矿业院校矿井设计竞赛三维模拟实践平台

赵 学 军

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院， 北京 100083)



矿业院校矿井设计竞赛三维模拟实践平台

赵 学 军

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院， 北京 100083)

煤炭院校是向煤炭工业输送高层次人才的主要渠道。人才质量是院校本身生存与发展的基础，学科竞赛是提高人才培养质量，促进素质教育、培养创新人才的最有效途径之一。然而，针对采矿工程和安全专业的设计大赛却很少，为了弥补多年来开展专业竞赛平台的短缺，利用三维仿真技术自主研发构建“矿业院校矿井设计竞赛模拟仿真实践平台”的设计研发工作，为现场学生技术能力与实力的较量和发挥的检验，提供经济、方便、可操作性强的专业竞赛平台解决方案。

煤矿院校； 矿井设计竞赛； 模拟仿真平台

0 引 言

煤炭是世界储量最丰富的化石燃料，是我国的主要能源，煤炭工业是我国能源的支柱产业且对国家的发展举足轻重[1]。当前，我国煤炭行业正面临前所未有的困局。科技创新是人类发展与进步的唯一途径，同样也是解决煤炭行业目前困局的关键所在。坚持科技兴煤战略，提高自主创新能力是大势所趋。而科技创新主要靠人才，人才培养的质量至关重要。煤炭行业80%以上的高级工程技术人员是由矿业特色高校培养的，而人才质量又是院校本身生存与发展的基础。教育部提倡的学科竞赛是提高人才培养质量，促进素质教育、培养创新人才的最有效途径之一[2-3]。

学科竞赛是面向大学生的群众性科技活动，是结合现实对知识综合运用的综合训练。在一定程度上模拟了大学生毕业后的工作环境，对于学生科学实践和动手能力、创新和竞争意识以及综合素质的提高起着积极促进的作用。因此，各高校及教育部都非常重视，对于各个专业都分别设立了不同类别的竞赛，比如：电气专业的机器人大赛，土木专业的结构设计大赛，英语大赛、数学建模大赛、物理模型大赛、计算机程序设计大赛、工商物流大赛、体育大赛等等就更多了。然而，矿业院校的主打专业是采矿工程和安全专业，但是，针对于采矿工程和安全专业的设计大赛却很少。仅仅2011年10月29日由教育部高等学校地矿学科教学指导委员会主办了“首届全国高等学校采矿工程专业学生实践作品大赛“，直到目前才有四届。究其采矿专业大赛少的原因主要有：由于安全、经费、时间以及一些矿山企业存在教育的误区等原因，带学生到矿山现场实训与比赛不现实；由于煤炭地下生产特殊的作业环境，煤矿工程与其他工程的最大区别在于，煤矿工程的主体工程(巷道系统)均位于井下，煤矿井下巷道错综复杂，构成复杂的三维空间结构，且井下工作场地面积大，学生了解矿山生产过程困难，学生即使是下井也无法直观观察其空间结构情况，也只能观察到在井下局部生产环境，缺乏全局观念，难以在工程现场开展全局的实训和比赛；煤矿设备价格非常高，耗电极大，在学校进行实训比赛成本太高等一系列困难，多年来不便于进行现场比赛。即使近几年有比赛，也只是提交实物模型、数字模型或实践论文作品，然后有十几分钟答辩的滞后竞赛。缺乏当庭现场学生技术能力与实力的较量，无确凿证据验证某些作品的真伪及学生真正的创新能力，其公平性也只是相对的。鉴于此。利用信息时代先进的模拟仿真技术，开展矿业院校采矿工程及安全专业的矿井设计竞赛仿真实践平台研究势在必行。

通过三维地质建模技术、三维可视化技术、数据库及模拟仿真技术，自主研发构建“矿业院校矿井设计竞赛仿真实践平台”，为矿业院校采矿工程及安全专业提供进行矿井创新设计竞赛环境的强大支撑，以弥补多年来进行专业竞赛平台的短缺，为充分发挥学生的创新性和创造性以及综合素质的提高提供必要的保证和支持，充分体现矿业院校办学特色，达到提高人才培养质量的效果和为矿山企业输送创新型高层次科技力量的目的。

1 平台系统设计

1.1 系统架构设计

系统架构分为四层，如图1所示。

(1) 最底层是矿山数据采集层。其中包括采集矿山现有的自动化子系统、监控子系统以及设备子系统的数据及各种图件等；

(2) 第二层为数据库层。包括地测数据库、生产数据库和模型数据库，主要抽取最底层矿山现有自动化子系统、监控子系统以及设备子系统的数据，进入到相应的数据库中，并对数据进行统一的整合和管理，以作为前台强大的数据支撑。模型数据库包括井下的各种巷道，井上下设备，避难硐室，运输系统轨道等，所有资源可以任意调用和修改，以达到三维矿山快速创建的目的；

