煤炭智能采矿虚拟仿真教学研究

李兆霖 李少波

摘要：近年来，智能采矿在煤炭工业各领域得到了广泛应用，成为煤炭行业发展的热门方向。但是现阶段智能采矿在煤矿开采过程中还存在很多问题，如何突破传统课堂教学模式，充分发挥学生主观能动性是当下采矿专业教育教学面临的主要问题。该文将虚拟仿真技术与煤炭智能开采教学有机结合，对智能采矿虚拟仿真教学体系进行探索，构建虚拟仿真教学体系和模式。

关键词：智能采矿  虚拟仿真  教学平台  虚拟现实  教学实践

中图分类号：G642;TD67-4    文献标识码：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，我国矿业行业发生了巨大的变化，特别是新能源行业的快速发展使能源需求不断增长，而煤炭行业的资源匮乏和开采难度大，致使我国煤炭行业呈现出“多、小、散”现象。基于此，智能采矿技术兴起逐渐成为煤炭行业趋势，智能采矿技术是利用计算机和智能控制等信息技术对煤矿采掘过程中出现的影响煤矿生产和环境的各种异常现象进行模拟监测和预警的技术措施，是以人为核心、人机互动为主、模拟真实生产过程的新一代信息技术[1]。

智能采矿技术以现代信息技术为基础，以智能化生产为核心理念，以数字化、网络化和智能化为主要技术手段，实现矿井资源高效、安全、智能开采。与传统采矿技术相比，其具有以下优势：（1）可优化煤炭工业结构；（2）可提升煤矿生产效率，提高经济效益。当前传统采矿理论教学中通常采用师生互动教学或作业讲解课程学习，但这种教学方式存在着一定问题，难以满足学生对智能化采矿过程进行理解和掌握。在智能采矿教育中引入虚拟现实技术与计算机虚拟仿真等前沿技术相结合有利于学生实现人机互动、充分发挥学生学习主动性和创造性等综合能力要求。

1 智能采矿教学面臨的问题

目前，煤炭智能开采教学模式还处于“应用型”教育阶段，该阶段的培养目标是充分利用计算机、信息技术等先进知识，通过实践与探索取得能力和素质的提升。但是该培养模式仍存在着以下多个问题[2-3]。

1.1 缺乏“工程思维”理论和方法的教学

如今，煤炭工业的发展进入了一个新的常态。新技术和新工艺不断涌现，煤炭开采正呈现智能化、信息化、自动化等趋势。目前，我国部分高校采矿专业的培养目标仍停留在将工程思维作为学生的主要培养目标，而不是将知识传授给学生。煤炭智能开采教学模式对企业的应用需求研究不够。首先，该模式注重理论学习，忽视实践训练，煤炭工业企业的市场日新月异，要求学生掌握一定的实践技能和知识。其次，大多数矿业院校由于对人才培养缺乏深刻研究和深刻认识，对人才培养模式仍停留在传统知识学习阶段，没有形成一个系统化、专业化、批量化、个性化的人才培养模式。煤炭行业智能开采要求具有一定理论基础、较强应用能力，高校该培养方案应注重实践和技能训练，但高校教育在理论学习过程中不注重实践性和实用性培训。最后，该高校多以理论知识培训为主，缺乏将工程技术、计算机软件、互联网、大数据等知识融入实际应用中的能力训练。

1.2 缺少对煤炭行业资源开发利用和经济运行情况进行调查评估

采矿传统学科在技术革新上相对滞后于智能化领域，使得采矿专业学生毕业后面临从事煤矿企业井下工作时仍无法达到熟练掌握采矿工艺和生产环节知识，更谈不上对矿用机械、工程材料等学科知识的掌握工作与学习，这也使得学生毕业后难以实现从传统制造向智能制造的转变，在新技术、新设备、大数据等领域的研究投入不足。这也是中国大学开展专业培训时的一个常见问题。一方面，虽然煤矿智能采矿的研究和应用已有多年的历史，具有成熟的科研体系和科学成熟的研究方法和机制，但国内高校对智能采矿技术发展的研究深度和广度还不够，学生将只学习机器人和人工智能领域的科学知识和应用知识。另一方面，由于智能采矿主要集中在煤矿井下作业，学生所学习到的相关知识仅限于传统学科框架内，而对行业经济运行情况比较了解的学生并不会对相关领域有深入了解而难以接受相关领域科技创新成果。因此学生很难把握到煤炭行业技术发展动态及其对社会经济发展所带来的影响，而目前煤炭工业发展已形成了煤矿机械、采掘装备、智能开采三大领域，但在智能采矿和机器人应用方面，与煤炭行业、煤机制造领域相比仍存在一定差距。

