基于MATLAB的自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖方法

謝勇強(qiáng)，龔建軍

(1.云南省地方煤礦設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方礦山安全評(píng)價(jià)院， 云南 昆明 650000)

基于MATLAB的自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖方法

謝勇強(qiáng)1，龔建軍2

(1.云南省地方煤礦設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方礦山安全評(píng)價(jià)院， 云南 昆明 650000)

為了簡(jiǎn)化自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的程序設(shè)計(jì)，降低編程工作量，通過(guò)分析礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖自動(dòng)繪制的原理和要求，提出了基于MATLAB的自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖方法，首先采用MATLAB編程將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值轉(zhuǎn)化為帶有權(quán)值的鄰接矩陣，然后利用biograph函數(shù)讀取帶有權(quán)值的鄰接矩陣并創(chuàng)建通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)象，最后由view函數(shù)輸出顯示礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。結(jié)果表明：采用MATLAB程序可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，程序源代碼編寫(xiě)簡(jiǎn)潔，編程工作量??；生成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖符合繪制要求。

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖；鄰接矩陣；MATLAB

0 引 言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是十分復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，巷道數(shù)目多、縱橫交錯(cuò)、上下重疊，相互關(guān)系不易一目了然，直接采用實(shí)際的通風(fēng)系統(tǒng)圖分析通風(fēng)問(wèn)題有很多不便[1]。為了克服這些缺點(diǎn)，用反映巷道空間關(guān)聯(lián)的單線條來(lái)表示通風(fēng)系統(tǒng)中各風(fēng)流(道)的分合關(guān)系，將通風(fēng)系統(tǒng)圖抽象成點(diǎn)與線集合的網(wǎng)狀線路示意圖，即為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖[2]。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是通風(fēng)管理的重要圖件之一，也是進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算或優(yōu)化調(diào)節(jié)計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，繪圖困難且繁瑣，易出錯(cuò)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員嘗試采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖繪制算法進(jìn)行了研究，提出了最長(zhǎng)通路法[4]和最長(zhǎng)路徑法[5]，但是這兩種算法繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖均存在較明顯的缺陷，需要頻繁地搜索任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最長(zhǎng)通路，繪制的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖也不美觀[6]。為解決這些問(wèn)題，有研究人員在最長(zhǎng)路徑法的基礎(chǔ)上提出了分層法繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖[6]，以及結(jié)合分層法、最長(zhǎng)路徑法和遺傳算法提出的優(yōu)化算法[7]，但是改進(jìn)后的算法復(fù)雜。以上這些算法一般利用VB、C++、C#等高級(jí)程序語(yǔ)言編制[7-10]，編程復(fù)雜，程序代碼冗長(zhǎng)難懂，編程工作量大，且多為商業(yè)軟件，給科研、設(shè)計(jì)及礦井工作人員帶來(lái)不便。

美國(guó)MathWorks公司推出的MATLAB是國(guó)際上被廣泛接受和使用的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，是一種集數(shù)值運(yùn)算與符號(hào)運(yùn)算、數(shù)據(jù)可視化圖形表示與圖形界面設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、仿真等多種功能于一體的集成軟件，具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、編程效率高，交互性好、使用方便，強(qiáng)大的繪圖能力、便于數(shù)據(jù)可視化，領(lǐng)域廣泛的工具箱、便于眾多學(xué)科直接使用，開(kāi)放性好、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)[11]。

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

1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖自動(dòng)繪制原理

1.1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的繪制要求

采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖需包含節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，以及分支的風(fēng)流方向和權(quán)值，生成的網(wǎng)路圖需人工編輯部分應(yīng)盡可能少，生成的網(wǎng)絡(luò)圖美觀，符合一般的使用習(xí)慣。具體要求為：

(1) 用一個(gè)進(jìn)風(fēng)節(jié)點(diǎn)代替所有進(jìn)風(fēng)節(jié)點(diǎn)，布置在網(wǎng)絡(luò)圖的最下(上)邊，用一個(gè)出風(fēng)節(jié)點(diǎn)代替所有出風(fēng)節(jié)點(diǎn)，布置在網(wǎng)絡(luò)圖的最上(下)邊；

(2) 分支方向基本都應(yīng)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(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)有一定的間距，分支與其他分支之間應(yīng)有一定的間距[12]；

(5) 圖的幾何形狀不唯一，可畫(huà)成長(zhǎng)方形、橢圓形和圓形等[2]；

(6) 節(jié)點(diǎn)一般用小圓點(diǎn)或者小圓圈表示[13-14]；

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

1.2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖自動(dòng)繪制原理

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中包含了：圖的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[15-17]，即分支與節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系；與分支相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，即權(quán)值[17]，以下稱(chēng)“分支權(quán)值”；物理圖形數(shù)據(jù)[15-17]，即滿(mǎn)足前述繪制要求的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中圖幅、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、分支形狀等數(shù)據(jù)。

