煤炭智能采礦虛擬仿真教學研究

李兆霖 李少波

摘要：近年來，智能采礦在煤炭工業(yè)各領域得到了廣泛應用，成為煤炭行業(yè)發(fā)展的熱門方向。但是現(xiàn)階段智能采礦在煤礦開采過程中還存在很多問題，如何突破傳統(tǒng)課堂教學模式，充分發(fā)揮學生主觀能動性是當下采礦專業(yè)教育教學面臨的主要問題。該文將虛擬仿真技術與煤炭智能開采教學有機結合，對智能采礦虛擬仿真教學體系進行探索，構建虛擬仿真教學體系和模式。

關鍵詞：智能采礦??虛擬仿真??教學平臺??虛擬現(xiàn)實??教學實踐

中圖分類號：G642;TD67-4????文獻標識碼：A

Research?on?Virtual?Simulation?Teaching?of?Intelligent?Coal?Mining

LI?Zhaolin??LI?Shaobo

（State?Key?Laboratory?of?Mining?Response?and?Disaster?Prevention?and?Control?in?Deep?Coal?Mines，?Anhui?University?of?Science?and?Technology，?Huainan，?Anhui?Province，?232001?China）

Abstract：?In?recent?years，?intelligent?mining?has?been?widely?used?in?various?fields?of?the?coal?industry，?and?has?become?a?hot?direction?for?the?development?of?the?coal?industry.?However，?intelligent?mining?still?has?many?problems?in?the?process?of?coal?mining?at?this?stage.?How?to?break?through?the?traditional?classroom?teaching?mode?and?give?full?play?to?students?'?subjective?initiative?is?the?main?problem?faced?by?the?current?education?and?teaching?of?the?mining?specialty.?This?paper?combines?virtual?simulation?technology?with?intelligent?coal?mining?teaching，?explores?the?virtual?simulation?teaching?system?of?intelligent?mining，?and?constructs?the?virtual?simulation?teaching?system?and?mode.

Key?Words：?Intelligent?mining;?Virtual?simulation;?Teaching?platform;?Virtual?reality;?Teaching?practice

近年來，我國礦業(yè)行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，特別是新能源行業(yè)的快速發(fā)展使能源需求不斷增長，而煤炭行業(yè)的資源匱乏和開采難度大，致使我國煤炭行業(yè)呈現(xiàn)出“多、小、散”現(xiàn)象?；诖耍悄懿傻V技術興起逐漸成為煤炭行業(yè)趨勢，智能采礦技術是利用計算機和智能控制等信息技術對煤礦采掘過程中出現(xiàn)的影響煤礦生產(chǎn)和環(huán)境的各種異常現(xiàn)象進行模擬監(jiān)測和預警的技術措施，是以人為核心、人機互動為主、模擬真實生產(chǎn)過程的新一代信息技術[1]。

智能采礦技術以現(xiàn)代信息技術為基礎，以智能化生產(chǎn)為核心理念，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化為主要技術手段，實現(xiàn)礦井資源高效、安全、智能開采。與傳統(tǒng)采礦技術相比，其具有以下優(yōu)勢：（1）可優(yōu)化煤炭工業(yè)結構；（2）可提升煤礦生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟效益。當前傳統(tǒng)采礦理論教學中通常采用師生互動教學或作業(yè)講解課程學習，但這種教學方式存在著一定問題，難以滿足學生對智能化采礦過程進行理解和掌握。在智能采礦教育中引入虛擬現(xiàn)實技術與計算機虛擬仿真等前沿技術相結合有利于學生實現(xiàn)人機互動、充分發(fā)揮學生學習主動性和創(chuàng)造性等綜合能力要求。

1?智能采礦教學面臨的問題

目前，煤炭智能開采教學模式還處于“應用型”教育階段，該階段的培養(yǎng)目標是充分利用計算機、信息技術等先進知識，通過實踐與探索取得能力和素質的提升。但是該培養(yǎng)模式仍存在著以下多個問題[2-3]。

