基于仿真模擬技術(shù)的礦山設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

龔開福，李延龍，盧二偉，祁澤鋒

基于仿真模擬技術(shù)的礦山設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

龔開福，李延龍，盧二偉，祁澤鋒

(中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司，贊比亞 基特韋 22592)

由于礦山行業(yè)的高傷害和死亡率，培訓(xùn)正在變得越來(lái)越重要，其中，仿真模擬培訓(xùn)提高安全性的同時(shí)可減少成本。礦山通過(guò)使用設(shè)備模擬系統(tǒng)，可使操作人員在不干擾正常生產(chǎn)的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可避免未經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的操作人員因不熟練或誤操作對(duì)設(shè)備造成損壞。多個(gè)礦山企業(yè)培訓(xùn)結(jié)果證明，使用礦山機(jī)械設(shè)備模擬系統(tǒng)可增加輪胎的使用壽命，減少現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)時(shí)間，減少剎車系統(tǒng)的損耗，提高燃油利用率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)超速情況發(fā)生，提高操作安全性，對(duì)于礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，在礦山企業(yè)中應(yīng)用前景廣闊。

仿真模擬培訓(xùn);設(shè)備模擬系統(tǒng);操作安全性

0 引 言

在高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的工業(yè)生產(chǎn)中，基于設(shè)備操作工培訓(xùn)的仿真模擬已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。設(shè)備仿真模擬培訓(xùn)已被證明可以大幅度有效降低風(fēng)險(xiǎn)、減少成本，減低設(shè)備故障率，同時(shí)可以提高培訓(xùn)師的 培訓(xùn)效率，最大限度地提高生產(chǎn)力。在風(fēng)險(xiǎn)程度很高的采礦行業(yè)，礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真可以通過(guò)提高操作工的技能與知識(shí)，以獲得安全效益與經(jīng)濟(jì)效益[1]。

在真實(shí)的礦山環(huán)境中，一些培訓(xùn)場(chǎng)景過(guò)于危險(xiǎn)和復(fù)雜，并且培訓(xùn)成本昂貴，而礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真可以為操作工提供一個(gè)安全的環(huán)境，從而使他們?cè)诙喾N環(huán)境下進(jìn)行練習(xí)操作。使用這些仿真技術(shù)，設(shè)備培訓(xùn)師可以更加快速并且準(zhǔn)確地對(duì)整個(gè)培訓(xùn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控與評(píng)估，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，一些利用仿真技術(shù)培訓(xùn)成果已被證明，諸如增加輪胎的使用壽命，減少現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)時(shí)間，減少剎車系統(tǒng)的損耗，提高燃油利用率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)超速情況 等等。

目前礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真模擬器廠商大多采用與礦山設(shè)備生產(chǎn)廠商及礦山企業(yè)合作的模式，從而獲得有針對(duì)性的培訓(xùn)效果。

1 礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬的應(yīng)用意義

1.1 零事故及零傷害

由于礦山行業(yè)屬于高危行業(yè)，在危及生命的生產(chǎn)操作過(guò)程中，培養(yǎng)操作工在緊急情況下的應(yīng)急能力對(duì)于礦山運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，例如設(shè)備操作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)起火，制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，鑿巖臺(tái)車出現(xiàn)卡釬，鉆桿堵塞等問(wèn)題，通過(guò)設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)可使操作工熟練掌握安全操作技能，做好充足準(zhǔn)備，自信地做出適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。

1.2 自助式培訓(xùn)

通過(guò)基于礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)培訓(xùn)，可建立程序化的培訓(xùn)周期與評(píng)估系統(tǒng)，同時(shí)可以建立一些緊急預(yù)案以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，此系統(tǒng)的培訓(xùn)自成體系，可滿足操作工自助式的學(xué)習(xí)與進(jìn)步，融合多種教學(xué)模式，提高培訓(xùn)效果。

1.3 減少非計(jì)劃式維修與保養(yǎng)

由于礦山行業(yè)的特殊性，發(fā)展模式一直以來(lái)相對(duì)粗放，操作人員在操作設(shè)備過(guò)程中，經(jīng)常養(yǎng)成一些不當(dāng)?shù)牟僮髁?xí)慣，諸如：濫用換擋，超速使用發(fā)動(dòng)機(jī)，濫用制動(dòng)系統(tǒng)，鑿巖機(jī)的不當(dāng)使用，設(shè)備碰撞等等?；诘V山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)培訓(xùn)，可以有效規(guī)避此類不當(dāng)?shù)牟僮髁?xí)慣，從而極大減少設(shè)備的維修時(shí)間與維修成本，進(jìn)而提高礦山的生產(chǎn)能力。目前，有研究表明，此類培訓(xùn)已被證明可以有效減少62.2%的制動(dòng)系統(tǒng)濫用情況，并且減少54.5%發(fā)動(dòng)機(jī)超速的使用情況。

