疫情背景下虛擬仿真教學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用模式研究

趙紅澤，孫振明，閆 寧，王光辰

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.北京政法職業(yè)學(xué)院 安全防范系，北京 102628；3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190）

隨著信息技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，由于具有高度沉浸性、交互性、真實(shí)感等諸多的優(yōu)點(diǎn)，基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)培訓(xùn)越來越得到高等院校及教學(xué)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的重視和應(yīng)用。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》，教育部于2013 年啟動在全國范圍內(nèi)建設(shè)100 個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在此基礎(chǔ)上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

目前采礦專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐及培訓(xùn)教學(xué)涉及諸多困難：（1）采礦儀器設(shè)備大型貴重，拆解復(fù)雜，誤操作易引發(fā)事故，經(jīng)濟(jì)損失大；（2）礦山屬于高危行業(yè)，涉及諸多重大災(zāi)害如礦山火災(zāi)、水災(zāi)、露天邊坡、運(yùn)輸事故等，在實(shí)驗(yàn)室很難模擬，而在災(zāi)害時期又難以實(shí)際測定，且現(xiàn)場教學(xué)危險性大；（3）礦床多埋藏于地下深處，地下礦體及礦產(chǎn)特性無法看見，對這些不可見的地層信息、開采巖層移動等過程難以通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行體會或觀摩，傳統(tǒng)教學(xué)手段效果難以達(dá)到要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限、實(shí)習(xí)資源有限、高成本高消耗、極端危險環(huán)境、高污染、不可逆不可及等實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)項(xiàng)目具有無可比擬的優(yōu)勢。

礦山開采分為露天開采和地下開采，與地下開采不同的是，露天開采作業(yè)本質(zhì)上是大規(guī)模對地面及地下土石方及礦物的搬運(yùn)工程。因其開發(fā)規(guī)模大、作業(yè)空間開放、裝備技術(shù)先進(jìn)，人工智能和現(xiàn)代通訊傳輸、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及高精度定位技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，露天礦山更容易實(shí)現(xiàn)智能開采。因此，虛擬仿真培訓(xùn)教學(xué)作為智能露天礦山一部分，通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，并與智能礦山系統(tǒng)進(jìn)行對接，可以大大提高學(xué)習(xí)實(shí)習(xí)的效率和水平，解決實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的困難，提高學(xué)員的參與度與體驗(yàn)度。

一、露天礦山虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

（一）平臺總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵和本質(zhì)特征，達(dá)到虛擬仿真目標(biāo)需要有相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)環(huán)境予以配套進(jìn)行。其中，除了完善的軟件開發(fā)平臺和三維圖像處理系統(tǒng)之外，還要求具有高度逼真的三維沉浸感。這種沉浸感主要通過立體聽覺、三維觸覺或力感以及具有高度沉浸感的視覺環(huán)境來實(shí)現(xiàn)，其中立體聽覺一般通過三維環(huán)繞立體聲響系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，三維觸覺和力感可以通過高精度的計(jì)算機(jī)觸覺或力反饋設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而高度沉浸的視覺環(huán)境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如：多通道柱面投影顯示系統(tǒng)、球面仿真投影顯示系統(tǒng)或CAVE 沉浸式仿真環(huán)境。

此外，根據(jù)虛擬仿真的技術(shù)特征要求，實(shí)時交互性是其應(yīng)用的靈魂，是區(qū)別于其他傳統(tǒng)媒體技術(shù)的本質(zhì)所在。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，這種交互往往通過多自由度的虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如：數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等。最終形成一個完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

如圖1 所示，露天礦山虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個沉浸式雙通道虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)（120 度環(huán)幕系統(tǒng)），系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實(shí)時空演化平臺（包括三維可視化工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)時空演化軟件系統(tǒng)）、沉浸式顯示系統(tǒng)（包括雙通道環(huán)幕立體投影顯示系統(tǒng)、多通道圖像無縫拼接系統(tǒng)、玻璃鋼環(huán)幕）、6 自由度三維交互系統(tǒng)以及一些必要的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，如3D 音響和中控、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、數(shù)據(jù)手套等。

