通风安全算法WEB SERVICE模式集成研究.docx
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通风安全算法WEBSERVICE模式集成研究
论文题目：
通风安全算法WebService模式集成研究
专业：
安全技术及工程
硕士生：
王红刚（签名）
指导教师：
常心坦（签名）
摘要
本文在详细分析现有的通风安全算法如通风网络解算等的基础上，考虑到瓦斯问题在当前矿山的安全严峻形式中的重要地位，根据矿井的实际情况和需要，本着为矿井服务的思想，提出了基于控制分区的巷道瓦斯涌出规律及预测算法、基于巷道本身物理特征的通风阻力测定算法和矿井瓦斯、风量异常值分析的算法，并使用当前流行的.NETC#语言、WebService模式实现和封装了这些算法，极大地方便了后续通风安全软件的调用和实测。
在实现、封装算法时，本文采用了面向对象、软件组件及计算机网络等技术，构建出算法的核心模块，然后为验证核心模块而构建了调用模块、显示模块和数据存贮模块，最终实现了核心模块的高内聚性和模块间的低耦合性。
本文对所列举的算法进行了比较详尽的描述，并详细介绍了算法实现所采用编程技术和技巧，为后续的功能全面的通风安全软件的实现奠定了基础。
关键词：
WebService风阻测定异常值
研究类型：
应用研究
Subject:
TheintegratedResearchofventilationsafetyarithmeticBasedonWebService
Specialty:
TheengineeringofSafety
Name:
WangHongGang（Signature）
Instructor:
ChangXintan（Signature）
ABSTRACT
Basedontheanalysesofvisualizationandcalculationmodelappliedtominesafety,aVisualSystemofMineSafetybasedonInternetisbroughtforwardinthispaperinanefforttofittheactualityandrequirementofmines.Thesystemisdesignedtoworkonthecomputernetworkandisaventsafemanagementplatform.
Intheprogressofformingmodelofthesystem,weusedOOP,COMandthecomputergraphicstechnologyanddetailedlyintroducedhowtouseMFCsockettoprogramnetworkapplication.Atlastasystemwhichcombinedwithclientworkstation,browserandserverisfounded.ThroughthesystemthesafetyinformationofaminecanbesharedintheInternet.
Inacomparisonwithothers,thesystempresentsthefollowingadvantages.Thesystemisespeciallydesignedformine,sowhichisquitefitforthemineenterprise.ByusenetworktechnologythesafetyinformationcanbesharedinthescopeofInternet;Inadditiontoventilationsimulation,thesystemcanconverttheventilationsystemdrawingofsinglelinetodoublelinesystemdrawingandtoventilationnetwork.Atthesametime,thesystemcanworkwiththeminecontrolandmonitoringsystemtoshowtherealtimedata.
Keywords：
InternetVisualizationsafetycalculationventilation
Thesis：
ApplicationResearch
目录
1绪论……………………………………………………………………………1
1.1矿井通风安全计算研究动态………………………………………………
1.2矿井通风系统可视化研究动态
