（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司公用工程院 湖北武汉 430064）
摘要：针对煤炭行业建筑照明节能计算的实际工程需要，依据国家有关标准和规范的要求，针对煤矿及选煤厂建筑照明的光源、照明方式选择和照度计算方法开展研究，归纳了各种通用与新型光源类型和不同工作环境条件下煤矿及选煤厂作业场所照明功率密度及照度的设计参考值；建立了煤矿生产建筑照明节能优化计算模型，最后应用DBMS-Microsoft SQL Server 2000数据库和Delphi软件平台，开发煤矿生产照明节能设计系统。
关键词：煤矿；照明节能；软件开发
Abstract: According to the actual engineering demand of building lighting energy saving calculation in coal industry, as well as national standards and norms, this paper studies the building lighting's light source, selection of lighting method and illumination calculation method of coal mine and coal preparation plant, and sums up all kinds of general and new type of light source and design reference value of lighting power density and illumination of coal mine and coal preparation plant in different working conditions, establishes an optimization calculation model of coal mine production lighting energy efficiency, and then uses DBMS-Microsoft SQL Server.2000 database and Delphi software platform, develops coal mine lighting production energy-saving design system.
Key words: coal mine；lighting energy；saving design software development
相对于一般工业生产照明而言，煤矿生产照明设计的内容更为复杂，涉及了复杂条件和防爆环境下的光源选择、照度计算、环境可见度计算等诸多设计环节。因此，为了实现煤矿生产照明节能设计的目标，需要依据现行国家有关标准与规范的要求，并结合煤矿建筑照明节能计算的实际工程需要，开发一种服务于煤炭行业照明设计工作的照明节能设计系统，以实现统一煤矿及选煤厂建筑照度计算参数、提高设计效率与设计质量。
1 煤矿生产照明设计的基本原理
在煤矿生产照明设计时，需要进行各种基本参数计算。其中，照度计算和功率密度计算是建筑照明设计的重要内容。
1.1 煤矿生产照明设计流程
在照明设计中，照度计算采用了利用系数法，即根据房间的几何形状、照明灯具的数量和类型，采用利用系数法来确定工作面的平均照度。利用系数法采用如下公式计算照度
照明设计系统开发采用了数据库技术，其软件环境为Windows 2000+SQL Server 2000, 开发工具为Delphi 6。开发步骤为：
（1）数据准备
采用企业管理器工具建立照明设计基本数据库Coal-Mine-Illumination-Data，并根据第3章研究与总结的成果，应用查询分析器创建如下基本表：
①光源技术参数表，其属性名分别为光源类型与技术参数；
②井下建筑分类表，其属性名分别为井下建筑场所、照度值和功率密度；③地面建筑分类表，其属性名分别为地面生产场所、照度值和功率密度；④辅助建筑分类表，其属性名分别为辅助建筑场所、照度值和功率密度；⑤利用系数选取表，其属性名分别为灯具类型、安装高度及其利用系数；⑥维护系数选取表，其属性名分别为生产场所及其维护系数。
在基本数据表中归纳了目前市场上适合于煤矿生产照明的使用的光源种类、各种类型的灯具系列、光能量以及利用系数和维护系数等。