1.4 減少輪胎損耗

隨著礦山行業(yè)的發(fā)展，無(wú)軌設(shè)備在現(xiàn)代礦業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。其中在鏟運(yùn)機(jī)和礦卡的運(yùn)行過(guò)程中，輪胎消耗占據(jù)很大的維護(hù)成本，也是成本控制的一個(gè)切入點(diǎn)，不當(dāng)?shù)牟僮髁?xí)慣會(huì)導(dǎo)致輪胎的頻繁更換。通過(guò)礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)，培訓(xùn)師可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備操作情況，減少不當(dāng)操作對(duì)輪胎消耗的影響，從而總結(jié)提出針對(duì)實(shí)際情況的操作規(guī)程。

1.5 燃油性能利用率最大化

目前，無(wú)軌設(shè)備正變得越來(lái)越普及，而燃油消耗占據(jù)無(wú)軌設(shè)備尤其是鏟運(yùn)機(jī)和礦卡運(yùn)行的絕大部分成本，通過(guò)仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能對(duì)操作人員的操作習(xí)慣引起的燃油消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可制定相應(yīng)的培訓(xùn)方案，以實(shí)現(xiàn)燃油性能使用最大化，減少碳排放，保護(hù)環(huán)境。

1.6 建立標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)流程

基于礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)培訓(xùn)，可將設(shè)備培訓(xùn)所涉及的培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一管理，建立標(biāo)準(zhǔn)化、程序化的培訓(xùn)流程。同時(shí)，通過(guò)建立云服務(wù)平臺(tái)，礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)提供商利用全球各地所收集的培訓(xùn)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為礦山企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)支持，便于礦山企業(yè)對(duì)培訓(xùn)進(jìn)行有效管理與引導(dǎo)。亦可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化流程建立相對(duì)一致且有效的學(xué)習(xí)環(huán)境，保證操作人員及時(shí)討論，保持學(xué)習(xí)的活力。

2 礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)現(xiàn)狀

很多西方國(guó)家的礦山企業(yè)很早就開始利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)開發(fā)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在操作人員培訓(xùn)方面取得了十分顯著的效果[2]。比如有些礦山通過(guò)Utility 3D開發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)可保存操作人員的培訓(xùn)日志，供培訓(xùn)師在評(píng)估培訓(xùn)效果時(shí)參考，以此為依據(jù)來(lái)判斷該操作人員是否達(dá)到培訓(xùn)要求[3?4]。

雖然國(guó)內(nèi)虛擬仿真技術(shù)相比發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但由于國(guó)家對(duì)該技術(shù)的高度重視，建設(shè)了一批高質(zhì)量的仿真技術(shù)研究及培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室[5]。國(guó)內(nèi)雖然虛擬仿真技術(shù)取得巨大發(fā)展，但目前為止還未有一款與礦山企業(yè)使用的機(jī)械設(shè)備型號(hào)完全一致，具備操作演示、設(shè)備狀態(tài)顯示、故障診斷等虛擬交 互功能于一體的礦山設(shè)備虛擬仿真操作平臺(tái)和模擬器。

目前國(guó)外基于礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路基本見圖1。

2.1 設(shè)備在線學(xué)習(xí)

設(shè)備在線學(xué)習(xí)用于培訓(xùn)操作人員關(guān)于諸如安全教育、設(shè)備原理知識(shí)、設(shè)備操作流程等知識(shí)，旨在培訓(xùn)操作人員對(duì)于設(shè)備的初步理解，同時(shí)掌握設(shè)備相關(guān)的安全知識(shí)。通過(guò)利用視頻、音頻、動(dòng)畫等多媒體手段，提高操作人員對(duì)設(shè)備的興趣，保證培訓(xùn)師實(shí)時(shí)監(jiān)督培訓(xùn)進(jìn)度。