1.3计算机及网络在矿山的应用状况
1.4论文的主要研究目标及内容
1.4.1主要研究目标
1.4.2主要研究内容
1.5本章小结l
2研究方案
2.1矿井通风管理特点
2.2本系统的开发方式
2.2.1二次开发
2.2.2独立开发
2.2.3本系统采用的开发方式
2.3本章小节
3风网解算及扩展应用
3.1风网解算的理论模型
3.2风量异常值分析
3.2.1煤矿监控系统概况
3.2.2数据接口及其原理
3.2.3异常值分析的数学算法
3.3本章小节
4通风系统图形分析
4.1本文中单线通风系统图的表现形式
4.2单线条通风系统图转化为双线条通风系统图
4.2.1计算双线分支端点坐标值
4.2.2结点处双线处理
4.2.3巷道交叉处理
4.3通风系统图自动生成通风网络图
4.3.1绘制曲线网络图的原则
4.3.2定网络图的图幅
4.3.3网络图节点布置
4.3.4网络图分支形状的确定。
4.4本章小节
5可视化模型研究
5.1建模工具
5.1.1面向对象技术
5.1.2面向对象建模工具UML
5.2需求分析模型的建立
5.2.1功能分析
5.2.2绘制用例图
5.3矢量图形系统建模
5.3.1寻找类
5.3.2辅助类分析
5.3.4主体类分析
5.4通风系统可视化模型分析
5.4.1巷道
5.4.2节点
5.4.3通风构筑物
5.4.4通风系统在软件中的映射关系
5.5通风计算与可视化模型的连接
5.6通风可视化系统的实现
5.6.1开发步骤
5.6.2应用实例介绍
5.7本章小节
6网络功能实现
6.1套接字
6.1.1数据报套接字
6.1.2流式套接字
6.2Windows套接字规范
6.3MFC的WinSock类及应用
6.3.1MFC的WinSock类分类
6.3.2与CSocket一起使用CSocketFile类和CArchive类
6.3.3Sokcet类的编程模型
6.4通风系统信息的网络传输
6.5本章小节
7浏览器端可视化研究
7.1组件技术
7.1.1软件构件
7.1.2 ActiveX概述
7.1.3ActiveX控件
7.1.4COM与Internet
7.1.5Active控件的制作方法
7.2控件实现
7.2.1控件框架
7.2.2通风系统在控件中的实现
7.3系统功能集成
7.4本章小结
8结论
致谢……………………………………………………………………………………62
参考文献………………………………………………………………………………63
附录……………………………………………………………………………………66
1绪论
我国煤炭工业的安全状况与世界先进产煤国家相比差距很大。
即使设备和条件都有一定基础的国有重点煤矿，目前百万吨死亡率仍高达１以上。
仅在2000年，全国煤炭生产总死亡人数5798人，占全国工矿企业安全事故死亡人数11681人的49.64%[1][2]。
此可见，我国矿山安全形势十分严峻，矿井安全监察与通风安全日常管理任务异常艰巨。
国家“十五”煤炭科技主要任务规划中将煤矿生产安全技术的研究作为一个主要方面。
在国家经贸委做出的近期行业技术发展重点报告中将煤炭安全保障技术的研究作为技术发展方向和重点之一。
目前，矿山安全监察仍停留在对通风系统的局部采用听取汇报、现场查看、抽样测定、定性评价的状况，是由于对任意复杂网络系统内各风道参数对整体系统安全的影响及相互依存关系缺乏定量的了解，缺乏通过系统布点检测、标准化计算分析对通风系统的整体安全可靠性及潜在危险源做出定量的客观评价的能力，缺乏应用通风系统可靠性理论对通风监测异常值因果分析的研究。
矿井通风网络分析与可靠性定量评价对于通风系统的科学管理和改造起着重要的作用。
但是网络分析与可靠性定量评价是一项复杂的工作，需要处理大量的数据，且计算量极大，只有借助于计算机才能完成，甚至有些智能决策功能在单机或是普通计算机上也不能完成，而现有的通风计算系统存在的计算能力与可视化程度低、功能扩展性差等缺点，很难形成实际应用。
要改变这些现状，关键是如何将通风安全定量分析软件引入到矿山通风日常管理当中去，为此实现通风系统的可视化和改变通风定量分析软件的运行模式是当前改变通风管理软件难以成为通风管理工作人员日常工具的首要任务。
Internet的发展为科学计算及其可视化都开劈了新的天地，许多传统专业也可以采用Internet技术，走开放式的道路，改变其资源的获取方式与服务的提供方式，更好地为其行业服务。
将通风安全计算软件与计算机图形学及网络技术相结合，改变以往通风管理软件系统的应用模式，对增加矿井日常通风管理手段，实现矿井安全定量分析，改变煤矿安全状况必将起到举足轻重的作用。
