工程鉆探虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)初探＊

黃宇琪，張 鵬，楊軍偉，李 濤，魏中舉，高 穎

（六盤(pán)水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤(pán)水553004）

1 引言

近年來(lái)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為高校教學(xué)提供了眾多信息化教學(xué)新手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)即是其中之一。虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，解決了眾多高校設(shè)備、場(chǎng)所無(wú)法滿足教學(xué)要求的實(shí)際困難[1-3]，為高校學(xué)生建立了資源豐富、使用便捷、效果良好的實(shí)踐平臺(tái)，有效提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

2 “工程鉆探實(shí)訓(xùn)”概況

“工程鉆探實(shí)訓(xùn)”是一門(mén)面向地質(zhì)工程類專業(yè)本科學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)訓(xùn)課程[4-5]，其先修課程主要有“巖土鉆掘工程學(xué)”“礦物巖石學(xué)”“土力學(xué)”“巖石力學(xué)”等，主要訓(xùn)練學(xué)生對(duì)常見(jiàn)鉆探設(shè)備的認(rèn)識(shí)及操作，對(duì)常見(jiàn)鉆探技術(shù)工藝流程及注意事項(xiàng)的掌握，巖芯編錄及觀察描述的方法、原則、規(guī)范及注意事項(xiàng)等，均為地質(zhì)工程類專業(yè)本科生需要具備的專業(yè)技能，與工作實(shí)際結(jié)合緊密。但目前工程鉆探實(shí)訓(xùn)的開(kāi)展面臨眾多困境，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 隨著高校擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)逐年增加，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地尋找難度明顯增大

為保障實(shí)訓(xùn)效果，工程鉆探實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)盡可能使得每一位學(xué)生均能夠親自操作鉆探設(shè)備，體驗(yàn)鉆探工藝流程，參與鉆探取芯及巖芯編錄過(guò)程。隨著高校擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)逐年增加，且實(shí)訓(xùn)課程時(shí)間有限，為保障教學(xué)效果，實(shí)訓(xùn)所需的鉆探設(shè)備臺(tái)套數(shù)逐漸增加。這使得占地面積增大、場(chǎng)地要求提高，成本過(guò)高、使用率過(guò)低、經(jīng)濟(jì)效益低等因素進(jìn)一步凸顯，高校獨(dú)立開(kāi)展鉆探實(shí)訓(xùn)或建立鉆探實(shí)訓(xùn)中心的客觀上難以實(shí)現(xiàn)。這樣的現(xiàn)實(shí)條件使得多數(shù)高校的鉆探實(shí)訓(xùn)采取了與企業(yè)合作的形式[4-6]，將學(xué)生安排至企業(yè)鉆探工程實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)，參與工程實(shí)施過(guò)程，在此過(guò)程中完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。這樣的模式固然能夠減輕高校的壓力，但對(duì)于企業(yè)卻是造成了一定的麻煩。學(xué)生操作鉆機(jī)不熟練，很有可能造成設(shè)備損壞或鉆孔報(bào)廢，即使不發(fā)生任何突發(fā)情況，學(xué)生在鉆探現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)也給企業(yè)的安全管理和鉆探效率帶來(lái)了影響。

2.2 鉆探工程周期相對(duì)較短，沒(méi)有單位能夠提供穩(wěn)定的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所

普通的鉆探工程可能持續(xù)數(shù)月，難度大、規(guī)模大的鉆探工程可能持續(xù)數(shù)年。作為學(xué)生的必修環(huán)節(jié)，工程鉆探實(shí)訓(xùn)是每年必須開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)，如周邊地區(qū)恰好有鉆探工程在施工過(guò)程中，通過(guò)與施工企業(yè)的洽談，大多數(shù)情況下能夠解決實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地問(wèn)題，但周邊地區(qū)沒(méi)有鉆探工程實(shí)施也是常有的情況。這樣的情況下，安排學(xué)生前往更遠(yuǎn)的地區(qū)會(huì)大大影響實(shí)訓(xùn)效率，且還需考慮住宿、安全、經(jīng)費(fèi)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2.3 鉆探實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，安全保障難度大

安排學(xué)生前往企業(yè)鉆探工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，雖然能夠大大鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，但實(shí)際鉆探現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員眾多且復(fù)雜。學(xué)生人數(shù)較多且在對(duì)施工管理規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)布局及施工進(jìn)展等情況均不了解、不熟悉的情況下，一旦出現(xiàn)管理疏忽，會(huì)危及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員及學(xué)生自身的安全，為實(shí)訓(xùn)安全、施工安全等埋下重大安全隱患。而保障學(xué)生的人身安全、施工現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全是實(shí)訓(xùn)開(kāi)展的前提，企業(yè)施工按計(jì)劃順利展開(kāi)也是企業(yè)承擔(dān)實(shí)訓(xùn)的先決條件。

