通风网络拓扑关系的自动生成
关键字：
通风网络；拓扑关系；自动建立
浏览次数：2005发表时间：2015-05-29 00:00:00.0
刘云岗 魏连江 李晓峰
(中国矿业大学，江苏徐州221008)
摘要：通风网络拓扑关系的自动建立与管理是仿真系统在矿井通风中推广应用的关键技术。在深入研究通风网络拓扑理论的基础上，提出假、真拓扑通风网络的概念，并实现了拓扑关系的自动生成。通风网络拓扑关系的自动建立可以节省大量的人力，提高工作效率，提高数据的一致性。
关键词：通风网络；拓扑关系；自动建立
中图分类号：TD 725 文献标识码：A 文章编号：1671—8550(2009)01—0047 03
Realization of automatic establishment of ventilation network topology relationships
LIU Yun-gang, WEI Lian-jiang, LI Xiao-feng
(China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China)
Abstract: The realization of Automatic Establishment of Ventilation Network Topology Relationships is key technology in Mine ventilation. This study is based on the research of topological theory of ventilation network, the concept of The False Topology Ventilation Network and True Ventilation Network are put off, implemented the automatic Generation of Ventilation Network Topology Relationships. Using this method, there are great computing work and coming amiss easily. It can save financial resources and greatly improve work efficiency , especially the consistency of the database.
Key words: ventilation network; topology relationships; automatic generation
l 概述
在深入研究通风网络拓扑理论的基础上，提出了假、真拓扑通风网络的概念，并给出了自动生成思路及基于真拓扑通风网络自动生成通风网络图的解决办法，从理论上解释了风网解算后会出现反向分支的原因，对于通风网络拓扑的认识更深入。
2 通风网络拓扑理论研究
在通风仿真或网络优化时都要使用通风网络图，传统的作法是手工画网络图，工作量大且容易出错[2～3]，故许多学者研究并实现了通风网络图的自动生成[1,3,6,7]。但自动生成的通风网络图真的能反映通风网络的拓扑关系吗?为何网络解算过程中会出现风流反向?在建立通风网络拓扑关系时，需要建立风流方向的拓扑关系吗?本文将用拓扑理论对此进行研究与探讨。
拓扑反映了空间实体之间不随实体的连续变形而改变的、与量度和方向无关的一种空间关系，该关系称为拓扑关系。通风系统中拓扑元素较多，如节点、巷道、通风动力装置和构筑物等。通风系统主要包括点状和线状要素，即节点、通风动力装置、构筑物和分支。节点是指分支的端点，分支是指两个节点问的有序折线段。
2．1 矿井通风系统中的拓扑关系及相关概念
矿井通风网络的模型反映的是各巷道之间的拓扑连接关系，在逻辑上把通风网络视为巷道在节点处连接而成的，每条巷道对应始末两个节点，如果两条巷道共有一个节点则表示其在共有节点处连接，多条巷道也可共有一个节点：
——分支与节点拓扑关系。一条分支对应始、末节点，分支的方向由始节点指向末节点，两条分支相交处均设置节点。在矿井通风系统中不存在孤立的节点，同时也不存在孤立的分支。节点将整个矿井通风系统中分支连接在一起，如果分支方向发生改变，则拓扑关系也随之发生改变。
——分支与构筑物、通风动力装置拓扑关系。构筑物或通风动力装置只属于一条分支，如果一条分支被删除，与其对应的构筑物和通风动力装置将会被删除。若删除一个构筑物或通风动力装置时，相应的分支要与被删除对象解除关系。
为研究方便，提出和定义以下概念：1)假拓扑分支：不能确定某条分支的风流方向，可以暂且假定一个风流方向，但可以确定与通风网络的连接关系；2)真拓扑分支：可以确定某条分支的风流方向，并且可以确定与通风网络的连接关系；3)假拓扑通风网络：含有假拓扑分支的通风网络；4)真拓扑通风网络：不含有假拓扑分支的通风网络；5)虚拓扑通风网络：是基于复合分支(将串联和并联子网简化为复合分支)和参数等效变换简化后的通风网络(与真实模型不同)，虚拓扑是对风网的操作，忽略通风网络的细节和不重要的特征，可提高风网的解算效率。