（2）建立Delphi与SQL Server数据库的连接
应用Delphi自带的工具SQL Explorer，建立Delphi与SQL Server数据库的连接，照明设计系统的应用程序通过与数据库的连接，只要指定灯具的编号就可以自动选择光源种类名称、读出节能计算所需的耗电量，以及照度计算所需的利用系数。
3.1 煤矿生产照明节能优化设计的数学模型
根据煤矿照明节能设计的要求，设：u1为选择的灯具类型。当可选择的灯具类型数为M时，u1的取值范围为u1∈[1，M]；u2为选择的灯具数量；U=[(u1 u2 )]^T为决策向量；f1(U)为采用决策U时的灯具使用寿命与灯具总价的比值；f2 (U)为采用决策U时的灯具光效；E(U)为采用决策U时的灯具照度；E*为设计要求的灯具照度；Φ(U)为采用决策U时的灯具光通量；Φ*为设计要求的灯具光通量[19][20][21]。
采用线性加权法建立灯具配置的全寿命期综合经济性能指标
J=c1 f1 (U)+c2 f2 (U)=CF(U)
式中，F(U)=[(f1 (U)&f2 (U) )]T为灯具性能向量；C=[(c1c2 )]为权系数向量。
建立如下煤矿照明节能优化设计问题的数学模型
①目标函数
②约束条件
3.2 煤矿照明节能优化设计问题的求解
粒子群优化算法（PSO）是一种基于群体智能的新兴进化计算技术，PSO通过群体中个体的合作竞争而产生的群体智能指导优化搜索，算法具有较强的通用性。其基本思想为：优化问题的可行解都是搜索空间的粒子，所有的粒子都有一个被优化的函数决定的适应值，每个粒子还有一个速度向量决定其飞行的方向和距离，然后粒子群追随当前的最优粒子在解空间进行搜索[22][23][24]。
由于PSO算法具有较强的全局搜索能力，以及算法简单、容易实现的特点[25]，因此考虑采用PSO算法对煤矿照明节能优化设计问题进行求解。
设二维灯具配置的目标搜索空间中，有m个粒子组成一个群体，其中第i个粒子的位置表示为向量xi=[(xi1 xi2 )], i=1,2,3,…,m,其速度也是一个二维的向量，记vi=[(vi1 vi2 )]。第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置为pi=[(pi1 pi2 )]，整个粒子群搜索到的最优位置为pg=[(pg1 pg2 )]。粒子更新公式如下[22][25][26]
vid (t+1)=wvid (t)+h1 r1 [pdi-xid (t)]+h2 r2 [pgi-xid (t)]
xid (t+1)=xid (t)+vid (t+1)
当vdi>Vmax时，取vdi=Vmax
当vdi<-Vmax时，取vdi=-Vmax
式中，i=1,2,3, …,m；d=1,2； w为惯性权重；加速常数h1和h2为非负常数；r1和r2服从[0,1]上的均匀分布随机数。xdi (t)是第i个粒子的当前位置，pdi是第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置，pgi是整个粒子群搜索到的最优位置，vdi是第i个粒子的当前速度，vdi∈[-Vmax , Vmax ]，Vmax为最大速度，是非负数。
煤矿照明节能优化设计PSO算法的流程如图2所示，其主要计算步骤为[22]：
（1）初始化粒子群参数，设定权重系数c1和c2、种群的规模m、加速常数h1和h2、最大进化代数Tmax、计算精度ε，将当前进化代数设置为t=1,在定义的灯具类型与数量搜索空间R中随机产生m个粒子(xi;i=1,2, …,m)组成初始种群X(t)；随机产生各粒子初始位移变化(vi;i=1,2, …,m)，组成位移变化矩阵v(t)。
（2）评价种群X(t)，计算每个粒子的适应值。
（3）比较粒子的适应值与自身最优值。如果当前值比自身最优值更优，则置自身最优值为当前值。
（4）比较粒子的适应值与种群最优值。如果当前值比种群最优值更优，则置种群最优值为当前值。
（5）按式（1）和式（2）更新粒子的位移方向和步长，产生新种群X(t+1)。
（6）检查结束条件，若满足，则结束寻优计算；否则，t←t+1，转至步骤（2）。结束条件为寻优达到最大迭代数Tmax，或评价值小于给定精度ε。
3.3 优化设计PSO算法参数的设置
PSO算法需要设置的参数主要包括：权重系数c1和c2、种群的规模m、惯性权重w、加速常数h1和h2、最大速度限制Vmax和计算精度ε。
（1）权重系数c1和c2设置
