趙 學(xué) 軍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

?

礦業(yè)院校礦井設(shè)計(jì)競賽三維模擬實(shí)踐平臺(tái)

趙 學(xué) 軍

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

煤炭院校是向煤炭工業(yè)輸送高層次人才的主要渠道。人才質(zhì)量是院校本身生存與發(fā)展的基礎(chǔ)，學(xué)科競賽是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的最有效途徑之一。然而，針對(duì)采礦工程和安全專業(yè)的設(shè)計(jì)大賽卻很少，為了彌補(bǔ)多年來開展專業(yè)競賽平臺(tái)的短缺，利用三維仿真技術(shù)自主研發(fā)構(gòu)建“礦業(yè)院校礦井設(shè)計(jì)競賽模擬仿真實(shí)踐平臺(tái)”的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，為現(xiàn)場學(xué)生技術(shù)能力與實(shí)力的較量和發(fā)揮的檢驗(yàn)，提供經(jīng)濟(jì)、方便、可操作性強(qiáng)的專業(yè)競賽平臺(tái)解決方案。

煤礦院校； 礦井設(shè)計(jì)競賽； 模擬仿真平臺(tái)

0 引 言

煤炭是世界儲(chǔ)量最豐富的化石燃料，是我國的主要能源，煤炭工業(yè)是我國能源的支柱產(chǎn)業(yè)且對(duì)國家的發(fā)展舉足輕重[1]。當(dāng)前，我國煤炭行業(yè)正面臨前所未有的困局?？萍紕?chuàng)新是人類發(fā)展與進(jìn)步的唯一途徑，同樣也是解決煤炭行業(yè)目前困局的關(guān)鍵所在。堅(jiān)持科技興煤戰(zhàn)略，提高自主創(chuàng)新能力是大勢(shì)所趨。而科技創(chuàng)新主要靠人才，人才培養(yǎng)的質(zhì)量至關(guān)重要。煤炭行業(yè)80%以上的高級(jí)工程技術(shù)人員是由礦業(yè)特色高校培養(yǎng)的，而人才質(zhì)量又是院校本身生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。教育部提倡的學(xué)科競賽是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的最有效途徑之一[2-3]。

學(xué)科競賽是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，是結(jié)合現(xiàn)實(shí)對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用的綜合訓(xùn)練。在一定程度上模擬了大學(xué)生畢業(yè)后的工作環(huán)境，對(duì)于學(xué)生科學(xué)實(shí)踐和動(dòng)手能力、創(chuàng)新和競爭意識(shí)以及綜合素質(zhì)的提高起著積極促進(jìn)的作用。因此，各高校及教育部都非常重視，對(duì)于各個(gè)專業(yè)都分別設(shè)立了不同類別的競賽，比如：電氣專業(yè)的機(jī)器人大賽，土木專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，英語大賽、數(shù)學(xué)建模大賽、物理模型大賽、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽、工商物流大賽、體育大賽等等就更多了。然而，礦業(yè)院校的主打?qū)I(yè)是采礦工程和安全專業(yè)，但是，針對(duì)于采礦工程和安全專業(yè)的設(shè)計(jì)大賽卻很少。僅僅2011年10月29日由教育部高等學(xué)校地礦學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦了“首屆全國高等學(xué)校采礦工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐作品大賽“，直到目前才有四屆。究其采礦專業(yè)大賽少的原因主要有：由于安全、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間以及一些礦山企業(yè)存在教育的誤區(qū)等原因，帶學(xué)生到礦山現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)與比賽不現(xiàn)實(shí)；由于煤炭地下生產(chǎn)特殊的作業(yè)環(huán)境，煤礦工程與其他工程的最大區(qū)別在于，煤礦工程的主體工程(巷道系統(tǒng))均位于井下，煤礦井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，構(gòu)成復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，且井下工作場地面積大，學(xué)生了解礦山生產(chǎn)過程困難，學(xué)生即使是下井也無法直觀觀察其空間結(jié)構(gòu)情況，也只能觀察到在井下局部生產(chǎn)環(huán)境，缺乏全局觀念，難以在工程現(xiàn)場開展全局的實(shí)訓(xùn)和比賽；煤礦設(shè)備價(jià)格非常高，耗電極大，在學(xué)校進(jìn)行實(shí)訓(xùn)比賽成本太高等一系列困難，多年來不便于進(jìn)行現(xiàn)場比賽。即使近幾年有比賽，也只是提交實(shí)物模型、數(shù)字模型或?qū)嵺`論文作品，然后有十幾分鐘答辯的滯后競賽。缺乏當(dāng)庭現(xiàn)場學(xué)生技術(shù)能力與實(shí)力的較量，無確鑿證據(jù)驗(yàn)證某些作品的真?zhèn)渭皩W(xué)生真正的創(chuàng)新能力，其公平性也只是相對(duì)的。鑒于此。利用信息時(shí)代先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)，開展礦業(yè)院校采礦工程及安全專業(yè)的礦井設(shè)計(jì)競賽仿真實(shí)踐平臺(tái)研究勢(shì)在必行。

