谢勇强，龚建军

(1.云南省地方煤矿设计研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方矿山安全评价院， 云南 昆明 650000)

基于MATLAB的自动绘制矿井通风网络图方法

谢勇强1，龚建军2

(1.云南省地方煤矿设计研究院， 云南 昆明 650000； 2.云南地方矿山安全评价院， 云南 昆明 650000)

为了简化自动绘制矿井通风网络图的程序设计，降低编程工作量，通过分析矿井通风网络图自动绘制的原理和要求，提出了基于MATLAB的自动绘制矿井通风网络图方法，首先采用MATLAB编程将通风网络结构数据和分支权值转化为带有权值的邻接矩阵，然后利用biograph函数读取带有权值的邻接矩阵并创建通风网络图对象，最后由view函数输出显示矿井通风网络图。结果表明：采用MATLAB程序可实现自动绘制矿井通风网络图，程序源代码编写简洁，编程工作量小；生成的通风网络图符合绘制要求。

矿井通风网络图；邻接矩阵；MATLAB

0 引 言

矿井通风系统是十分复杂的立体结构，巷道数目多、纵横交错、上下重叠，相互关系不易一目了然，直接采用实际的通风系统图分析通风问题有很多不便[1]。为了克服这些缺点，用反映巷道空间关联的单线条来表示通风系统中各风流(道)的分合关系，将通风系统图抽象成点与线集合的网状线路示意图，即为通风网络图[2]。矿井通风网络图是通风管理的重要图件之一，也是进行通风网络解算或优化调节计算的基础，对于矿井的安全管理十分重要[3]。

以往通常采用手工绘制矿井通风网络图，绘图困难且繁琐，易出错。随着计算机科学技术的发展，研究人员尝试采用计算机自动绘制通风网络图，对通风网络图绘制算法进行了研究，提出了最长通路法[4]和最长路径法[5]，但是这两种算法绘制通风网络图均存在较明显的缺陷，需要频繁地搜索任意两个节点之间的最长通路，绘制的通风网络图也不美观[6]。为解决这些问题，有研究人员在最长路径法的基础上提出了分层法绘制通风网络图[6]，以及结合分层法、最长路径法和遗传算法提出的优化算法[7]，但是改进后的算法复杂。以上这些算法一般利用VB、C++、C#等高级程序语言编制[7-10]，编程复杂，程序代码冗长难懂，编程工作量大，且多为商业软件，给科研、设计及矿井工作人员带来不便。

美国MathWorks公司推出的MATLAB是国际上被广泛接受和使用的科学与工程计算软件，是一种集数值运算与符号运算、数据可视化图形表示与图形界面设计、程序设计、仿真等多种功能于一体的集成软件，具有语言简洁、编程效率高，交互性好、使用方便，强大的绘图能力、便于数据可视化，领域广泛的工具箱、便于众多学科直接使用，开放性好、便于扩展等特点[11]。

因此，为了简化通风网络图自动绘制程序代码，降低编程工作量，本文基于MATLAB的特点，提出了一种高效快捷的自动绘制矿井通风网络图的方法。

1 矿井通风网络图自动绘制原理

1.1 矿井通风网络图的绘制要求

采用计算机自动生成通风网络图需包含节点之间的关系，以及分支的风流方向和权值，生成的网路图需人工编辑部分应尽可能少，生成的网络图美观，符合一般的使用习惯。具体要求为：

(1) 用一个进风节点代替所有进风节点，布置在网络图的最下(上)边，用一个出风节点代替所有出风节点，布置在网络图的最上(下)边；

(2) 分支方向基本都应由下向上[8]，或由上至下；

(3) 分支间的交叉尽可能少[8]；

(4) 节点与节点之间应有一定的间距，分支与其他分支之间应有一定的间距[12]；

(5) 图的几何形状不唯一，可画成长方形、椭圆形和圆形等[2]；

(6) 节点一般用小圆点或者小圆圈表示[13-14]；

(7) 网络图只表示出矿井的巷道，但不画出由大气形成的虚拟风道[13-14]。

1.2 矿井通风网络图自动绘制原理

矿井通风网络图中包含了：图的结构数据[15-17]，即分支与节点的连接关系；与分支相关联的参数，即权值[17]，以下称“分支权值”；物理图形数据[15-17]，即满足前述绘制要求的矿井通风网络图中图幅、节点坐标、分支形状等数据。

矿井通风网络图自动绘制的实质是将图的结构数据转化为物理图形数据，然后进行图形化物理图形数据和分支权值的过程。即根据分支和节点及其联系，自动确定图幅、节点位置、分支形状，使网络图满足一定的绘制要求，并在分支上显示权值，如分支风量值，最后将物理图形数据和分支权值以图的形式直观显示出来。

2 MATLAB自动绘制通风网络图

2.1 图的结构数据和分支权值处理

首先将节点、分支编号、分支风量、风阻、风压等通风网络结构数据和分支权值储存在矩阵中，矩阵的行为分支，矩阵的列为分支编号、分支始节点、分支末节点、分支风量、风阻、风压等，并依次排列。该矩阵包含了图的结构数据，为了便于biograph函数计算，需将这些数据处理为能表示通风网络图的矩阵。

根据图论的定义，通风网络图为一有向图，可用邻接矩阵表示分支与节点的连接关系。即给定通风网络图G=(V,E)，含有n个节点V={v1,v2,...,vn}，通风网络图G可由邻接矩阵A(G)=(aij)表示，其中viadjvj时aij=1，vinadjvj时aij=0，adj表示邻接，nadj表示不邻接[18-19]。因此，可以将图的结构数据转化为邻接矩阵，而图的结构数据和分支权值则可用一个带有权值的邻接矩阵来表示。通过编码，最终MATLAB输出带有权值(分支风量值)的邻接矩阵A(G)为：