1.1?缺乏“工程思維”理論和方法的教學

如今，煤炭工業(yè)的發(fā)展進入了一個新的常態(tài)。新技術和新工藝不斷涌現(xiàn)，煤炭開采正呈現(xiàn)智能化、信息化、自動化等趨勢。目前，我國部分高校采礦專業(yè)的培養(yǎng)目標仍停留在將工程思維作為學生的主要培養(yǎng)目標，而不是將知識傳授給學生。煤炭智能開采教學模式對企業(yè)的應用需求研究不夠。首先，該模式注重理論學習，忽視實踐訓練，煤炭工業(yè)企業(yè)的市場日新月異，要求學生掌握一定的實踐技能和知識。其次，大多數(shù)礦業(yè)院校由于對人才培養(yǎng)缺乏深刻研究和深刻認識，對人才培養(yǎng)模式仍停留在傳統(tǒng)知識學習階段，沒有形成一個系統(tǒng)化、專業(yè)化、批量化、個性化的人才培養(yǎng)模式。煤炭行業(yè)智能開采要求具有一定理論基礎、較強應用能力，高校該培養(yǎng)方案應注重實踐和技能訓練，但高校教育在理論學習過程中不注重實踐性和實用性培訓。最后，該高校多以理論知識培訓為主，缺乏將工程技術、計算機軟件、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等知識融入實際應用中的能力訓練。

1.2?缺少對煤炭行業(yè)資源開發(fā)利用和經(jīng)濟運行情況進行調(diào)查評估

采礦傳統(tǒng)學科在技術革新上相對滯后于智能化領域，使得采礦專業(yè)學生畢業(yè)后面臨從事煤礦企業(yè)井下工作時仍無法達到熟練掌握采礦工藝和生產(chǎn)環(huán)節(jié)知識，更談不上對礦用機械、工程材料等學科知識的掌握工作與學習，這也使得學生畢業(yè)后難以實現(xiàn)從傳統(tǒng)制造向智能制造的轉變，在新技術、新設備、大數(shù)據(jù)等領域的研究投入不足。這也是中國大學開展專業(yè)培訓時的一個常見問題。一方面，雖然煤礦智能采礦的研究和應用已有多年的歷史，具有成熟的科研體系和科學成熟的研究方法和機制，但國內(nèi)高校對智能采礦技術發(fā)展的研究深度和廣度還不夠，學生將只學習機器人和人工智能領域的科學知識和應用知識。另一方面，由于智能采礦主要集中在煤礦井下作業(yè)，學生所學習到的相關知識僅限于傳統(tǒng)學科框架內(nèi)，而對行業(yè)經(jīng)濟運行情況比較了解的學生并不會對相關領域有深入了解而難以接受相關領域科技創(chuàng)新成果。因此學生很難把握到煤炭行業(yè)技術發(fā)展動態(tài)及其對社會經(jīng)濟發(fā)展所帶來的影響，而目前煤炭工業(yè)發(fā)展已形成了煤礦機械、采掘裝備、智能開采三大領域，但在智能采礦和機器人應用方面，與煤炭行業(yè)、煤機制造領域相比仍存在一定差距。

1.3?缺乏全面系統(tǒng)的智能采礦教學體系

智能采礦的內(nèi)涵不僅體現(xiàn)在設備方面，也包括生產(chǎn)過程的高效和自動化，這也是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然要求。然而目前國內(nèi)大部分高校采礦專業(yè)課程依然是一種單一式的知識結構布局方法，沒有形成涵蓋基礎課程和專業(yè)基礎課的完整系統(tǒng)體系。就教學內(nèi)容而言，目前礦業(yè)院校普遍采用理論聯(lián)系實際的教學模式。雖然這種模式有利于學生掌握尖端技術，但也存在教學難度大、知識體系相對松散等問題。此外，一些學校尚未將采礦工程學科的理論知識與智能系統(tǒng)的開發(fā)結合起來。此外，在整個教學過程中，智能系統(tǒng)的原理和應用缺乏實踐環(huán)節(jié)，嚴重滯后于學生綜合能力的發(fā)展，目前許多高校缺乏將該領域的課程與實踐環(huán)節(jié)銜接的意識，導致學生的學習任務與專業(yè)基礎知識缺乏有效的銜接和互補，使學生難以深入理解智能采礦生產(chǎn)技術。

2?智能采礦虛擬仿真教學的特點

虛擬現(xiàn)實技術可以使學生更容易理解實際采礦工作中容易出現(xiàn)的問題，并可以模擬實際采礦工作存在的風險，學生通過在虛擬礦山環(huán)境中學習與訓練學生，可以大大提高學習效率，為日后從事礦產(chǎn)資源、智能采礦等相關領域工作奠定基礎。智能采礦虛擬仿真教學主要有以下特點[4]。

