多风机多级机站通风网络解算方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及矿井通风领域，尤其涉及一种多风机多级机站通风网络解算方法、装置及存储介质。

背景技术：

随着采矿工业的发展，矿床开采的规模越来愈大，尤其是多风机多级机站通风方法的应用，矿井通风系统的规模也随之扩大，复杂性随之提高。

相关技术中，许多矿山由于风机管理混乱，出现极其严重的井下循环风现象。传统通风网络解算方法要求风机分支作为余树分支以避免同一个回路出现多个风机分支，然而在多风机多级机站通风网络解算中，不仅可能在同一个回路中出现多个风机分支，而且容易出现许多逻辑关联风机，这对多级机站风机优选造成一定的干扰。此外，多风机多级机站通风网络解算的迭代过程收敛缓慢甚至趋于发散。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种多风机多级机站通风网络解算方法、装置及存储介质，旨在优化多风机多级机站通风网络解算方法迭代收敛的速率，预测不同调控措施的井下风量分配的效果。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种多风机多级机站通风网络解算方法，包括：

对多风机多级机站的通风网络创建生成树，获取所述生成树的余树分支集合；

基于所述余树分支集合中的各余树分支，圈划闭合环，并构建冲突余树分支集合；

将已圈划闭合环的余树分支添加至所述生成树，生成网络图；

遍历所述冲突余树分支集合中的各冲突余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环；

对所述最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网络的解算结果。

第二方面，本发明实施例还提供了一种多风机多级机站通风网络解算装置，包括：

第一构建模块，用于对多风机多级机站的通风网络创建生成树，获取所述生成树的余树分支集合；

第二构建模块，用于基于所述余树分支集合中的各余树分支，圈划闭合环，并构建冲突余树分支集合；

第三构建模块，用于将已圈划闭合环的余树分支添加至所述生成树，生成网络图；

搜索模块，用于遍历所述冲突余树分支集合中的各冲突余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环；

解算模块，用于对所述最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网络的解算结果。

第三方面，本发明实施例还提供了一种多风机多级机站通风网络解算设备，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述处理器，用于运行计算机程序时，执行本发明实施例所述方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本发明实施例所述方法的步骤。

本发明实施例提供的技术方案，通过确定多风机多级机站的通风网络的最小独立闭合环，对所述最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网路的解算结果，可以提高多风机多级机站通风网络解算方法迭代收敛的速率，利于预测不同调控措施的井下风量分配的效果。

附图说明

图1为本发明实施例多风机多级机站通风网络解算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中闭合环回路圈划的原理示意图；

图3为本发明一应用示例中搜索冲突余树分支的流程示意图；

图4为本发明一应用示例中搜索最小独立闭合环的流程示意图；

图5a至图5d为本发明一应用示例中四个矿井通风网络模型的结构示意图；

图6为本发明实施例多风机多级机站通风网络解算装置的结构示意图；

图7为本发明实施例多风机多级机站通风网络解算设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的描述。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明实施例提供了一种多风机多级机站通风网络解算方法，如图1所示，包括：

步骤101，对多风机多级机站的通风网络创建生成树，获取所述生成树的余树分支集合；

步骤102，基于所述余树分支集合中的各余树分支，圈划闭合环，并构建冲突余树分支集合；

步骤103，将已圈划闭合环的余树分支添加至所述生成树，生成网络图；

步骤104，遍历所述冲突余树分支集合中的各冲突余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环；

步骤105，对所述最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网络的解算结果。

本发明实施例中，可以确定多风机多级机站的通风网络的最小独立闭合环，并对最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网络的解算结果，可以提高多风机多级机站通风网络解算方法迭代收敛的速率，利于预测不同调控措施的井下风量分配的效果。

