劉飛躍，楊 科*，闞 磊，朱 曄，池小樓

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 安徽 淮南 232001）

新時(shí)代信息技術(shù)與人工智能的深入發(fā)展，為推動(dòng)煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了支撐，智能開(kāi)采已經(jīng)成為煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。為滿(mǎn)足就業(yè)市場(chǎng)對(duì)智能采礦專(zhuān)業(yè)人才的需求，2021年教育部正式批準(zhǔn)安徽理工大學(xué)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）增設(shè)智能采礦工程專(zhuān)業(yè)，此外河南理工大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、西安科技大學(xué)等高校開(kāi)設(shè)智能采礦工程試點(diǎn)班。智能采礦專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生成為系統(tǒng)掌握礦山資源開(kāi)發(fā)利用的基本理論和方法，具備采礦工程與軟件工程、信息工程、人工智能等采礦+智能融合的知識(shí)技能，能在礦山自動(dòng)化、信息化、智能化等智能采礦領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)與施工、生產(chǎn)技術(shù)管理、安全監(jiān)察及科學(xué)研究等相關(guān)工作的復(fù)合型專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，多學(xué)科交叉成為智能采礦專(zhuān)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵要點(diǎn)，由于智能礦山系統(tǒng)繁多、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，其專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)對(duì)教學(xué)方式與教學(xué)方法提出了新的要求。

針對(duì)智能采礦工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)中存在的痛點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了相應(yīng)的探索，并提出了積極的對(duì)策。段敏克等[1]以安徽理工大學(xué)智能采礦專(zhuān)業(yè)建設(shè)為例，提出了“產(chǎn)―學(xué)―研”的智能采礦工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)新模式；張俊文等[2]以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）為例，介紹了智能采礦本科教學(xué)的人才培養(yǎng)方案；劉學(xué)生等[3]介紹了山東科技大學(xué)智能采掘技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)。現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)可以追溯至20 世紀(jì)90年代，在采礦工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中得到了良好的應(yīng)用，從最初的三維建模與立體顯示[4]發(fā)展至數(shù)字孿生與增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)[5]再到如今的礦山元宇宙[6]。為了推進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深入融合，2019年清華大學(xué)牽頭成立了“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟”，在國(guó)內(nèi)已擁有數(shù)百家高校及企業(yè)會(huì)員。虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決智能采礦專(zhuān)業(yè)多學(xué)科交叉的特殊性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)流程和教學(xué)效果的優(yōu)化。

作為全國(guó)首批智能采礦工程專(zhuān)業(yè)，安徽理工大學(xué)在我國(guó)首批智能化礦井之一的麻地梁煤礦建設(shè)了教學(xué)實(shí)踐基地，專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中重點(diǎn)學(xué)習(xí)礦山地質(zhì)透明、設(shè)備地面遠(yuǎn)程集控與智能生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)存在如下問(wèn)題：①實(shí)習(xí)資源有限、成本高；②專(zhuān)業(yè)設(shè)備昂貴，學(xué)生難以動(dòng)手操作；③難以通過(guò)參觀與講座深入了解通訊控制等系統(tǒng)。虛擬仿真技術(shù)為智能采礦工程的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐提供了有利途徑，同時(shí)智能采礦的復(fù)雜性也對(duì)虛擬仿真教學(xué)提出了新的要求。本文詳細(xì)說(shuō)明麻地梁煤礦虛擬場(chǎng)景的主要架構(gòu)與功能，并介紹虛擬仿真在安徽理工大學(xué)智能采礦專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 麻地梁煤礦虛擬仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司麻地梁煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田西南段，行政隸屬準(zhǔn)格爾旗龍口鎮(zhèn)。麻地梁煤礦建成了“遠(yuǎn)程集控、智能掘進(jìn)、智能采煤、智能通風(fēng)、智能運(yùn)輸、智能交通管控、煤質(zhì)運(yùn)銷(xiāo)管控、設(shè)備智能預(yù)警與遠(yuǎn)程會(huì)診、物聯(lián)網(wǎng)+智能倉(cāng)儲(chǔ)、互聯(lián)網(wǎng)+遠(yuǎn)程辦公”的礦井十大智慧系統(tǒng)，2020年被國(guó)家能源局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局列入首批新（改擴(kuò)）建智能化煤礦名單，2021年成為內(nèi)蒙古自治區(qū)首批驗(yàn)收通過(guò)的智能化建設(shè)煤礦。為了將智能礦井的復(fù)雜系統(tǒng)具象化，麻地梁煤礦建立了虛擬仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)直接連接麻地梁煤礦生產(chǎn)管控系統(tǒng)，形成智能煤礦的五層級(jí)構(gòu)架，如圖1 所示。系統(tǒng)將復(fù)雜地質(zhì)、采礦設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等“顯式”信息進(jìn)行三維演示，可以給予學(xué)生空間上的初步認(rèn)知。同時(shí)，系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集傳輸、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理等信息，展示了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的“隱式”信息，豐富了學(xué)生對(duì)工程實(shí)際的認(rèn)知。

