巷道支護專家系統軟件的開發與實現

張新蠻

(霍州煤電集團三交河煤礦，山西 洪洞 416000)

巷道支護專家系統軟件是一個面向煤礦現場工程技術人員、通過運用專家解決實際問題的推理機制，對輸入信息進行處理、歸納和演繹，最終代替巷道支護專家對各種復雜的巷道支護問題做出判斷和決策的智能軟件。目前，國內學者馬鑫民、王麗圍繞回采巷道進行了錨桿支護設計輔助系統研究[1-2]。張軍針對寺河煤礦特點進行了巷道支護計算機輔助設計系統研究[3]。但是這些研究都沒有很好解決AutoCAD和Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程的問題。

本文針對霍州煤電集團的具體工程地質條件與生產技術條件，從巷道支護專家系統軟件的需求出發，實現軟件的各項功能。軟件的基本開發環境為Microsoft Visual C++6.0，同時與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程。

1 巷道支護設計模塊

1.1 圍巖地質力學評估模塊

實踐證明，只有符合現場客觀條件的設計才能夠真正解決現場實際問題，優秀的設計必須建立在全面、準確的巷道圍巖地質力學資料和實際生產技術上，因此，在巷道初始支護設計之前進行圍巖地質力學評估，以建立盡可能詳實可靠的地質力學基礎資料，這對初始支護設計的成敗起著至關重要的作用。圍巖地質力學評估模塊就是為實現這一目標而設計的，通過軟件的提示和引導，使用戶科學準確的輸入的有關巷道支護設計的基本資料，系統根據用戶輸入的基本資料，通過后臺的運算和處理，轉化為系統能夠識別的巷道圍巖地質力學評估資料。圍巖地質力學評估模塊分為：巷道的使用特征、巷道圍巖性質、地應力情況、工程地質環境。

1.2 圍巖穩定狀況分析模塊

巷道圍巖穩定狀況分析模塊在前面對巷道地應力、圍巖力學性質以及巷道工程地質狀況進行準確、科學評估的基礎上，采用數值模擬計算的手段對巷道圍巖變形破壞特征進行分析，同時利用人工神經網絡的基本原理和方法對巷道圍巖穩定性類別進行科學的預測，從而為解決在一定的地質和技術條件下，巷道圍巖穩定性的狀況、所需的支護強度、應選擇的支護形式、主要支護參數及需采取的措施等一系列有關巷道支護的問題，同時也為合理選擇各類巷道的支護形式及其參數提供科學依據。圍巖穩定狀況分析模塊分為：圍巖變形特征、巷道穩定性分類指標和圍巖穩定性類別預測。

1.3 巷道初始支護設計模塊

巷道初始支護設計是在對巷道圍巖地質力學進行正確地評估以及對巷道圍巖穩定性進行合理地評價的基礎上進行的，其設計的科學性與合理性直接關系到錨桿支護工程的質量優劣、是否安全可靠以及經濟是否合理等重要問題。針對霍州煤電集團的具體工程地質條件與生產技術條件，在借鑒目前國內外現有的錨桿支護設計方法的基礎上，提出了一套以正交數值模擬試驗分析為主體，輔以工程類比分析和理論計算的巷道錨桿初始支護設計方法(Bolt Support Design Method，BSDM)。巷道初始支護設計模塊的基本結構如圖1所示。

圖1 巷道初始支護設計模塊結構圖

1.4 巷道反饋支護設計模塊

煤礦錨桿初始設計提出以后，井下工程按此設計進行施工，在施工中立即進行礦壓觀測與支護監測。如果施工中通過眾多的信息反饋發現巷道圍巖穩定性不夠好則需根據反饋信息及時修正設計，調整支護參數；還未施工的巷道則按照修改后的設計進行施工，因此修改設計必須盡早進行。煤礦錨桿支護信息反饋修正設計的核心是根據現場眾多的監測數據，從中篩選出能夠綜合反映巷道圍巖穩定狀況和錨桿支護效果的反饋指標，并利用工程數學方法進行回歸分析，給出觀測數據變化曲線，進而得出信息反饋內容；在此基礎上，結合巷道具體的條件和圍巖穩定性分類情況，綜合考慮確定每個反饋指標的一個極限“警界值”，如果信息反饋數據中的一項或多項超過該“警界值”時，就需要對初始支護設計進行及時地修正。

2 系統接口設計模塊

2.1 系統與ITASCA FLAC2D接口技術的實現

實踐證明，錨桿支護初始設計采用數值計算是可行的，而且與目前應用較普遍的工程類比分析、理論計算等錨桿支護設計方法相比，數值計算方法可以考慮眾多影響巷道圍巖變形、破壞和錨桿支護作用，在多方案的基礎上，選出最優方案，具有較高的科學性和合理性。因此，巷道支護專家系統可以借助大變形數值模擬軟件FLAC2D進行巷道支護設計，即通過接口技術的研制，實現各子系統與數值模擬軟件之間的數據交換，使得巷道支護專家系統能夠模擬人類專家的思維來控制和應用FLAC2D數值模擬軟件，并根據軟件的計算結果，綜合工程類比分析和理論計算分析等方法合理確定出巷道初始支護設計方案。