圖1 礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.2 設(shè)備熟悉

設(shè)備熟悉是操作人員在設(shè)計(jì)的仿真操作平臺(tái)上進(jìn)一步熟悉設(shè)備安全、設(shè)備控制平臺(tái)、設(shè)備操作流程等知識(shí)，保證操作人員進(jìn)一步加深設(shè)備了解，通過(guò)交互式體驗(yàn)，使操作人員掌握設(shè)備操作的初步技能，為后續(xù)設(shè)備操作模擬器的培訓(xùn)打下基礎(chǔ)。

2.3 設(shè)備操作模擬

設(shè)備操作模擬是礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真模擬系統(tǒng)最主要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，操作人員可在非常安全舒適的環(huán)境中根據(jù)培訓(xùn)師設(shè)計(jì)的不同情境進(jìn)行設(shè)備模擬操作。通過(guò)與設(shè)備廠家的合作，仿真系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商可以最大化地滿足礦山企業(yè)的要求，模擬出真實(shí)的操作環(huán)境。

一般設(shè)備操作模擬器分為以下3個(gè)部分：不同設(shè)備的操作平臺(tái)、沉浸式體驗(yàn)的操作艙、培訓(xùn)師控制艙。

（1）操作平臺(tái)。技術(shù)服務(wù)商通過(guò)設(shè)計(jì)多軸可移動(dòng)式操作平臺(tái)，最大化地模擬設(shè)備在行走過(guò)程中的真實(shí)體驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的操作環(huán)境路況，可模擬真實(shí)的行走狀態(tài)，甚至是設(shè)備碰撞、鑿巖過(guò)程中設(shè)備振動(dòng)帶來(lái)的操作體驗(yàn)。可移動(dòng)式操作平臺(tái)見圖2。

圖2 可移動(dòng)式操作平臺(tái)

（2）沉浸式體驗(yàn)操作艙。沉浸式體驗(yàn)操作艙是設(shè)計(jì)獨(dú)立的操作艙，通過(guò)與原設(shè)備廠商合作，將與真實(shí)設(shè)備一致的設(shè)備操作控制模塊安裝在操作平臺(tái)上，同時(shí)利用投影技術(shù)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能將仿真圖像投影在操作艙的墻壁上，保證操作人員在培訓(xùn)過(guò)程中，視野寬度可達(dá)360°，進(jìn)而模擬沉浸式的駕駛體驗(yàn)。某公司生產(chǎn)的沉浸式體驗(yàn)操作艙見圖3。

圖3 沉浸式體驗(yàn)操作艙

（3）培訓(xùn)師控制艙。通過(guò)培訓(xùn)師控制艙內(nèi)的軟件系統(tǒng)，培訓(xùn)師可利用監(jiān)視器設(shè)定或者修改一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備操作練習(xí)流程；選擇操作的一個(gè)起始點(diǎn)；根據(jù)真實(shí)礦山環(huán)境設(shè)定不同的巖石參數(shù)、爆堆形態(tài)、巷道內(nèi)的路況；為設(shè)備設(shè)定一些隨機(jī)的故障，如爆胎、制動(dòng)系統(tǒng)失靈、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；360°無(wú)死角實(shí)時(shí)監(jiān)控操作人員的操作過(guò)程；查看操作工操作日志；為操作人員回放操作過(guò)程；生成練習(xí)的報(bào)告 等等。

利用礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真軟件系統(tǒng)，通過(guò)三維建模，數(shù)學(xué)模擬等手段，可以真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的狀況；也可在整個(gè)模擬過(guò)程為操作人員提供真實(shí)的反饋，如設(shè)備碰撞、鏟斗出礦接觸巖石、鑿巖引起的振動(dòng)等情況；還可模擬設(shè)備故障及故障對(duì)于相關(guān)系統(tǒng)的影響，使模擬更加接近真實(shí)。國(guó)外某礦山使用的仿真模擬系統(tǒng)培訓(xùn)師控制艙見圖4。

圖4 培訓(xùn)師控制艙

（4）設(shè)備真實(shí)操作。在經(jīng)過(guò)基于仿真技術(shù)的培訓(xùn)后，操作人員需參加測(cè)評(píng)，在達(dá)到礦山企業(yè)設(shè)定的要求后才可利用真實(shí)的設(shè)備在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行操作?；诜抡婕夹g(shù)的培訓(xùn)可以糾正操作人員不良的操作習(xí)慣，幫助操作人員掌握安全操作規(guī)程，提高應(yīng)對(duì)緊急情況的能力，提高培訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)化與進(jìn)度。

