巷道支护专家系统软件的开发与实现

张新蛮

(霍州煤电集团三交河煤矿，山西 洪洞 416000)

巷道支护专家系统软件是一个面向煤矿现场工程技术人员、通过运用专家解决实际问题的推理机制，对输入信息进行处理、归纳和演绎，最终代替巷道支护专家对各种复杂的巷道支护问题做出判断和决策的智能软件。目前，国内学者马鑫民、王丽围绕回采巷道进行了锚杆支护设计辅助系统研究[1-2]。张军针对寺河煤矿特点进行了巷道支护计算机辅助设计系统研究[3]。但是这些研究都没有很好解决AutoCAD和Itasca FLAC2D等软件进行混合编程的问题。

本文针对霍州煤电集团的具体工程地质条件与生产技术条件，从巷道支护专家系统软件的需求出发，实现软件的各项功能。软件的基本开发环境为Microsoft Visual C++6.0，同时与Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等软件进行混合编程。

1 巷道支护设计模块

1.1 围岩地质力学评估模块

实践证明，只有符合现场客观条件的设计才能够真正解决现场实际问题，优秀的设计必须建立在全面、准确的巷道围岩地质力学资料和实际生产技术上，因此，在巷道初始支护设计之前进行围岩地质力学评估，以建立尽可能详实可靠的地质力学基础资料，这对初始支护设计的成败起着至关重要的作用。围岩地质力学评估模块就是为实现这一目标而设计的，通过软件的提示和引导，使用户科学准确的输入的有关巷道支护设计的基本资料，系统根据用户输入的基本资料，通过后台的运算和处理，转化为系统能够识别的巷道围岩地质力学评估资料。围岩地质力学评估模块分为：巷道的使用特征、巷道围岩性质、地应力情况、工程地质环境。

1.2 围岩稳定状况分析模块

巷道围岩稳定状况分析模块在前面对巷道地应力、围岩力学性质以及巷道工程地质状况进行准确、科学评估的基础上，采用数值模拟计算的手段对巷道围岩变形破坏特征进行分析，同时利用人工神经网络的基本原理和方法对巷道围岩稳定性类别进行科学的预测，从而为解决在一定的地质和技术条件下，巷道围岩稳定性的状况、所需的支护强度、应选择的支护形式、主要支护参数及需采取的措施等一系列有关巷道支护的问题，同时也为合理选择各类巷道的支护形式及其参数提供科学依据。围岩稳定状况分析模块分为：围岩变形特征、巷道稳定性分类指标和围岩稳定性类别预测。

1.3 巷道初始支护设计模块

巷道初始支护设计是在对巷道围岩地质力学进行正确地评估以及对巷道围岩稳定性进行合理地评价的基础上进行的，其设计的科学性与合理性直接关系到锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题。针对霍州煤电集团的具体工程地质条件与生产技术条件，在借鉴目前国内外现有的锚杆支护设计方法的基础上，提出了一套以正交数值模拟试验分析为主体，辅以工程类比分析和理论计算的巷道锚杆初始支护设计方法(Bolt Support Design Method，BSDM)。巷道初始支护设计模块的基本结构如图1所示。

图1 巷道初始支护设计模块结构图

1.4 巷道反馈支护设计模块

煤矿锚杆初始设计提出以后，井下工程按此设计进行施工，在施工中立即进行矿压观测与支护监测。如果施工中通过众多的信息反馈发现巷道围岩稳定性不够好则需根据反馈信息及时修正设计，调整支护参数；还未施工的巷道则按照修改后的设计进行施工，因此修改设计必须尽早进行。煤矿锚杆支护信息反馈修正设计的核心是根据现场众多的监测数据，从中筛选出能够综合反映巷道围岩稳定状况和锚杆支护效果的反馈指标，并利用工程数学方法进行回归分析，给出观测数据变化曲线，进而得出信息反馈内容；在此基础上，结合巷道具体的条件和围岩稳定性分类情况，综合考虑确定每个反馈指标的一个极限“警界值”，如果信息反馈数据中的一项或多项超过该“警界值”时，就需要对初始支护设计进行及时地修正。

2 系统接口设计模块

2.1 系统与ITASCA FLAC2D接口技术的实现

实践证明，锚杆支护初始设计采用数值计算是可行的，而且与目前应用较普遍的工程类比分析、理论计算等锚杆支护设计方法相比，数值计算方法可以考虑众多影响巷道围岩变形、破坏和锚杆支护作用，在多方案的基础上，选出最优方案，具有较高的科学性和合理性。因此，巷道支护专家系统可以借助大变形数值模拟软件FLAC2D进行巷道支护设计，即通过接口技术的研制，实现各子系统与数值模拟软件之间的数据交换，使得巷道支护专家系统能够模拟人类专家的思维来控制和应用FLAC2D数值模拟软件，并根据软件的计算结果，综合工程类比分析和理论计算分析等方法合理确定出巷道初始支护设计方案。