图1 平台系统架构

(3) 第三层为矿井设计竞赛仿真实践平台。支撑最前台的各种应用程序，即应用功能层的各项功能模块，并协调各模块之间的关系；

(4) 第四层为应用功能层。包括系统维护、矿山生产流程模拟演示、竞赛示范教学、模拟训练、竞赛规程、开始竞赛及竞赛评估等7个功能模块，以实现竞赛及系统管理的所有功能。

1.2 系统功能设计

(1) 系统维护。实现管理员对系统的用户进行总的管理，可以增加新的用户、将失效的用户删除，对用户遗忘密码进行修改。实现用户权限的录入、维护、授权、数据库备份和恢复，以及数据字典的录入和维护等系统管理功能。

(2) 矿山生产流程模拟演示。有虚拟煤矿开采场景、开采设备、工作流程、煤矿事故等内容演示，可以演示采煤机、皮带、液压支架的运动和操作过程，使学生对矿井下生产设备的原理及操作过程有更深入的理解，同时能够进行灾害模拟演示。

(3) 竞赛示范教学。以一个矿区的数据及矿图为例，为学生做示范指导。示范一个矿井如何进行设计的操作步骤及流程，以为学生竞赛能熟练操作此平台功能进行培训教学。其中有快速搭建矿井的动画演示，还有教师可实际一步步操作演示设计矿井的过程及教学。可以根据用不同需求任意调整视角和位置，以及缩放等操作，从而多方位的浏览审视井下环境，对矿山井下环境的整体布局有更加深入和形象的认识，还可以创建全局缩略图，整体平面图，区间三维图等，可以让学生针对不同矿山大场景的井下环境进行快速准确地进行位置确认，及快速跳转到目标位置，达到对矿山井下环境及布局快速准确的认识。同时，通过多种人物以及井下运输设备的三维动画创建功能，快速地模拟矿山井下遇到的突发事件的应急预案，以三维动画仿真的方式呈现出来，可帮助在矿山井下遇到重大安全隐患时进行应急预案的规划、部署和预演[4]。

(4) 模拟训练。学生可模拟正式竞赛过程，进行矿井设计或快速搭建矿井练习。即由学生根据系统所随机抽取的某矿井采掘平面图等图形及数据，进行交互式操作，从模型库中调取相应的模型，开展矿山设计工作[5]。

(5) 竞赛规程。系统内置竞赛规程及其竞赛细则，以便竞赛学生随时了解并遵照执行。

(6) 开始竞赛。根据系统所随机抽取的某矿井采掘平面图及其相关的数据，由学生进行交互式操作，从模型库中调取相应的模型，在限定时间内开展矿井生产环境、设备及设施整体设计竞赛。

(7) 竞赛评估。在竞赛完成即可在线测试，为竞赛评委提供评判依据。

2 平台系统实现

以从试验矿区所获取并使其标准化的基础数据为基础，利用三维地质建模技术, 提取矿井生产有关的地层、巷道、工作面及设备等目标要素, 实现三维矿井目标的建模[6]。遵循软件工程思想，利用三维可视化仿真(模型、显示与动态演示) 技术及数据库技术等建立海量的三维模型资源库，可以快速的创建井下的环境和布局，尽可能的还原井下场景；实现井下巷道的快速搭建；可以清楚明了地了解整个井下巷道的布局和开采方向；可以直接画出煤矿内部环境的结构，快速建立内部相同的布局和模拟灾害，预防可能存在的灾害，更好的避免安全隐患；能够模拟事故的发生；进行三维交互和漫游，直观整体地了解生产系统；快速改善布局和工艺流程；结合矿图、地图及全景图等图件和监控数据、地测数据及GIS信息，进行地上地下关联，构建地面真实全景及地下生产场景全部图像[7-8]。平台系统所实现功能的部分画面如图2～5所示。

图2 系统平台、井上矿区环境模型搭建

图3 设备模型、巷道模型及避难硐室模型及设计

3 平台特色

(1) 系统自主研发，采用C++语言开发，自含性好，无须另外购买第三方的软件，操作简便，实用性强。

(2) 系统真实准确、立体可视化，包含动画演练、互动操作和在线测试等，系统注重交互性和真实性。

(3) 系统高性能，支持大的显示场景。

(4) 可通过互联网远程查看该实验矿井的生产工作流程的三维场景，并动画演示。

(5) 学生通过学习了解相关操作流程后，可以同时在线扮演多个工种的角色，实现多角色设计[9]。

(6) 海量的三维模型资源库。

(7) 多视角观察环境。

(8) 快速模拟应急预案。

4 实践和成效

矿井设计竞赛仿真实践平台在部分矿业院校得到应用实践，使得学校组织采矿专业设计竞赛形成常态化，由多年来只参加过四届的全国高等学校采矿工程专业学生实践作品大赛，改进成每学期就可组织学生进行一次模仿矿山实际的现场当庭实战设计大赛，为学校组织矿井设计类竞赛提供了可操作性强、成本低、安全性好、方便、真实、设计创新能力检查力度大并且实用的竞赛平台，弥补了矿业类院校采矿专业开展设计大赛的平台系统的短缺，同时也受到学生们的欢迎[10]。这对于学生已有知识的巩固、创新能力的培养和激励及校园文化氛围的强化都具有重要的积极作用[11-12]。目前，中国煤炭教育协会经过深入多所煤炭学校调研，拟将此矿井设计竞赛仿真实践平台系统设定为煤炭系统院校采矿及安全工程专业的大赛平台并逐步推广[13-14]。