通過三維地質(zhì)建模技術(shù)、三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及模擬仿真技術(shù)，自主研發(fā)構(gòu)建“礦業(yè)院校礦井設(shè)計(jì)競賽仿真實(shí)踐平臺(tái)”，為礦業(yè)院校采礦工程及安全專業(yè)提供進(jìn)行礦井創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽環(huán)境的強(qiáng)大支撐，以彌補(bǔ)多年來進(jìn)行專業(yè)競賽平臺(tái)的短缺，為充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造性以及綜合素質(zhì)的提高提供必要的保證和支持，充分體現(xiàn)礦業(yè)院校辦學(xué)特色，達(dá)到提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的效果和為礦山企業(yè)輸送創(chuàng)新型高層次科技力量的目的。

1 平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)分為四層，如圖1所示。

(1) 最底層是礦山數(shù)據(jù)采集層。其中包括采集礦山現(xiàn)有的自動(dòng)化子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)以及設(shè)備子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及各種圖件等；

(2) 第二層為數(shù)據(jù)庫層。包括地測數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫，主要抽取最底層礦山現(xiàn)有自動(dòng)化子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)以及設(shè)備子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的整合和管理，以作為前臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。模型數(shù)據(jù)庫包括井下的各種巷道，井上下設(shè)備，避難硐室，運(yùn)輸系統(tǒng)軌道等，所有資源可以任意調(diào)用和修改，以達(dá)到三維礦山快速創(chuàng)建的目的；

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

(3) 第三層為礦井設(shè)計(jì)競賽仿真實(shí)踐平臺(tái)。支撐最前臺(tái)的各種應(yīng)用程序，即應(yīng)用功能層的各項(xiàng)功能模塊，并協(xié)調(diào)各模塊之間的關(guān)系；

(4) 第四層為應(yīng)用功能層。包括系統(tǒng)維護(hù)、礦山生產(chǎn)流程模擬演示、競賽示范教學(xué)、模擬訓(xùn)練、競賽規(guī)程、開始競賽及競賽評(píng)估等7個(gè)功能模塊，以實(shí)現(xiàn)競賽及系統(tǒng)管理的所有功能。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1) 系統(tǒng)維護(hù)。實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)系統(tǒng)的用戶進(jìn)行總的管理，可以增加新的用戶、將失效的用戶刪除，對(duì)用戶遺忘密碼進(jìn)行修改。實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限的錄入、維護(hù)、授權(quán)、數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)，以及數(shù)據(jù)字典的錄入和維護(hù)等系統(tǒng)管理功能。

(2) 礦山生產(chǎn)流程模擬演示。有虛擬煤礦開采場景、開采設(shè)備、工作流程、煤礦事故等內(nèi)容演示，可以演示采煤機(jī)、皮帶、液壓支架的運(yùn)動(dòng)和操作過程，使學(xué)生對(duì)礦井下生產(chǎn)設(shè)備的原理及操作過程有更深入的理解，同時(shí)能夠進(jìn)行災(zāi)害模擬演示。

(3) 競賽示范教學(xué)。以一個(gè)礦區(qū)的數(shù)據(jù)及礦圖為例，為學(xué)生做示范指導(dǎo)。示范一個(gè)礦井如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的操作步驟及流程，以為學(xué)生競賽能熟練操作此平臺(tái)功能進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)。其中有快速搭建礦井的動(dòng)畫演示，還有教師可實(shí)際一步步操作演示設(shè)計(jì)礦井的過程及教學(xué)?？梢愿鶕?jù)用不同需求任意調(diào)整視角和位置，以及縮放等操作，從而多方位的瀏覽審視井下環(huán)境，對(duì)礦山井下環(huán)境的整體布局有更加深入和形象的認(rèn)識(shí)，還可以創(chuàng)建全局縮略圖，整體平面圖，區(qū)間三維圖等，可以讓學(xué)生針對(duì)不同礦山大場景的井下環(huán)境進(jìn)行快速準(zhǔn)確地進(jìn)行位置確認(rèn)，及快速跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置，達(dá)到對(duì)礦山井下環(huán)境及布局快速準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過多種人物以及井下運(yùn)輸設(shè)備的三維動(dòng)畫創(chuàng)建功能，快速地模擬礦山井下遇到的突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案，以三維動(dòng)畫仿真的方式呈現(xiàn)出來，可幫助在礦山井下遇到重大安全隱患時(shí)進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的規(guī)劃、部署和預(yù)演[4]。