为实现FLAC2D软件的自动建模，需利用FLAC中的FISH语言来编制通用的模拟巷道锚杆支护的数值计算程序。FLAC自动建模算法设计正是充分利用了FISH从文件读、写数据的能力，其基本的设计思路如图2所示。

图2 系统实现FLAC2D自动建模的基本思路

2.2 系统与AutoCAD接口技术的实现

在巷道支护专家系统中，利用Microsoft Visual Basic 6.0进行AutoCAD二次开发，它是基于新的ActiveX自动化界面技术。AutoCAD ActiveX技术使用户可以通过AutoCAD暴露出来的信息，用其他应用程序(如VB)通过编程从AutoCAD内部或外部来控制和操纵AutoCAD。因此，可以用VB语言编程，将AutoCAD当成VB程序中的一个图形窗口，并对其进行打开、绘图、编辑、打印和关闭等操作，然后再将VB开发好的AutoCAD绘图程序集成到巷道支护专家系统中。

利用Microsoft Visual Basic 6.0环境实现对AutoCAD二次开发的首要条件是要在开发环境中引入Active Automation技术，即在VB中选择AutoCAD作为其对象，并对需要操作的具体对象按照AutoCAD对象的树状结构逐级遍历。当引入AutoCAD对象后，可以完成对AutoCAD绘制锚杆支护施工布置图的二次开发。

3 数据库管理设计模块

为提高巷道支护专家系统对知识库和综合数据库的访问效率，同时便于对数据库进行管理、修改和维护，采用结构简单、功能强大的Microsoft Access数据库作为数据后台，利用ADO数据库操作技术实现系统对知识库和数据库的访问。ADO 是Microsoft最新的对象层次上的数据操作技术，它为操作OLE DB数据源提供了一套高层次自动化接口，它支持多种编程语言，使用非常方便。

根据ADO提供的对象与方法，利用C++可以十分方便地实现巷道支护专家系统对知识库与数据的访问、修改和维护等操作。

4 系统界面设计模块

4.1 巷道支护专家系统主要界面

依据界面设计的基本原则，利用VC++中MFC的“文档/视图”结构设计了巷道支护专家系统的基本界面框架。MFC“文档/视图”结构的最大特点是把数据操作和数据表示分离开来，与数据库管理系统提供的数据库与视图的关系类似。所有对数据的修改由文档对象来完成，可以用视图调用这个对象的方法来访问和更新数据。在MFC应用程序框架中，文档和视图的关系主要体现在文档类和视图类的对象相互作用和相互访问上。在巷道支护专家系统的“文档/视图”中主要涉及到四种类，即：依据设计的基本“文档/视图”架构平台，在上面对其进一步进行修饰，即添加各种窗体、控件以及图片的等元素，从而建立一个能够被矿区工程技术人员理解的界面，进而实现巷道支护专家系统的全部功能。

4.2 系统基本运行过程

1)启动巷道支护专家系统软件RSES。

2)在启动界面上单击，或者经过5s，自动进入系统主界面。此时，可以新建一个巷道支护设计工程或者打开一个已经存在的巷道支护设计工程。如果选择“新建巷道支护工程”，系统将以您输入的工程名称在指定位置新建一个文件夹，以后设计过程中所有的数据都将保存到该文件夹。如果选择“打开一个已经存在的巷道支护设计工程”，您可以将已经保存的巷道支护设计文件(文件后缀名为*.rsd)打开。

3)在主界面中单击确定以后，则可进入巷道支护设计的工作区。

在该工作区中，按照“围岩地质力学评估”→“围岩稳定状况分析”→“巷道初始支护设计”→“巷道反馈支护设计”4个步骤就可以完成巷道合理支护方案与支护参数的确定。在该过程中，为防止数据丢失，请及时进行保存。

5 结论

1)根据专家系统的基本设计原理，针对霍州煤电集团的具体工程地质条件与生产技术条件，运用模块化的思想将巷道支护专家系统软件分解为4大模块，即支护设计模块、接口设计模块、数据库管理模块和界面设计模块。

2)从巷道支护专家系统软件的需求出发，采用Microsoft Visual C++6.0作为软件的开发环境，同时与Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等软件进行混合编程，完成了每个模块的详细设计与功能，成功实现了霍州煤电集团巷道支护专家系统(RSES)的开发。

[1] 马鑫民. 回采巷道锚杆支护设计辅助系统研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2007.

[2] 王丽. 煤矿回采巷道支护设计专家系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2005.

[3] 张军. 寺河煤矿巷道支护计算机辅助设计系统研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2009.