2.1?利用虛擬現(xiàn)實技術構建情景化教學環(huán)境，讓學生切身體驗并感受到實際的采礦場景

在虛擬采礦課程中，教師和學生可以共同建立一個采礦場地，然后監(jiān)控整個采礦過程。整個過程可以通過虛擬采礦系統(tǒng)進行控制，以模擬采礦工作。在虛擬采礦仿真系統(tǒng)中，教師可以實時監(jiān)控虛擬采礦場景和工作條件，這些資料將以多種形式展現(xiàn)在虛擬礦業(yè)軟件中，極大地增強了學生對采礦領域實際問題以及相關理論知識技能的理解和掌握程度，同時也可消除學生對礦井環(huán)境的盲目性和不安全感。此外，虛擬仿真技術能夠使學生對智能采礦設備的基本構造、運動軌跡等有較深的了解，使學生對所學的知識有一個更深層次的認識[5]。例如：利用虛擬仿真技術對地下采礦機器人的運動軌跡和姿態(tài)進行三維仿真，使學生能夠更直觀、更清晰地了解地下采礦過程中的空間工作環(huán)境和相應設備結構的運行狀態(tài)，以及采礦過程中需要面對的困難和風險。

2.2?利用虛擬現(xiàn)實技術能夠提高學生解決實際問題的能力

在礦山行業(yè)中，經(jīng)常會遇到實際問題。如果采取傳統(tǒng)課程教學方法，往往都是機械類教材和實驗操作教學法，效果不好，學生不能真正理解和掌握各個專業(yè)涉及到的知識。因此，如何讓大學生對礦山專業(yè)知識更容易理解和掌握，并能熟練地解決實際問題是采礦工程專業(yè)教師面臨的一個重要課題。由于智能采礦設備的構造和運動狀態(tài)多種多樣，在虛擬仿真過程中，可以把每一個部件、每一個元件都用模型來表達與表現(xiàn)，讓使用者對設備內(nèi)部結構有一個更加直觀、形象的認識，這對提高學生解決實際問題能力有很大幫助[6-8]。例如：在“智能采礦”虛擬仿真實驗教學中，學生可以通過三維可視化演示，認識到復雜的采煤條件和惡劣的環(huán)境所造成的采礦困難，引發(fā)學生的思考，理解和解決采煤的實際技術問題。

3?智能采礦虛擬仿真教學方法構想

3.1?智能采礦虛擬仿真教學平臺搭建

虛擬仿真教學平臺的搭建，將極大地提高教學資源利用效率，為實現(xiàn)智能礦山技術與裝備的理論和實際應用提供支撐。依托于“互聯(lián)網(wǎng)+智能采礦”的理念，構建智能采礦虛擬仿真教學平臺，平臺架構主要由以下3個部分組成。（1）教學軟件系統(tǒng)：包含系統(tǒng)設計、虛擬仿真分析、數(shù)據(jù)庫管理與數(shù)據(jù)庫交互三部分內(nèi)容，通過不同的操作界面，可以完成各種復雜的仿真分析功能。（2）虛擬仿真教學軟件子系統(tǒng)：包括網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實、人機交互軟件等，可以在“云”平臺上實現(xiàn)對教師使用的設備的統(tǒng)一管理。學生可以通過網(wǎng)絡和人機交互軟件在資源和知識方面自主學習和實踐，實現(xiàn)邊學習邊交流經(jīng)驗的目標。（3）教務管理系統(tǒng)：包括智能礦山虛擬仿真培訓與考核管理系統(tǒng)等一系列功能和應用，可以實時監(jiān)控和維護整個平臺，并提供相應的管理服務。通過平臺可實現(xiàn)“云”學習和“云”監(jiān)測與應用，實時監(jiān)測各虛擬環(huán)境設備運行狀態(tài)。

智能采礦虛擬仿真教學平臺通過人機交互，為學生提供虛擬環(huán)境訓練和學習環(huán)境體驗。系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實仿真技術，通過網(wǎng)絡將仿真設備與真實礦山進行無縫鏈接，讓學生從視覺、聽覺等多感官上直觀感受采礦設備技術及復雜的礦井作業(yè)環(huán)境。人機交互過程中，可對煤礦礦工提出具體問題進行解答，并可根據(jù)教師提問隨時生成反饋結果。使用該平臺后，教師可以通過實時在線模式，讓學生及時得到反饋，及時糾正學習中的問題，有效提高學習效率。學生利用智能采礦平臺，可查看自己在不同環(huán)境下作業(yè)情況，從而全面掌握自身的知識技能，提高自身綜合素質與參與科研的能力。

