巷道通风摩擦阻力系数数据库设计与实现

梁 军 ，王麒翔

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

为有效保障通风系统的可靠和稳定，了解矿井通风系统运行情况，掌握全矿井通风阻力分布至关重要，但是现目前对全矿井进行通风阻力测定，普遍存在“测不准”的问题。各种测量方法所测量出的数据，还需要人工处理，调整误差，方可代入矿井通风系统中进行通风网络解算，直至模拟出整个矿井的通风情况（风量，风速，阻力分布)[1-3]。在进行通风仿真模拟中，遇到未测巷道时，只能根据经验设定1个摩擦阻力系数。为此，十分有必要建立一个综合、动态、权威、精确的摩擦阻力系数系统数据库[4]，以便在进行通风仿真模拟时能有一个依据确定一个摩擦阻力系数，精准确定巷道阻力。

1 数据库技术和数据来源

1）数据库技术。经过数据分析，选择使用Microsoft SQL Server数据库；Microsoft SQL Server是一个高性能的、可扩展的、为分布式客户机/服务器计算所设计的数据库管理系统，能运行于现有大部分操作系统中，其拥有许多优点：①数据处理高性能，它可以充分利用系统优势，增加数据检索效率，针对大数据量提供多种解决方案；②数据共享机制成熟，可通过网络远程访问，提供不同权限用户读取方式；③事务处理能力优异，可保存多种数据，并保护数据完整性；④数据库拥有自己的SQL编程语言，能自主编写存储过程等，且支持对称多处理器结构、ODBC；⑤良好的兼容性，提供多种API可支持C++，c#，JAVA等多种编程语言。瓦斯通风阻力系数数据库拥有大量巷道及参数基本数据需要存储分析，Microsoft SQL Server可完全满足数据管理需求，提供一个高性能、高规范的数据管理平台。

2）数据来源。瓦斯通风阻力系数数据库主要用于确定未知巷道摩擦阻力系数，基于大数据分析[5]，数据来源于一下方面：①矿井通风阻力测定数据，根据煤矿安全规程，每年煤矿都应进行1次全矿井通风阻力测定，对实测数据进行筛选后录入数据库中；②通风系统仿真数据，许多煤矿基于自身条件建设有通风网络仿真系统，系统中包括已知的该矿井模拟数据，可通过网络上传至数据库中；③单位历史经验数据，许多科研单位拥有大量巷道参数数据，将其进行筛选，分析验证后录入数据库中。

2 数据存储设计

数据存储设计规范化应遵循3个范式规则：①第一范式：1NF是对属性的原子性约束，要求每个分量必须是不可分的数据项，即不能是组合的数据项；②第二范式：2NF是对记录的惟一性约束，要求每条记录需具备惟一标识，即每个非主属性完全依赖于主码；③第三范式：3NF是对字段冗余性的约束，即要求数据表中字段不能是其他字段派生，要求字段没有冗余。

数据库设计时完全没有冗余的数据库设会丧失灵活性，且浪费更多的检索资源，所以在进行数据库设计时需要降低范式标准，适当保留冗余数据；在进行概念数据模型设计时遵守第三范式，满足数据库设计原则，而进行物理数据模型[6]设计时考虑降低设计范式标准，允许数据表增加派生字段，提高系统运行时的检索效率。数据库表结构设计图如图1。

3 数据比对与精确定位

图1 数据库表结构设计图

矿井通风系统中巷道的各项参数影响着它的摩擦阻力：断面，支护方式，巷道类别，巷道壁面特征，当前确定摩擦阻力系数，主要根据其用途，及支护形式给出建议值范围，无法精确确定其系数；基于大数据技术[7-9]建立矿井巷道通风摩擦阻力系数数据库，在进行通风网络仿真时，未测巷道可以根据自身情况，在数据库中匹配相似巷道类型，得出建议的摩擦阻力系数，计算巷道风阻。数据具有量大、分散、可扩展等特性，因此精确定位所需数据至关重要，需建立以下几方面机制：①对大量数据进新分析对比，建立数据挖掘模型，统计同一客观条件下，巷道摩擦系数使用率；②建立数据可信度机制，对上传及测定数据进行可信度检测，分析比对数据库中固有数据，对出入较大数据设置较低可信度；③建立用户成功匹配数据回执机制，对用户成功使用的匹配数据进行回执记录，成功使用次数多，即该数据精确度高。

4 数据库总体结构及主要功能模块

数据库以管理巷道基本信息及阻力系数影响参数为主，建立阻力系数确定的快速响应机制，为矿井风网仿真、通风网络快速构建提供数据支持。数据库功能结构图如图2。

主要功能模块如下:

1）数据筛选分析模块。由于数据源多且杂，对繁多的数据进行筛选，在数据库中保存有效数据对数据库至关重要，因此开发数据筛选模块，针对数据源提供的所有数据，逐一和数据库中有效数据进行相似度与相异度分析，剔除差异较大、重复的数据，保留有效巷道参数数据，为保证数据库的数据正确性、有效性提供有效手段。提供监测，日常维护与灾难恢复，数据逻辑校验，外部用户管理等。

图2 数据库功能结构图

2）数据精确度检测模块。建立数据精确度检测模块，对于在数据筛选冲出现的重复数据，不单一地进行删除，可以设定精确度机制，如果该数据重复较多，则说明该巷道摩擦阻力系数在固定条件下取该值的可行度最大，即取该值的精确度最高[10]。在进行数据推送时应优先推送精确度较高的数据值。

3）数据确定及使用回执模块。增加瓦斯数据库数据记录准确性，是其发挥最大作用的保证，设计用户使用回执模块，当用户在进行巷道通风网络仿真，使用数据库推送的建议数据并成功应用时，数据库应予以记录回执；设置数据回执机制，记录数据使用率，使用率高的数据即是可信度高的数据。

4）数据的统计分析模块。数据库中包含大量巷道模拟数据，系统可进行深入数据挖据，分析如巷道同一基本参数条件下巷道由于某一条件，如积水的多少，对巷道摩擦阻力的影响等；为更加精确的通风仿真模拟奠定数据基础。

5）数据共享模块。数据库提供数据接口，数据库用户可通过调用数据接口，输入预订巷道参数即可，接口通过数据库数据分析模块进行数据匹配，返回可靠度和精确度都较高的数据结果。

5 结语

基于大数据管理技术建立矿井巷道通风摩擦阻力系数数据库，在进行通风网络仿真时，未测巷道可以根据自身情况，在数据库中匹配相似巷道类型，得出建议的摩擦阻力系数，可快速计算巷道风阻；为快速建立通风仿真网络模型提供了高效的数据参照；数据库的建设为矿井通风网络快速构建、巷道摩擦阻力影响因素深入研究提供坚实的数据基础，对促进矿井通风安全、风网风流研究具有重要意义。