煤礦巷道錨桿支護智能繪圖系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

1、煤礦巷道錨桿支護智能繪圖系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用    摘 要：利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和可視化的開發(fā)方法，建立了基于CAD 的巷道支護智能繪圖技術(shù)的系統(tǒng)模型。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的人性化、界面友好、操作簡單、易于推廣。內(nèi)容豐富的繪圖知識庫實現(xiàn)了繪圖的智能、規(guī)范、科學(xué)、合理。將系統(tǒng)應(yīng)用到工程實際，效果良好。系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用對于提高巷道支護設(shè)計的科學(xué)性、合理性、準(zhǔn)確性、高效性等具有重要的理論和現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：煤礦巷道；錨桿支護；CAD；智能；繪圖系統(tǒng)煤礦巷道錨桿支護可顯著提高支護效果，降低成本，減輕工人勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，保證安全生

2、產(chǎn)，有利于采煤工作面快速推進1，其已成為我國煤礦巷道主要的支護形式。隨著計算機的普及，把其應(yīng)用到煤礦巷道施工技術(shù)中具有重要的理論和實際意義。煤炭系統(tǒng)由于生產(chǎn)的特殊性，在計算機技術(shù)方面的應(yīng)用與其它行業(yè)相比還是比較落后的2。在我國礦山生產(chǎn)一線，巷道支護設(shè)計的技術(shù)工作仍是采用傳統(tǒng)的人海戰(zhàn)術(shù)和手工勞動，現(xiàn)場施工圖表的繪制是煤礦生產(chǎn)管理決策中十分重要而又經(jīng)常性的技術(shù)工作。傳統(tǒng)的方法是圖表全部用手工計算、繪制。該方法費時費力，成圖質(zhì)量難以保證，對井下施工進度和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響。所以采用計算機智能化的工程圖的繪制是煤礦生產(chǎn)的迫切要求。以協(xié)莊煤礦3的實際生產(chǎn)情況為模板，基于CAD 平臺并利用VC+ &am

3、p; ObjectARX 開發(fā)語言4，建立豐富的繪圖知識庫，開發(fā)具有智能化、自動化、參數(shù)化和良好人機交互界面的巷道錨桿支護繪圖系統(tǒng)，實現(xiàn)準(zhǔn)確、快捷、合理、自動繪制巷道錨桿支護斷面圖，有效指導(dǎo)井下高質(zhì)、高效施工。1 開發(fā)平臺及語言1.1 CAD 技術(shù)CAD 的主要特點是：具有完善的圖形繪制功能；有強大的圖形編輯功能；可以采用多種方式進行二次開發(fā)或用戶定制；可以進行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，具有較強的數(shù)據(jù)交換能力；支持多種硬件設(shè)備；支持多種操作平臺；具有通用性、易用性。CAD 技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用水平已成為衡量一個國家科技現(xiàn)代化和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一5。1.2 VC+&Object

4、ARXVisual C+主要優(yōu)點6：（1）可視化的設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)方便、高效工作。（2）支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法非常接近于人類的思維活動。（4）提供一個高度集成的工具集，使得在開發(fā)應(yīng)用程序的全過程中都保證了較高的效率。ObjectARX 是運行于Visual C+平臺之上并以此為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境和應(yīng)用程序接口。在C+語言的基礎(chǔ)上規(guī)定了自己的語法，它是專門用來對AutoCAD 進行二次開發(fā)的工具。ObjectARX 是以DLL 形式與AutoCAD 共享地址空間。因此，與其他開發(fā)工具相比其速度更快、運行更穩(wěn)定、更簡單。用其開發(fā)的CAD 軟件具有模塊性好、獨立性強、-2-連接簡單、使用方便、