2.2 邻接矩阵转化为矿井通风网络图

MATLAB生物信息工具箱(Bioinformatics Toolbox)biograph函数用于创建有向图对象，可用来将带有权值的邻接矩阵转化为一个包含有物理图形数据和分支权值的通风网络图对象，然后利用MATLAB的view函数显示biograph函数创建的通风网络图对象，即完成带有权值的邻接矩阵向矿井通风网络图的转化。则可得到自动绘制的通风网络图(见图1)。

3 实例应用

云南省某机械化改造升级矿井，设计生产能力为15万t/a，服务年限19.5 a，为低瓦斯矿井，采用中央并列式通风方式，机械抽出式通风方法。该矿投产时进风井筒为主平硐，回风井筒为回风平硐，通风系统见图2，根据通风网络解算程序解算结果，通风网络结构数据和分支权值见表1。按以上基于MATLAB的自动绘制通风网络图程序方法读取表1中通风网络结构数据及分支权值后，自动绘制该矿通风网络图(见图3)。

表1 某矿通风网络结构数据和分支权值

图1 通风网络

从图3可知，分支方向基本由上向下，避免了分支交叉，节点排列整齐，各相邻节点之间距离基本一致，分支和节点分布均匀，生成的网络图较美观，符合一般的使用习惯。另外可根据通风网络解算结果数据，在网络图对象里边的集合中，通过程序将需增阻调节、采用局部通风机供风等特殊分支以不同颜色标识出来，如图3中11～13分支为局部通风机供风线路，以绿色线条区别出来，12～13分支(绞车房)和17～18分支(联络巷)需增阻调节，以红色线条区别出来，便于通风安全管理人员使用通风网络图。

图2 通风系统

图3 自动绘制的通风网络(图中权值为风量值)

4 结 论

(1) 在MATLAB7.0及以上版本中，利用MATLAB生物信息工具箱(Bioinformatics Toolbox)biograph函数和MATLAB的view函数，可以实现自动绘制矿井通风网络图。

(2) 基于MATLAB提出的自动绘制矿井通风网络图方法，节省了通风网络绘制软件的编程时间，简化了编程代码，降低了编程工作量；生成的通风网络图符合绘制要求。

(3) MATLAB具有强大的矩阵运算能力以及方便实用的工具箱，可以节省传统计算机编程在通风网络绘制算法的细节实现中花费的大量精力，从而使研究人员将节余精力集中到其他需要解决的问题上。

[1]黄力波，刘彦伟，李志强，等.矿井通风网络图[J].焦作工学院学报(自然科学版)，2002,21(1):11-14.

[2]周福宝，王德明，陈开研.矿井通风与空气调节[M].北京：中国矿业大学出版社，2009:126-127.

[3]程 磊，李建雷.矿井通风网络图自动绘制技术研究[J].工矿自动化，2014,40(7):36-40.

[4]李湖生.由通风网络结构数据自动生成曲线网络图[J].煤矿安全，1998(1):9-12.

[5]吴 兵，卢本陶，水林娜.用最长路径发自动生成通风网络图[J].煤矿安全，2006(6):1-3.

[6]邓立军，刘 剑.基于分层法的通风网络图绘制算法研究[J].计算机工程与应用，2014,50(15):1-6.

[7]刘 剑，宋 莹，邓立军.基于GA与最长路径并联通路法优化通风网络图绘制[J].中国安全生产科学技术，2014,10(11):77-82.

[8]吴 兵，卢本陶，水林娜.由通风网络结构数据自动生成通风网络图研究[J].中国安全生产科学技术，2005,1(6):25-28.

[9]于峰涛.矿井通风立体图及网络图自动绘制方法的研究[D].太原:太原理工大学，2007:11-12.

[10]林增勇.矿井通风可视化系统研究与应用[D].武汉:中国地质大学，2008:37-38.

[11]杨晓华，孔令泉，等.MATLAB权威指南[M].北京：机械工业出版社，2013:2-3.

[12]郝宪杰，张宏捷，沈 龙，等.通风网络图的自动生成研究与实现[J].煤矿现代化，2008(5):48-49.

[13]汶 伟.矿井通风网络图简化及应用分析的研究[D].西安:西安科技大学，2009:15-16.

[14]屈世甲.矿井通风基础数据获取及网络图优化方法的研究[D].西安:西安科技大学，2010:46-47.

[15]李湖生.矿井通风网络图CAD软件的研制[J].煤矿安全，1996(10):1-3.

[16]时春香，蔡 峰，黄凯峰.通风网络自动生成与编辑软件的研制[J].煤炭科学技术，2012,40(5):89-92.

[17]汪 亮，张 峰，朱华新，等.三河尖矿通风系统网络图的自动绘制研究[J].矿业工程，2007,7(4):60-62.

[18]左孝凌，李为鑑，刘永才.离散数学[M].上海：上海科学技术文献出版社，1981:287-288.

[19]王孝东，胡乃联，谭海林，等.应用图论算法实现通风网络可视化[J].金属矿山，2013(4):116-121.(收稿日期：2016-08-17)

谢勇强(1979-)，男，江西莲花人，采矿工程师，硕士研究生，研究方向为矿井通风，Email：25687562@qq.com。