趙紅澤，孫振明，閆 寧，王光辰

（1.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.北京政法職業(yè)學院 安全防范系，北京 102628；3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190）

隨著信息技術及虛擬現實技術的不斷發(fā)展和進步，由于具有高度沉浸性、交互性、真實感等諸多的優(yōu)點，基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學培訓越來越得到高等院校及教學培訓機構的重視和應用。根據《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》，教育部于2013 年啟動在全國范圍內建設100 個國家級虛擬仿真實驗教學中心。在此基礎上，虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和應用。

目前采礦專業(yè)實習實踐及培訓教學涉及諸多困難：（1）采礦儀器設備大型貴重，拆解復雜，誤操作易引發(fā)事故，經濟損失大；（2）礦山屬于高危行業(yè)，涉及諸多重大災害如礦山火災、水災、露天邊坡、運輸事故等，在實驗室很難模擬，而在災害時期又難以實際測定，且現場教學危險性大；（3）礦床多埋藏于地下深處，地下礦體及礦產特性無法看見，對這些不可見的地層信息、開采巖層移動等過程難以通過真實實驗進行體會或觀摩，傳統(tǒng)教學手段效果難以達到要求。虛擬仿真實驗教學對于解決實驗經費有限、實習資源有限、高成本高消耗、極端危險環(huán)境、高污染、不可逆不可及等實驗實習項目具有無可比擬的優(yōu)勢。

礦山開采分為露天開采和地下開采，與地下開采不同的是，露天開采作業(yè)本質上是大規(guī)模對地面及地下土石方及礦物的搬運工程。因其開發(fā)規(guī)模大、作業(yè)空間開放、裝備技術先進，人工智能和現代通訊傳輸、物聯網、云計算、大數據及高精度定位技術易于實現，露天礦山更容易實現智能開采。因此，虛擬仿真培訓教學作為智能露天礦山一部分，通過建立虛擬仿真實驗平臺，并與智能礦山系統(tǒng)進行對接，可以大大提高學習實習的效率和水平，解決實習實訓教學中的困難，提高學員的參與度與體驗度。

一、露天礦山虛擬仿真培訓系統(tǒng)平臺設計

（一）平臺總體架構設計

根據虛擬仿真技術的內涵和本質特征，達到虛擬仿真目標需要有相應的軟硬件系統(tǒng)環(huán)境予以配套進行。其中，除了完善的軟件開發(fā)平臺和三維圖像處理系統(tǒng)之外，還要求具有高度逼真的三維沉浸感。這種沉浸感主要通過立體聽覺、三維觸覺或力感以及具有高度沉浸感的視覺環(huán)境來實現，其中立體聽覺一般通過三維環(huán)繞立體聲響系統(tǒng)來實現，三維觸覺和力感可以通過高精度的計算機觸覺或力反饋設備來實現，而高度沉浸的視覺環(huán)境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來實現，如：多通道柱面投影顯示系統(tǒng)、球面仿真投影顯示系統(tǒng)或CAVE 沉浸式仿真環(huán)境。

此外，根據虛擬仿真的技術特征要求，實時交互性是其應用的靈魂，是區(qū)別于其他傳統(tǒng)媒體技術的本質所在。在系統(tǒng)建設過程中，這種交互往往通過多自由度的虛擬現實交互設備來實現，如：數據手套、位置跟蹤器等。最終形成一個完整的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。

如圖1 所示，露天礦山虛擬仿真系統(tǒng)設計為一個沉浸式雙通道虛擬現實實驗室系統(tǒng)（120 度環(huán)幕系統(tǒng)），系統(tǒng)包括虛擬現實時空演化平臺（包括三維可視化工作站和虛擬現實時空演化軟件系統(tǒng)）、沉浸式顯示系統(tǒng)（包括雙通道環(huán)幕立體投影顯示系統(tǒng)、多通道圖像無縫拼接系統(tǒng)、玻璃鋼環(huán)幕）、6 自由度三維交互系統(tǒng)以及一些必要的虛擬現實實驗室設備，如3D 音響和中控、虛擬現實頭盔、數據手套等。

