巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

張新蠻

(霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦，山西 洪洞 416000)

巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件是一個(gè)面向煤礦現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員、通過(guò)運(yùn)用專家解決實(shí)際問(wèn)題的推理機(jī)制，對(duì)輸入信息進(jìn)行處理、歸納和演繹，最終代替巷道支護(hù)專家對(duì)各種復(fù)雜的巷道支護(hù)問(wèn)題做出判斷和決策的智能軟件。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者馬鑫民、王麗圍繞回采巷道進(jìn)行了錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)研究[1-2]。張軍針對(duì)寺河煤礦特點(diǎn)進(jìn)行了巷道支護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[3]。但是這些研究都沒(méi)有很好解決AutoCAD和Itasca FLAC2D等軟件進(jìn)行混合編程的問(wèn)題。

本文針對(duì)霍州煤電集團(tuán)的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，從巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件的需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)軟件的各項(xiàng)功能。軟件的基本開(kāi)發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual C++6.0，同時(shí)與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進(jìn)行混合編程。

1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)模塊

1.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估模塊

實(shí)踐證明，只有符合現(xiàn)場(chǎng)客觀條件的設(shè)計(jì)才能夠真正解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)必須建立在全面、準(zhǔn)確的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)資料和實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)上，因此，在巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，以建立盡可能詳實(shí)可靠的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料，這對(duì)初始支護(hù)設(shè)計(jì)的成敗起著至關(guān)重要的作用。圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估模塊就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，通過(guò)軟件的提示和引導(dǎo)，使用戶科學(xué)準(zhǔn)確的輸入的有關(guān)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基本資料，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的基本資料，通過(guò)后臺(tái)的運(yùn)算和處理，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠識(shí)別的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估資料。圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估模塊分為：巷道的使用特征、巷道圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力情況、工程地質(zhì)環(huán)境。

1.2 圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊

巷道圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊在前面對(duì)巷道地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)以及巷道工程地質(zhì)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確、科學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計(jì)算的手段對(duì)巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行分析，同時(shí)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和方法對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性類別進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)，從而為解決在一定的地質(zhì)和技術(shù)條件下，巷道圍巖穩(wěn)定性的狀況、所需的支護(hù)強(qiáng)度、應(yīng)選擇的支護(hù)形式、主要支護(hù)參數(shù)及需采取的措施等一系列有關(guān)巷道支護(hù)的問(wèn)題，同時(shí)也為合理選擇各類巷道的支護(hù)形式及其參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊分為：圍巖變形特征、巷道穩(wěn)定性分類指標(biāo)和圍巖穩(wěn)定性類別預(yù)測(cè)。

1.3 巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)模塊

巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)是在對(duì)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行正確地評(píng)估以及對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行合理地評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性直接關(guān)系到錨桿支護(hù)工程的質(zhì)量?jī)?yōu)劣、是否安全可靠以及經(jīng)濟(jì)是否合理等重要問(wèn)題。針對(duì)霍州煤電集團(tuán)的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，在借鑒目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了一套以正交數(shù)值模擬試驗(yàn)分析為主體，輔以工程類比分析和理論計(jì)算的巷道錨桿初始支護(hù)設(shè)計(jì)方法(Bolt Support Design Method，BSDM)。巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 巷道反饋支護(hù)設(shè)計(jì)模塊

煤礦錨桿初始設(shè)計(jì)提出以后，井下工程按此設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，在施工中立即進(jìn)行礦壓觀測(cè)與支護(hù)監(jiān)測(cè)。如果施工中通過(guò)眾多的信息反饋發(fā)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定性不夠好則需根據(jù)反饋信息及時(shí)修正設(shè)計(jì)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)；還未施工的巷道則按照修改后的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，因此修改設(shè)計(jì)必須盡早進(jìn)行。煤礦錨桿支護(hù)信息反饋修正設(shè)計(jì)的核心是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)眾多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從中篩選出能夠綜合反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿支護(hù)效果的反饋指標(biāo)，并利用工程數(shù)學(xué)方法進(jìn)行回歸分析，給出觀測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線，進(jìn)而得出信息反饋內(nèi)容；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巷道具體的條件和圍巖穩(wěn)定性分類情況，綜合考慮確定每個(gè)反饋指標(biāo)的一個(gè)極限“警界值”，如果信息反饋數(shù)據(jù)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)超過(guò)該“警界值”時(shí)，就需要對(duì)初始支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)地修正。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)模塊

2.1 系統(tǒng)與ITASCA FLAC2D接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值計(jì)算是可行的，而且與目前應(yīng)用較普遍的工程類比分析、理論計(jì)算等錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法相比，數(shù)值計(jì)算方法可以考慮眾多影響巷道圍巖變形、破壞和錨桿支護(hù)作用，在多方案的基礎(chǔ)上，選出最優(yōu)方案，具有較高的科學(xué)性和合理性。因此，巷道支護(hù)專家系統(tǒng)可以借助大變形數(shù)值模擬軟件FLAC2D進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，即通過(guò)接口技術(shù)的研制，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)與數(shù)值模擬軟件之間的數(shù)據(jù)交換，使得巷道支護(hù)專家系統(tǒng)能夠模擬人類專家的思維來(lái)控制和應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件，并根據(jù)軟件的計(jì)算結(jié)果，綜合工程類比分析和理論計(jì)算分析等方法合理確定出巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

