虚拟仿真技术在智能采矿专业实践教学中的应用

刘飞跃，杨 科*，阚 磊，朱 晔，池小楼

（安徽理工大学矿业工程学院 安徽 淮南 232001）

新时代信息技术与人工智能的深入发展，为推动煤炭行业的转型发展提供了支撑，智能开采已经成为煤炭行业高质量发展的必由之路。为满足就业市场对智能采矿专业人才的需求，2021年教育部正式批准安徽理工大学与中国矿业大学（北京）增设智能采矿工程专业，此外河南理工大学、辽宁工程技术大学、西安科技大学等高校开设智能采矿工程试点班。智能采矿专业的培养目标要求学生成为系统掌握矿山资源开发利用的基本理论和方法，具备采矿工程与软件工程、信息工程、人工智能等采矿+智能融合的知识技能，能在矿山自动化、信息化、智能化等智能采矿领域从事设计与施工、生产技术管理、安全监察及科学研究等相关工作的复合型专业技术人才，多学科交叉成为智能采矿专业建设的关键要点，由于智能矿山系统繁多、专业性强，其专业实践教学对教学方式与教学方法提出了新的要求。

针对智能采矿工程专业建设中存在的痛点难点问题，学者们进行了相应的探索，并提出了积极的对策。段敏克等[1]以安徽理工大学智能采矿专业建设为例，提出了“产―学―研”的智能采矿工程专业人才培养新模式；张俊文等[2]以中国矿业大学（北京）为例，介绍了智能采矿本科教学的人才培养方案；刘学生等[3]介绍了山东科技大学智能采掘技术基础课程设计。现代虚拟仿真技术可以追溯至20 世纪90年代，在采矿工程专业教学中得到了良好的应用，从最初的三维建模与立体显示[4]发展至数字孪生与增强虚拟现实[5]再到如今的矿山元宇宙[6]。为了推进虚拟仿真技术与实验教学的深入融合，2019年清华大学牵头成立了“虚拟仿真实验教学创新联盟”，在国内已拥有数百家高校及企业会员。虚拟仿真技术可以很好地解决智能采矿专业多学科交叉的特殊性，实现教学流程和教学效果的优化。

作为全国首批智能采矿工程专业，安徽理工大学在我国首批智能化矿井之一的麻地梁煤矿建设了教学实践基地，专业实践教学中重点学习矿山地质透明、设备地面远程集控与智能生产运营等。经过多次现场实践教学，笔者发现矿山现场实习存在如下问题：①实习资源有限、成本高；②专业设备昂贵，学生难以动手操作；③难以通过参观与讲座深入了解通讯控制等系统。虚拟仿真技术为智能采矿工程的专业实践提供了有利途径，同时智能采矿的复杂性也对虚拟仿真教学提出了新的要求。本文详细说明麻地梁煤矿虚拟场景的主要架构与功能，并介绍虚拟仿真在安徽理工大学智能采矿专业实践教学中的应用经验。

1 麻地梁煤矿虚拟仿真系统

1.1 系统简介

内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿位于内蒙古自治区准格尔煤田西南段，行政隶属准格尔旗龙口镇。麻地梁煤矿建成了“远程集控、智能掘进、智能采煤、智能通风、智能运输、智能交通管控、煤质运销管控、设备智能预警与远程会诊、物联网+智能仓储、互联网+远程办公”的矿井十大智慧系统，2020年被国家能源局、国家煤矿安全监察局列入首批新（改扩）建智能化煤矿名单，2021年成为内蒙古自治区首批验收通过的智能化建设煤矿。为了将智能矿井的复杂系统具象化，麻地梁煤矿建立了虚拟仿真系统，系统直接连接麻地梁煤矿生产管控系统，形成智能煤矿的五层级构架，如图1 所示。系统将复杂地质、采矿设备、生产现场等“显式”信息进行三维演示，可以给予学生空间上的初步认知。同时，系统集成了数据采集传输、灾害监测预警、生产经营管理等信息，展示了现场实际的“隐式”信息，丰富了学生对工程实际的认知。

图1 智能矿井虚拟仿真系统构架

1.2 功能界面

麻地梁煤矿虚拟仿真系统登录账号由后台统一分配管理。建设有基础设施、安全保障、生产执行、经营管理与决策指挥五个模块。各模块之间相互独立又有机连接，涵盖煤矿生产运营全流程，有助于学生了解智能矿井各生产工艺环节，提升专业实践教学效果。

基础设施模块：该模块通过网络通讯集成了智慧矿井的基础设置，同时内嵌智能算法对基础设施系统进行自主诊断，对设施故障进行实时预警。主要包括GIS 一张图、基础网络万兆环网、综合分站、5G 通讯等，实现定位通信、监测监控、自动化等系统的统一接入、统一承载、统一管理。

安全保障模块：主要接入了安全监控、人员车辆定位、应急救援管理、避灾路线、水文监测、矿压监测、束管监测、智能喷雾、光纤测温等9 个子系统。学生（安全管理人员）可以远程查看矿井安全系统数据变化趋势，对矿井安全进行全方位监控，数据自动上载至矿山私有云服务器，同时根据设定阈值进行实时监测预警，并根据报警级别推送相关安全管理人员。