圖1 采礦虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

（二）露天礦山時空演化軟件系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

如圖2 所示，虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不是獨(dú)立的系統(tǒng)，而是作為智能露天礦山系統(tǒng)的一部分，與地測系統(tǒng)、生產(chǎn)管控系統(tǒng)對接，可動態(tài)進(jìn)行時空演化模型的更新與修正，顯示生產(chǎn)系統(tǒng)的各種實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)建設(shè)流程可分為：首先，進(jìn)行勘探、測量等數(shù)據(jù)采集技術(shù)的智慧化建設(shè)，不斷地縮短地質(zhì)、測量、安全、生產(chǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集周期，提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量；其次，完善露天礦所有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲及應(yīng)用機(jī)制，搭建時空信息管理系統(tǒng)，構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫和時空數(shù)據(jù)單位（如圖3 所示），保證時空演化模型的構(gòu)建與更新所需的數(shù)據(jù)；與此同時，以可視化支撐平臺為基礎(chǔ)搭建時空演化模型的構(gòu)建與更新平臺，保證模型的構(gòu)建與更新，同時不斷研究時空演化模型的構(gòu)建技術(shù)，提高時空演化模型的質(zhì)量，縮短模型的構(gòu)建周期；最后，需要不斷拓展基于時空演化模型的應(yīng)用范圍的培訓(xùn)，從最基礎(chǔ)的可視化展示、時空演化、地面巡檢、驗(yàn)收測量、生產(chǎn)計(jì)劃編制，到對主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)簡單的分析規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智慧管控。

圖2 露天礦山時空演化軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 時空數(shù)據(jù)單元構(gòu)建流程

二、露天礦山虛擬仿真培訓(xùn)平臺構(gòu)建

（一）系統(tǒng)主要功能

以某露天礦山虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為例，其主要功能模塊如圖4 所示。根據(jù)地質(zhì)地形圖、無人機(jī)攝影測量等數(shù)據(jù)，建立露天煤礦地表開采環(huán)境和設(shè)備、人員模型等（系統(tǒng)界面如圖5 所示）；提供三維可視化交互操作學(xué)習(xí)環(huán)境，可以進(jìn)行考核和評分；滿足學(xué)習(xí)中的礦山基礎(chǔ)知識和生產(chǎn)系統(tǒng)的認(rèn)識目的，達(dá)到教學(xué)實(shí)習(xí)的要求。

圖4 露天礦山虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 露天礦虛擬仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)界面

（1）露天礦地表地理環(huán)境模擬?；诼短斓V山地表現(xiàn)狀測量數(shù)據(jù)建立精細(xì)可動態(tài)更新的露天礦地表地理三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，配套立體眼鏡、頭盔、數(shù)據(jù)手套等多種虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)整個采場范圍內(nèi)的人工漫游和交互學(xué)習(xí)。

（2）露天礦地質(zhì)模型和礦體模擬?；诼短斓V山地質(zhì)數(shù)據(jù)建立鉆孔數(shù)據(jù)庫、模擬鉆孔，并以此建立地質(zhì)模型、礦體模型。根據(jù)礦體的賦存狀態(tài)及埋藏條件，實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)條件下開采方案的設(shè)計(jì)，如：開采工藝的選擇；開采臺階參數(shù)、邊坡參數(shù)等的確定；主采設(shè)備選擇等。

（3）露天礦主要設(shè)備虛擬仿真。通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真建立各種穿孔設(shè)備、采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備以及輔助設(shè)備的應(yīng)用場景，介紹各種設(shè)備的作業(yè)參數(shù)及作業(yè)方法等，同時以虛擬仿真方式漫游介紹設(shè)備工作原理和設(shè)備主要構(gòu)成。