2.4 突發(fā)情況易導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)徹底無(wú)法展開(kāi)

以2020年突發(fā)的新冠疫情為典型例子，突發(fā)情況對(duì)于這類實(shí)訓(xùn)的開(kāi)展具有很大影響。除突然發(fā)生的流行病，惡劣的天氣、企業(yè)鉆探過(guò)程的突發(fā)事故導(dǎo)致的停鉆或企業(yè)施工計(jì)劃的調(diào)整等眾多突發(fā)情況都會(huì)導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)無(wú)法開(kāi)展。學(xué)生的培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃于入校時(shí)即已經(jīng)確定，且每年安排不同的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)，一旦在計(jì)劃開(kāi)出實(shí)訓(xùn)的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)，將會(huì)大大影響后續(xù)的課程及學(xué)生學(xué)分的取得，甚至影響學(xué)生的畢業(yè)。

為解決以上問(wèn)題和困難，目前，我校地質(zhì)工程系教師采取與多單位建立合作關(guān)系、安排多個(gè)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組管理等措施，但在遇到類似2020年的新冠疫情這類大規(guī)模、嚴(yán)重的突發(fā)情況時(shí)，還是對(duì)實(shí)訓(xùn)的展開(kāi)產(chǎn)生了重大影響，學(xué)生不得不在校內(nèi)以視頻、調(diào)研等方式間接了解鉆探設(shè)備及操作流程等內(nèi)容，使得實(shí)訓(xùn)效果大打折扣。如何能夠“一勞永逸”地全方位解決實(shí)訓(xùn)中的問(wèn)題和困難成為了工程鉆探教學(xué)改革的重點(diǎn)。

3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)思路

3.1 虛擬仿真平臺(tái)特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段[1]?！熬W(wǎng)絡(luò)化”“交互”“共享”等成為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要特點(diǎn)[1]。這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要依托的硬件為計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，整體對(duì)場(chǎng)地要求較低，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，可有效緩解實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備壓力。且同一套硬件設(shè)備可安裝不同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件程序，大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的利用率，同時(shí)，還可采取線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式，學(xué)生可利用課后、假期時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)，不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，豐富了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)資源并增強(qiáng)了學(xué)習(xí)時(shí)間上的靈活性。

3.2 整體方案

按照應(yīng)用技術(shù)、依托平臺(tái)、使用方式和學(xué)科屬性的不同，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及資源可分為不同類型[2]，如按應(yīng)用技術(shù)可以分為基于多媒體計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)、基于網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同實(shí)驗(yàn)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式實(shí)驗(yàn)、基于教育游戲軟件的個(gè)性化自主實(shí)驗(yàn)、基于遙控技術(shù)的遠(yuǎn)程交互實(shí)驗(yàn)等；按依托平臺(tái)可以分為移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（M-Lab）、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（W-Lab）、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室（V-Lab）、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境（VEE）等；按使用方式可分為基于軟件共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、基于儀器共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和基于遠(yuǎn)程控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源等[1-2]。

針對(duì)工程鉆探實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及鉆探工程特點(diǎn)，基于教育游戲軟件的個(gè)性化自主實(shí)驗(yàn)的技術(shù)、依托移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、采用基于軟件共享和儀器共享的使用方式是較為適合的方案。

工程鉆探平臺(tái)主要包括實(shí)驗(yàn)主體信息平臺(tái)或?qū)嵱?xùn)中心門(mén)戶網(wǎng)站、實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)、在線課程資源、智能指導(dǎo)系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果評(píng)估系統(tǒng)、在線互動(dòng)平臺(tái)等主要功能性模塊，并應(yīng)具備承擔(dān)其他實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展空間。

3.3 擬達(dá)到的關(guān)鍵功能

通過(guò)工程鉆探實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)，擬解決工程鉆探實(shí)訓(xùn)課程及其他受場(chǎng)地、設(shè)備等因素限制較大的相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)困難。學(xué)生通過(guò)該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的訓(xùn)練，應(yīng)能夠達(dá)到工程鉆探實(shí)訓(xùn)課程的基本教學(xué)效果要求，掌握鉆探設(shè)備的操作方法、鉆探技術(shù)的工藝流程、常見(jiàn)鉆探異常情況的處理方法。在通過(guò)實(shí)訓(xùn)課程考核，具備基本的鉆機(jī)操作能力的情況下，在生產(chǎn)實(shí)習(xí)或畢業(yè)實(shí)習(xí)根據(jù)實(shí)際情況安排學(xué)生進(jìn)行鉆探現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操。