1.3 缺乏全面系统的智能采矿教学体系

智能采矿的内涵不仅体现在设备方面，也包括生产过程的高效和自动化，这也是煤炭工业发展的必然要求。然而目前国内大部分高校采矿专业课程依然是一种单一式的知识结构布局方法，没有形成涵盖基础课程和专业基础课的完整系统体系。就教学内容而言，目前矿业院校普遍采用理论联系实际的教学模式。虽然这种模式有利于学生掌握尖端技术，但也存在教学难度大、知识体系相对松散等问题。此外，一些学校尚未将采矿工程学科的理论知识与智能系统的开发结合起来。此外，在整个教学过程中，智能系统的原理和应用缺乏实践环节，严重滞后于学生综合能力的发展，目前许多高校缺乏将该领域的课程与实践环节衔接的意识，导致学生的学习任务与专业基础知识缺乏有效的衔接和互补，使学生难以深入理解智能采矿生产技术。

2 智能采矿虚拟仿真教学的特点

虚拟现实技术可以使学生更容易理解实际采矿工作中容易出现的问题，并可以模拟实际采矿工作存在的风险，学生通过在虚拟矿山环境中学习与训练学生，可以大大提高学习效率，为日后从事矿产资源、智能采矿等相关领域工作奠定基础。智能采矿虚拟仿真教学主要有以下特点[4]。

2.1 利用虚拟现实技术构建情景化教学环境，让学生切身体验并感受到实际的采矿场景

在虚拟采矿课程中，教师和学生可以共同建立一个采矿场地，然后监控整个采矿过程。整个过程可以通过虚拟采矿系统进行控制，以模拟采矿工作。在虚拟采矿仿真系统中，教师可以实时监控虚拟采矿场景和工作条件，这些资料将以多种形式展现在虚拟矿业软件中，极大地增强了学生对采矿领域实际问题以及相关理论知识技能的理解和掌握程度，同时也可消除学生对矿井环境的盲目性和不安全感。此外，虚拟仿真技术能够使学生对智能采矿设备的基本构造、运动轨迹等有较深的了解，使学生对所学的知识有一个更深层次的认识[5]。例如：利用虚拟仿真技术对地下采矿机器人的运动轨迹和姿态进行三维仿真，使学生能够更直观、更清晰地了解地下采矿过程中的空间工作环境和相应设备结构的运行状态，以及采矿过程中需要面对的困难和风险。

2.2 利用虚拟现实技术能够提高学生解决实际问题的能力

在矿山行业中，经常会遇到实际问题。如果采取传统课程教学方法，往往都是机械类教材和实验操作教学法，效果不好，学生不能真正理解和掌握各个专业涉及到的知识。因此，如何让大学生对矿山专业知识更容易理解和掌握，并能熟练地解决实际问题是采矿工程专业教师面临的一个重要课题。由于智能采矿设备的构造和运动状态多种多样，在虚拟仿真过程中，可以把每一个部件、每一个元件都用模型来表达与表现，让使用者对设备内部结构有一个更加直观、形象的认识，这对提高学生解决实际问题能力有很大帮助[6-8]。例如：在“智能采矿”虚拟仿真实验教学中，学生可以通过三维可视化演示，认识到复杂的采煤条件和恶劣的环境所造成的采矿困难，引发学生的思考，理解和解决采煤的实际技术问题。

3 智能采矿虚拟仿真教学方法构想

3.1 智能采矿虚拟仿真教学平台搭建

虚拟仿真教学平台的搭建，将极大地提高教学资源利用效率，为实现智能矿山技术与装备的理论和实际应用提供支撑。依托于“互联网+智能采矿”的理念，构建智能采矿虚拟仿真教学平台，平台架构主要由以下3个部分组成。（1）教学软件系统：包含系统设计、虚拟仿真分析、数据库管理与数据库交互三部分内容，通过不同的操作界面，可以完成各种复杂的仿真分析功能。（2）虚拟仿真教学软件子系统：包括网络虚拟现实、人机交互软件等，可以在“云”平台上实现对教师使用的设备的统一管理。学生可以通过网络和人机交互软件在资源和知识方面自主学习和实践，实现边学习边交流经验的目标。（3）教务管理系统：包括智能矿山虚拟仿真培训与考核管理系统等一系列功能和应用，可以实时监控和维护整个平台，并提供相应的管理服务。通过平台可实现“云”学习和“云”监测与应用，实时监测各虚拟环境设备运行状态。