5、內(nèi)部功能高效實現(xiàn)以及代碼可重用性強等特點，并且支持MFC 基本類庫，能簡捷高效地實現(xiàn)許多功能7。2 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程系統(tǒng)開發(fā)是以我國煤礦巷道支護斷面圖繪制標(biāo)準(zhǔn)和實際工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，首先具體了解并掌握系統(tǒng)的服務(wù)對象、設(shè)計目的、結(jié)構(gòu)要素、性能指標(biāo)、工作環(huán)境、工作流程及系統(tǒng)保護策略；二是分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，逐步建立系統(tǒng)的實體模型和概念模型?？紤]到系統(tǒng)的實用性及今后的推廣，深入煤礦施工現(xiàn)場，詳細了解并認真分析目前其實際現(xiàn)狀、未來的發(fā)展與功能的需求，由此來確定系統(tǒng)的基本服務(wù)對象和內(nèi)容。開發(fā)流程如圖1 所示。圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.1 System developing flow

6、charts2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為一個DMSJ class 類，類構(gòu)成了實現(xiàn)C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基礎(chǔ)8，在此類中建立了需要的成員函數(shù)。該模塊的設(shè)計中主要包括了三種大類支護形式：梯形斷面、拱形斷面以及切圓拱形斷面。其事實參數(shù)輸入主要包括主頁設(shè)計與設(shè)施布置設(shè)計。需求分析 可行性研究 任務(wù)目標(biāo)分析 需求方案細化總體設(shè)計數(shù)據(jù)收集整理繪圖知識庫詳細開發(fā)方案設(shè)計運行評價系統(tǒng)實施-3-圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 The architecture of system design結(jié)構(gòu)共分兩個大部分，分別對應(yīng)著不同的巷道斷面形式。在系統(tǒng)的內(nèi)部，為了更好發(fā)揮系統(tǒng)的穩(wěn)定性

7、、高效性，根據(jù)預(yù)想的設(shè)計同樣將建立相應(yīng)的成員函數(shù)。不同的成員函數(shù)都會對應(yīng)著不同的功能。該模塊主要成員函數(shù)的說明如表1。表1 部分成員函數(shù)功能表Table 1 The function menu of some members編號 函數(shù)名 函數(shù)功能1 JX 梯形巷道斷面函數(shù)，在函數(shù)體里實現(xiàn)了按照事實參數(shù)（巷道寬度，幫高等）的數(shù)值繪制出梯形斷面圖（無錨桿）。2 Romanarch拱形巷道斷面函數(shù)，在函數(shù)體里實現(xiàn)了按照事實參數(shù)（巷道寬度，幫高等）的數(shù)值繪制出拱形斷面圖輪廓線（無錨桿）。3 JX topanchor錨桿布置函數(shù)，它實現(xiàn)了梯形巷道斷面的頂板錨桿布置，同時考慮到了專家知識庫中的關(guān)于梯形巷道

8、錨桿布置的規(guī)定。2.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)特點，設(shè)計的主要模塊為：（1）知識庫9模塊：系統(tǒng)體現(xiàn)智能化的主要方面是具有完善的繪圖知識庫，知識庫是系統(tǒng)的核心部分，它包含有描述關(guān)系現(xiàn)象方法的規(guī)則，以及在系統(tǒng)知識范圍內(nèi)解決問題的知識，知識庫可以是由事實性知識和推理性知識組成，是領(lǐng)域知識與經(jīng)驗的存儲器，它包括：領(lǐng)域的事實，這是共有的知識；啟發(fā)式知識，它是在一個領(lǐng)域內(nèi)憑借正確實踐和判斷所獲得的知識，是專家經(jīng)過多年實踐掌握的經(jīng)驗。這里的知識分為兩個部分：一是繪圖的規(guī)范性知識；二是錨桿支護設(shè)計繪圖的專業(yè)性知識10。規(guī)范性知識主要是采礦繪圖的行業(yè)規(guī)范，制圖的一般性規(guī)定，圖紙、圖幅、圖框格式等。專業(yè)性知識包括

