疫情背景下虚拟仿真教学在采矿工程中的应用模式研究

赵红泽，孙振明，闫 宁，王光辰

（1.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083；2.北京政法职业学院 安全防范系，北京 102628；3.北京龙软科技股份有限公司，北京 100190）

随着信息技术及虚拟现实技术的不断发展和进步，由于具有高度沉浸性、交互性、真实感等诸多的优点，基于虚拟仿真系统的教学培训越来越得到高等院校及教学培训机构的重视和应用。根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》，教育部于2013 年启动在全国范围内建设100 个国家级虚拟仿真实验教学中心。在此基础上，虚拟仿真实验教学系统得到了快速的发展和应用。

目前采矿专业实习实践及培训教学涉及诸多困难：（1）采矿仪器设备大型贵重，拆解复杂，误操作易引发事故，经济损失大；（2）矿山属于高危行业，涉及诸多重大灾害如矿山火灾、水灾、露天边坡、运输事故等，在实验室很难模拟，而在灾害时期又难以实际测定，且现场教学危险性大；（3）矿床多埋藏于地下深处，地下矿体及矿产特性无法看见，对这些不可见的地层信息、开采岩层移动等过程难以通过真实实验进行体会或观摩，传统教学手段效果难以达到要求。虚拟仿真实验教学对于解决实验经费有限、实习资源有限、高成本高消耗、极端危险环境、高污染、不可逆不可及等实验实习项目具有无可比拟的优势。

矿山开采分为露天开采和地下开采，与地下开采不同的是，露天开采作业本质上是大规模对地面及地下土石方及矿物的搬运工程。因其开发规模大、作业空间开放、装备技术先进，人工智能和现代通讯传输、物联网、云计算、大数据及高精度定位技术易于实现，露天矿山更容易实现智能开采。因此，虚拟仿真培训教学作为智能露天矿山一部分，通过建立虚拟仿真实验平台，并与智能矿山系统进行对接，可以大大提高学习实习的效率和水平，解决实习实训教学中的困难，提高学员的参与度与体验度。

一、露天矿山虚拟仿真培训系统平台设计

（一）平台总体架构设计

根据虚拟仿真技术的内涵和本质特征，达到虚拟仿真目标需要有相应的软硬件系统环境予以配套进行。其中，除了完善的软件开发平台和三维图像处理系统之外，还要求具有高度逼真的三维沉浸感。这种沉浸感主要通过立体听觉、三维触觉或力感以及具有高度沉浸感的视觉环境来实现，其中立体听觉一般通过三维环绕立体声响系统来实现，三维触觉和力感可以通过高精度的计算机触觉或力反馈设备来实现，而高度沉浸的视觉环境通常会通过大屏幕立体投影显示系统来实现，如：多通道柱面投影显示系统、球面仿真投影显示系统或CAVE 沉浸式仿真环境。

此外，根据虚拟仿真的技术特征要求，实时交互性是其应用的灵魂，是区别于其他传统媒体技术的本质所在。在系统建设过程中，这种交互往往通过多自由度的虚拟现实交互设备来实现，如：数据手套、位置跟踪器等。最终形成一个完整的虚拟仿真实验教学系统。

如图1 所示，露天矿山虚拟仿真系统设计为一个沉浸式双通道虚拟现实实验室系统（120 度环幕系统），系统包括虚拟现实时空演化平台（包括三维可视化工作站和虚拟现实时空演化软件系统）、沉浸式显示系统（包括双通道环幕立体投影显示系统、多通道图像无缝拼接系统、玻璃钢环幕）、6 自由度三维交互系统以及一些必要的虚拟现实实验室设备，如3D 音响和中控、虚拟现实头盔、数据手套等。