圖1 采礦虛擬仿真系統(tǒng)架構圖

（二）露天礦山時空演化軟件系統(tǒng)平臺設計

如圖2 所示，虛擬仿真培訓系統(tǒng)不是獨立的系統(tǒng)，而是作為智能露天礦山系統(tǒng)的一部分，與地測系統(tǒng)、生產管控系統(tǒng)對接，可動態(tài)進行時空演化模型的更新與修正，顯示生產系統(tǒng)的各種實時監(jiān)測數據。系統(tǒng)建設流程可分為：首先，進行勘探、測量等數據采集技術的智慧化建設，不斷地縮短地質、測量、安全、生產等相關數據的采集周期，提高數據采集的質量；其次，完善露天礦所有數據的數據存儲及應用機制，搭建時空信息管理系統(tǒng)，構建時空數據庫和時空數據單位（如圖3 所示），保證時空演化模型的構建與更新所需的數據；與此同時，以可視化支撐平臺為基礎搭建時空演化模型的構建與更新平臺，保證模型的構建與更新，同時不斷研究時空演化模型的構建技術，提高時空演化模型的質量，縮短模型的構建周期；最后，需要不斷拓展基于時空演化模型的應用范圍的培訓，從最基礎的可視化展示、時空演化、地面巡檢、驗收測量、生產計劃編制，到對主要生產環(huán)節(jié)簡單的分析規(guī)劃，最終實現各生產環(huán)節(jié)的智慧管控。

圖2 露天礦山時空演化軟件系統(tǒng)架構圖

圖3 時空數據單元構建流程

二、露天礦山虛擬仿真培訓平臺構建

（一）系統(tǒng)主要功能

以某露天礦山虛擬仿真培訓系統(tǒng)為例，其主要功能模塊如圖4 所示。根據地質地形圖、無人機攝影測量等數據，建立露天煤礦地表開采環(huán)境和設備、人員模型等（系統(tǒng)界面如圖5 所示）；提供三維可視化交互操作學習環(huán)境，可以進行考核和評分；滿足學習中的礦山基礎知識和生產系統(tǒng)的認識目的，達到教學實習的要求。

圖4 露天礦山虛擬仿真培訓系統(tǒng)結構圖

圖5 露天礦虛擬仿真教學培訓系統(tǒng)界面

（1）露天礦地表地理環(huán)境模擬。基于露天礦山地表現狀測量數據建立精細可動態(tài)更新的露天礦地表地理三維虛擬現實環(huán)境，配套立體眼鏡、頭盔、數據手套等多種虛擬現實外設，實現整個采場范圍內的人工漫游和交互學習。

（2）露天礦地質模型和礦體模擬?；诼短斓V山地質數據建立鉆孔數據庫、模擬鉆孔，并以此建立地質模型、礦體模型。根據礦體的賦存狀態(tài)及埋藏條件，實現三維虛擬現實條件下開采方案的設計，如：開采工藝的選擇；開采臺階參數、邊坡參數等的確定；主采設備選擇等。

（3）露天礦主要設備虛擬仿真。通過虛擬現實仿真建立各種穿孔設備、采掘設備、運輸設備以及輔助設備的應用場景，介紹各種設備的作業(yè)參數及作業(yè)方法等，同時以虛擬仿真方式漫游介紹設備工作原理和設備主要構成。

（4）露天礦主要剝采工藝系統(tǒng)模擬。通過虛擬現實3D 動畫展示露天煤礦不同剝采工藝系統(tǒng)流程、系統(tǒng)構成、環(huán)節(jié)匹配。以虛擬仿真、模擬游戲、知識問答等形式對露天礦山剝采工藝進行三維可視化交互學習和考核。同時提供智能化開采工藝環(huán)節(jié)流程仿真學習與交互控制操作培訓，如圖6 所示以穿孔環(huán)節(jié)為例的智能化虛擬仿真作業(yè)流程。

圖6 穿孔智能化作業(yè)系統(tǒng)邏輯流程圖

（5）露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)仿真及邊坡失穩(wěn)仿真。建立露天礦邊坡模型，研究常用的邊坡監(jiān)測方法模擬布置監(jiān)測點，模擬加載邊坡受力變形條件，通過監(jiān)測點的反饋模擬邊坡的變形情況及達到極限的失穩(wěn)情況。露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要從表面位移、內部位移、滲流量、降雨量和已有裂縫變化幾個方面著手，仿真模擬不同外界條件下邊坡變形及滑坡等宏觀現象。

（6）露天礦運輸事故仿真。運輸事故是露天礦事故之一，其多為行車事故和機械設備事故，從而引起人員傷亡事故、設備相撞事故、車撞設備事故、翻車事故等。以典型事故為例，模擬露天礦各種運輸場景及會車方式，模擬各種事故發(fā)生的條件，分析事故發(fā)生的原因和應采取的措施。

（7）調度室仿真模擬。采用虛擬現實仿真展示露天礦調度室內部場景漫游，并可進行交互對現場的監(jiān)測和控制。

（8）排土場生態(tài)恢復模擬。建立排土場排土最終形態(tài)的模型，模擬排土場初始排土至進行復墾的過程，模擬復墾工程及排土場復墾后的狀態(tài)，可交互進行人工復墾過程。

