[发明专利]一种基于改进差分进化算法的矿井通风网络图自动绘制方法

说明书

本发明公开了一种基于改进差分进化算法的矿井通风网络图自动绘制方法，主要步骤包括：利用分层法将通风网络图中的节点按照层次初步放置，并构建遗传编码；利用随机K‑层交叉减少算法进行种群初始化；利用改进的差分进化算法迭代优化，逼近最佳布局方案。本发明的基于改进差分进化算法的矿井通风网络图自动绘制方法结合分层法对矿井通风网络图进行布局和优化，解决了现有布局方法不适用于大规模通风网络图绘制的问题，改善现有布局方法的解算过程较慢，耗费时间较长、成本较高的问题；改善现有的分层法容易陷入局部最优的问题。

技术领域

本发明属于矿井通风系统的技术领域，尤其涉及一种基于改进差分进化算法的矿井通风网络图自动绘制方法。

背景技术

矿井通风系统是矿井安全生产系统中的重要部分，它能够保障新鲜空气在矿井作业环境中连续流动，同时将井下污气不断排除，是确保矿井正常工作运转的决定性因素。矿井通风系统本身是非常复杂的三维结构，巷道众多且纵横交错，一般不方便直接用实际的通风系统图来分析通风问题，而是将通风系统图抽象成由点和线构成的矿井通风网络图来表示分析。

在矿井通风网络图中，将巷道表示为线，将巷道的交汇表示为节点，通风系统中风流的方向和分合关系都可由点线之间的关联来清楚的反映。如今，矿井通风网络图早已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。

由于图结构中的点、线位置可以随意放置，因此同一个矿井通风系统，可能对应着不同布局的矿井通风网络图。随着通风系统中用风点数量增多，巷道之间的关系更为复杂，布局方案的多变性会降低布局的稳定性，只有清晰稳定的布局方案才能更利于绘制出更为复杂的通风网络图。

然而，当前大多数矿井通风网络图还是通过手工绘制，对于复杂的通风系统，手动绘制不仅速度慢、效率低、工作量大、容易出错，还不容易调整，并且人的主观因素不能很好的保证绘制结果具有美观性和可读性。

1997年，李湖生发表的《由矿井通风系统图自动生成网络图》一文，是最早研究自动化绘制通风网络图的文章。1998年，李湖生在《由通风网络结构数据自动生成曲线网络图》中首次提出采用通路法绘制通风网络图的画图思想，并给出了绘制通风网络图的一般步骤：设定图幅、节点布置、确定分支形状以及人工修饰。文中主要是使用AutoCAD或者自行开发的通风系统软件绘制出单线条通风系统图，然后在通风系统图的基础上绘制出通风网络图，并根据用户的要求对并联分支和串联分支进行简化。

该文提出的算法生成的网络图的形状与原系统图基本一样，这与人们所要求的曲线网络图(鸭蛋型网络图)差别较大，且绘制出来的图形不能满足通风网络分析和解算的需要。

2006年，吴兵，卢本陶，水林娜在《用最长路径法自动生成通风网络图》中提出的最长路径法，是当前国内绘制通风网络图最成熟的算法。它实质上也是一种基于通路法绘制通风网络图的算法，主要思路是找到各风机系统中的最长通路，以通路长的布置在两侧、通路短的布置在中间为原则，形成曲线网络图。

在实际应用过程中，最长路径的计算方法对小尺度、拓扑简单的网络比较好，但对大尺度、拓扑复杂的网络绘制效果不佳。绘制完成后，需要大量的手工调整。

2012年，邓立军，刘剑发表的《基于分层法的通风网络图绘制算法》中首次提出将分层法、最长路径法以及遗传算法相结合，并在两年后的《基于分层法的通风网络图绘制算法研究》中加以改进。文中主要将分层法、最长路径法和遗传算法相结合，并采用分层法作为算法的主框架，采用最长路径法对网络图进行分层处理。该算法优化了“节点排序”，减少了分支交叉的次数。最后采用最长路径法计算节点坐标并绘制分支，确保绘制的网络图为A“鸭蛋”曲线通风网络图。

基于遗传算法的分层图布局方法，在小规模的通风网络，绘制效果比较理想，但是对于规模较大的通风网络则绘制效果欠佳，布局结果不够稳定，计算所需时间耗费较多，并且容易陷入局部最优的情况，无法得到较好的近似解。

发明内容