2．2各种拓扑通风网络的作用
由于自动生成的拓扑通风网络一般是假拓扑通风网络。含有假拓扑分支(没有正确反映分支风流方向)在风流解算时会出现风流反向，因此不能反映真实的通风网络拓扑关系。通过网络解算后，修正假拓扑分支的始末节点，可确定与通风网络的真正拓扑关系(主要指风流方向，含连接关系)"则假拓扑分支就转为真拓扑分支。
假拓扑通风网络反映了分支的连接关系，但没有真正反映风流方向，可用来进行风网解算，但不能用来生成通风网络图和找通路。假拓扑通风网络通过网络解算，将假拓扑分支都转为真拓扑分支后，假拓扑通风网络可转为真拓扑通风网络。
真拓扑通风网络正确地反映了分支问的连接关系和风流方向，可作为风网解算的基础。基于真拓扑通风网络可采用最长通路法自动生成通风网络图[8]。
虚拓扑通风网络是基于复合分支和参数等效变换进行了简化。与真实模型不同，基于虚拓扑通风网络可进行通风网络解算，并且可极大提高解算的效率，降低计算复杂度。
有的学者在研究通风网络拓扑关系的自动生成时，提出将风流方向作为拓扑元素，即通风网络的拓扑元素包含风流方向。笔者认为，实际上风流方向是不会独立存在的，与井巷的始、末节点位置有关，因此风流方向拓扑是多余的．将其作为拓扑元素参与通风网络拓扑不妥，而且还容易导致风流方向与井巷的始末节点关系不一致。
2．3通风网络拓扑关系的自动生成[2]
节点与分支是空间中点和线要素在拓扑意义上的表示，建立节点与分支的过程也就是建立两者之间拓扑关系的过程。节点与分支的拓扑关系体现在关联关系上，每条分支都有相应的属性记录分支的始、末节点；每个节点都有一个流人和流出分支的动态数组，记录流入流出该节点的分支。
在存储通风系统数据的时候并不存储拓扑关系，而是打开图形时自动生成拓扑关系，在网络系统发生变化时，要求能实时维护拓扑关系。通风网络拓扑关系的自动建立与维护的具体实现方法：
——建立矿井通风系统单线图数据(可从CAD图导人，点坐标包括X、Y、Z坐标)。
——遍历所有巷道，如果一条巷道与其它巷道相交(在三维空问里判断是否相交)并且交点不与该巷道的始、末节点重合；如果该交点处无风桥则该巷道从交点处分割为两条巷道，建立相应的假节点，除了与长度相关的属性外，其它所有的巷道特征和属性都可从原巷道继承。使用最小外接矩形(Minimum Bounding Rectangle)进行相交等关系的快速判断，可极大地减少处理时间。相互跨越的巷道可以不做任何处理。
——节点匹配，建立节点、分支关系，进行邻近节点的合并。在建立分支拓扑关系时需使用统一节点，因此要进行节点匹配。所有巷道的始、末点，如果节点集合为空则往节点集合加入该点并对所加节点进行编号i否则将该点与集合中所有的节点比较，如果该点与集合中所有节点的距离都不小于一个规定的距离，就将该点加入节点集合并对所加节点进行编号；最后所有巷道的始、末节点均获取节点的编号，即建立了节点和巷道的拓扑关系。
——根据构筑物和通风动力装置与巷道的空间位置自动判断它属于哪一条巷道，即建立构筑物和通风动力装置与巷道的拓扑关系。
——生成的通风网络拓扑关系保存在一个文件或数据库中，需要时可从文件或数据库中读取，不需每次风网解算时都重新生成，既使通风系统图发生变化也只需重新生成一次通风网络的拓扑关系即可。
实践证明，上述方法可以动态维护通风网络和自动建立矿井通风系统的拓扑关系，不需绘制网络图，就可进行矿井通风系统的计算，如风网解算、风流调节等。
3 结语
本文提出了假、真和虚拓扑通风网络的概念，从通风网络拓扑理论方面解释了风网解算后会出现反向分支的原因，并给出了假、真拓扑通风网络的自动生成思路和基于真拓扑通风网络自动生成通风网络图的解决办法，对通风网络拓扑理论和应用的发展具有重要意义。
参考文献：
[1] 苏清政．刘剑．矿井通风仿真系统理论与实践．煤矿工业出版社．2006—05．
[2] 魏连江，王德明等．构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题研究[J]．《煤矿安全》．2007(7)．
[3] 倪景峰．矿井通风仿真系统可视化研究[D]．辽宁工程技术大学，2004．
[4] 魏连江，王德明．基于构件的矿井通风安全管理系统的开发研究[J]．《中国矿业》，2006(12)．
[5] 周福宝．王德明．网络解算分支反向原因剖析及调节[J]．《矿业安全与环保》。2000(4)．
[6] 倪景峰，刘剑，李雨成．矿井通风网络可视化拓扑关系建立和维护[J]．《辽宁工程技术大学学报》，2004(12)．
[7] 段东．矿井通风系统拓扑关系自动生成的研究及风网解算[D]．辽宁工程技术大学，2005．
[8] 吴兵，卢本陶，水林娜．用最长路径法自动生成通风网络图[J]．《煤矿安全》，2006(6)．
基金项目：中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，开放基金项目(07KF07)。
收稿日期：2008—08—20
作者简介：刘云岗(1976—)，男(汉族)，山西襄汾人，山西潞安环能股份常村煤矿助理工程师，主要从事煤矿技术方面工作。