9、了梯形巷道、拱形巷道的井下施工應(yīng)該遵循的原則性問題，是直接指導(dǎo)施工的規(guī)程。繪圖系統(tǒng)知識庫的建立提高系統(tǒng)的智能性，規(guī)范了圖形的繪制，減輕了技術(shù)支護斷面設(shè)計主設(shè)計頁電纜位置風(fēng)水管位置風(fēng)筒位置軌道參數(shù)錨桿間排距幫高（拱高）拱形斷面梯形斷面設(shè)施布置支護斷面圖巷道寬度直墻半圓拱切圓拱-4-人員的勞動，提高了工作效率。（2）推理機模塊：推理機和知識庫構(gòu)成了系統(tǒng)的核心，其實質(zhì)是一組程序，用來控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。它根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，利用知識庫中的知識，按一定的推理策略去解決問題。常用的推理方式有兩種11：正向推理，反向推理。本系統(tǒng)采用的正向推理策略，它是從已知事實出發(fā)，通過規(guī)則庫逐步推導(dǎo)出結(jié)論的過程并

10、最終給出合理的結(jié)果。（3）數(shù)據(jù)模塊：數(shù)據(jù)庫用于存儲問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的各種信息，也就是要存放用戶回答的事實、已知的事實和推理得到的事實。（4）繪圖模塊：其實就是系統(tǒng)執(zhí)行模塊，是系統(tǒng)實現(xiàn)工程圖繪制的最后環(huán)節(jié)。對經(jīng)過推理機匹配后的數(shù)據(jù)模塊的原始數(shù)據(jù)進行吸收，根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行繪圖命令。對標(biāo)準(zhǔn)工程圖的尺寸、線條寬度、標(biāo)注、線性、比例等根據(jù)知識庫的要求進行繪制。（5）解釋模塊：解釋部分是一組程序，主要任務(wù)是處理人機對話，即對用戶的提問作出回答。一個專家系統(tǒng)必須能夠解釋它所給出的決策和建議，否則，即使它的決策或建議是正確的，也很難為人們所接受。解釋部分的主要功能是解釋系統(tǒng)本身的推理結(jié)果，回答用戶的

11、問題。到目前為止，計算機對自然語言的理解還是很有局限性的，因此，計算機只能回答預(yù)先設(shè)計好的問題。3 繪圖系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 繪圖原理系統(tǒng)主要的功能是為了將支護設(shè)計的成果以工程圖的形式來表達。其中的實現(xiàn)代碼與函數(shù)建立主要是利用ObjectARX 的函數(shù)庫與工具來完成。ObjectARX 包含的動態(tài)鏈接庫（DLL）與AutoCAD 基于同一地址空間運行并且能直接利用AutoCAD 核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼，庫中包含一系列通用的工具，使得二次開發(fā)者可以充分利用AutoCAD 的開發(fā)結(jié)構(gòu)，直接訪問AutoCAD 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)以及AutoCAD 幾何造型核心，在運行期間實時擴展AutoCAD 的功能，并

12、使用AutoCAD 所有內(nèi)建命令和新建命令。ObjectARX 核心是兩組關(guān)鍵的API，即AcDb（AutoCAD 數(shù)據(jù)庫）和AcEd（AutoCAD 編譯器），另外還有其他的一些重要庫組件，如AcRx（AutoCAD 實時擴展）、AcGi（AutoCAD 圖形接口）、AcGe（AutoCAD幾何庫）等10。3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)下面以梯形巷道為例說明系統(tǒng)的實現(xiàn)：系統(tǒng)繪圖的核心仍然是知識庫和推理機，由他們控制圖形的比例、大小、位置、標(biāo)準(zhǔn)、原始數(shù)據(jù)的匹配驗證等各個環(huán)節(jié)。對梯形巷道來講，它的梯形輪廓圖是在JX 函數(shù)下的代碼來實現(xiàn)的。在該函數(shù)里完成了巷道寬度、左右?guī)透咭约爸行木€的代碼。而對于該類型巷道的錨桿布置以及標(biāo)注等的代碼是在函數(shù)topanchor、sidesanchor、railway、windchannel、waterpipe、cable 里實現(xiàn)的。這些函數(shù)（不妨稱之為JX 的附屬函數(shù)）從某種意義上來講同函數(shù)JX 的地位是平等的。但是，附屬函數(shù)的坐標(biāo)點的設(shè)定是要以jx 函數(shù)里的設(shè)置為依據(jù)的。一切都是圍繞著JX 來編寫