3 礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，礦山行業(yè)自動(dòng)化與機(jī)械化的飛速發(fā)展，為了適應(yīng)新的行業(yè)環(huán)境，越來(lái)越多的礦山企業(yè)開始使用礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬技術(shù)，圖5為某仿真模擬技術(shù)服務(wù)商在全球的市場(chǎng)分布情況。

圖5 某仿真模擬技術(shù)服務(wù)商的市場(chǎng)分布

從圖5中可以看出，目前露天礦應(yīng)用仿真模擬技術(shù)已經(jīng)非常普遍，而地下礦利用仿真模擬技術(shù)卻相對(duì)較少，所以市場(chǎng)潛力是巨大的，隨著露天礦資源的日益減少，全球采礦行業(yè)開始向深部采礦發(fā)展，無(wú)軌設(shè)備的逐漸普及，地下采礦裝備的仿真模擬技術(shù)的需求也會(huì)越來(lái)越高。

4 礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)的應(yīng)用展望

由于礦山井下環(huán)境的危險(xiǎn)性，對(duì)于任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。正因?yàn)樵O(shè)備誤操作的代價(jià)高，所以需要高仿真度的模擬系統(tǒng)及模擬器來(lái)降低甚至避免誤操作的出現(xiàn)。礦山機(jī)械設(shè)備仿真系統(tǒng)已在礦山企業(yè)中得到了應(yīng)用，未來(lái)的發(fā)展應(yīng)用方向需要完善的有以下四方面。

（1）不同級(jí)別的仿真度針對(duì)不同經(jīng)驗(yàn)的操作人員。比如無(wú)任何經(jīng)驗(yàn)的操作人員需要更多的指導(dǎo)性培訓(xùn)，而更加熟練的操作人員若使用相同的方法可能會(huì)適得其反。因此，仿真級(jí)別可根據(jù)操作人員的熟練程度進(jìn)行調(diào)整。

（2）無(wú)論什么級(jí)別的仿真度都需不斷研究和優(yōu)化培訓(xùn)計(jì)劃的多樣性和復(fù)雜性。

（3）模擬器的有效學(xué)習(xí)需要分組培訓(xùn)。多個(gè)礦山培訓(xùn)結(jié)果表明，操作人員間的相互合作可提高學(xué)習(xí)投入度，并且相互間可進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，有助于操作人員長(zhǎng)期記憶的形成。

（4）增加操作人員與環(huán)境的互動(dòng)可促進(jìn)快速學(xué)習(xí)，有助于長(zhǎng)久記憶的形成和信息的交換。

仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字游戲技術(shù)已經(jīng)證明其在礦業(yè)中的教育價(jià)值，擁有較大的優(yōu)勢(shì)和較多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。使用設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)增強(qiáng)了操作人員對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的學(xué)習(xí)和理解。顯然，融合了仿真模擬技術(shù)的礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)的機(jī)遇和潛在應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前的使用情況。在礦山安全培訓(xùn)領(lǐng)域，使用該技術(shù)的培訓(xùn)效果顯著，最終提高了礦山的安全性。

5 結(jié) 論

礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)可提供簡(jiǎn)單和復(fù)雜的培訓(xùn)場(chǎng)景。通過(guò)這些場(chǎng)景可培訓(xùn)操作人員甚至是無(wú)任何操作經(jīng)驗(yàn)的操作人員如何安全操作設(shè)備，通過(guò)持續(xù)不斷地培訓(xùn)可提高操作人員的操作水平，避免因操作人員的不當(dāng)操作對(duì)設(shè)備造成的損壞，同時(shí)可減少設(shè)備故障檢測(cè)和維修時(shí)間。礦山機(jī)械設(shè)備仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)有效提高操作人員的操作技能，同時(shí)給礦山企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

[1] Laurence D, Stothard P. Applications of simulation methodologies for a sustainable mining industry. Advanced Mining for Sustainable Development, Ha Long Bay, Vietnam, September 23 – 25, 2010: 50-59.

[2] 孫志敏,馬 舜,韓樹新,趙 輝.工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2013,42(3):1-5.

[3] 王鳳欽.基于Unity3D鑿巖臺(tái)車虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究[D].石家莊鐵道大學(xué),2016.

[4] 畢 成.基于Unity3D的XXX特種車輛的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué),2017.

[5] 官 鑫.大型礦山機(jī)械設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].遼寧:遼寧科技大學(xué),2016.

(2019-08-05)

龔開福(1983—)，男，高級(jí)工程師，主要從事采礦工程技術(shù)管理工作，Email: 184258058@qq.com。