这里，可以基于hardycross迭代方法对最小独立闭合环进行迭代运算，使得环路压降趋于零。当迭代计算过程达到指定的计算精度后，得到通风网络解算的风量分配结果。

实际应用中，回路圈划的好坏直接影响到迭代收敛的速度和性能。为了达到使非主对角线元素之和远远小于主对角线元素的目的，最优回路应具有以下特征：

1)、尽量增大主对角线元素的权重；

2)、尽量减少非主对角线元素的个数；

3)、建立减小非主对角线元素的大小；

4)、尽量减少各个回路的共用分支数，以避免回路间相互干扰。

基于此，本发明实施例中，提出了基于最小独立闭合环的回路风量解算方法。这里，最小独立闭合环与现有的独立回路的最主要区别包括：最小独立闭合环允许在同一个闭合环内包括多条余树分支；最小独立闭合环在平面风网中，具有类似于网孔的性质，可以减少回路中分支的数目并使非余树分支权重之和最小；此外，如图2所示，由于风机可以尽量分布在不同的闭合环中使风机迭代趋于收敛，因此，最小独立闭合环更有利于多风机多级机站解算。

示例性地，可以将通风网络中的各分支分为以下三类：固定风量分支、风机分支和一般巷道分支。由于风机分支对迭代计算影响较大，可以将风机分支作为余树分支。但在多级机站解算中，风机分支也会出现在树枝中。为了减少风机在多个回路中出现，可先把风机树枝当作余树分支搜索仅包含一条余树分支的最小闭合环，减小多风机在同一个回路中的影响。

需要说明的时，本发明实施例中，基于生成树的最小独立闭合环搜索法是基于以下三个定理确定的，其最大的特点是每次生成的闭合环都是当前余树分支图的最小闭合环。

定理1：对于一个连通网络图g(v,e)，可以构成一颗生成树，每添加一条余树分支构成一个闭合环，最多有m＝n-j+1个独立闭合环；其中，v为节点集合，e为分支集合。n代表分支数，j代表节点数。

如上所述，对于一个连通的通风网络图g(v,e)，圈定独立回路时，可以获取一颗树图和相应的余树图，其中树支j-1条、余树分支n-(j-1)条，在生成树中每添加一条余树分支可以形成一个回路(闭合环)，由于每个回路中至少包含了一条其他回路所没有的分支即余树分支，故每两个回路之间均相互独立，对于任意通风网络图圈定的独立回路数m应满足如下关系式m＝n-j+1。

定理2：依次添加的一系列闭合环中，每一个闭合环均至少包含一条它前面闭合环中不存在的分支，则这些闭合环均相互独立。

从数学上证明：在含有n条分支、j个节点通风网络图g(v,e)中，对于圈定的m个最小闭合环，当规定了闭合环的方向之后，第i个闭合环可以表示为：ci＝(bij)i×n。按照以上分析构造的m个独立闭合环构可以成m×n矩阵，若去除矩阵中非余树分支所在的列，按闭合环添加的顺序进行行变换，使闭合环所在的行号与其添加的顺序一致，则构成m×m的矩阵c为如下所示熟悉的上三角行列式，这m个最小闭合环相互独立。

其中，

此外，为了保证闭合环满足最大独立回路集的要求，基于生成树的思想逐步搜索每条余树分支的闭合环。

定理3：添加余树分支时，如果圈定的闭合环只含一条余树分支，则必定是独立闭合环。

由于该闭合环只包含一条唯一的余树分支，故与其他闭合环均相互独立，即该闭合环包含于最小独立闭合环。因此，按照定理3只须比较包含多个余树分支的闭合环即可。从回路圈划的角度上看，如果余树分支搜索到的最短路径为回路，则直接添加，必为最小闭合环。