（4）露天礦主要剝采工藝系統(tǒng)模擬。通過虛擬現(xiàn)實(shí)3D 動畫展示露天煤礦不同剝采工藝系統(tǒng)流程、系統(tǒng)構(gòu)成、環(huán)節(jié)匹配。以虛擬仿真、模擬游戲、知識問答等形式對露天礦山剝采工藝進(jìn)行三維可視化交互學(xué)習(xí)和考核。同時提供智能化開采工藝環(huán)節(jié)流程仿真學(xué)習(xí)與交互控制操作培訓(xùn)，如圖6 所示以穿孔環(huán)節(jié)為例的智能化虛擬仿真作業(yè)流程。

圖6 穿孔智能化作業(yè)系統(tǒng)邏輯流程圖

（5）露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)仿真及邊坡失穩(wěn)仿真。建立露天礦邊坡模型，研究常用的邊坡監(jiān)測方法模擬布置監(jiān)測點(diǎn)，模擬加載邊坡受力變形條件，通過監(jiān)測點(diǎn)的反饋模擬邊坡的變形情況及達(dá)到極限的失穩(wěn)情況。露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要從表面位移、內(nèi)部位移、滲流量、降雨量和已有裂縫變化幾個方面著手，仿真模擬不同外界條件下邊坡變形及滑坡等宏觀現(xiàn)象。

（6）露天礦運(yùn)輸事故仿真。運(yùn)輸事故是露天礦事故之一，其多為行車事故和機(jī)械設(shè)備事故，從而引起人員傷亡事故、設(shè)備相撞事故、車撞設(shè)備事故、翻車事故等。以典型事故為例，模擬露天礦各種運(yùn)輸場景及會車方式，模擬各種事故發(fā)生的條件，分析事故發(fā)生的原因和應(yīng)采取的措施。

（7）調(diào)度室仿真模擬。采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真展示露天礦調(diào)度室內(nèi)部場景漫游，并可進(jìn)行交互對現(xiàn)場的監(jiān)測和控制。

（8）排土場生態(tài)恢復(fù)模擬。建立排土場排土最終形態(tài)的模型，模擬排土場初始排土至進(jìn)行復(fù)墾的過程，模擬復(fù)墾工程及排土場復(fù)墾后的狀態(tài)，可交互進(jìn)行人工復(fù)墾過程。

（二）虛擬仿真培訓(xùn)方式

露天礦山虛擬仿真培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)面向?qū)W生，依托三維虛擬仿真硬件平臺基礎(chǔ)，結(jié)合露天開采專業(yè)課程與實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)要求，構(gòu)建出高度仿真的虛擬礦山生產(chǎn)和災(zāi)害環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)。

（1）參觀式教學(xué)（配合可變化的虛擬場景）。例如，學(xué)生可以在教師帶領(lǐng)下，對虛擬場地進(jìn)行漫游、參觀。在實(shí)際漫游過程中，教師可以對沿途所見設(shè)備進(jìn)行介紹、講解，并可以打開虛擬場景中的虛擬視頻播放機(jī)（如錄像機(jī)、電視等）輔助教學(xué)。

（2）固定路線學(xué)習(xí)?？梢宰灾髟O(shè)定路線，按照固定路線漫游、瀏覽和查詢、語音定位介紹。

（3）交互式學(xué)習(xí)。在交互設(shè)備支持下，在虛擬環(huán)境中完成主動學(xué)習(xí)、設(shè)備使用等訓(xùn)練，包括智能化作業(yè)系統(tǒng)的模擬操作。

（4）考核式學(xué)習(xí)。每個學(xué)習(xí)項(xiàng)目有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，實(shí)習(xí)內(nèi)容系統(tǒng)完整，有重點(diǎn)詳細(xì)的仿真及實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)和知識點(diǎn)展示，最后進(jìn)行知識考核及成績評定。學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟一般不少于10 步，每個實(shí)習(xí)項(xiàng)目要不少于2 學(xué)時。

此外，系統(tǒng)可以進(jìn)行教學(xué)管理，包括教學(xué)大綱、考核內(nèi)容、教學(xué)日歷等內(nèi)容的管理。虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)項(xiàng)目還能提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問功能，可實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)共享學(xué)習(xí)。

