產(chǎn)教融合·虛實(shí)結(jié)合“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”的開發(fā)與人才培養(yǎng)實(shí)踐

王學(xué)文，王志華，熊曉燕，謝嘉成，高波，王雪松，劉俊

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；3.山西科達(dá)自控股份有限公司，山西太原 030006；4.太重煤機(jī)有限公司，山西太原 030032；5.山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司，山西太原 030031）

2017年12月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》，指出“深化產(chǎn)教融合，促進(jìn)教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈有機(jī)銜接，是當(dāng)前推進(jìn)人力資源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的迫切要求”[1]。產(chǎn)教融合是國家推動(dòng)的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)政策，是校企合作的高級階段[2]。

2022年11月，工業(yè)與信息化部、教育部等五部門聯(lián)合印發(fā)《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022-2026年）》[3]，在“虛擬現(xiàn)實(shí)+教育培訓(xùn)”部分明確提出“建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地……強(qiáng)化學(xué)員與各類虛擬物品、復(fù)雜現(xiàn)象與抽象概念的互動(dòng)實(shí)操”。 在此基礎(chǔ)上，虛擬仿真資源與實(shí)物平臺形成虛實(shí)結(jié)合、相互輔助的教學(xué)載體[4-5]，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提升實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

《中國制造2025》提出“開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用”[6]，煤機(jī)裝備作為制造裝備的重要組成部分，必須加強(qiáng)與新一代信息技術(shù)的深度融合、集成創(chuàng)新與成熟應(yīng)用。本文所述的“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”[7]以此為背景，面向煤機(jī)裝備，助力企業(yè)提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化水平，并通過產(chǎn)教融合與虛實(shí)結(jié)合，完成人才培養(yǎng)實(shí)踐。系統(tǒng)主要目標(biāo)與功能包括以下內(nèi)容。

（1）提升科學(xué)研究水平：系統(tǒng)可使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與煤機(jī)裝備深度融合，指導(dǎo)裝備制造業(yè)更高水平的信息化與自動(dòng)化建設(shè)。

（2）促進(jìn)學(xué)科建設(shè)發(fā)展：系統(tǒng)可促進(jìn)機(jī)械工程領(lǐng)域CAx 技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械工程學(xué)科的發(fā)展。

（3）改善人才培養(yǎng)條件：系統(tǒng)可提高人才培養(yǎng)平臺的信息化水平，為高等院校研究生和本科生實(shí)踐能力培養(yǎng)創(chuàng)造更好條件。

（4）完善平臺基地建設(shè)：系統(tǒng)可為學(xué)科建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供重要的平臺支撐，為行業(yè)領(lǐng)域提供重要的教育培訓(xùn)基地。

（5）實(shí)施教育教學(xué)改革：系統(tǒng)可為產(chǎn)教融合背景下新時(shí)代卓越工程師培養(yǎng)提供支撐。

1 校企合作科學(xué)研究

2010-2021年間，太原理工大學(xué)聯(lián)合太重煤機(jī)有限公司、山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司、山西科達(dá)自控股份有限公司等單位，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合方式，共同開發(fā)了“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”，其主要由虛擬現(xiàn)實(shí)模型資源庫、基于OSG 的虛擬裝配子系統(tǒng)、基于UG 的虛擬裝配子系統(tǒng)、場景仿真與漫游子系統(tǒng)、虛擬裝配人機(jī)交互子系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)裝配網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)與系統(tǒng)、基于WebGL 的數(shù)字模型系統(tǒng)7 部分組成（見圖1）。

圖1 “煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”功能框架

該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬裝配等新一代信息技術(shù)與煤機(jī)裝備深度融合為主線，充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)開放、共享、高效集聚的技術(shù)優(yōu)勢，通過融合虛擬現(xiàn)實(shí)場景仿真與漫游、虛擬裝配與人機(jī)交互關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，集成雙通道柱幕系統(tǒng)、力反饋器、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、Visual Studio 和Open Scene Graph等軟硬件平臺，全面實(shí)現(xiàn)了涵蓋采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、提升機(jī)等裝備在內(nèi)的煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)場景交互與裝配仿真應(yīng)用（見圖2）。

圖2 煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)場景交互與裝配仿真

“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”通過產(chǎn)學(xué)研校企合作方式，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，包括：將煤機(jī)裝備UG 和Pro/E 三維模型導(dǎo)入3DMAX，通過精細(xì)修復(fù)制作VR 模型，實(shí)現(xiàn)了CAD 模型與VR 模型的格式轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，為CAD 模型導(dǎo)入VR 環(huán)境提供了解決方案；使用3DMAX、OSG 進(jìn)行煤機(jī)裝備VR 場景制作，對煤機(jī)裝備增加了場景效果、漫游功能、光照功能，提供了紋理映射處理方案；利用數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和力反饋器實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)裝備虛擬抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和裝配，解決了人機(jī)交互設(shè)備與系統(tǒng)的接口問題；對軟件平臺、中央控制器、邊緣融合器、投影機(jī)、立體眼鏡及投影環(huán)幕等進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和集成，實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)裝備虛擬環(huán)境的沉浸式立體顯示等。