图1 采矿虚拟仿真系统架构图

（二）露天矿山时空演化软件系统平台设计

如图2 所示，虚拟仿真培训系统不是独立的系统，而是作为智能露天矿山系统的一部分，与地测系统、生产管控系统对接，可动态进行时空演化模型的更新与修正，显示生产系统的各种实时监测数据。系统建设流程可分为：首先，进行勘探、测量等数据采集技术的智慧化建设，不断地缩短地质、测量、安全、生产等相关数据的采集周期，提高数据采集的质量；其次，完善露天矿所有数据的数据存储及应用机制，搭建时空信息管理系统，构建时空数据库和时空数据单位（如图3 所示），保证时空演化模型的构建与更新所需的数据；与此同时，以可视化支撑平台为基础搭建时空演化模型的构建与更新平台，保证模型的构建与更新，同时不断研究时空演化模型的构建技术，提高时空演化模型的质量，缩短模型的构建周期；最后，需要不断拓展基于时空演化模型的应用范围的培训，从最基础的可视化展示、时空演化、地面巡检、验收测量、生产计划编制，到对主要生产环节简单的分析规划，最终实现各生产环节的智慧管控。

图2 露天矿山时空演化软件系统架构图

图3 时空数据单元构建流程

二、露天矿山虚拟仿真培训平台构建

（一）系统主要功能

以某露天矿山虚拟仿真培训系统为例，其主要功能模块如图4 所示。根据地质地形图、无人机摄影测量等数据，建立露天煤矿地表开采环境和设备、人员模型等（系统界面如图5 所示）；提供三维可视化交互操作学习环境，可以进行考核和评分；满足学习中的矿山基础知识和生产系统的认识目的，达到教学实习的要求。

图4 露天矿山虚拟仿真培训系统结构图

图5 露天矿虚拟仿真教学培训系统界面

（1）露天矿地表地理环境模拟。基于露天矿山地表现状测量数据建立精细可动态更新的露天矿地表地理三维虚拟现实环境，配套立体眼镜、头盔、数据手套等多种虚拟现实外设，实现整个采场范围内的人工漫游和交互学习。

（2）露天矿地质模型和矿体模拟。基于露天矿山地质数据建立钻孔数据库、模拟钻孔，并以此建立地质模型、矿体模型。根据矿体的赋存状态及埋藏条件，实现三维虚拟现实条件下开采方案的设计，如：开采工艺的选择；开采台阶参数、边坡参数等的确定；主采设备选择等。

（3）露天矿主要设备虚拟仿真。通过虚拟现实仿真建立各种穿孔设备、采掘设备、运输设备以及辅助设备的应用场景，介绍各种设备的作业参数及作业方法等，同时以虚拟仿真方式漫游介绍设备工作原理和设备主要构成。

（4）露天矿主要剥采工艺系统模拟。通过虚拟现实3D 动画展示露天煤矿不同剥采工艺系统流程、系统构成、环节匹配。以虚拟仿真、模拟游戏、知识问答等形式对露天矿山剥采工艺进行三维可视化交互学习和考核。同时提供智能化开采工艺环节流程仿真学习与交互控制操作培训，如图6 所示以穿孔环节为例的智能化虚拟仿真作业流程。

图6 穿孔智能化作业系统逻辑流程图

（5）露天矿边坡监测系统仿真及边坡失稳仿真。建立露天矿边坡模型，研究常用的边坡监测方法模拟布置监测点，模拟加载边坡受力变形条件，通过监测点的反馈模拟边坡的变形情况及达到极限的失稳情况。露天矿边坡监测系统主要从表面位移、内部位移、渗流量、降雨量和已有裂缝变化几个方面着手，仿真模拟不同外界条件下边坡变形及滑坡等宏观现象。

（6）露天矿运输事故仿真。运输事故是露天矿事故之一，其多为行车事故和机械设备事故，从而引起人员伤亡事故、设备相撞事故、车撞设备事故、翻车事故等。以典型事故为例，模拟露天矿各种运输场景及会车方式，模拟各种事故发生的条件，分析事故发生的原因和应采取的措施。

（7）调度室仿真模拟。采用虚拟现实仿真展示露天矿调度室内部场景漫游，并可进行交互对现场的监测和控制。

（8）排土场生态恢复模拟。建立排土场排土最终形态的模型，模拟排土场初始排土至进行复垦的过程，模拟复垦工程及排土场复垦后的状态，可交互进行人工复垦过程。

（二）虚拟仿真培训方式

露天矿山虚拟仿真培训教学系统面向学生，依托三维虚拟仿真硬件平台基础，结合露天开采专业课程与实习实验要求，构建出高度仿真的虚拟矿山生产和灾害环境，让学生在虚拟环境中开展学习。

