《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Resilient Ventilation Network Construction in Complex Underground Mining Environments: A Holistic Strategy from Resilience Perception to Resilience Enhancement
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针对复杂地下矿山环境传统通风系统抗干扰差、恢复慢的问题，提出韧性矿山通风网络框架，整合流体动力学模型与深度学习、数字孪生技术，构建五模块体系实现不确定性感知决策支持，提升系统持续运行与快速恢复能力。
高科|袁克毅|史连增
辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，中国辽宁省葫芦岛市，125105
摘要
智能矿井通风系统是实现采矿作业智能化转型的关键基础设施。它们通过实时多源传感和算法驱动的决策支持，朝着适应复杂环境中的通风网络优化方向发展；完全自主、经过安全认证的闭环控制仍是长期目标。传统的通风系统受到静态设计和被动响应机制的限制，在瓦斯爆炸和巷道坍塌等紧急情况下往往表现出较低的韧性和缓慢的恢复能力，这可能会加速事故的恶化，增加人员和设备的风险。借鉴电力系统和城市基础设施中的韧性理念，本研究提出了“韧性矿井通风网络”。该框架基于物理-信息-应用三层架构，增强了抗干扰能力、功能生存能力和灾后恢复能力。通过将流体动力学模型与深度学习和数字孪生技术相结合，我们建立了一个包含感知、不稳定性分级、建模、评估和增强五个模块的框架，并提供了考虑不确定性的决策支持。所提出的框架旨在为高度动态和强耦合的地下采矿环境中的通风安全提供理论基础和实践可行的路径。
引言
通风系统是安全采矿作业的生命线。其稳定性能直接关系到工作环境的安全和人员生命的安全[1,2]。随着智能采矿技术的发展，智能通风系统已成为提升全球煤炭产业的关键技术，也是改善复杂采矿环境中通风安全和效率的重要工具[3]。智能通风系统需要全面、实时地监测矿井内的气流、气体成分和环境参数[4,5]。通过智能识别和精确决策，这些系统实现了自动化控制和优化运行，形成了一个集成的智能解决方案。然而，地下采矿环境复杂且不断变化，传统通风系统在灾难发生时往往无法可靠运行，缺乏韧性，这会进一步加剧灾难的影响。统计数据显示，许多重大采矿事故都与通风系统故障直接相关，这凸显了提高当前系统稳定性和韧性的紧迫性。
为了解决复杂环境中的这种脆弱性问题，“韧性通风网络”概念应运而生，成为智能通风技术的高级发展方向，旨在提升灾害控制能力和系统连续性。值得注意的是，韧性通风网络在防御、恢复、感知和协调方面的要求与韧性电网有概念上的相似之处。以往关于电网韧性的研究提出了网络物理韧性的基础定义和关键概念[6]，开发了状态感知指标和运行韧性哲学[7]，构建了涵盖主动准备、适应性生存能力和恢复能力的韧性增强框架[8]，并研究了网络物理韧性电网中的自主学习机制[9]。此外，还建立了面向恢复的现代化计算框架和稳健的运行规划[10]。这些研究为韧性通风网络提供了宝贵的方法论参考——例如，增强了主通风网络中的“六大力量”[11]。
然而，这些概念上的相似性并不意味着直接等同，将韧性概念应用于矿井通风需要根据具体领域进行适应性调整。首先，可以使用性能退化和恢复表示方法以及常用的维度（如鲁棒性、冗余性、资源性和快速性）来描述通风服务的连续性，并指导系统设计和评估，在实践中这些对应于多路线气流供应、备用风机容量、应急调节资源和及时恢复。其次，通风受到非线性压力损失行为和强耦合流的影响，其拓扑结构会随着开挖进展、控制安装和局部损坏而变化，这使得电力系统中常用的稳态假设和恢复顺序策略的适用性减弱。第三，通风的韧性对安全至关重要且受到生理条件的限制，因为它必须在烟雾、气体、热量和灰尘等耦合危害下保持可呼吸和可生存的条件，而恢复行动则受到地下通行性、防爆要求和快速隔离及分区可行性的限制。因此，针对通风的韧性指标和恢复策略应明确考虑热流耦合、危害传播约束和调节器操作性，并将感知覆盖范围和实时网络计算能力与恢复决策效果联系起来。基于此背景，本文综合了矿井通风韧性的关键概念和最新进展，分析了物理层、信息层和应用层中的关键因素，并提出了一个韧性增强框架，以支持矿井通风系统的进一步智能化。
章节片段
韧性通风网络的构建内涵
韧性是复杂系统的关键属性，描述了系统在面临故障、错误或环境变化时通过适应性调整维持基本功能的能力[12]。这一概念已被广泛应用于各个领域。例如，城市韧性强调通过准备和响应在不确定性下维持关键城市运营[13,14]。在能源系统中，韧性通常由准备、吸收、恢复和适应来定义。
矿井通风网络韧性增强框架的构建
韧性通风网络框架的构建依赖于跨学科的理论整合和技术参考。研究团队在理论层面整合了智能通风领域的关键理论[19][20][21]，将韧性定义为系统在正常运行和灾害影响下维持通风功能的能力，包括三个属性：抗干扰能力、快速恢复能力和连续性。
结论与讨论
本研究解决了在复杂地下环境中维持安全矿井通风的挑战，并综合了提升通风韧性所需的核心概念和技术路径。通过分析物理-信息-应用三层架构中对矿井通风系统韧性产生影响的关键因素，为矿井通风系统的智能化升级提供了理论支持和实践指导。
CRediT作者贡献声明
高科：资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
袁克毅：写作——审阅与编辑、撰写初稿、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论制定、数据分析、数据管理。
史连增：可视化处理、数据管理、概念化。