圖1 智能礦井虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 功能界面

麻地梁煤礦虛擬仿真系統(tǒng)登錄賬號(hào)由后臺(tái)統(tǒng)一分配管理。建設(shè)有基礎(chǔ)設(shè)施、安全保障、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營(yíng)管理與決策指揮五個(gè)模塊。各模塊之間相互獨(dú)立又有機(jī)連接，涵蓋煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)全流程，有助于學(xué)生了解智能礦井各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，提升專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果。

基礎(chǔ)設(shè)施模塊：該模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊集成了智慧礦井的基礎(chǔ)設(shè)置，同時(shí)內(nèi)嵌智能算法對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行自主診斷，對(duì)設(shè)施故障進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。主要包括GIS 一張圖、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)、綜合分站、5G 通訊等，實(shí)現(xiàn)定位通信、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、自動(dòng)化等系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理。

安全保障模塊：主要接入了安全監(jiān)控、人員車(chē)輛定位、應(yīng)急救援管理、避災(zāi)路線(xiàn)、水文監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、束管監(jiān)測(cè)、智能?chē)婌F、光纖測(cè)溫等9 個(gè)子系統(tǒng)。學(xué)生（安全管理人員）可以遠(yuǎn)程查看礦井安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，對(duì)礦井安全進(jìn)行全方位監(jiān)控，數(shù)據(jù)自動(dòng)上載至礦山私有云服務(wù)器，同時(shí)根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，并根據(jù)報(bào)警級(jí)別推送相關(guān)安全管理人員。

生產(chǎn)執(zhí)行模塊：主要接入綜放工作面、掘進(jìn)工作面、主通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、主煤流皮帶運(yùn)輸、主排水泵房、電力監(jiān)控、生產(chǎn)消防泵房、礦井污水處理硐室、生活污水處理廠、選煤廠及快速裝車(chē)、鍋爐房、礦燈房、制氮車(chē)間、灌漿車(chē)間等15個(gè)子系統(tǒng)自動(dòng)化集成。實(shí)現(xiàn)全礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析，遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守，各類(lèi)數(shù)據(jù)在PC端、手機(jī)端監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常分級(jí)報(bào)警推送等功能。

經(jīng)營(yíng)管理模塊：主要接入互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程辦公、物聯(lián)網(wǎng)+智能倉(cāng)儲(chǔ)快遞服務(wù)、生產(chǎn)計(jì)劃及管理、自動(dòng)排班、一通三防管理、設(shè)備備配件管理、機(jī)電設(shè)備管理、煤質(zhì)產(chǎn)銷(xiāo)管理、生產(chǎn)技術(shù)管理、后勤服務(wù)系統(tǒng)等10 個(gè)子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流和工作流的網(wǎng)上運(yùn)行、數(shù)據(jù)資源留痕共享、自動(dòng)生成各種報(bào)表，集成各項(xiàng)經(jīng)營(yíng)管理的業(yè)務(wù)需求，提高企業(yè)運(yùn)行效率、達(dá)到精細(xì)化管理。

決策指揮模塊：主要包括安全決策分析、生產(chǎn)決策分析、經(jīng)營(yíng)決策分析3 個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)智能礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，顯示出直觀的趨勢(shì)圖；監(jiān)控安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)運(yùn)行異常，并對(duì)安全生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理存在的問(wèn)題進(jìn)行分析決策[7-8]。