為實(shí)現(xiàn)FLAC2D軟件的自動(dòng)建模，需利用FLAC中的FISH語(yǔ)言來(lái)編制通用的模擬巷道錨桿支護(hù)的數(shù)值計(jì)算程序。FLAC自動(dòng)建模算法設(shè)計(jì)正是充分利用了FISH從文件讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)的能力，其基本的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FLAC2D自動(dòng)建模的基本思路

2.2 系統(tǒng)與AutoCAD接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在巷道支護(hù)專家系統(tǒng)中，利用Microsoft Visual Basic 6.0進(jìn)行AutoCAD二次開(kāi)發(fā)，它是基于新的ActiveX自動(dòng)化界面技術(shù)。AutoCAD ActiveX技術(shù)使用戶可以通過(guò)AutoCAD暴露出來(lái)的信息，用其他應(yīng)用程序(如VB)通過(guò)編程從AutoCAD內(nèi)部或外部來(lái)控制和操縱AutoCAD。因此，可以用VB語(yǔ)言編程，將AutoCAD當(dāng)成VB程序中的一個(gè)圖形窗口，并對(duì)其進(jìn)行打開(kāi)、繪圖、編輯、打印和關(guān)閉等操作，然后再將VB開(kāi)發(fā)好的AutoCAD繪圖程序集成到巷道支護(hù)專家系統(tǒng)中。

利用Microsoft Visual Basic 6.0環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)AutoCAD二次開(kāi)發(fā)的首要條件是要在開(kāi)發(fā)環(huán)境中引入Active Automation技術(shù)，即在VB中選擇AutoCAD作為其對(duì)象，并對(duì)需要操作的具體對(duì)象按照AutoCAD對(duì)象的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)逐級(jí)遍歷。當(dāng)引入AutoCAD對(duì)象后，可以完成對(duì)AutoCAD繪制錨桿支護(hù)施工布置圖的二次開(kāi)發(fā)。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)模塊

為提高巷道支護(hù)專家系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)效率，同時(shí)便于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理、修改和維護(hù)，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)后臺(tái)，利用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。ADO 是Microsoft最新的對(duì)象層次上的數(shù)據(jù)操作技術(shù)，它為操作OLE DB數(shù)據(jù)源提供了一套高層次自動(dòng)化接口，它支持多種編程語(yǔ)言，使用非常方便。

根據(jù)ADO提供的對(duì)象與方法，利用C++可以十分方便地實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)專家系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、修改和維護(hù)等操作。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)模塊

4.1 巷道支護(hù)專家系統(tǒng)主要界面

依據(jù)界面設(shè)計(jì)的基本原則，利用VC++中MFC的“文檔/視圖”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)專家系統(tǒng)的基本界面框架。MFC“文檔/視圖”結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是把數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)表示分離開(kāi)來(lái)，與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)與視圖的關(guān)系類似。所有對(duì)數(shù)據(jù)的修改由文檔對(duì)象來(lái)完成，可以用視圖調(diào)用這個(gè)對(duì)象的方法來(lái)訪問(wèn)和更新數(shù)據(jù)。在MFC應(yīng)用程序框架中，文檔和視圖的關(guān)系主要體現(xiàn)在文檔類和視圖類的對(duì)象相互作用和相互訪問(wèn)上。在巷道支護(hù)專家系統(tǒng)的“文檔/視圖”中主要涉及到四種類，即：依據(jù)設(shè)計(jì)的基本“文檔/視圖”架構(gòu)平臺(tái)，在上面對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)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(gè)能夠被礦區(qū)工程技術(shù)人員理解的界面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)專家系統(tǒng)的全部功能。

4.2 系統(tǒng)基本運(yùn)行過(guò)程

1)啟動(dòng)巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件RSES。

2)在啟動(dòng)界面上單擊，或者經(jīng)過(guò)5s，自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)主界面。此時(shí)，可以新建一個(gè)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工程或者打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)存在的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工程。如果選擇“新建巷道支護(hù)工程”，系統(tǒng)將以您輸入的工程名稱在指定位置新建一個(gè)文件夾，以后設(shè)計(jì)過(guò)程中所有的數(shù)據(jù)都將保存到該文件夾。如果選擇“打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)存在的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工程”，您可以將已經(jīng)保存的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)文件(文件后綴名為*.rsd)打開(kāi)。

3)在主界面中單擊確定以后，則可進(jìn)入巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的工作區(qū)。

在該工作區(qū)中，按照“圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估”→“圍巖穩(wěn)定狀況分析”→“巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)”→“巷道反饋支護(hù)設(shè)計(jì)”4個(gè)步驟就可以完成巷道合理支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)的確定。在該過(guò)程中，為防止數(shù)據(jù)丟失，請(qǐng)及時(shí)進(jìn)行保存。

5 結(jié)論

1)根據(jù)專家系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原理，針對(duì)霍州煤電集團(tuán)的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，運(yùn)用模塊化的思想將巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件分解為4大模塊，即支護(hù)設(shè)計(jì)模塊、接口設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和界面設(shè)計(jì)模塊。

2)從巷道支護(hù)專家系統(tǒng)軟件的需求出發(fā)，采用Microsoft Visual C++6.0作為軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進(jìn)行混合編程，完成了每個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)與功能，成功實(shí)現(xiàn)了霍州煤電集團(tuán)巷道支護(hù)專家系統(tǒng)(RSES)的開(kāi)發(fā)。

[1] 馬鑫民. 回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2007.

[2] 王麗. 煤礦回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2005.

[3] 張軍. 寺河煤礦巷道支護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2009.