下面，我们就对科学计算可视化及网络技术在通风安全领域中的研究动态予以综述。
1.1矿井通风安全计算研究动态
在矿井通风仿真系统研究领域中波兰和美国学者的研究成果代表了当今世界领先水平[3]。
MFIRE[4]可以对火灾时期井下风流状态及烟雾和温度分布进行仿真。
VINETPC[3]较好地解决了自然风压问题。
在国内，西安科技学院于1992年开发的CFIRE软件系统独有的快速插入模拟计算功能，使得建立在严密数学推导基础上的计算机模拟计算首次具备了应用于准实战环境的能力。
1.2矿井通风系统可视化研究动态
在通风计算可视化方面，国外有CANVENT、VentilationDesign、VENDIS、VENTGRAPH等软件[3]。
CANVENT是第一个Windows视窗系统下的通风仿真系统，其图形界面是在AutoCAD环境下开发的，在AutoCAD环境下开发的系统还有AutoWENT以及AERO等等。
美国开发的VentilationDesign软件能够支持交互式设计能力，将强制通风与自然通风网络以三维图形方式显示；HTME的VENDIS软件能以交互式图形显示方式提供网络计算结果，用户可用键盘或鼠标以三维方式输入深度、风阻、温度和节点信息，解算结果可以图形方式显示出来，网络规模和观察视点都可交互式改变；目前在国际上最具影响力的是波兰科学院W.Dziurzy′nski教授和他的研究小组开发研制的真正的可视化VENTGRAPH系统。
波兰70%的矿井推广该系统。
它包括：
文本文件编辑EDTXT；火灾及逃生路线模拟EDESC；仿真可视化EDRYS；稳态分风温度烟雾等计算GRAS；能表示节点压能的网络图绘制SCHEMAT；个体巷道仿真EKOGRAS；温度仿真THERM；防灭火及救护培训CSRG；监测监控系统ESCWIN；数据分析和仿真ADIS；非定常状态下的火灾及逃生仿真POZAR和WYRZUT；通风网络与采空区一体化仿真I-ZOPOZ等共12个子系统。
在国内，山东矿业学院于1999年研制出了“矿井灾变处理系统”，可以二维图形方式显示矿井火灾情况下最佳避灾路线；中国矿业大学防灭火课题组于1993年推出了专门用于矿井通风系统图形管理和火灾救灾辅助决策的计算机图形系统———MineCAD（DOS版）[5][6]。
在图形管理方面,MineCAD（DOS版）能够用于交互式绘制矿井巷道、通风设施等通风系统图的基本图形元素及图形放大，同时还具有巷道虚交叉点自动处理和单线巷道自动转换为双线巷道等功能，后来这套软件也升级到了Windows版本。
参考文献[7[]8[对通风图形变换作了比较详细的探讨。
这些通风安全软件在国内外煤炭行业之中都得到了一定的应用，取得了一定的效果，但都存在着一些不足。
首先国外的软件不太适合中国矿山的实情，尽管他们在可视化与计算功通上都有许多闪光之处，但它们当中很少经过汉化；再加上各国安全规范不同其安全监控系统软硬件也会不同，因此现有的国外通风软件与国内的监控系统不可能匹配。
国内的软件中，很少能与监控系统联机，可视化程度也不高，大多属于单机版，信息难以共享[9]。
1.3计算机及网络技术在矿山的应用状况
以网络技术为中心的当代计算机技术的发展正以前所未有的广度和深度影响着各行各业的研究和应用。
国内外的专家学者也在不断地尝试把计算机网络技术和可视化技术应用于矿山，形成基于网络的矿山智能决策可视化系统，为矿山的生产管理提供决策。
国内外有不少公司和科研部门已经取得了一定的成绩。
如国际著名矿山企业——加拿大国际镍公司，从20世纪90年代初研究基于高速通讯系统和高精定位、定向系统的遥控采矿网络技术[10]；芬兰采矿工业于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik2000”战略计划[11]；国际上一些大型矿山已经能在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理与遥控指挥系统。
此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、并行计算技术、射频识别技术等已在智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害预报等研究领域得到应用[12][13]；中国矿业大学、西安科技学院等单位已相继开展了采矿机器人、矿山地理信息系统、数字矿山、通风并行算法等方面的技术开发与应用研究[14][15][16]。
这些智能决策系统在可视化方面基本上都能显示二维图形，有些已可以显示三维图形，但只发展到三维图形的演示阶段，难以交互，难以与其它系统进行集成。
由于这些缺陷，所以这些系统不能很好的应用于实践进行指导生产。
因此，如何实现能同监控等其他系统集成，并用于指导生产、进行决策的可视化交互系统是煤炭行业可视化研究的迫切任务。
1.4论文的主要研究目标及内容
1.4.1主要研究目标
本文的主要研究目标是充分利用矿山现有的计算机及网络资源，以计算机图形学与网络技术为基础，采用面向对象的方法建立矢量图形系统，再在矢量图形系统的基础上完成三个软件的开发：
（1）开发通风可视化系统，实现通风计算的前后处理，以此形成通风管理工作站；
（2）开发通风计算服务器软件，统一管理通风安全信息；（3）开发通风系统可视化控件，在浏览用户端实现Internet范围内的矿山通风安全信息的共享。
以一个矿务局为例，最终形成如下的应用模式：
Internet范围内的普通用户通过控件查看
…
图1.1系统应用模式
下属矿可以通过工作站将本矿通风安全信息汇总到局服务器；局服务器管理着所有矿的通风安全信息，并可以响应浏览用户端对通风安全信息的查询；客户端可以通过网页下载通风图形控件，然后可视化的显示查询到的通风安全信息。
1.4.2主要研究内容
本文的主要研究内容是：
1）研究通风图形变换的数学模型，建立面向对象的通风计算方法；
2）建立矢量图形系统的面向对象模型；
3）建立矢量图形的网络传输模型；
4）研究通风分析与安全监控系统结合的方式；
5）开发可视化通风管理工作站程序，通风专用服务器程序，浏览端可视化查询控件。
1．5本章小结
本章综述了计算机技术应用于矿业及矿井安全领域的发展历史和研究现状，指出了现有通风软件系统存在的不足，针对这些不足，提出了论文的研究目标和主要研究内容。
2研究方案
2.1矿井通风管理特点
矿井井下生产是一个动态的过程，随着生产的进行，井下巷道系统逐渐由简单变得复杂，矿井通风系统也因此构成一个纵横交错的复杂网络。
风网解算作为通风管理定量分析工具，是矿山通风安全管理中非常重要的环节。
新建、改建和扩建矿井通风设计都离不开解算，由风网解算形成的一系列扩展应用（如：
风量异常值分析、灵敏度计算等）与监控系统联机运行有很好的应用前景。
矿井通风系统图是反映矿井现实情况的11种图纸[水文地质图、井上井下对照图、巷道布置图、采掘工程图、通风系统图、运输系统图、管理系统图（排水、防尘、注浆、压风、充填、抽放瓦斯）、井上井下通讯系统图、配电系统图、电器设备布置图、避灾线路图]之一，它详细描述了整个矿井系统的通风状况，并且随着生产的扩展，它也不断的更新，最终形成海量的历史信息，加重了通风管理的难度[17]。
在对矿井通风系统进行分析计算之前，需要首先画出通风网络图，现有的很多计算机通风管理系统也是基于通风网络图的。
由于网络图的绘制比较困难，现实情况是许多矿山有通风系统图，而没有通风网络图，从而阻碍通风管理软件系统的应用。
以上分析可见，矿井通风安全信息和井下巷道息息相关，大量数据都和地理位置相关，很有必要采取图形的方式来组织各种数据，实现图形和数据的统一管理。
通风系统图和网络图是对通风系统信息的两种不同表现形式，利用计算机的功能以矢量图形的方式在计算机上实现通风系统图的可视化，可以进一步研究系统图与网络图的关系，实现他们的相互转化。
研究在系统图上实现风网解算的方案，来增强风网解算的应用性。
以上这些构成了可视化内容的核心。
2.2技术路线
本系统的完成主要有两方面内容：
（1）建立矢量图形系统的面向对象模型、通风系统的可视化方案以及矢量图形系统的网络传输模型。
（2）不同软件实现方式包装
（1）的模型，实现图1.1的应用系统。
完成以上内容有两种方案可选，一是采用已有相关二次开发平台完成；二是采用高级语言从头开始。
2.2.1二次开发
一种是单纯二次开发，指完全借助于GIS或AUTOCAD工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。
GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ESRI的ArcView提供了Avenue语言，MapInfo公司研制的MapInfoProfessional提供了MapBasic语言，AutoDesk公司的AutoCAD提供的Lisp语言等等，用户可以利用这些宏语言，以原GIS或CAD工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。