為實現FLAC2D軟件的自動建模，需利用FLAC中的FISH語言來編制通用的模擬巷道錨桿支護的數值計算程序。FLAC自動建模算法設計正是充分利用了FISH從文件讀、寫數據的能力，其基本的設計思路如圖2所示。

圖2 系統實現FLAC2D自動建模的基本思路

2.2 系統與AutoCAD接口技術的實現

在巷道支護專家系統中，利用Microsoft Visual Basic 6.0進行AutoCAD二次開發，它是基于新的ActiveX自動化界面技術。AutoCAD ActiveX技術使用戶可以通過AutoCAD暴露出來的信息，用其他應用程序(如VB)通過編程從AutoCAD內部或外部來控制和操縱AutoCAD。因此，可以用VB語言編程，將AutoCAD當成VB程序中的一個圖形窗口，并對其進行打開、繪圖、編輯、打印和關閉等操作，然后再將VB開發好的AutoCAD繪圖程序集成到巷道支護專家系統中。

利用Microsoft Visual Basic 6.0環境實現對AutoCAD二次開發的首要條件是要在開發環境中引入Active Automation技術，即在VB中選擇AutoCAD作為其對象，并對需要操作的具體對象按照AutoCAD對象的樹狀結構逐級遍歷。當引入AutoCAD對象后，可以完成對AutoCAD繪制錨桿支護施工布置圖的二次開發。

3 數據庫管理設計模塊

為提高巷道支護專家系統對知識庫和綜合數據庫的訪問效率，同時便于對數據庫進行管理、修改和維護，采用結構簡單、功能強大的Microsoft Access數據庫作為數據后臺，利用ADO數據庫操作技術實現系統對知識庫和數據庫的訪問。ADO 是Microsoft最新的對象層次上的數據操作技術，它為操作OLE DB數據源提供了一套高層次自動化接口，它支持多種編程語言，使用非常方便。

根據ADO提供的對象與方法，利用C++可以十分方便地實現巷道支護專家系統對知識庫與數據的訪問、修改和維護等操作。

4 系統界面設計模塊

4.1 巷道支護專家系統主要界面

依據界面設計的基本原則，利用VC++中MFC的“文檔/視圖”結構設計了巷道支護專家系統的基本界面框架。MFC“文檔/視圖”結構的最大特點是把數據操作和數據表示分離開來，與數據庫管理系統提供的數據庫與視圖的關系類似。所有對數據的修改由文檔對象來完成，可以用視圖調用這個對象的方法來訪問和更新數據。在MFC應用程序框架中，文檔和視圖的關系主要體現在文檔類和視圖類的對象相互作用和相互訪問上。在巷道支護專家系統的“文檔/視圖”中主要涉及到四種類，即：依據設計的基本“文檔/視圖”架構平臺，在上面對其進一步進行修飾，即添加各種窗體、控件以及圖片的等元素，從而建立一個能夠被礦區工程技術人員理解的界面，進而實現巷道支護專家系統的全部功能。

4.2 系統基本運行過程

1)啟動巷道支護專家系統軟件RSES。

2)在啟動界面上單擊，或者經過5s，自動進入系統主界面。此時，可以新建一個巷道支護設計工程或者打開一個已經存在的巷道支護設計工程。如果選擇“新建巷道支護工程”，系統將以您輸入的工程名稱在指定位置新建一個文件夾，以后設計過程中所有的數據都將保存到該文件夾。如果選擇“打開一個已經存在的巷道支護設計工程”，您可以將已經保存的巷道支護設計文件(文件后綴名為*.rsd)打開。

3)在主界面中單擊確定以后，則可進入巷道支護設計的工作區。

在該工作區中，按照“圍巖地質力學評估”→“圍巖穩定狀況分析”→“巷道初始支護設計”→“巷道反饋支護設計”4個步驟就可以完成巷道合理支護方案與支護參數的確定。在該過程中，為防止數據丟失，請及時進行保存。

5 結論

1)根據專家系統的基本設計原理，針對霍州煤電集團的具體工程地質條件與生產技術條件，運用模塊化的思想將巷道支護專家系統軟件分解為4大模塊，即支護設計模塊、接口設計模塊、數據庫管理模塊和界面設計模塊。

2)從巷道支護專家系統軟件的需求出發，采用Microsoft Visual C++6.0作為軟件的開發環境，同時與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程，完成了每個模塊的詳細設計與功能，成功實現了霍州煤電集團巷道支護專家系統(RSES)的開發。

[1] 馬鑫民. 回采巷道錨桿支護設計輔助系統研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2007.

[2] 王麗. 煤礦回采巷道支護設計專家系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2005.

[3] 張軍. 寺河煤礦巷道支護計算機輔助設計系統研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2009.