(4) 模擬訓(xùn)練。學(xué)生可模擬正式競賽過程，進(jìn)行礦井設(shè)計(jì)或快速搭建礦井練習(xí)。即由學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)所隨機(jī)抽取的某礦井采掘平面圖等圖形及數(shù)據(jù)，進(jìn)行交互式操作，從模型庫中調(diào)取相應(yīng)的模型，開展礦山設(shè)計(jì)工作[5]。

(5) 競賽規(guī)程。系統(tǒng)內(nèi)置競賽規(guī)程及其競賽細(xì)則，以便競賽學(xué)生隨時(shí)了解并遵照?qǐng)?zhí)行。

(6) 開始競賽。根據(jù)系統(tǒng)所隨機(jī)抽取的某礦井采掘平面圖及其相關(guān)的數(shù)據(jù)，由學(xué)生進(jìn)行交互式操作，從模型庫中調(diào)取相應(yīng)的模型，在限定時(shí)間內(nèi)開展礦井生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備及設(shè)施整體設(shè)計(jì)競賽。

(7) 競賽評(píng)估。在競賽完成即可在線測試，為競賽評(píng)委提供評(píng)判依據(jù)。

2 平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以從試驗(yàn)礦區(qū)所獲取并使其標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用三維地質(zhì)建模技術(shù), 提取礦井生產(chǎn)有關(guān)的地層、巷道、工作面及設(shè)備等目標(biāo)要素, 實(shí)現(xiàn)三維礦井目標(biāo)的建模[6]。遵循軟件工程思想，利用三維可視化仿真(模型、顯示與動(dòng)態(tài)演示) 技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等建立海量的三維模型資源庫，可以快速的創(chuàng)建井下的環(huán)境和布局，盡可能的還原井下場景；實(shí)現(xiàn)井下巷道的快速搭建；可以清楚明了地了解整個(gè)井下巷道的布局和開采方向；可以直接畫出煤礦內(nèi)部環(huán)境的結(jié)構(gòu)，快速建立內(nèi)部相同的布局和模擬災(zāi)害，預(yù)防可能存在的災(zāi)害，更好的避免安全隱患；能夠模擬事故的發(fā)生；進(jìn)行三維交互和漫游，直觀整體地了解生產(chǎn)系統(tǒng)；快速改善布局和工藝流程；結(jié)合礦圖、地圖及全景圖等圖件和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、地測數(shù)據(jù)及GIS信息，進(jìn)行地上地下關(guān)聯(lián)，構(gòu)建地面真實(shí)全景及地下生產(chǎn)場景全部圖像[7-8]。平臺(tái)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能的部分畫面如圖2～5所示。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)、井上礦區(qū)環(huán)境模型搭建

圖3 設(shè)備模型、巷道模型及避難硐室模型及設(shè)計(jì)

3 平臺(tái)特色

(1) 系統(tǒng)自主研發(fā)，采用C++語言開發(fā)，自含性好，無須另外購買第三方的軟件，操作簡便，實(shí)用性強(qiáng)。

(2) 系統(tǒng)真實(shí)準(zhǔn)確、立體可視化，包含動(dòng)畫演練、互動(dòng)操作和在線測試等，系統(tǒng)注重交互性和真實(shí)性。

(3) 系統(tǒng)高性能，支持大的顯示場景。

(4) 可通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程查看該實(shí)驗(yàn)礦井的生產(chǎn)工作流程的三維場景，并動(dòng)畫演示。

(5) 學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解相關(guān)操作流程后，可以同時(shí)在線扮演多個(gè)工種的角色，實(shí)現(xiàn)多角色設(shè)計(jì)[9]。

(6) 海量的三維模型資源庫。

(7) 多視角觀察環(huán)境。

(8) 快速模擬應(yīng)急預(yù)案。

4 實(shí)踐和成效

礦井設(shè)計(jì)競賽仿真實(shí)踐平臺(tái)在部分礦業(yè)院校得到應(yīng)用實(shí)踐，使得學(xué)校組織采礦專業(yè)設(shè)計(jì)競賽形成常態(tài)化，由多年來只參加過四屆的全國高等學(xué)校采礦工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐作品大賽，改進(jìn)成每學(xué)期就可組織學(xué)生進(jìn)行一次模仿礦山實(shí)際的現(xiàn)場當(dāng)庭實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)大賽，為學(xué)校組織礦井設(shè)計(jì)類競賽提供了可操作性強(qiáng)、成本低、安全性好、方便、真實(shí)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力檢查力度大并且實(shí)用的競賽平臺(tái)，彌補(bǔ)了礦業(yè)類院校采礦專業(yè)開展設(shè)計(jì)大賽的平臺(tái)系統(tǒng)的短缺，同時(shí)也受到學(xué)生們的歡迎[10]。這對(duì)于學(xué)生已有知識(shí)的鞏固、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和激勵(lì)及校園文化氛圍的強(qiáng)化都具有重要的積極作用[11-12]。目前，中國煤炭教育協(xié)會(huì)經(jīng)過深入多所煤炭學(xué)校調(diào)研，擬將此礦井設(shè)計(jì)競賽仿真實(shí)踐平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)定為煤炭系統(tǒng)院校采礦及安全工程專業(yè)的大賽平臺(tái)并逐步推廣[13-14]。