三、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式探索

（一）參照教學(xué)大綱，側(cè)重實(shí)踐過程教學(xué)

以單斗-卡車工藝剝離作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，先確定學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知露天礦山及剝離工作面真實(shí)作業(yè)環(huán)境；（2）學(xué)習(xí)剝離工作面作業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、作業(yè)方式、設(shè)備的操作方法；（3）學(xué)習(xí)單斗-卡車工藝剝離作業(yè)中穿孔、爆破、走鏟、采裝、卡車出入換、運(yùn)輸、排棄等工藝環(huán)節(jié)、作業(yè)流程和技術(shù)要點(diǎn)。其次確定學(xué)習(xí)內(nèi)容，包含四個單元，29 個步驟，共4 個學(xué)時實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）學(xué)員漫游工業(yè)廣場，經(jīng)主出入溝下坑，沿主運(yùn)輸?shù)缆非巴鶆冸x工作面，認(rèn)知剝離工作面作業(yè)環(huán)境；（2）通過拆解電鏟、卡車、鉆孔等作業(yè)設(shè)備，了解設(shè)備結(jié)構(gòu)與性能，交互學(xué)習(xí)剝離設(shè)備操作方法；（3）按照作業(yè)規(guī)程操作電鏟、卡車等設(shè)備進(jìn)行穿孔、采礦、運(yùn)輸作業(yè)，學(xué)習(xí)單斗-卡車工藝作業(yè)技術(shù)；（4）實(shí)驗(yàn)考核，回答系統(tǒng)中的考核試題。

（二）注重過程互動與考核，融入課程思政

虛擬仿真教學(xué)避免學(xué)生完全進(jìn)入虛擬環(huán)境，要增加學(xué)習(xí)過程中的考核與互動，除了系統(tǒng)提供的每環(huán)節(jié)考核試題和重點(diǎn)場景設(shè)備考核外，教師要充分利用系統(tǒng)進(jìn)行分段教學(xué)，中間進(jìn)行重點(diǎn)知識講解。在疫情期間，利用在線虛擬仿真系統(tǒng)，可結(jié)合騰訊會議、QQ、雨課堂等軟件方便進(jìn)行互動教學(xué)，鼓勵學(xué)生參與課堂討論?？己顺煽兛梢苑譃閹讉€部分：預(yù)習(xí)與單元測驗(yàn)（30%），仿真操作與單元作業(yè)（30%），主題討論與互動回答問題（30%），考勤（10%）。同時，在課程講解過程中穿插講述煤炭對國家能源保障的重要作用，礦工是“開采光明的一群人”，礦工的吃苦耐勞、奉獻(xiàn)自我的精神，李克強(qiáng)總理稱其為“煤亮子”“國家的脊梁”。

四、結(jié)束語

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)將會在采礦專業(yè)及礦山教學(xué)培訓(xùn)中發(fā)揮更大的作用。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，第一，可以使沒有現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)歷的學(xué)生能較為形象直觀地學(xué)習(xí)和了解礦山開采工作流程和安全態(tài)勢；第二，也可以為學(xué)有余力對科學(xué)研究和發(fā)明創(chuàng)造有濃厚興趣的學(xué)生提供全開放式的實(shí)驗(yàn)平臺，有助于開展創(chuàng)新性實(shí)踐活動。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在疫情期間愈發(fā)顯示出其巨大優(yōu)勢，新的教學(xué)模式與新的智能虛擬仿真技術(shù)結(jié)合將會不斷推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)在大學(xué)專業(yè)教學(xué)和礦工培訓(xùn)中的應(yīng)用，尤其通過網(wǎng)絡(luò)云虛擬仿真共享系統(tǒng)更擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用時空。通過采礦專業(yè)虛擬仿真開放式教學(xué)實(shí)踐，此種模式可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動中由被動變?yōu)橹鲃樱瑢φ{(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力都具有相當(dāng)重要的意義。