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖自動(dòng)繪制的實(shí)質(zhì)是將圖的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理圖形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圖形化物理圖形數(shù)據(jù)和分支權(quán)值的過(guò)程。即根據(jù)分支和節(jié)點(diǎn)及其聯(lián)系，自動(dòng)確定圖幅、節(jié)點(diǎn)位置、分支形狀，使網(wǎng)絡(luò)圖滿(mǎn)足一定的繪制要求，并在分支上顯示權(quán)值，如分支風(fēng)量值，最后將物理圖形數(shù)據(jù)和分支權(quán)值以圖的形式直觀顯示出來(lái)。

2 MATLAB自動(dòng)繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.1 圖的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值處理

首先將節(jié)點(diǎn)、分支編號(hào)、分支風(fēng)量、風(fēng)阻、風(fēng)壓等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值儲(chǔ)存在矩陣中，矩陣的行為分支，矩陣的列為分支編號(hào)、分支始節(jié)點(diǎn)、分支末節(jié)點(diǎn)、分支風(fēng)量、風(fēng)阻、風(fēng)壓等，并依次排列。該矩陣包含了圖的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為了便于biograph函數(shù)計(jì)算，需將這些數(shù)據(jù)處理為能表示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的矩陣。

根據(jù)圖論的定義，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖為一有向圖，可用鄰接矩陣表示分支與節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系。即給定通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖G=(V,E)，含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)V={v1,v2,...,vn}，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖G可由鄰接矩陣A(G)=(aij)表示，其中viadjvj時(shí)aij=1，vinadjvj時(shí)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(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鄰接矩陣，而圖的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值則可用一個(gè)帶有權(quán)值的鄰接矩陣來(lái)表示。通過(guò)編碼，最終MATLAB輸出帶有權(quán)值(分支風(fēng)量值)的鄰接矩陣A(G)為：

2.2 鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

MATLAB生物信息工具箱(Bioinformatics Toolbox)biograph函數(shù)用于創(chuàng)建有向圖對(duì)象，可用來(lái)將帶有權(quán)值的鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為一個(gè)包含有物理圖形數(shù)據(jù)和分支權(quán)值的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)象，然后利用MATLAB的view函數(shù)顯示biograph函數(shù)創(chuàng)建的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)象，即完成帶有權(quán)值的鄰接矩陣向礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖的轉(zhuǎn)化。則可得到自動(dòng)繪制的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖1)。

3 實(shí)例應(yīng)用

云南省某機(jī)械化改造升級(jí)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15萬(wàn)t/a，服務(wù)年限19.5 a，為低瓦斯礦井，采用中央并列式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。該礦投產(chǎn)時(shí)進(jìn)風(fēng)井筒為主平硐，回風(fēng)井筒為回風(fēng)平硐，通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)圖2，根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序解算結(jié)果，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值見(jiàn)表1。按以上基于MATLAB的自動(dòng)繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖程序方法讀取表1中通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及分支權(quán)值后，自動(dòng)繪制該礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖3)。

表1 某礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分支權(quán)值

圖1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

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(diǎn)排列整齊，各相鄰節(jié)點(diǎn)之間距離基本一致，分支和節(jié)點(diǎn)分布均勻，生成的網(wǎng)絡(luò)圖較美觀，符合一般的使用習(xí)慣。另外可根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)象里邊的集合中，通過(guò)程序?qū)⑿柙鲎枵{(diào)節(jié)、采用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)等特殊分支以不同顏色標(biāo)識(shí)出來(lái)，如圖3中11～13分支為局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)線路，以綠色線條區(qū)別出來(lái)，12～13分支(絞車(chē)房)和17～18分支(聯(lián)絡(luò)巷)需增阻調(diào)節(jié)，以紅色線條區(qū)別出來(lái)，便于通風(fēng)安全管理人員使用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)

圖3 自動(dòng)繪制的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)(圖中權(quán)值為風(fēng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。

(2) 基于MATLAB提出的自動(dòng)繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖方法，節(jié)省了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)繪制軟件的編程時(shí)間，簡(jiǎn)化了編程代碼，降低了編程工作量；生成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖符合繪制要求。

(3) MATLAB具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力以及方便實(shí)用的工具箱，可以節(jié)省傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)繪制算法的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)中花費(fèi)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(wèn)題上。

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謝勇強(qiáng)(1979-)，男，江西蓮花人，采礦工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井通風(fēng)，Email：25687562@qq.com。