圖4 礦井災(zāi)害模擬、水災(zāi)及火災(zāi)模型及仿真模擬

圖5 礦井災(zāi)害模擬爆炸沖擊波模型及仿真模擬、采掘設(shè)備模型及設(shè)計(jì)

5 結(jié) 語

該競賽模擬仿真實(shí)踐平臺(tái)經(jīng)過幾年的設(shè)計(jì)研究及實(shí)踐，具有海量的三維模型數(shù)據(jù)資料庫和三維交互引擎，使學(xué)生更加簡單方便地將礦山井上環(huán)境及井下現(xiàn)場的仿真還原或設(shè)計(jì)搭建，也可根據(jù)不同礦山的礦圖及數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)計(jì)出一個(gè)逼真的三維數(shù)字礦山[15]。同時(shí)，還為學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)將理論與實(shí)踐相結(jié)合提供了可操作性強(qiáng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，對(duì)充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和競爭意識(shí)大有益處，使得競賽效果和評(píng)判能夠綜合、全面、實(shí)際、現(xiàn)場、公平、公正和公開，真正起到通過大賽促進(jìn)提高創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量，為礦山企業(yè)輸送高層次創(chuàng)新精英的目的，使礦山企業(yè)、院校及學(xué)生三方面在科技創(chuàng)新上達(dá)到共贏。

[1] 羅承選.關(guān)于行業(yè)院校在建設(shè)創(chuàng)新型國家中地位與作用的幾點(diǎn)思考[J].中國高校科技與產(chǎn)業(yè)化，2007(3):9-14.

[2] 馬金禮，夏均民，汪衛(wèi)華. 礦業(yè)工程實(shí)訓(xùn)中心在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的應(yīng)用[J]. 科技資訊，2012(28):250-251.

[3] 馬文頂，吳作武，萬志軍,等. 采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014,31(9):14-18.

[4] 王 梅,張建民,王宇飛. 礦井三維信息管理模式與CoalMiner3D系統(tǒng)開發(fā)[J]. 煤礦開采, 2005 (6):21-26.

[5] 北京國土資源遙感公司. 礦井三維可視化信息系統(tǒng)研究報(bào)告 [R]. 北京: 北京國土資源遙感公司, 2004.

[6] 北京金視和科技股份有限公司. 煤礦專業(yè)仿真系統(tǒng)說明書 [R]. 北京: 北京金視和科技股份有限公司, 2012.

[7] 神華集團(tuán)神東公司. 神東公司大柳塔煤礦地質(zhì)勘探報(bào)告[R].北京: 神華集團(tuán)神東公司, 2001.

[8] 吳立新. 礦業(yè)GIS基礎(chǔ)軟件Titan2MGIS總體設(shè)計(jì)[R].北京: 中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)，2000.

[9] 張 申. 感知礦山與數(shù)字礦山—物聯(lián)網(wǎng)與感知礦山專題講座之二[J].工礦自動(dòng)化，2010(11):35-38.

[10] 張學(xué)清.煤炭工科院校辦學(xué)模式的思考[J]. 煤炭高等教育,1998(1):11-12.

[11] 羅承選.工業(yè)化視野下高等工程教育的特色與創(chuàng)新之路[J]. 煤炭高等教育,2007,25(5):1-2.

[12] 李興業(yè). 巴黎高等礦業(yè)學(xué)校的辦學(xué)特點(diǎn)[J]. 煤炭高等教育,1997(1):83-84.

[13] 武文斌，趙學(xué)軍.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程機(jī)考系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009(7): 92-95.

[14] 李伯虎, 柴旭東.信息時(shí)代的仿真軟件[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1999(10):316-320.

[15] 嚴(yán)一紅.農(nóng)業(yè)類高職院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)面臨的困難與對(duì)策[J]. 恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(綜合版), 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

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201211003); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2010YJ10)

趙學(xué)軍(1962-)，女、北京人，碩士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用仿真、圖形圖像、計(jì)算機(jī)地學(xué)應(yīng)用、信息處理等。Tel.:13901019670; E-mail:zhxj20120219@163.com

G 644.5; G 434

A

1006-7167(2016)01-0187-04