2 校企合作成果轉(zhuǎn)化

2.1 煤機(jī)裝備制造企業(yè)成果轉(zhuǎn)化

“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”在包括太重煤機(jī)有限公司和山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司在內(nèi)的多家煤機(jī)裝備制造企業(yè)進(jìn)行了推廣實(shí)施。

在太重煤機(jī)有限公司推廣實(shí)施期間，系統(tǒng)對采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)資源實(shí)時(shí)互動(dòng)與有效配置提供了幫助，促進(jìn)了采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)資源、生產(chǎn)能力、市場需求的集聚與對接，強(qiáng)化了采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)能力，提高了設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)了知識創(chuàng)新，顯著提升了該公司采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平。

在山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司推廣實(shí)施期間，通過融入該公司CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)，構(gòu)建了刮板輸送機(jī)沉浸式系統(tǒng)，可以逼真展示刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和工作狀況，幫助設(shè)計(jì)人員在較短時(shí)間內(nèi)評估各種設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化刮板輸送機(jī)性能和可靠性；系統(tǒng)通過虛擬場景模擬真實(shí)的刮板輸送機(jī)裝配與運(yùn)動(dòng)，使刮板輸送機(jī)研發(fā)時(shí)間更短，效率更高，成本更低，提升了該公司刮板輸送機(jī)在市場中的競爭力。

2.2 煤礦企業(yè)成果轉(zhuǎn)化

“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”在煤礦工作面監(jiān)控中的推廣應(yīng)用，主要借助山西科達(dá)自控股份有限公司與一線煤礦的項(xiàng)目合作。2020年4月，山西科達(dá)自控股份有限公司中標(biāo)國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦工作面綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目，該系統(tǒng)要求將察哈素煤礦的采煤工作方式革新為計(jì)算機(jī)集中監(jiān)測控制結(jié)合機(jī)械化的自動(dòng)化采煤工作方式，并實(shí)現(xiàn)對綜采裝備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制，達(dá)到“遠(yuǎn)程自動(dòng)化采煤，就地巡視手動(dòng)干預(yù)”的目標(biāo)[8]。

為順利實(shí)施上述中標(biāo)項(xiàng)目，從2020年4月開始，系統(tǒng)通過“高等院校-制造企業(yè)-煤礦企業(yè)”三方合作方式在察哈素煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用。通過融入山西科達(dá)自控股份有限公司自有的煤礦信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)將工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架和相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和錄入，建立了3D 全景顯示的綜采裝備虛擬仿真系統(tǒng)和虛擬運(yùn)行系統(tǒng)，完成了裝備的姿態(tài)與軌跡預(yù)測。在察哈素煤礦具體應(yīng)用實(shí)踐中，該成果通過融入地面遠(yuǎn)程調(diào)度與井下集控中心，形成了“視頻 +數(shù)據(jù)+VR”的全方位透明化監(jiān)測系統(tǒng)，豐富了察哈素煤礦工作面計(jì)算機(jī)集中監(jiān)測控制功能，對采煤工作方式的革新起到了重要推動(dòng)作用[9]。

基于所取得的良好經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，該項(xiàng)成果以校企合作方式獲得2021年中國機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)[10]和中國煤機(jī)行業(yè)“十三五”科技創(chuàng)新成果獎(jiǎng)[11]，并入選中國科協(xié)2022年科創(chuàng)中國先導(dǎo)技術(shù)系列榜單[12]。

3 虛實(shí)結(jié)合人才培養(yǎng)實(shí)踐

3.1 校內(nèi)虛實(shí)結(jié)合的本科生實(shí)踐教學(xué)

面向上述功能，“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”與煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)體裝備“煤礦綜采裝備成套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”[13]，組成了校內(nèi)虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐載體，承擔(dān)多項(xiàng)面向機(jī)械工程專業(yè)煤機(jī)方向的本科生實(shí)踐教學(xué)功能（見圖3、圖4），包括：承擔(dān)礦山機(jī)械認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、采掘運(yùn)機(jī)械認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐課程的部分虛擬實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)操任務(wù)，2020年立項(xiàng)建設(shè)的國家級一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中機(jī)械設(shè)計(jì)方向部分建設(shè)任務(wù)，國家級教學(xué)示范中心煤炭資源開采利用與裝備工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中有關(guān)煤機(jī)裝備的部分實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，山西省煤礦裝備與機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)任務(wù)等。

圖3 虛實(shí)結(jié)合虛擬煤機(jī)裝備實(shí)踐教學(xué)