在一些实施例中，所述基于所述余树分支集合中的各余树分支，圈划闭合环，并构建冲突余树分支集合，包括：

遍历所述余树分支集合中的各余树分支，并对所述各余树分支进行闭合环的圈划；

确定待圈划的闭合环只有一条余树分支或者存在多条余树分支且仅有当前余树分支未被圈划闭合环，则圈划当前闭合环并标记当前余树分支；

确定待圈划的闭合环存在多条余树分支且至少一条余树分支圈划的闭合环与当前闭合环重复，则将当前余树分支加入到所述冲突余树分支集合。

示例性地，如图3所示，对通风网络创建生成树，遍历余树分支集合，若圈划一个闭合环时，出现多条余树分支，则先遍历检查闭合环中的其他余树分支，若该分支已圈划闭合环，则查找下一个余树分支，否则，按同样的方法处理；当该闭合环中的余树分支均已圈划时，再圈划该闭合环。按照以上递归的闭合环圈划方式存在三种情况：1)、圈划的闭合环只有一条余树分支；2)、圈划的闭合环有多条余树分支，但其他余树分支均已圈划闭合环；3)、圈划的闭合环存在多条余树分支，且至少有一条余树分支圈划的闭合环与当前闭合环重复。如果出现两条余树分支的最小闭合环相同，则会出现无法判断最小闭合环的余树分支；对于无法判断的余树分支，则需要定义余树分支添加顺序的规则，通过定义余树分支的添加顺序可以避免这种情况。

如此，前两种情况均可保证圈划闭合环的独立性，而第三种情况则由于闭合环重复会导致遗漏独立的闭合环，因此，需要将出现重复圈划闭合环的余树分支加入到冲突余树分支集合，对于冲突余树分支需要定义添加顺序的规则，以保证圈划闭合环的独立性。

在一些实施例中，所述遍历所述冲突余树分支集合中的各冲突余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环，包括：

针对所述冲突余树分支集合中的每个冲突余树分支，将所述冲突余树分支添加至所述网络图中；

对各添加所述冲突余树分支后的网络图，反复更新所述网络图，直至各所述冲突余树分支均添加至所述网络图；

基于更新后的所述网络图生成所述最小独立闭合环。

在一些实施例中，所述对各添加所述冲突余树分支后的网络图，反复更新所述网络图，包括：

对添加所述冲突余树分支后的网络图，分别断开各条余树分支，基于深度优先搜索(dfs)法圈划各断开余树分支的闭合环，将路径长度最短的闭合环添加到所述生成树上，作为当前最小闭合环；

将获得最小闭合环后的冲突余树分支添加到所述网络图中，对余下的余树分支继续基于dfs法圈划闭合环，将路径长度最短的闭合环添加至所述生成树上，丰富所述当前最小闭合环。

在一些实施例中，所述更新后的所述网络图生成所述最小独立闭合环，包括：

判断更新后的所述网络图中各最小闭合环之间是否符合独立性，若是，则得到所述最小独立闭合环；若否，则重新执行所述遍历所述冲突余树分支集合中的各余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环。

在一应用示例中，基于micl(minimumindependentclosedloops，最小独立闭合环)搜索法搜索最小独立闭合环如图4所示，具体包括：

步骤401，通风网络初始化；

这里，获取多风机多级机站的通风网络，并对通风网络的参数进行初始设置，检查通风网络是否连通，若是，则执行步骤402，若否，则提示错误。

步骤402，创建生成树，获取生成树的余树分支集合；

这里，可以采用改进的bfs(广度优先搜索)法创建生成树，并获取相应的树枝和余树分支集合。

步骤403，遍历余树分支集合；

步骤404，搜索最短路径；

可以自当前余树分支的分支末尾节点，采用dfs(深度优先搜索)法搜索起始节点，圈划当前余树分支的最小闭合环。

步骤405，根据冲突余树分支规则判断网孔是否重复；若是，则否，则执行步骤406；若是，则执行步骤407；

步骤406，圈划最小闭合环，然后返回步骤403；

这里，具体的圈划过程，可以参照前述的确定待圈划的闭合环只有一条余树分支或者存在多条余树分支且仅有当前余树分支未被圈划闭合环，则圈划当前闭合环并标记当前余树分支；或者确定待圈划的闭合环存在多条余树分支且至少一条余树分支圈划的闭合环与当前闭合环重复，则将当前余树分支加入到所述冲突余树分支集合，在此不再赘述。

步骤407，获取冲突余树分支集合；

步骤408，将已圈划闭合环的余树分支添加至所述生成树，生成网络图；

步骤409，遍历所述冲突余树分支集合；

步骤410，分别搜索最短路径；

将冲突余树分支逐个添加到图g(即网络图)中，分别断开各条余树分支，从分支末节点开始，采用dfs法搜索时始节点圈划该余树分支对应的闭合环，取其中闭合环路径长度最短者，优先添加到生成树上，作为当前最小闭合环；

