謝勇強，龔建軍

(1.云南省地方煤礦設計研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方礦山安全評價院， 云南 昆明 650000)

基于MATLAB的自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖方法

謝勇強1，龔建軍2

(1.云南省地方煤礦設計研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方礦山安全評價院， 云南 昆明 650000)

為了簡化自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖的程序設計，降低編程工作量，通過分析礦井通風網(wǎng)絡圖自動繪制的原理和要求，提出了基于MATLAB的自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖方法，首先采用MATLAB編程將通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值轉(zhuǎn)化為帶有權值的鄰接矩陣，然后利用biograph函數(shù)讀取帶有權值的鄰接矩陣并創(chuàng)建通風網(wǎng)絡圖對象，最后由view函數(shù)輸出顯示礦井通風網(wǎng)絡圖。結(jié)果表明：采用MATLAB程序可實現(xiàn)自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖，程序源代碼編寫簡潔，編程工作量?。簧傻耐L網(wǎng)絡圖符合繪制要求。

礦井通風網(wǎng)絡圖；鄰接矩陣；MATLAB

0 引 言

礦井通風系統(tǒng)是十分復雜的立體結(jié)構，巷道數(shù)目多、縱橫交錯、上下重疊，相互關系不易一目了然，直接采用實際的通風系統(tǒng)圖分析通風問題有很多不便[1]。為了克服這些缺點，用反映巷道空間關聯(lián)的單線條來表示通風系統(tǒng)中各風流(道)的分合關系，將通風系統(tǒng)圖抽象成點與線集合的網(wǎng)狀線路示意圖，即為通風網(wǎng)絡圖[2]。礦井通風網(wǎng)絡圖是通風管理的重要圖件之一，也是進行通風網(wǎng)絡解算或優(yōu)化調(diào)節(jié)計算的基礎，對于礦井的安全管理十分重要[3]。

以往通常采用手工繪制礦井通風網(wǎng)絡圖，繪圖困難且繁瑣，易出錯。隨著計算機科學技術的發(fā)展，研究人員嘗試采用計算機自動繪制通風網(wǎng)絡圖，對通風網(wǎng)絡圖繪制算法進行了研究，提出了最長通路法[4]和最長路徑法[5]，但是這兩種算法繪制通風網(wǎng)絡圖均存在較明顯的缺陷，需要頻繁地搜索任意兩個節(jié)點之間的最長通路，繪制的通風網(wǎng)絡圖也不美觀[6]。為解決這些問題，有研究人員在最長路徑法的基礎上提出了分層法繪制通風網(wǎng)絡圖[6]，以及結(jié)合分層法、最長路徑法和遺傳算法提出的優(yōu)化算法[7]，但是改進后的算法復雜。以上這些算法一般利用VB、C++、C#等高級程序語言編制[7-10]，編程復雜，程序代碼冗長難懂，編程工作量大，且多為商業(yè)軟件，給科研、設計及礦井工作人員帶來不便。

美國MathWorks公司推出的MATLAB是國際上被廣泛接受和使用的科學與工程計算軟件，是一種集數(shù)值運算與符號運算、數(shù)據(jù)可視化圖形表示與圖形界面設計、程序設計、仿真等多種功能于一體的集成軟件，具有語言簡潔、編程效率高，交互性好、使用方便，強大的繪圖能力、便于數(shù)據(jù)可視化，領域廣泛的工具箱、便于眾多學科直接使用，開放性好、便于擴展等特點[11]。

因此，為了簡化通風網(wǎng)絡圖自動繪制程序代碼，降低編程工作量，本文基于MATLAB的特點，提出了一種高效快捷的自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖的方法。

1 礦井通風網(wǎng)絡圖自動繪制原理

1.1 礦井通風網(wǎng)絡圖的繪制要求

采用計算機自動生成通風網(wǎng)絡圖需包含節(jié)點之間的關系，以及分支的風流方向和權值，生成的網(wǎng)路圖需人工編輯部分應盡可能少，生成的網(wǎng)絡圖美觀，符合一般的使用習慣。具體要求為：

(1) 用一個進風節(jié)點代替所有進風節(jié)點，布置在網(wǎng)絡圖的最下(上)邊，用一個出風節(jié)點代替所有出風節(jié)點，布置在網(wǎng)絡圖的最上(下)邊；

