Уральские ученые разработали систему «умного» мониторинга воздуха в шахтах

Ученые Горного института УрО РАН (Филиал Пермского федерального исследовательского центра УРО РАН) разработали метод, который позволяет определить распределение воздушных потоков в разветвленной сети подземных выработок, используя данные относительно небольшого числа датчиков. Разработанный метод решает так называемую «обратную задачу воздухораспределения» и может стать основой для создания «цифровых двойников» шахт и рудников.

Обеспечение шахтеров свежим воздухом — ключевое требование безопасности. С каждым годом шахты и рудники становятся глубже, оборудование — мощнее, а значит, расход кислорода и выделение вредных газов, тепла и пыли растут. При этом любое неучтенное изменение, обвал породы, движение техники, может привести к локальной нехватке воздуха, скоплению метана или других опасных примесей и стать причиной аварии.

Основная проблема заключается в том, что установить датчики скорости движения воздуха в каждой из сотен или даже тысяч «ветвей» подземной вентиляционной сети невозможно и экономически нецелесообразно. Поэтому инженерам приходится полагаться на математические модели. Классический подход, основанный на расчете воздушных потоков по заранее заданным параметрам, часто дает сбой: реальное аэродинамическое сопротивление выработок отличается от проектного. Требуется решить так называемую обратную задачу, то есть подобрать параметры сети так, чтобы расчет совпал с показаниями немногочисленных датчиков. С математической точки зрения такая задача является некорректной, поскольку у нее может быть множество решений или ни одного.

Авторы предложили использовать для решения метод регуляризации Тихонова, учитывающий дополнительное условие: искомые сопротивления выработок не должны слишком сильно отличаться от проектных значений, а итоговое распределение потоков воздуха в вентиляционной сети рудника должно быть физически реалистичным. Ошибка между показаниями датчиков и расчетными значениями минимизируется с помощью метода градиентного спуска.

В работе авторы впервые показали, что существует оптимальный ненулевой параметр регуляризации, и это справедливо, если датчиков мало. Это дает практический критерий для проектирования систем мониторинга воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях: сколько датчиков нужно установить, чтобы получить надежную картину по проветриванию.

В отличие от «черных ящиков» нейросетей, предложенный метод основан на классических физических правилах Кирхгофа для вентиляционных сетей. Это позволяет инженеру понимать и доверять результатам расчета и делает результаты прозрачными и интерпретируемыми. Предложенный алгоритм сохраняет работоспособность, даже если исходные данные о сопротивлении выработок содержат случайные ошибки типичные для разбросов в реальных шахтах (до 34% от проектных значений).

«Разработанный метод позволяет превратить набор разрозненных показаний датчиков в полноценную цифровую модель всей вентиляционной сети. Это не просто научное достижение, а прямой путь к созданию «умных» шахт, где воздухораспределение адаптируется к текущим потребностям в реальном времени. Система сможет не только экономить энергию (не давать главным вентиляторам работают «впустую», когда людей на подземных рабочих участках меньше или вовсе нет), но и оперативно выявлять опасные зоны по загазированию или недостатку воздуха», — прокомментировал один из авторов разработки, заведующий лабораторией математического моделирования геотехнических процессов Горного института УрО РАН, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых ПНИПУ, доктор технических наук Михаил Семин.

По оценкам исследователей, полученные результаты послужат основной для создания систем мониторинга рудничной атмосферы нового поколения, которые позволят снизить энергопотребление шахты за счет точной подачи воздуха именно туда, где ведутся работы; оперативно обнаруживать участки с застоем воздуха или накоплением вредных примесей, где нет возможности ставить датчики, тем самым повысив безопасность; автоматизировать управление вентиляционными регуляторами и дверями, создав основу для полностью автономной вентиляции.

Исследование выполнено в рамках крупного научного проекта «Фундаментальная механика в новых материалах, конструкциях, технологиях» при поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации