復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法及系統

本發明屬于礦山，具體涉及一種復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法及系統。

背景技術：

1、隨著經濟技術的發展和人們生活水平的提高，人們對于礦山安全問題也日益關注。礦井通風網絡對于礦山安全至關重要。因此，對于礦井通風網絡的建模，就顯得意義重大。

2、現階段，礦井通風網絡一般都為極其復雜的通風網絡，其分支數有數千條甚至上萬條。如此復雜的通風網絡，對建模系統的運行響應性能和實時計算性能都提出了較高要求。為了降低礦井通風網絡的建模難度，現階段的建模方案，一般都需要在等效風阻計算的基礎上對礦井通風網絡進行等效簡化。

3、目前，現有的多種礦井通風網絡簡化方法，都是采用的基于串聯子網、并聯子網和角聯子網等效風阻計算的簡化思路。這類方案，雖然能夠采用嵌套子網的方式對礦井通風網絡進行復合簡化，但是礦井復雜通風網絡的實際拓撲連接關系存在較多非簡單型的子網（即非串聯子網、非并聯子網和非角聯子網），現有方案中基于簡單型子網的通風網絡簡化方法，在實際應用時難以滿足礦井復雜通風網絡的簡化要求，而且其簡化的結果也存在可靠性差、精確性差的問題。

技術實現思路

1、本發明的目的之一在于提供一種可靠性高、精確性好且效率較高的復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法。

2、本發明的目的之二在于提供一種實現所述復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法的系統。

3、本發明提供的這種復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法，包括如下步驟：

4、s1.?獲取目標礦井通風網絡的數據信息；所述的數據信息包括目標礦井通風網絡的巷道節點信息、巷道分支信息、裝機位置信息和風量信息；

5、s2.?根據步驟s1獲取的數據信息，對目標礦井通風網絡的網絡分支進行屬性設定；所述的屬性設定包括：對網絡分支和各個節點進行定義和分類，設定不可簡化分支，設定可簡化子網的特征，并根據設定的可簡化子網的特征進行可簡化子網的判定；

6、所述的可簡化子網的特征，具體為：若一個子網包括如下特征，則該子網為可簡化子網：特征1：有且僅有一個入風節點；特征2：有且僅有一個出風節點；特征3：子網中的所有分支均為可簡化分支；特征4：除了入風節點和出風節點外，子網中的其他任意節點所關聯的所有分支均在子網內；特征5：子網的入度數等于子網的出度數，且等于子網的分支數；特征6：子網中的所有分支均為出風節點的父分支，或者子網中的所有分支均為入風節點的子分支；

7、s3.?根據步驟s2的定義結果，基于圖論構建目標礦井通風網絡的拓撲結構，并基于有向樹理論對目標礦井通風網絡進行子網簡化；

8、s4.?根據步驟s3得到的子網簡化結果，采用能量守恒原理，計算得到節點間的等效風阻；

9、s5.?根據步驟s4得到的等效風阻，采用等效風阻分支替換目標礦井通風網絡的對應分支，并建立對應的等效映射關系，完成目標復雜礦井通風網絡的快速等效簡化。

10、所述的步驟s2，具體包括如下步驟：

11、將目標礦井通風網路的網絡分支分為巷道分支、構筑物巷道分支、裝機巷道分支、固定風量分支和固定風壓分支；

12、將目標礦井通風網絡作為一個網絡，并將網絡中的子網用入風節點in和出風節點out表示為；

13、入風節點定義為子網的源節點，且每個子網有且僅有一個入風節點；

14、出風節點定義為子網的匯點，且每個子網有且僅有一個出風節點；

15、子網中除入風節點和出風節點外，均為內部節點，且每個子網至少包括一個內部節點；

16、與入風節點鄰接的分支為入風分支，與出風節點鄰接的分支為出風分支；

17、有源子網定義為包含裝機巷道分支、固定風量分支或固定分壓分支的子網；

18、無源子網定義為不包含裝機巷道分支、固定風量分支和固定分壓分支的子網；

19、根據目標礦井通風網絡的簡化要求，設定不可簡化分支；將包含不可簡化分支的子網定義為不可簡化子網；除去不可簡化分支，剩余的分支均為可簡化分支；

20、當某子網中包含可簡化子網，則該子網定義為嵌套可簡化子網。

21、所述的步驟s3，具體包括如下步驟：

22、根據目標礦井通風網路的簡化要求，直接設定目標礦井通風網路中的局部可簡化區域，并采用如下規則對設定的局部可簡化區域進行判定，并對判定為可簡化區域的網絡進行簡化：

23、規則：子網中有且僅有一個入風節點和一個出風節點，且子網的入度數等于子網的出度數且等于子網的分支數，而且子網中的所有分支均為可簡化分支。

24、所述的步驟s3，具體包括如下步驟：

25、遍歷目標礦井通風網路的所有節點對，采用如下規則判斷所有節點對是否滿足簡化要求；移除嵌套可簡化子網后，將滿足簡化要求的節點對所對應的網絡作為最終的可簡化子網，并進行簡化；

26、規則：子網中有且僅有一個入風節點和一個出風節點，且子網的入度數等于子網的出度數且等于子網的分支數，而且子網中的所有分支均為可簡化分支。

27、所述的步驟s3，具體包括如下步驟：

28、a.?目標礦井通風網絡初始化：建立節點-分支鄰接關系，得到通風網絡圖g為，其中edge為巷道分支集合，node為巷道節點集合；將所有的進風巷道分支、出風巷道分支設置為不可簡化分支，同時根據簡化要求設定其他的不可簡化分支；

29、b.?有向樹構造：采用廣度優先搜索方法，遍歷目標礦井通風網絡，得到有向樹圖tree；在遍歷過程中，根據廣度優先遍歷的順序，對目標礦井同風網絡的所有節點進行排序，得到有序節點集合，同時記錄所有節點的節點深度和對應的直接繼承父分支；所述的直接繼承父分支包括有向樹分支和非有向樹分支；

30、c.?有序節點集合的遍歷：針對步驟b得到的有序節點集合，從最后一個節點開始，采用廣度優先搜索方法，反向對步驟b構造的有向樹進行遍歷，得到第二有序節點集合；針對第二有序節點集合，將節點的訪問狀態分為未訪問狀態和已訪問狀態，初始標記所有節點的訪問狀態為未訪問狀態；分支的訪問狀態分為未訪問狀態和已訪問狀態，初始標記所有分支的訪問狀態為未訪問狀態；

31、d.?節點訪問狀態的判斷：遍歷第i個節點，判斷節點的訪問狀態：若的訪問狀態為已訪問狀態，則遍歷下一個節點；若的訪問狀態為未訪問狀態，則將的訪問狀態設置為已訪問狀態，并執行步驟e；最終，直至所有節點均遍歷完畢；

32、e.?有向樹回溯：將第i個節點作為出風節點，采用廣度優先搜索方法，逆向遍歷有向樹圖tree中的直接繼承父分支；若某條直接繼承父分支為不可簡化分支或分支訪問狀態為已訪問狀態，則不再繼續遍歷其他直接繼承父分支；

33、f.?根節點計算：在步驟e的回溯過程中，記錄所有直接繼承父分支的根節點個數；

34、g.?當根節點個數為1，則將該根節點作為入風節點，并判斷入風節點與出風節點所構成的節點對是否滿足如下規則：

35、若滿足，則將對應的節點對作為備選的可簡化子網；

36、若不滿足，則返回步驟e繼續執行有向樹回溯的過程；

37、規則：節點對所對應的子網中有且僅有一個入風節點和一個出風節點，且子網中的所有分支均為出風節點的父分支，且子網中的所有分支均為可簡化分支；

38、h.?內嵌子網移除：有向樹回溯遍歷完成后，對于得到的所有備選的可簡化子網，采用如下規則對備選的可簡化子網進行內嵌判定，并將判定為內嵌子網的所有子網移除，得到所有以第i個節點作為出風節點的可簡化子網集合，并將集合中所有分支的分支訪問狀態設定為已訪問狀態；

39、規則：當第一子網的入風節點的節點深度不大于第二子網的入風節點的節點深度，且第一子網的出風節點的節點深度不小于第二子網的入風節點的節點深度時，第二子網判定為第一子網的子網，第二子網稱為第一子網的嵌套子網；

40、i.?得到以第i個節點作為出風節點的可簡化子網集合后，返回步驟e，并進行下一個節點的遍歷和判定，直至所有節點均遍歷完畢；最終得到目標礦井通風網絡的所有可簡化子網集合。

41、所述的步驟s4，具體包括如下步驟：

42、針對可簡化子網集合中的第j個可簡化子網，構造一條由可簡化子網的出風節點指向可簡化子網的入風節點的虛擬分支，并將該虛擬分支的風阻設為0；

43、將虛擬分支設置為固定風量分支，并設定固定風量值；

44、將由虛擬分支和可簡化子網構成的連通網絡作為新的通風網絡；設定風量迭代誤差；采用通風網絡解算方法，對通風網絡進行風量分配的計算；

45、計算固定風量分支的增能功率為，其中為虛擬分支的不平衡風壓值，為虛擬分支的風量值；

46、計算等效風阻分支的損失功率為，其中為簡化分支的等效風阻值，為簡化分支的風量值，且；

47、根據能量守恒定律，存在；因此，計算得到簡化分支的等效風阻值為。

48、所述的步驟s5，具體包括如下步驟：

49、針對第j個可簡化子網和對應的等效風阻值，從入風節點為起點，以出風節點為終點，采用迪杰斯特拉最短路徑算法確定一條有向最短路徑，并根據簡化原則調整該有向最短路徑；

50、構造一條由入風節點指向出風節點的等效風阻分支，使得該等效風阻分支經過得到的有向最短路徑，并將該等效風阻分支的風阻值設定為等效風阻值；

51、采用等效風阻分支替換可簡化子網，并建立等效風阻分支與對應的可簡化子網之間的等效映射關系；

52、完成所有可簡化子網的等效映射關系的建立，完成目標復雜礦井通風網絡的快速等效簡化。

53、本發明還公開了一種實現所述復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法的系統，包括數據獲取模塊、屬性設定模塊、子網簡化模塊、風阻計算模塊和等效簡化模塊；數據獲取模塊、屬性設定模塊、子網簡化模塊、風阻計算模塊和等效簡化模塊依次串接；數據獲取模塊用于獲取目標礦井通風網絡的數據信息，所述的數據信息包括目標礦井通風網絡的巷道節點信息、巷道分支信息、裝機位置信息和風量信息，并將數據信息上傳屬性設定模塊；屬性設定模塊用于根據接收到的數據信息，根據獲取的數據信息，對目標礦井通風網絡的網絡分支進行屬性設定；所述的屬性設定包括：對網絡分支和各個節點進行定義和分類，設定不可簡化分支，設定可簡化子網的特征，并根據設定的可簡化子網的特征進行可簡化子網的判定，并將數據信息上傳子網簡化模塊；子網簡化模塊用于根據接收到的數據信息，根據定義結果，基于圖論構建目標礦井通風網絡的拓撲結構，并基于有向樹理論對目標礦井通風網絡進行子網簡化，并將數據信息上傳風阻計算模塊；風阻計算模塊用于根據接收到的數據信息，根據得到的子網簡化結果，采用能量守恒原理，計算得到節點間的等效風阻，并將數據信息上傳等效簡化模塊；等效簡化模塊用于根據接收到的數據信息，根據得到的等效風阻，采用等效風阻分支替換目標礦井通風網絡的對應分支，并建立對應的等效映射關系，完成目標復雜礦井通風網絡的快速等效簡化。

54、本發明提供的這種復雜礦井通風網絡的快速等效簡化方法及系統，基于有向樹理論進行子網簡化，通過能量守恒原理進行等效風阻的計算，以及進行等效風阻分支和簡化分支的對應和映射關系的建立，最終實現復雜礦井通風網絡的快速等效簡化；因此本發明能夠實現任意復雜礦井通風網絡的快速等效簡化，能夠處理非簡單型的子網的簡化，同時也實現了網絡簡化過程的優化和效率提升，而且可靠性更高，精確性更好，效率更高。