?鐵礦資源回收利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的搭建

吳蓬 邱俊 朱向楠

摘? 要 為解決學(xué)生在鐵礦選礦廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)過(guò)程中存在的學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)時(shí)間和空間受到限制等問(wèn)題，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真信息處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)語(yǔ)言、聲音、圖像、文字、動(dòng)畫(huà)、音樂(lè)等數(shù)字化處理后，將工廠以一種全新的、圖（動(dòng)態(tài)）文并茂的形式呈現(xiàn)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與者，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 鐵礦資源回收利用;虛擬仿真技術(shù);實(shí)踐教學(xué);礦物加工工程;實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng);虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

1 前言

虛擬仿真技術(shù)是近年來(lái)計(jì)算機(jī)學(xué)科一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)踐教學(xué)中，必將使實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍[1-3]。鐵礦資源回收利用現(xiàn)場(chǎng)地理位置往往比較偏遠(yuǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全隱患多、環(huán)境差，生產(chǎn)設(shè)備往往是一些較為粗獷的破碎、選別等設(shè)備，一些智能自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)體現(xiàn)較少，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)效果較差。

仿真系統(tǒng)采用先進(jìn)的Unity3D作為3D引擎系統(tǒng)，采用Maya 2015建模軟件，將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容（工藝流程、設(shè)備等）賦予語(yǔ)言、聲音、圖像、文字、動(dòng)畫(huà)、音樂(lè)等數(shù)字化處理，利用一種全新的、圖（動(dòng)態(tài)）文并茂的形式呈現(xiàn)教學(xué)信息[4]。將這些先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與工廠實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，使得先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于礦物加工工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中，更加直觀和具體地將所有的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容表現(xiàn)出來(lái)并傳達(dá)給學(xué)生，使學(xué)生身臨其境，成為學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與者，也成為發(fā)現(xiàn)、探究和建構(gòu)知識(shí)的主體，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是一種先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)模式[5-6]。

2 平臺(tái)搭建

山東科技大學(xué)鐵礦資源回收虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)是為解決學(xué)生在鐵礦選礦廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)受時(shí)間和空間限制而建立的[7]。該系統(tǒng)根據(jù)礦物加工工程專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)大綱要求及內(nèi)容特點(diǎn)，采用先進(jìn)的Unity3D作為3D引擎系統(tǒng)，利用Maya 2015進(jìn)行3D建模，采用C語(yǔ)言和Visual Studio

進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，利用SVN、Microsoft Project等進(jìn)行程序版本控制和項(xiàng)目管理，采用Maya、3D Max等制作仿真資源。將這些信息技術(shù)和工廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)改革本專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)方式，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高質(zhì)量的礦物加工工程技術(shù)人才將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[8-10]。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)采用CS、BS架構(gòu)相結(jié)合的模式：BS架構(gòu)用于用戶(hù)訪問(wèn)管理平臺(tái)，查看軟件列表、課程列表和學(xué)習(xí)記錄等統(tǒng)計(jì)信息，并啟動(dòng)3D仿真項(xiàng)目;CS架構(gòu)用于啟動(dòng)3D仿真程序及其附屬程序。3D仿真程序獨(dú)立地與網(wǎng)站后臺(tái)、數(shù)據(jù)后臺(tái)進(jìn)行交互。

系統(tǒng)通過(guò)3D仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠的虛擬仿真，3D引擎在Windows平臺(tái)下通過(guò)DirectX技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D渲染，通過(guò)骨骼動(dòng)畫(huà)、關(guān)鍵幀和序列幀動(dòng)畫(huà)制作3D動(dòng)畫(huà)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（實(shí)時(shí)陰影、光照貼圖、凹凸貼圖等）和計(jì)算幾何學(xué)（碰撞檢測(cè)、射線檢測(cè)、剛體、流體模擬等）等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象仿真，通過(guò)后臺(tái)模塊化模型的搭建和鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真，通過(guò)VR、AR和動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)虛擬化變現(xiàn)和交互性[11-12]。

3 平臺(tái)功能

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)由學(xué)員站和教師站組成。在學(xué)員站內(nèi)，學(xué)生可以通過(guò)NPC任務(wù)模式實(shí)現(xiàn)工廠的全景漫游，認(rèn)識(shí)鐵礦資源回收工廠各類(lèi)主要設(shè)備，跟蹤資源回收全流程作業(yè)等。教師站作為總體監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行管理、監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的各種功能。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的具體功能主要包括工廠安全生產(chǎn)規(guī)程，生產(chǎn)工藝流程，主要設(shè)備原理、運(yùn)行、結(jié)構(gòu)拆解及常見(jiàn)故障，設(shè)備配置，廠房平臺(tái)配置等。

