s. 3-26, (2007).
• [7] Dziurzyński W,. Krach A., Pałka T., Wasilewski St., 2008: Walidacja programu VentZroby z wykorzystaniem wyników eksperymentu „in situ” i z zastosowaniem nowych algorytmów przygotowania danych wejściowych. Prace IMG PAN, T. 10, Nr 1-4, s. 67-102, (2008).
• [8] Dziurzyński W,. Krach A., Pałka T., Wasilewski St., 2009: Walidacja procedur programu VentZroby z wykorzystaniem systemu monitoringu stanu atmosfery kopalni. Prace IMG PAN, T. 11, Nr 1-4, s. 79-112, (2009).
• [9] Dziurzyński W,. Krach A., Pałka T., Wasilewski St., 2011: Opracowanie narzędzi programowych dla celów odtworzenia zaistniałych zdarzeń i katastrof oraz ich weryfikacja na podstawie danych „post”, Prace IMG PAN, T. 12, Nr 1-4, (2011).
• [10] Kolarczyk M. 2004: Wybrane właściwości pełnej macierzy wrażliwości wydatków powietrza na zmiany oporów bocznic w kopalnianej sieci wentylacyjnej. 3 Szkoła Aerologii Górniczej, Zakopane (2004).
• [11] Krach A., Krawczyk J., Kruczkowski J. Pałka T. 2007: Zmienność pola prędkości i strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalń głębinowych, Archiwum Górnictwa, Seria Monografi a nr 1, Kraków (2007).
• [12] Krawczyk J., Kruczkowski J. 2009: Badanie przepływu powietrza “in situ” w wyrobiskach górniczych, wyznaczaniem kryterium przydatności przyrządów i metod. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, T. 11, Nr 1-4, s. 147-158, (2009).
• [13] Wasilewski St., 1996: Badania przepływu powietrza w kopalni. Archives of Mining Sciences, t. 41 nr 4 s. 411- 438, (1996).
• [14] Wasilewski St., Bojarski K., Kurpas M., 2007: Badania eksperymentalne stanów nieustalonych parametrów powietrza w ścianie w czasie urabiania kombajnem. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa. Nr 6(437) czerwiec 2007, Wyd. EMAG, Katowice, (2007).
• [15] Wasilewski St., Cimr A., Wach M. 2010: „Ocena zagrożenia pożarowego w zrobach przestrzeniach otamowanych za pomocą czujników gazometrii automatycznej ”, XXXVI Dni Techniki ROP 2010, XXVII Seminarium Pożary Podziemne – Teoria i Praktyka, s. 145-161, (2010).