图4 矿井灾害模拟、水灾及火灾模型及仿真模拟

图5 矿井灾害模拟爆炸冲击波模型及仿真模拟、采掘设备模型及设计

5 结 语

该竞赛模拟仿真实践平台经过几年的设计研究及实践，具有海量的三维模型数据资料库和三维交互引擎，使学生更加简单方便地将矿山井上环境及井下现场的仿真还原或设计搭建，也可根据不同矿山的矿图及数据，构建设计出一个逼真的三维数字矿山[15]。同时，还为学生能够有机会将理论与实践相结合提供了可操作性强的设计环境，对充分发挥学生的想象力、创造力和竞争意识大有益处，使得竞赛效果和评判能够综合、全面、实际、现场、公平、公正和公开，真正起到通过大赛促进提高创新型人才培养质量，为矿山企业输送高层次创新精英的目的，使矿山企业、院校及学生三方面在科技创新上达到共赢。

[1] 罗承选.关于行业院校在建设创新型国家中地位与作用的几点思考[J].中国高校科技与产业化，2007(3):9-14.

[2] 马金礼，夏均民，汪卫华. 矿业工程实训中心在应用型人才培养中的应用[J]. 科技资讯，2012(28):250-251.

[3] 马文顶，吴作武，万志军,等. 采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J]. 实验技术与管理, 2014,31(9):14-18.

[4] 王 梅,张建民,王宇飞. 矿井三维信息管理模式与CoalMiner3D系统开发[J]. 煤矿开采, 2005 (6):21-26.

[5] 北京国土资源遥感公司. 矿井三维可视化信息系统研究报告 [R]. 北京: 北京国土资源遥感公司, 2004.

[6] 北京金视和科技股份有限公司. 煤矿专业仿真系统说明书 [R]. 北京: 北京金视和科技股份有限公司, 2012.

[7] 神华集团神东公司. 神东公司大柳塔煤矿地质勘探报告[R].北京: 神华集团神东公司, 2001.

[8] 吴立新. 矿业GIS基础软件Titan2MGIS总体设计[R].北京: 中国矿业大学北京校区，2000.

[9] 张 申. 感知矿山与数字矿山—物联网与感知矿山专题讲座之二[J].工矿自动化，2010(11):35-38.

[10] 张学清.煤炭工科院校办学模式的思考[J]. 煤炭高等教育,1998(1):11-12.

[11] 罗承选.工业化视野下高等工程教育的特色与创新之路[J]. 煤炭高等教育,2007,25(5):1-2.

[12] 李兴业. 巴黎高等矿业学校的办学特点[J]. 煤炭高等教育,1997(1):83-84.

[13] 武文斌，赵学军.计算机基础课程机考系统的设计与实现[J].实验技术与管理，2009(7): 92-95.

[14] 李伯虎, 柴旭东.信息时代的仿真软件[J]. 系统仿真学报,1999(10):316-320.

[15] 严一红.农业类高职院校实训基地建设面临的困难与对策[J]. 恩施职业技术学院学报(综合版), 2011(3):4-6.

Study on Simulated Practice Platform of Mine Design Contest in Mining College

ZHAOXue-jun

(China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

Coal institute is a main channel for conveying talents with high quality to coal industry. The quality of talents is the basis for the survival and development of mining universities. Academic competition is one of the most effective ways to improve the quality of talent training, to promote quality education, and to cultivate innovative talents. However, due to various reasons, the design contest for mining engineering and safety professional are very rare. In order to make up the shortage of professional competition, a platform was designed and developed over years. The system of "Mine Construction Design Competition Mining College Simulation Practice Platform" was independently researched and developed by using 3D simulation technology. Court students can play in the platform to strength their technical ability. It really provides an economic, convenient professional competition solution.

coal mining colleges; competition of mining design; simulation platform

2015-02-28

国土资源部公益性行业科研专项(201211003); 中央高校基本科研业务费专项资金(2010YJ10)

赵学军(1962-)，女、北京人，硕士，副教授，研究生导师，研究方向：计算机应用仿真、图形图像、计算机地学应用、信息处理等。Tel.:13901019670; E-mail:zhxj20120219@163.com

G 644.5; G 434

A

1006-7167(2016)01-0187-04