根据经验，取灯具使用寿命与其总价比值f1 (U)的加权c1=1；取灯具光效f2 (U)的加权c2=0.5。
（2）种群的规模m设置
Shi和Ebethar认为“PSO对种群大小不敏感”，他们的结论是根据在给定精度下所需迭代次数的平均值的多少而得出的[27][28]。现有的实践表明，当设置种群的规模m=10时，对于煤矿照明节能优化设计问题已经能够取得足够好的计算结果。
（3）惯性权重w设置
惯性权重的设置采用Shi建议的线性递减权值（Linearly Decreasing Weight,LDW）策略[29][30][31]，即
w=wmax-(wmax-wmin)/Tmax （4-6）
式中，wmax和wmin是惯性权重的最大值和最小值。在煤矿照明节能优化设计中取wmax=1，wmin=0.4。
（4）加速常数h1和h2设置
加速常数h1和h2代表了粒子向自身极值和全局极值推进的随机加速权值。小的加速常数值可使粒子在较远的目标区域内振荡[29]；而较大的加速常数值可使粒子迅速向目标区域移动，甚至离开目标区域[32][33]。目前的研究认为，为了使两个随机因素平均，一般建议[29][34]h1=h2=2。
3.4照明设计系统软件开发
根据第1章和第2章研究与总结的成果，应用Delphi编程环境开发照明设计系统的应用程序，其中包括了光源种类选择模块、室形系数计算模块、功率密度校核计算模块和照明灯具数量选择与校验模块，软件工作流程。
3.4.1 光源种类选择
在煤矿生产照明设计时，需要根据不同的建筑环境以及生产照明要求配置不同的光源类型。常见的光源种类包括有热辐射光源、气体放电发光光源、固体放光光源。照明节能设计系统的数据库涵盖了目前市面上各类常见和新型光源种类和参数，并数据库查询能够快速、准确查找满足设计要求所需的光源种类。
3.4.2 室形系数计算
照明节能设计系统开发针对了不同形状的建筑空间，并根据有关国家标准和相关参数的输入，计算各类煤矿生产建筑物的室形系数，以表示煤矿生产场所几何形状的数值，为利用系数的设计计算奠定基础。
图1 照明节能计算软件主界面
3.4.3功率密度校核计算
根据设计所采用的混合照明、分区一般照明、加强照明、间接照明和局部照明类型，以及选定的灯具参数以及建筑内部各项参数按式（2-2）～（2-4）计算功率密度值，并与国家现行标准进行对比校核。
3.4.4 照明灯具数量选择与校验
在选定好上述各项参数以后，通过照明计算可以得出计算区域内所选灯具的数量以及平均照度值，可根据反复校验选择出于标准照度值最接近的数量。同时，还可以根据各项参数及灯具数量，校验计算区域内的照度平均值和功率密度值。
4 人机交互界面开发
考虑到更为快捷地使用设计软件系统，该系统数据库根据常用光源种类及灯具功率，将市面上常见的光源作了归纳和整理，由系统的数据库查询获得该型号光源所对应的光通量；然后由设计系统的数据处理模块对设计的灯具功率与对应的光通量进行功率密度校验计算；最后，照明节能计算与校验计算结果都可以通过人机界面显示。
5 结论
本文的主要研究内容与成果如下：
第一，针对煤矿及选煤厂建筑照明的光源、照明方式选择和照度计算方法开展研究，归纳了各类通用与新型光源种类和不同工作环境条件下煤矿及选煤厂作业场所照明功率密度及照度的设计参考值，并提出了适用于煤矿生产特点的照明节能设计基本原则，以及改进的照明节能设计流程。
第二，通过对国家有关建筑节能规范与标准的归纳与总结，提出了煤矿节能照明设计系统开发的基本技术要求；对煤矿建筑照明进行了分类；针对煤矿生产照明的特点，在应用DBMS-Microsoft SQL Server 2000数据库的基础上，采用Delphi开发工具开发节能照明设计系统。
根据目前的研究情况，可以考虑在如下几个方面作进一步的研究：
（1）AUTOCAD等绘图软件均开放了开发平台供外部软件嵌入，以达到丰富和方便绘图设计的功能，因此，需要使开发的煤矿照明节能设计系统能够在主流绘图软件平台中升级，以方便在设计时直接调用绘图程序进行计算。
（2）通过建立设计成果数据平台，对已完成的煤矿照明节能设计参数与结果进行归档，以便于设计人员随时调用已有的设计数据，实现数据分析与节能指标比较。
论文作者:常乐
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：煤矿论文; 粒子论文; 照度论文; 节能论文; 灯具论文; 光源论文; 系数论文; 《电力设备》2018年第2期论文;