将获得最小闭合环后的冲突余树分支添加到所述网络图中，对余下的余树分支继续基于dfs法圈划闭合环，将路径长度最短的闭合环添加至所述生成树上，丰富所述当前最小闭合环，即不断累加当前最小闭合环。

步骤411，获取最小闭合环；

步骤412，判断是否为最小独立闭合环，

实际应用中，重复前述步骤409至步骤411，直到所有的余树分支添加到网络图中，即得到一组最小闭合环，对最小闭合环集合进行独立性检查，确保所得到的为最小独立闭合环；若最小独立闭合环不满足独立性的要求，则返回步骤408。

在一应用示例中，可以基于ivent三维通风软件平台，利用vc++开发工具进行二次开发，实现了基于最小独立闭合环的改进回路风量解算方法，对如图5a至图5d所示的四个矿井通风网络模型进行网络解算。运行环境为windows7，cpu为intel(r)core(tm)i5-34703.2ghz，内存为4gb。网络解算结果如表1所示。

表1

从四个矿井通风网络解算收敛图上可以看出，基于最小独立闭合环的改进回路风量法收敛效果较好，在多风机多级机站解算中也能快速趋于收敛，可以适应大规模复杂矿井通风网络快速解算的要求。

从矿井通风网络复杂度来看，四个矿山通风网络越来越复杂，独立回路数分别为58、152、179和238，但改进闭合环解算法迭代次数并没有显著增加，实际对应迭代次数为19、51、67和78，基本随网络复杂度呈线性增长的趋势。因此，可以基本认为，基于最小独立闭合环的改进回路风量法具有较好的收敛性和稳定性。

为了实现本发明实施例的方法，本发明实施例还提供一种多风机多级机站通风网络解算装置，设置在多风机多级机站通风网络解算设备，如图6所示，该多风机多级机站通风网络解算装置包括：第一构建模块601、第二构建模块602、第三构建模块603、搜索模块604及解算模块605。其中，

第一构建模块601用于对多风机多级机站的通风网络创建生成树，获取所述生成树的余树分支集合；

第二构建模块602用于基于所述余树分支集合中的各余树分支，圈划闭合环，并构建冲突余树分支集合；

第三构建模块603用于将已圈划闭合环的余树分支添加至所述生成树，生成网络图；

搜索模块604用于遍历所述冲突余树分支集合中的各冲突余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环；

解算模块605用于对所述最小独立闭合环进行迭代运算，得到所述通风网络的解算结果。

在一些实施例中，第二构建模块602具体用于：

遍历所述余树分支集合中的各余树分支，并对所述各余树分支进行闭合环的圈划；

确定待圈划的闭合环只有一条余树分支或者存在多条余树分支且仅有当前余树分支未被圈划闭合环，则圈划当前闭合环并标记当前余树分支；

确定待圈划的闭合环存在多条余树分支且至少一条余树分支圈划的闭合环与当前闭合环重复，则将当前余树分支加入到所述冲突余树分支集合。

在一些实施例中，搜索模块604具体用于：

针对所述冲突余树分支集合中的每个冲突余树分支，将所述冲突余树分支添加至所述网络图中；

对各添加所述冲突余树分支后的网络图，反复更新所述网络图，直至各所述冲突余树分支均添加至所述网络图；

基于更新后的所述网络图生成所述最小独立闭合环。

在一些实施例中，搜索模块604对各添加所述冲突余树分支后的网络图，反复更新所述网络图，包括：

对添加所述冲突余树分支后的网络图，分别断开各条余树分支，基于深度优先搜索dfs法圈划各断开余树分支的闭合环，将路径长度最短的闭合环添加到所述生成树上，作为当前最小闭合环；

将获得最小闭合环后的冲突余树分支添加到所述网络图中，对余下的余树分支继续基于dfs法圈划闭合环，将路径长度最短的闭合环添加至所述生成树上，丰富所述当前最小闭合环。