智能采矿虚拟仿真教学平臺通过人机交互，为学生提供虚拟环境训练和学习环境体验。系统采用虚拟现实仿真技术，通过网络将仿真设备与真实矿山进行无缝链接，让学生从视觉、听觉等多感官上直观感受采矿设备技术及复杂的矿井作业环境。人机交互过程中，可对煤矿矿工提出具体问题进行解答，并可根据教师提问随时生成反馈结果。使用该平台后，教师可以通过实时在线模式，让学生及时得到反馈，及时纠正学习中的问题，有效提高学习效率。学生利用智能采矿平台，可查看自己在不同环境下作业情况，从而全面掌握自身的知识技能，提高自身综合素质与参与科研的能力。

3.2 课堂虚拟仿真教学内容

在这种教学环境下，教师能够参照结合实际教学内容设计课堂教学任务，如采矿工程智能采矿技术课程。课程的主要内容是讲解智能采矿技术的原理，并在课堂上播放智能采矿施工现场视频，加深学生对该知识的理解，借助虚拟现实技术在课堂上展示矿业专业的理论和实践操作，进一步提升课堂教学的互动性和实用性。在课堂上，学生还能够实时看到课后的实践活动。借助VR技术，学生能够在一个顶板事故场景中体验采矿井下环控作业和顶板搬运作业的实际操作。对学生来说，能够学习到更多的安全知识和技术操作技能，VR虚拟现实软件能够做到远程控制、视频播放、语音通话等功能，数字化呈现课堂内容。例如，学生可选用VR设备在三维采矿平台上观察地表形貌和采矿工作面情况；借助实时视频查看，能够获得更多的三维图形图像，如矿山景观、采矿现场、设备运行信息等。另外，VR视频观看能够进一步提高实际学习效果，培养学生的学习兴趣和能力，激发他们探索创新思维过程。

3.3 虚拟仿真实践

实践环节的设置应根据课程内容确定不同课程内容之间的逻辑关系，并根据不同课程内容的特点设计和设置相应的实践环节。许多学生参加虚拟仿真教学实践活动，为学生提供更深入的学习体验。在虚拟仿真设备中有很多不同类型的设备都是多工位实时操作使用的设备，如机器人本体及控制器、电液伺服电机等。这些设备一般具有很多不同的操作使用环境和使用要求，学生通过多次实践将更全面地了解这些设备的使用环境与使用要求，使学生更加了解这些设备背后鲜为人知的功能并进一步提高对这些设备的实际操作能力，如矿工在安装传感器时不注意安装规程导致传感器失灵等一系列的问题，都可以通过学生参与到虚拟仿真教学过程中来解决上述问题。

虚拟仿真实践的具体过程如下：（1）通过AR/VR技术输入矿山相关现场动态视频素材，生成相应的虚拟场景背景视频模型；（2）实时采集环境中采集到的矿井数据信息并加以整合构建分析模型；（3）将煤矿环境进行数字化建模并通过AR/VR技术将场景展现给学生用户，同时在教师管理后台实时对用户信息及场景状态进行监控和分析；（4）教师根据分析结果确定学生的学习进度和虚拟场景用户的使用情况，并实时反馈给教学管理后台进行统一调整；（5）学生将所看到的场景画面上传至学生用户个人信息资料区等进行存储并查看和使用。

4 结语

当前对智能采矿虚拟仿真教学提出了新的要求，教师应该利用虚拟仿真技术来实现对学生的全过程教育，通过智能采矿虚拟仿真教学，为学生提供了沉浸式的智能采矿场景体验，实现了对实际煤矿生产现场的全过程模拟学习和实训。智能采矿虚拟仿真教学可以更好地实现学生知识与实践能力、思维能力与创新能力的有机统一，适应新时期人才培养的新形势，为培养学生适应采矿专业未来发展所需要的创新型人才提供了有效途径。

参考文献[1] 张志远.采矿工程中绿色开采技术的应用探讨[J].科技资讯，2020，18（34）：60-62.