圖4 虛實(shí)結(jié)合實(shí)體煤機(jī)裝備實(shí)踐教學(xué)

3.2 校企虛實(shí)結(jié)合的智能化培訓(xùn)

“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”[13]虛實(shí)結(jié)合，除可以完成校內(nèi)人才培養(yǎng)實(shí)踐外，也可以實(shí)現(xiàn)面向行業(yè)企業(yè)對員工進(jìn)行煤機(jī)裝備智能化技術(shù)培訓(xùn)。

2019年8月至2020年12月，山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司與太原理工大學(xué)聯(lián)合舉辦了智能化工作面建設(shè)培訓(xùn)班[14]，雙方已聯(lián)合完成10 期培訓(xùn)，每期22天，培訓(xùn)學(xué)員50 名，已累計(jì)培訓(xùn)學(xué)員約500 名。

在培訓(xùn)授課過程中，通過“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”形成的虛實(shí)結(jié)合平臺，受訓(xùn)學(xué)員掌握了煤礦綜采裝備智能系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、智能系統(tǒng)基本原理和組成、系統(tǒng)的基本操作方法以及如何判斷和處理系統(tǒng)故障；熟悉了虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬裝配等新一代信息技術(shù)與煤機(jī)裝備的集成創(chuàng)新若干關(guān)鍵技術(shù)，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何在煤礦智能化建設(shè)中進(jìn)行深度“融合-改造-創(chuàng)新”有了深刻認(rèn)識。培訓(xùn)工作培養(yǎng)了既懂管理又深刻理解信息技術(shù)的專業(yè)技術(shù)管理隊(duì)伍，充分了解煤礦智能化的基層建設(shè)。

3.3 虛實(shí)結(jié)合公益服務(wù)與科普

在公益服務(wù)與科普實(shí)踐應(yīng)用方面，“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”形成的虛實(shí)結(jié)合載體依托煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在每年一次的山西省科技廳組織的公眾開放活動(dòng)中，發(fā)揮著向社會(huì)普及煤機(jī)裝備領(lǐng)域的科學(xué)知識的作用。近5年來，累計(jì)向社會(huì)公眾開放2 000 余人次，在激發(fā)社會(huì)公眾科學(xué)創(chuàng)新意識方面效果明顯，對煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)創(chuàng)新支撐作用明顯，有效提升了煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的社會(huì)影響力。

4 結(jié)語

“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”開發(fā)與人才培養(yǎng)實(shí)踐取得了以下成果。

（1）促進(jìn)了校企合作科學(xué)研究、校企合作成果轉(zhuǎn)化、科研成果服務(wù)人才培養(yǎng)。

通過校企產(chǎn)學(xué)研合作方式，研發(fā)了煤機(jī)裝備與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深度融合的“煤機(jī)裝備虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)”；面向煤機(jī)裝備制造企業(yè)和煤礦企業(yè)，完成了校企合作模式下的成果轉(zhuǎn)化；與“煤礦綜采裝備成套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”形成了虛實(shí)結(jié)合的人才培養(yǎng)載體與平臺，并基于虛實(shí)結(jié)合模式，開展了校內(nèi)本科生實(shí)踐教學(xué)、校企智能化培訓(xùn)、公益服務(wù)與科普等。

（2）產(chǎn)教融合深化了校企合作模式。

傳統(tǒng)的校企合作通常是學(xué)校因?yàn)榘l(fā)展需要而成為合作的主動(dòng)發(fā)起方，企業(yè)常常是被動(dòng)合作方，合作過程中企業(yè)獲益不多，動(dòng)力不足。本文以對接合作企業(yè)信息化和智能化需求為先導(dǎo)，通過校企合作科學(xué)研究使合作企業(yè)共同受益科研成果，通過校企合作成果轉(zhuǎn)化使合作企業(yè)順利完成煤礦中標(biāo)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了校企合作共贏。合作過程是校企雙向互動(dòng)與整合的過程，校企雙方都是合作主導(dǎo)者，校企溝通交流由原先的學(xué)校單向自發(fā)走向校企雙向自覺，具有較強(qiáng)的交融性和穩(wěn)定性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了深度產(chǎn)教融合，形成了發(fā)展共同體。

（3）虛實(shí)結(jié)合拓寬了人才培養(yǎng)路徑。

虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐平臺的應(yīng)用促進(jìn)了太原理工大學(xué)機(jī)械工程（煤機(jī)裝備領(lǐng)域）實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新，全面提升了本專業(yè)本科生和研究生的培養(yǎng)質(zhì)量；智能化培訓(xùn)應(yīng)用為煤礦企業(yè)培養(yǎng)既懂管理又深刻理解信息技術(shù)的專業(yè)技術(shù)管理隊(duì)伍提供了路徑；公益服務(wù)與科普應(yīng)用在激發(fā)社會(huì)公眾科學(xué)創(chuàng)新意識方面效果明顯。