在一些实施例中，搜索模块604基于更新后的所述网络图生成所述最小独立闭合环，包括：

判断更新后的所述网络图的各最小闭合环之间是否符合独立性，若是，则得到所述最小独立闭合环；若否，则重新执行所述遍历所述冲突余树分支集合中的各余树分支，更新所述网络图，得到最小独立闭合环。

实际应用时，第一构建模块601、第二构建模块602、第三构建模块603、搜索模块604及解算模块605，可以由多风机多级机站通风网络解算装置中的处理器来实现。当然，处理器需要运行存储器中的计算机程序来实现它的功能。

需要说明的是：上述实施例提供的多风机多级机站通风网络解算装置在进行多风机多级机站通风网络解算时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的多风机多级机站通风网络解算装置与多风机多级机站通风网络解算方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

基于上述程序模块的硬件实现，且为了实现本发明实施例的方法，本发明实施例还提供一种多风机多级机站通风网络解算设备。图7仅仅示出了该设备的示例性结构而非全部结构，根据需要可以实施图7示出的部分结构或全部结构。

如图7所示，本发明实施例提供的设备700包括：至少一个处理器701、存储器702、用户接口703和至少一个网络接口707。多风机多级机站通风网络解算设备700中的各个组件通过总线系统705耦合在一起。可以理解，总线系统705用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统705除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图7中将各种总线都标为总线系统705。

其中，用户接口703可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。

本发明实施例中的存储器702用于存储各种类型的数据以支持多风机多级机站通风网络解算设备的操作。这些数据的示例包括：用于在多风机多级机站通风网络解算设备上操作的任何计算机程序。

本发明实施例揭示的多风机多级机站通风网络解算方法可以应用于处理器701中，或者由处理器701实现。处理器701可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，多风机多级机站通风网络解算方法的各步骤可以通过处理器701中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器701可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp，digitalsignalprocessor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器701可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器702，处理器701读取存储器702中的信息，结合其硬件完成本发明实施例提供的多风机多级机站通风网络解算方法的步骤。

在示例性实施例中，多风机多级机站通风网络解算设备可以被一个或多个应用专用集成电路(asic，applicationspecificintegratedcircuit)、dsp、可编程逻辑器件(pld，programmablelogicdevice)、复杂可编程逻辑器件(cpld，complexprogrammablelogicdevice)、fpga、通用处理器、控制器、微控制器(mcu，microcontrollerunit)、微处理器(microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述方法。

可以理解，存储器702可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(rom，readonlymemory)、可编程只读存储器(prom，programmableread-onlymemory)、可擦除可编程只读存储器(eprom，erasableprogrammableread-onlymemory)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom，electricallyerasableprogrammableread-onlymemory)、磁性随机存取存储器(fram，ferromagneticrandomaccessmemory)、快闪存储器(flashmemory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(cd-rom，compactdiscread-onlymemory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(sram，staticrandomaccessmemory)、同步静态随机存取存储器(ssram，synchronousstaticrandomaccessmemory)、动态随机存取存储器(dram，dynamicrandomaccessmemory)、同步动态随机存取存储器(sdram，synchronousdynamicrandomaccessmemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(ddrsdram，doubledataratesynchronousdynamicrandomaccessmemory)、增强型同步动态随机存取存储器(esdram，enhancedsynchronousdynamicrandomaccessmemory)、同步连接动态随机存取存储器(sldram，synclinkdynamicrandomaccessmemory)、直接内存总线随机存取存储器(drram，directrambusrandomaccessmemory)。本发明实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在示例性实施例中，本发明实施例还提供了一种存储介质，即计算机存储介质，具体可以是计算机可读存储介质，例如包括存储计算机程序的存储器702，上述计算机程序可由多风机多级机站通风网络解算设备的处理器701执行，以完成本发明实施例方法所述的步骤。计算机可读存储介质可以是rom、prom、eprom、eeprom、flashmemory、磁表面存储器、光盘、或cd-rom等存储器。

需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

另外，本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。