(2) 分支方向基本都應由下向上[8]，或由上至下；

(3) 分支間的交叉盡可能少[8]；

(4) 節(jié)點與節(jié)點之間應有一定的間距，分支與其他分支之間應有一定的間距[12]；

(5) 圖的幾何形狀不唯一，可畫成長方形、橢圓形和圓形等[2]；

(6) 節(jié)點一般用小圓點或者小圓圈表示[13-14]；

(7) 網(wǎng)絡圖只表示出礦井的巷道，但不畫出由大氣形成的虛擬風道[13-14]。

1.2 礦井通風網(wǎng)絡圖自動繪制原理

礦井通風網(wǎng)絡圖中包含了：圖的結(jié)構數(shù)據(jù)[15-17]，即分支與節(jié)點的連接關系；與分支相關聯(lián)的參數(shù)，即權值[17]，以下稱“分支權值”；物理圖形數(shù)據(jù)[15-17]，即滿足前述繪制要求的礦井通風網(wǎng)絡圖中圖幅、節(jié)點坐標、分支形狀等數(shù)據(jù)。

礦井通風網(wǎng)絡圖自動繪制的實質(zhì)是將圖的結(jié)構數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理圖形數(shù)據(jù)，然后進行圖形化物理圖形數(shù)據(jù)和分支權值的過程。即根據(jù)分支和節(jié)點及其聯(lián)系，自動確定圖幅、節(jié)點位置、分支形狀，使網(wǎng)絡圖滿足一定的繪制要求，并在分支上顯示權值，如分支風量值，最后將物理圖形數(shù)據(jù)和分支權值以圖的形式直觀顯示出來。

2 MATLAB自動繪制通風網(wǎng)絡圖

2.1 圖的結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值處理

首先將節(jié)點、分支編號、分支風量、風阻、風壓等通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值儲存在矩陣中，矩陣的行為分支，矩陣的列為分支編號、分支始節(jié)點、分支末節(jié)點、分支風量、風阻、風壓等，并依次排列。該矩陣包含了圖的結(jié)構數(shù)據(jù)，為了便于biograph函數(shù)計算，需將這些數(shù)據(jù)處理為能表示通風網(wǎng)絡圖的矩陣。

根據(jù)圖論的定義，通風網(wǎng)絡圖為一有向圖，可用鄰接矩陣表示分支與節(jié)點的連接關系。即給定通風網(wǎng)絡圖G=(V,E)，含有n個節(jié)點V={v1,v2,...,vn}，通風網(wǎng)絡圖G可由鄰接矩陣A(G)=(aij)表示，其中viadjvj時aij=1，vinadjvj時aij=0，adj表示鄰接，nadj表示不鄰接[18-19]。因此，可以將圖的結(jié)構數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鄰接矩陣，而圖的結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值則可用一個帶有權值的鄰接矩陣來表示。通過編碼，最終MATLAB輸出帶有權值(分支風量值)的鄰接矩陣A(G)為：

2.2 鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為礦井通風網(wǎng)絡圖

MATLAB生物信息工具箱(Bioinformatics Toolbox)biograph函數(shù)用于創(chuàng)建有向圖對象，可用來將帶有權值的鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為一個包含有物理圖形數(shù)據(jù)和分支權值的通風網(wǎng)絡圖對象，然后利用MATLAB的view函數(shù)顯示biograph函數(shù)創(chuàng)建的通風網(wǎng)絡圖對象，即完成帶有權值的鄰接矩陣向礦井通風網(wǎng)絡圖的轉(zhuǎn)化。則可得到自動繪制的通風網(wǎng)絡圖(見圖1)。

3 實例應用

云南省某機械化改造升級礦井，設計生產(chǎn)能力為15萬t/a，服務年限19.5 a，為低瓦斯礦井，采用中央并列式通風方式，機械抽出式通風方法。該礦投產(chǎn)時進風井筒為主平硐，回風井筒為回風平硐，通風系統(tǒng)見圖2，根據(jù)通風網(wǎng)絡解算程序解算結(jié)果，通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值見表1。按以上基于MATLAB的自動繪制通風網(wǎng)絡圖程序方法讀取表1中通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)及分支權值后，自動繪制該礦通風網(wǎng)絡圖(見圖3)。

表1 某礦通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)和分支權值

圖1 通風網(wǎng)絡

從圖3可知，分支方向基本由上向下，避免了分支交叉，節(jié)點排列整齊，各相鄰節(jié)點之間距離基本一致，分支和節(jié)點分布均勻，生成的網(wǎng)絡圖較美觀，符合一般的使用習慣。另外可根據(jù)通風網(wǎng)絡解算結(jié)果數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡圖對象里邊的集合中，通過程序?qū)⑿柙鲎枵{(diào)節(jié)、采用局部通風機供風等特殊分支以不同顏色標識出來，如圖3中11～13分支為局部通風機供風線路，以綠色線條區(qū)別出來，12～13分支(絞車房)和17～18分支(聯(lián)絡巷)需增阻調(diào)節(jié)，以紅色線條區(qū)別出來，便于通風安全管理人員使用通風網(wǎng)絡圖。