工廠安全生產(chǎn)規(guī)程? 利用PDF文字素材、各類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備動(dòng)畫(huà)真實(shí)表現(xiàn)鐵礦資源回收工廠以及各個(gè)作業(yè)的安全操作規(guī)范，使學(xué)生樹(shù)立安全第一的職業(yè)意識(shí)（見(jiàn)圖1）。

工廠生產(chǎn)工藝流程? 選礦工藝流程主要包括礦石破碎篩分系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）、磨礦分級(jí)選別系統(tǒng)、產(chǎn)品脫水系統(tǒng)、尾礦處理系統(tǒng)等。

1）破碎篩分系統(tǒng)。原料礦石經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)粗碎后，由皮帶輸送至中細(xì)碎車(chē)間的料斗;經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)給入圓錐破碎機(jī)中碎，中碎產(chǎn)品由皮帶輸送至干式磁選，磁選精礦給入篩分車(chē)間料斗，磁選尾礦作為廢石;由振動(dòng)給料機(jī)給入振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，篩下粉礦產(chǎn)品經(jīng)皮帶輸送至粉礦倉(cāng)，篩上產(chǎn)品經(jīng)皮帶輸送至中細(xì)碎車(chē)間的料斗，經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)給入圓錐破碎機(jī)細(xì)碎，細(xì)碎產(chǎn)品由皮帶輸送至篩分車(chē)間進(jìn)行篩分。

2）磨礦分級(jí)選別系統(tǒng)。粉礦經(jīng)皮帶給入濕式預(yù)選磁選機(jī)，磁選尾礦給入脫水篩，篩上產(chǎn)品作為廢石子，篩下產(chǎn)品作為最終尾礦;磁選精礦給入球磨機(jī)磨礦，磨礦產(chǎn)品經(jīng)泵給入旋流器;旋流器底流返回球磨機(jī)再磨，溢流給入一段磁選機(jī)分選，一磁尾作為最終尾礦，一磁精給入二段旋流器分級(jí)，底流給入二段球磨機(jī)再磨，溢流給入二段磁選

機(jī);二磁尾作為綜合尾礦，二磁精給入淘洗機(jī)精選，淘洗機(jī)尾礦作為回水使用，淘洗機(jī)精礦作為最終精礦。

3）產(chǎn)品脫水系統(tǒng)。精礦脫水主要通過(guò)真空盤(pán)式過(guò)濾機(jī)，濾餅作為最終精礦，濾液作為回水使用。

4）尾礦處理系統(tǒng)。綜合尾礦首先經(jīng)過(guò)濃密機(jī)進(jìn)行初步濃縮，溢流作為回收使用，底流用泵輸送給深錐濃密機(jī)，溢流作為回水使用，底流與膠固粉混合攪拌后進(jìn)行井下膠結(jié)充填。

主要設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)拆解? 選礦廠所有設(shè)備設(shè)施均按照1∶1比例制作，視覺(jué)上場(chǎng)景與現(xiàn)場(chǎng)相符，主要設(shè)備包括粗中細(xì)破碎機(jī)、振動(dòng)篩（見(jiàn)圖3）、皮帶輸送機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、礦倉(cāng)、干式預(yù)選磁選機(jī)、濕式預(yù)選磁選機(jī)、球磨機(jī)、旋流器、筒式磁選機(jī)、淘洗機(jī)、盤(pán)式真空過(guò)濾機(jī)、濃密機(jī)等。具體按照設(shè)備簡(jiǎn)介、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備拆分、運(yùn)行演示、運(yùn)行原理、故障分析等內(nèi)容進(jìn)行講解。

設(shè)備配置? 廠房?jī)?nèi)的設(shè)備配置完全按照生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行布置，能夠直觀地反映出廠房?jī)?nèi)設(shè)備布置方式、設(shè)備之間的連接方式、設(shè)備配套方式、物料的流向等信息（見(jiàn)圖4）。

廠房平臺(tái)配置? 工廠總平面布置鳥(niǎo)瞰圖可以直接觀看整個(gè)廠區(qū)的廠房布置情況和廠房之間的連接方式，在每一個(gè)廠房?jī)?nèi)，可直觀查看平臺(tái)的層高、大小等布置情況（見(jiàn)圖5、圖6）。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵礦資源回收生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理的動(dòng)態(tài)模擬演示，整個(gè)工廠的三維設(shè)計(jì)模型，能夠多角度反映設(shè)備之間的位置關(guān)系;同時(shí)針對(duì)各主要生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該系統(tǒng)具有手動(dòng)拆裝功能，配以PDF文字介紹和設(shè)備運(yùn)行動(dòng)畫(huà)演示，全方位反映設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理以及開(kāi)停車(chē)的技術(shù)要求等，便于學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)自主高效地學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

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