（1）参观式教学（配合可变化的虚拟场景）。例如，学生可以在教师带领下，对虚拟场地进行漫游、参观。在实际漫游过程中，教师可以对沿途所见设备进行介绍、讲解，并可以打开虚拟场景中的虚拟视频播放机（如录像机、电视等）辅助教学。

（2）固定路线学习。可以自主设定路线，按照固定路线漫游、浏览和查询、语音定位介绍。

（3）交互式学习。在交互设备支持下，在虚拟环境中完成主动学习、设备使用等训练，包括智能化作业系统的模拟操作。

（4）考核式学习。每个学习项目有明确的学习目标，实习内容系统完整，有重点详细的仿真及实习环节和知识点展示，最后进行知识考核及成绩评定。学生实验操作步骤一般不少于10 步，每个实习项目要不少于2 学时。

此外，系统可以进行教学管理，包括教学大纲、考核内容、教学日历等内容的管理。虚拟仿真系统学习项目还能提供远程网络访问功能，可实现校内外网络共享学习。

三、虚拟仿真实践教学模式探索

（一）参照教学大纲，侧重实践过程教学

以单斗-卡车工艺剥离作业虚拟仿真实验为例，先确定学习目标：（1）引导学生认知露天矿山及剥离工作面真实作业环境；（2）学习剥离工作面作业设备的结构、性能、作业方式、设备的操作方法；（3）学习单斗-卡车工艺剥离作业中穿孔、爆破、走铲、采装、卡车出入换、运输、排弃等工艺环节、作业流程和技术要点。其次确定学习内容，包含四个单元，29 个步骤，共4 个学时实验内容：（1）学员漫游工业广场，经主出入沟下坑，沿主运输道路前往剥离工作面，认知剥离工作面作业环境；（2）通过拆解电铲、卡车、钻孔等作业设备，了解设备结构与性能，交互学习剥离设备操作方法；（3）按照作业规程操作电铲、卡车等设备进行穿孔、采矿、运输作业，学习单斗-卡车工艺作业技术；（4）实验考核，回答系统中的考核试题。

（二）注重过程互动与考核，融入课程思政

虚拟仿真教学避免学生完全进入虚拟环境，要增加学习过程中的考核与互动，除了系统提供的每环节考核试题和重点场景设备考核外，教师要充分利用系统进行分段教学，中间进行重点知识讲解。在疫情期间，利用在线虚拟仿真系统，可结合腾讯会议、QQ、雨课堂等软件方便进行互动教学，鼓励学生参与课堂讨论。考核成绩可以分为几个部分：预习与单元测验（30%），仿真操作与单元作业（30%），主题讨论与互动回答问题（30%），考勤（10%）。同时，在课程讲解过程中穿插讲述煤炭对国家能源保障的重要作用，矿工是“开采光明的一群人”，矿工的吃苦耐劳、奉献自我的精神，李克强总理称其为“煤亮子”“国家的脊梁”。

四、结束语

随着虚拟仿真技术的发展，虚拟仿真教学将会在采矿专业及矿山教学培训中发挥更大的作用。通过虚拟仿真实验教学，第一，可以使没有现场实践经历的学生能较为形象直观地学习和了解矿山开采工作流程和安全态势；第二，也可以为学有余力对科学研究和发明创造有浓厚兴趣的学生提供全开放式的实验平台，有助于开展创新性实践活动。另外，虚拟仿真实验教学在疫情期间愈发显示出其巨大优势，新的教学模式与新的智能虚拟仿真技术结合将会不断推进虚拟仿真教学在大学专业教学和矿工培训中的应用，尤其通过网络云虚拟仿真共享系统更扩大了系统的应用时空。通过采矿专业虚拟仿真开放式教学实践，此种模式可使学生在实验活动中由被动变为主动，对调动学生学习的主动性和积极性，培养创新能力都具有相当重要的意义。