这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。
另一种是集成二次开发，是指利用专业的GIS工具软件或CAD软件，如ArcView、MapInfo等，实现基本的图形功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等作为开发平台，进行二次的集成开发。
集成二次开发目前主要有三种方式：
（1）OLE/DDE。
采用OLEAutomation技术或利用DDE技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。
（2）GIS控件。
利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中，实现类似地理信息系统下的各种图形与属性编辑功能[18]。
（3）指针对AutoCAD进行的集成开发。
利用AutoCAD中的ObjectARX库，在VC环境下编程实现[19][20]。
2.2.2独立开发
指不依赖于任何已有的图形专用平台如GIS工具软件或CAD软件，从几何实体的模型建立，空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。
这种方式的好处在于无须依赖任何商业图形平台，减少了购买开发平台的成本，灵活性好，但一方面对于大多数开发者来说，时间和人力方面势必要增加投入。
2.2.3本文采用的开发方式
本系统中主要处理的对象是巷道，其几何特点比较简单，与现有的一些管道地理信息系统在图形上很相似，但从通风角度考虑，其关联数据复杂，空间变换具有明显的专业性，巷道之间的连接关系要求必须很明确。
可见不管是通风计算还是可视化中的图形问题，都集中在通风专业层次的开发，采用二次开发对减小工作量不会起到明显的效果，反而会增加开发成本，造成软件升级困难等一系列问题。
若采用独立开发，除可避免以上缺点外，还会由于煤矿井下多种系统与通风系统有很多相似之处，而可以比较容易的扩展到别的系统，如供水、供电系统等等。
从以上分析可见，本系统应采用独立开发，开发中所建立的几何模型与煤矿巷道模型应具有较强的可重用性，以便形成扩展应用。
2.3本章小节
本章讨论了一些开发本系统的一些可选案，分析了这些方案的优缺点，从通风系统本身特点考虑，决定采用以VC为开发平台独立从底层直接开发的方式来实现本系统。
3风网解算及扩展应用
3.1风网解算的理论模型
风网解算在矿井通风安全管理中占有非常重要的地位，它几乎是其它各种通风分析和计算的基础。
风网解算法大体可分为两类，即回路法和节点风压法。
Scott-Hinsley法是目前国内外使用最普遍的一种回路法。
它以图论为基础，以风流运动的基本定律为依据，利用高斯-塞得尔迭代逐次求解回路修正风量，直到获得一组接近方程组真实解的渐进风量。
其目的可概括为由已知的风道风阻求解风量分配的状况。
它的物理模型是：
风流在矿井中流动时，遵守质量守恒和能量守恒定律。
这些定律对任何形式的风网以及任何分风形式都是适用的。
用数学表达式可将一个具有N条分支，J个节点的风网模型描述为以下三组方程[21]：
（1）风量平衡方程
k=1,2,…,j（3-1）
0（k节点不是j分支的端点）
bkj=
（2）风压平衡方程
i=1,2,…,M（3-2）
式中,fi为沿第i回路（或网孔）的阻力或风压代数和；Qj，Rj为j分支风路风量和风阻；Pi为网孔自然风压；
为第i个风机风压；M表示独立网孔数，M=N-J+1；aij表示分支方向的符号函数。
0（j分支不包含在回路内）
aij=
（3）阻力特征方程。
矿井中的风流属于完全紊流状态，其阻力方程遵守平方关系，即
hj=RjQj2。
（3-3）
式中hj为风网中第j条风路的风压或阻力；Rj为风网中第j条风路的风阻；Qj为风网中第j条风路的风量。
3.2风量异常值分析
3.2.1煤矿监控系统概况
煤矿监控系统是以计算机为核心，集电子技术、通讯技术、网络技术为一体的现代化监测、控制系统[22][23]。
近年来，通过计算机网络把分散的安全生产信息集中加以管理，使得远离生产现场的管理部门也能了解现场生产情况，网络的易于扩展性使得我们可以在网络中很容易地加入一台或几台通风管理专用机，在取得通风管理所需现场数据的同时，又不影响监控系统的正常工作。
目前国内监控系统种类、型号繁多，从硬件配置角度来看
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