圖2 通風系統(tǒng)

圖3 自動繪制的通風網(wǎng)絡(圖中權值為風量值)

4 結(jié) 論

(1) 在MATLAB7.0及以上版本中，利用MATLAB生物信息工具箱(Bioinformatics Toolbox)biograph函數(shù)和MATLAB的view函數(shù)，可以實現(xiàn)自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖。

(2) 基于MATLAB提出的自動繪制礦井通風網(wǎng)絡圖方法，節(jié)省了通風網(wǎng)絡繪制軟件的編程時間，簡化了編程代碼，降低了編程工作量；生成的通風網(wǎng)絡圖符合繪制要求。

(3) MATLAB具有強大的矩陣運算能力以及方便實用的工具箱，可以節(jié)省傳統(tǒng)計算機編程在通風網(wǎng)絡繪制算法的細節(jié)實現(xiàn)中花費的大量精力，從而使研究人員將節(jié)余精力集中到其他需要解決的問題上。

[1]黃力波，劉彥偉，李志強，等.礦井通風網(wǎng)絡圖[J].焦作工學院學報(自然科學版)，2002,21(1):11-14.

[2]周福寶，王德明，陳開研.礦井通風與空氣調(diào)節(jié)[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2009:126-127.

[3]程 磊，李建雷.礦井通風網(wǎng)絡圖自動繪制技術研究[J].工礦自動化，2014,40(7):36-40.

[4]李湖生.由通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)自動生成曲線網(wǎng)絡圖[J].煤礦安全，1998(1):9-12.

[5]吳 兵，盧本陶，水林娜.用最長路徑發(fā)自動生成通風網(wǎng)絡圖[J].煤礦安全，2006(6):1-3.

[6]鄧立軍，劉 劍.基于分層法的通風網(wǎng)絡圖繪制算法研究[J].計算機工程與應用，2014,50(15):1-6.

[7]劉 劍，宋 瑩，鄧立軍.基于GA與最長路徑并聯(lián)通路法優(yōu)化通風網(wǎng)絡圖繪制[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2014,10(11):77-82.

[8]吳 兵，盧本陶，水林娜.由通風網(wǎng)絡結(jié)構數(shù)據(jù)自動生成通風網(wǎng)絡圖研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2005,1(6):25-28.

[9]于峰濤.礦井通風立體圖及網(wǎng)絡圖自動繪制方法的研究[D].太原:太原理工大學，2007:11-12.

[10]林增勇.礦井通風可視化系統(tǒng)研究與應用[D].武漢:中國地質(zhì)大學，2008:37-38.

[11]楊曉華，孔令泉，等.MATLAB權威指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013:2-3.

[12]郝憲杰，張宏捷，沈 龍，等.通風網(wǎng)絡圖的自動生成研究與實現(xiàn)[J].煤礦現(xiàn)代化，2008(5):48-49.

[13]汶 偉.礦井通風網(wǎng)絡圖簡化及應用分析的研究[D].西安:西安科技大學，2009:15-16.

[14]屈世甲.礦井通風基礎數(shù)據(jù)獲取及網(wǎng)絡圖優(yōu)化方法的研究[D].西安:西安科技大學，2010:46-47.

[15]李湖生.礦井通風網(wǎng)絡圖CAD軟件的研制[J].煤礦安全，1996(10):1-3.

[16]時春香，蔡 峰，黃凱峰.通風網(wǎng)絡自動生成與編輯軟件的研制[J].煤炭科學技術，2012,40(5):89-92.

[17]汪 亮，張 峰，朱華新，等.三河尖礦通風系統(tǒng)網(wǎng)絡圖的自動繪制研究[J].礦業(yè)工程，2007,7(4):60-62.

[18]左孝凌，李為鑑，劉永才.離散數(shù)學[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，1981:287-288.

[19]王孝東，胡乃聯(lián)，譚海林，等.應用圖論算法實現(xiàn)通風網(wǎng)絡可視化[J].金屬礦山，2013(4):116-121.(收稿日期：2016-08-17)

謝勇強(1979-)，男，江西蓮花人，采礦工程師，碩士研究生，研究方向為礦井通風，Email：25687562@qq.com。