3.2?課堂虛擬仿真教學內(nèi)容

在這種教學環(huán)境下，教師能夠參照結合實際教學內(nèi)容設計課堂教學任務，如采礦工程智能采礦技術課程。課程的主要內(nèi)容是講解智能采礦技術的原理，并在課堂上播放智能采礦施工現(xiàn)場視頻，加深學生對該知識的理解，借助虛擬現(xiàn)實技術在課堂上展示礦業(yè)專業(yè)的理論和實踐操作，進一步提升課堂教學的互動性和實用性。在課堂上，學生還能夠實時看到課后的實踐活動。借助VR技術，學生能夠在一個頂板事故場景中體驗采礦井下環(huán)控作業(yè)和頂板搬運作業(yè)的實際操作。對學生來說，能夠學習到更多的安全知識和技術操作技能，VR虛擬現(xiàn)實軟件能夠做到遠程控制、視頻播放、語音通話等功能，數(shù)字化呈現(xiàn)課堂內(nèi)容。例如，學生可選用VR設備在三維采礦平臺上觀察地表形貌和采礦工作面情況；借助實時視頻查看，能夠獲得更多的三維圖形圖像，如礦山景觀、采礦現(xiàn)場、設備運行信息等。另外，VR視頻觀看能夠進一步提高實際學習效果，培養(yǎng)學生的學習興趣和能力，激發(fā)他們探索創(chuàng)新思維過程。

3.3?虛擬仿真實踐

實踐環(huán)節(jié)的設置應根據(jù)課程內(nèi)容確定不同課程內(nèi)容之間的邏輯關系，并根據(jù)不同課程內(nèi)容的特點設計和設置相應的實踐環(huán)節(jié)。許多學生參加虛擬仿真教學實踐活動，為學生提供更深入的學習體驗。在虛擬仿真設備中有很多不同類型的設備都是多工位實時操作使用的設備，如機器人本體及控制器、電液伺服電機等。這些設備一般具有很多不同的操作使用環(huán)境和使用要求，學生通過多次實踐將更全面地了解這些設備的使用環(huán)境與使用要求，使學生更加了解這些設備背后鮮為人知的功能并進一步提高對這些設備的實際操作能力，如礦工在安裝傳感器時不注意安裝規(guī)程導致傳感器失靈等一系列的問題，都可以通過學生參與到虛擬仿真教學過程中來解決上述問題。

虛擬仿真實踐的具體過程如下：（1）通過AR/VR技術輸入礦山相關現(xiàn)場動態(tài)視頻素材，生成相應的虛擬場景背景視頻模型；（2）實時采集環(huán)境中采集到的礦井數(shù)據(jù)信息并加以整合構建分析模型；（3）將煤礦環(huán)境進行數(shù)字化建模并通過AR/VR技術將場景展現(xiàn)給學生用戶，同時在教師管理后臺實時對用戶信息及場景狀態(tài)進行監(jiān)控和分析；（4）教師根據(jù)分析結果確定學生的學習進度和虛擬場景用戶的使用情況，并實時反饋給教學管理后臺進行統(tǒng)一調(diào)整；（5）學生將所看到的場景畫面上傳至學生用戶個人信息資料區(qū)等進行存儲并查看和使用。

4?結語

當前對智能采礦虛擬仿真教學提出了新的要求，教師應該利用虛擬仿真技術來實現(xiàn)對學生的全過程教育，通過智能采礦虛擬仿真教學，為學生提供了沉浸式的智能采礦場景體驗，實現(xiàn)了對實際煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程模擬學習和實訓。智能采礦虛擬仿真教學可以更好地實現(xiàn)學生知識與實踐能力、思維能力與創(chuàng)新能力的有機統(tǒng)一，適應新時期人才培養(yǎng)的新形勢，為培養(yǎng)學生適應采礦專業(yè)未來發(fā)展所需要的創(chuàng)新型人才提供了有效途徑。

參考文獻[1] 張志遠.采礦工程中綠色開采技術的應用探討[J].科技資訊，2020，18（34）：60-62.