為達(dá)到該教學(xué)目的，工程鉆探虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)具有以下關(guān)鍵功能：①在線課程功能。包括理論課程回顧、理論知識(shí)點(diǎn)測(cè)驗(yàn)、鉆機(jī)原理講解、鉆探工藝講解等，因能夠從互聯(lián)網(wǎng)共享課程中導(dǎo)入，也應(yīng)能夠由任課教師上傳，學(xué)生需能夠在線學(xué)習(xí)、測(cè)驗(yàn)及提交作業(yè)等。②鉆探設(shè)備虛擬仿真數(shù)字模型。平臺(tái)應(yīng)鉆機(jī)、鉆頭、鉆桿、鉆塔、泥漿泵等主要鉆探設(shè)備仿真信息化數(shù)字模型，且應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)主要元件的拆分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程及機(jī)理展示等功能，為學(xué)生提供全面認(rèn)識(shí)鉆探設(shè)備的平臺(tái)。③鉆探工藝過(guò)程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。平臺(tái)應(yīng)能夠提供鉆探過(guò)程中操作流程的指導(dǎo)性學(xué)習(xí)，學(xué)生按照系統(tǒng)提示及指導(dǎo)進(jìn)行操作練習(xí)，操作有誤時(shí)及時(shí)被糾正，并能夠了解錯(cuò)誤操作可能產(chǎn)生的后果及應(yīng)急處理方法。④鉆探施工虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)施。平臺(tái)應(yīng)能夠設(shè)置鉆探施工地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)條件，學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況選擇并安裝鉆探設(shè)備，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，按工藝流程進(jìn)行操作。并且，平臺(tái)應(yīng)根據(jù)學(xué)生設(shè)備選擇、安裝、參數(shù)設(shè)置及操作情況模擬鉆進(jìn)過(guò)程，并對(duì)可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行預(yù)警或情境展現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)事故情況確認(rèn)排障方案并進(jìn)行排障。⑤模擬施工過(guò)程評(píng)估。平臺(tái)應(yīng)能夠根據(jù)學(xué)生的方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、設(shè)備安裝、工藝選用、參數(shù)設(shè)定、流程操作及故障排除等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行智能綜合評(píng)價(jià)打分，并找到學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.4 建設(shè)原則

教育部在2013年94號(hào)文件《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》文件中提出，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)室需要堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”原則，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。工程鉆探實(shí)訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)不僅能夠支持我校地質(zhì)工程專業(yè)工程鉆探實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)工作，同時(shí)通過(guò)融入坑道鉆機(jī)鉆探技術(shù)方面內(nèi)容，還可支撐采礦工程專業(yè)學(xué)生相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)工作。此外，通過(guò)豐富鉆探工程故障模擬及排障過(guò)程還能夠支撐安全工程相關(guān)實(shí)踐課程。并且，以實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，還可拓展出不同內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)，逐步建立成為我校多學(xué)科多專業(yè)的綜合虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)。

4 可行性分析

我學(xué)院現(xiàn)已初步建成沉浸式機(jī)械電子工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室及二維相似模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上平臺(tái)和線下沉浸式VR實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)初步具備了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。學(xué)院目前開(kāi)設(shè)地質(zhì)工程、土木工程、采礦工程、安全工程、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化6個(gè)本科專業(yè)，學(xué)科相關(guān)性高。以工程鉆探為中心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)踐軟件并進(jìn)行分支拓展設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)全部6個(gè)專業(yè)共用虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)的目標(biāo)，能夠有效提高設(shè)備利用率，緩解設(shè)備緊張，解決學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)困難等問(wèn)題。與實(shí)體設(shè)備相比，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)備所需經(jīng)費(fèi)較低，軟件編寫(xiě)經(jīng)費(fèi)可通過(guò)多學(xué)科合作共建加以稀釋，能夠充分利用我學(xué)院的一流學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)、重點(diǎn)學(xué)科、特色專業(yè)及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，具有較為充分的資金支持。平臺(tái)建設(shè)完成后除了進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)工作外，也能夠承擔(dān)部分企業(yè)相關(guān)員工的培訓(xùn)工作，提供社會(huì)服務(wù)，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)作用。