（二）虛擬仿真培訓方式

露天礦山虛擬仿真培訓教學系統(tǒng)面向學生，依托三維虛擬仿真硬件平臺基礎，結合露天開采專業(yè)課程與實習實驗要求，構建出高度仿真的虛擬礦山生產和災害環(huán)境，讓學生在虛擬環(huán)境中開展學習。

（1）參觀式教學（配合可變化的虛擬場景）。例如，學生可以在教師帶領下，對虛擬場地進行漫游、參觀。在實際漫游過程中，教師可以對沿途所見設備進行介紹、講解，并可以打開虛擬場景中的虛擬視頻播放機（如錄像機、電視等）輔助教學。

（2）固定路線學習?？梢宰灾髟O定路線，按照固定路線漫游、瀏覽和查詢、語音定位介紹。

（3）交互式學習。在交互設備支持下，在虛擬環(huán)境中完成主動學習、設備使用等訓練，包括智能化作業(yè)系統(tǒng)的模擬操作。

（4）考核式學習。每個學習項目有明確的學習目標，實習內容系統(tǒng)完整，有重點詳細的仿真及實習環(huán)節(jié)和知識點展示，最后進行知識考核及成績評定。學生實驗操作步驟一般不少于10 步，每個實習項目要不少于2 學時。

此外，系統(tǒng)可以進行教學管理，包括教學大綱、考核內容、教學日歷等內容的管理。虛擬仿真系統(tǒng)學習項目還能提供遠程網絡訪問功能，可實現校內外網絡共享學習。

三、虛擬仿真實踐教學模式探索

（一）參照教學大綱，側重實踐過程教學

以單斗-卡車工藝剝離作業(yè)虛擬仿真實驗為例，先確定學習目標：（1）引導學生認知露天礦山及剝離工作面真實作業(yè)環(huán)境；（2）學習剝離工作面作業(yè)設備的結構、性能、作業(yè)方式、設備的操作方法；（3）學習單斗-卡車工藝剝離作業(yè)中穿孔、爆破、走鏟、采裝、卡車出入換、運輸、排棄等工藝環(huán)節(jié)、作業(yè)流程和技術要點。其次確定學習內容，包含四個單元，29 個步驟，共4 個學時實驗內容：（1）學員漫游工業(yè)廣場，經主出入溝下坑，沿主運輸道路前往剝離工作面，認知剝離工作面作業(yè)環(huán)境；（2）通過拆解電鏟、卡車、鉆孔等作業(yè)設備，了解設備結構與性能，交互學習剝離設備操作方法；（3）按照作業(yè)規(guī)程操作電鏟、卡車等設備進行穿孔、采礦、運輸作業(yè)，學習單斗-卡車工藝作業(yè)技術；（4）實驗考核，回答系統(tǒng)中的考核試題。

（二）注重過程互動與考核，融入課程思政

虛擬仿真教學避免學生完全進入虛擬環(huán)境，要增加學習過程中的考核與互動，除了系統(tǒng)提供的每環(huán)節(jié)考核試題和重點場景設備考核外，教師要充分利用系統(tǒng)進行分段教學，中間進行重點知識講解。在疫情期間，利用在線虛擬仿真系統(tǒng)，可結合騰訊會議、QQ、雨課堂等軟件方便進行互動教學，鼓勵學生參與課堂討論?？己顺煽兛梢苑譃閹讉€部分：預習與單元測驗（30%），仿真操作與單元作業(yè)（30%），主題討論與互動回答問題（30%），考勤（10%）。同時，在課程講解過程中穿插講述煤炭對國家能源保障的重要作用，礦工是“開采光明的一群人”，礦工的吃苦耐勞、奉獻自我的精神，李克強總理稱其為“煤亮子”“國家的脊梁”。

四、結束語

隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，虛擬仿真教學將會在采礦專業(yè)及礦山教學培訓中發(fā)揮更大的作用。通過虛擬仿真實驗教學，第一，可以使沒有現場實踐經歷的學生能較為形象直觀地學習和了解礦山開采工作流程和安全態(tài)勢；第二，也可以為學有余力對科學研究和發(fā)明創(chuàng)造有濃厚興趣的學生提供全開放式的實驗平臺，有助于開展創(chuàng)新性實踐活動。另外，虛擬仿真實驗教學在疫情期間愈發(fā)顯示出其巨大優(yōu)勢，新的教學模式與新的智能虛擬仿真技術結合將會不斷推進虛擬仿真教學在大學專業(yè)教學和礦工培訓中的應用，尤其通過網絡云虛擬仿真共享系統(tǒng)更擴大了系統(tǒng)的應用時空。通過采礦專業(yè)虛擬仿真開放式教學實踐，此種模式可使學生在實驗活動中由被動變?yōu)橹鲃?，對調動學生學習的主動性和積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力都具有相當重要的意義。