生产执行模块：主要接入综放工作面、掘进工作面、主通风机、压风机、主煤流皮带运输、主排水泵房、电力监控、生产消防泵房、矿井污水处理硐室、生活污水处理厂、选煤厂及快速装车、锅炉房、矿灯房、制氮车间、灌浆车间等15个子系统自动化集成。实现全矿井生产系统的数据采集、分析，远程控制、无人值守，各类数据在PC端、手机端监控并实现数据异常分级报警推送等功能。

经营管理模块：主要接入互联网远程办公、物联网+智能仓储快递服务、生产计划及管理、自动排班、一通三防管理、设备备配件管理、机电设备管理、煤质产销管理、生产技术管理、后勤服务系统等10 个子系统。实现业务流和工作流的网上运行、数据资源留痕共享、自动生成各种报表，集成各项经营管理的业务需求，提高企业运行效率、达到精细化管理。

决策指挥模块：主要包括安全决策分析、生产决策分析、经营决策分析3 个子系统。通过对智能矿山生产执行系统和生产经营管理系统的大数据进行提取，显示出直观的趋势图；监控安全避险六大系统运行异常，并对安全生产、经营管理存在的问题进行分析决策[7-8]。

2 智能采矿专业虚拟仿真实践教学

2.1 现场实践与仿真实验相结合

采矿工程是应用性强、紧密结合生产实际的专业，实践教学大纲要求学生深刻理解采矿工艺、安全控制、设备操作、通讯传感等知识，并能够联系实际培养学生的科学探索思维，促使学生应用专业知识解决现场中的相关工程问题。现场实习无疑是实现上述目标的重要环节，但受到现场条件、人力物力财力的限制，难以长时间大范围地开展现场实践教学，引入虚拟仿真可以不受时间地点的约束，无限次地开展仿真实践。特别是仿真实践可以将难以理解的通讯控制、运营管理、监测预警等知识点具象化，在开展现场实践教学前，利用仿真实践使学生形成智能矿井的整体概念，可以更好地实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教育教学目标。

2.2 科研成果与教育教学相结合

自2020年国家发展改革委、能源局、应急部、教育部等八部委联合制定了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国的煤矿智能化建设进入了快车道，新理论、新技术、新装备不断涌现。指导意见要求到2025年我国大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，实现开拓设计、地质保障、采掘（剥）、运输、通风、洗选等系统的智能化决策和自动化执行；2035年各类煤矿基本实现智能化，建成“智能感知、智能决策、自动执行”的煤矿智能化体系。在此过程中，智能采矿专业教材往往刚编写完成就落后于实际，传统的教学模式无法适应采矿行业智能化的高速发展，将最新的科研成果引入教育教学中，特别是利用现代人工智能技术与虚拟可视化技术，将复杂的智能采矿机理形象地展示出来，便于学生理解与吸收最新的智能采矿知识。

2.3 校企合作与学科建设相结合

在市场、政策与技术等因素持续催化下，煤矿智能化建设持续高速发展，预计到2025年将形成数百亿人民币规模的市场。以麻地梁煤矿、杨柳煤矿、黄陵煤矿等为代表的矿山企业，以郑煤机、梅安森、天玛智控等为代表的设备厂商，以三大电信运营商、华为、中兴等为代表的通讯服务，以龙软科技、山源科技等为代表的软件厂商，在煤矿智能化建设上持续发力，在技术设备研发上已经超过高校。配套的现代化虚拟仿真实验室对于矿山企业而言，可以实现物理矿山的虚拟化、生产环节的可视化，实现矿山生产流程再造，助力煤矿智能精准开采；对于高校可以协助培养人才、助力学科建设，同时有利于学生就业。校企合作与学科建设相结合，是智能采矿专业建设的有利途径，也是实现“产―学―研”一体化的必由之路。

3 结语

借助虚拟仿真、通讯控制、人工智能和软件技术，不仅可以复现真实矿山物理场景，还可以集成生产、监测数据，实现数据流、信息流的展示。此外结合矿山设计，借助于三维建模，实现数字孪生的智能矿山建设。虚拟仿真技术能够将矿井全生产流程中的“显式”与“隐式”信息动态可视化地展现出来，帮助学生直观形象地了解现代智能矿井的各个系统，也可以激发学生的积极性与创造性，取得了良好的应用效果。

在后续的智能采矿虚拟仿真专业实践教学课程建设中，虚拟仿真系统可以融入VR技术，学生通过在虚拟环境中模拟实训，学习矿山装备的实际操作；也可以融入覆岩垮落、岩层移动等岩体响应规律，认识矿山全生命周期内采掘活动诱发的工程灾害。同时应加强与矿山企业、设备厂家的联合攻关，让虚拟仿真技术真正走进煤炭行业，用于人员培训与科学研究，促进矿山行业持续发展，让矿山更智慧、更安全。