2 智能采礦專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

采礦工程是應(yīng)用性強(qiáng)、緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的專(zhuān)業(yè)，實(shí)踐教學(xué)大綱要求學(xué)生深刻理解采礦工藝、安全控制、設(shè)備操作、通訊傳感等知識(shí)，并能夠聯(lián)系實(shí)際培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索思維，促使學(xué)生應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)中的相關(guān)工程問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，但受到現(xiàn)場(chǎng)條件、人力物力財(cái)力的限制，難以長(zhǎng)時(shí)間大范圍地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)，引入虛擬仿真可以不受時(shí)間地點(diǎn)的約束，無(wú)限次地開(kāi)展仿真實(shí)踐。特別是仿真實(shí)踐可以將難以理解的通訊控制、運(yùn)營(yíng)管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警等知識(shí)點(diǎn)具象化，在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)前，利用仿真實(shí)踐使學(xué)生形成智能礦井的整體概念，可以更好地實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教育教學(xué)目標(biāo)。

2.2 科研成果與教育教學(xué)相結(jié)合

自2020年國(guó)家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、教育部等八部委聯(lián)合制定了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》以來(lái)，我國(guó)的煤礦智能化建設(shè)進(jìn)入了快車(chē)道，新理論、新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn)。指導(dǎo)意見(jiàn)要求到2025年我國(guó)大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，實(shí)現(xiàn)開(kāi)拓設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障、采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選等系統(tǒng)的智能化決策和自動(dòng)化執(zhí)行；2035年各類(lèi)煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，建成“智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行”的煤礦智能化體系。在此過(guò)程中，智能采礦專(zhuān)業(yè)教材往往剛編寫(xiě)完成就落后于實(shí)際，傳統(tǒng)的教學(xué)模式無(wú)法適應(yīng)采礦行業(yè)智能化的高速發(fā)展，將最新的科研成果引入教育教學(xué)中，特別是利用現(xiàn)代人工智能技術(shù)與虛擬可視化技術(shù)，將復(fù)雜的智能采礦機(jī)理形象地展示出來(lái)，便于學(xué)生理解與吸收最新的智能采礦知識(shí)。

2.3 校企合作與學(xué)科建設(shè)相結(jié)合

在市場(chǎng)、政策與技術(shù)等因素持續(xù)催化下，煤礦智能化建設(shè)持續(xù)高速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年將形成數(shù)百億人民幣規(guī)模的市場(chǎng)。以麻地梁煤礦、楊柳煤礦、黃陵煤礦等為代表的礦山企業(yè)，以鄭煤機(jī)、梅安森、天瑪智控等為代表的設(shè)備廠商，以三大電信運(yùn)營(yíng)商、華為、中興等為代表的通訊服務(wù)，以龍軟科技、山源科技等為代表的軟件廠商，在煤礦智能化建設(shè)上持續(xù)發(fā)力，在技術(shù)設(shè)備研發(fā)上已經(jīng)超過(guò)高校。配套的現(xiàn)代化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)于礦山企業(yè)而言，可以實(shí)現(xiàn)物理礦山的虛擬化、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可視化，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)流程再造，助力煤礦智能精準(zhǔn)開(kāi)采；對(duì)于高?？梢詤f(xié)助培養(yǎng)人才、助力學(xué)科建設(shè)，同時(shí)有利于學(xué)生就業(yè)。校企合作與學(xué)科建設(shè)相結(jié)合，是智能采礦專(zhuān)業(yè)建設(shè)的有利途徑，也是實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)―學(xué)―研”一體化的必由之路。

3 結(jié)語(yǔ)

借助虛擬仿真、通訊控制、人工智能和軟件技術(shù)，不僅可以復(fù)現(xiàn)真實(shí)礦山物理場(chǎng)景，還可以集成生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流、信息流的展示。此外結(jié)合礦山設(shè)計(jì)，借助于三維建模，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的智能礦山建設(shè)。虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒌V井全生產(chǎn)流程中的“顯式”與“隱式”信息動(dòng)態(tài)可視化地展現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生直觀形象地了解現(xiàn)代智能礦井的各個(gè)系統(tǒng)，也可以激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性，取得了良好的應(yīng)用效果。

在后續(xù)的智能采礦虛擬仿真專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程建設(shè)中，虛擬仿真系統(tǒng)可以融入VR技術(shù)，學(xué)生通過(guò)在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)訓(xùn)，學(xué)習(xí)礦山裝備的實(shí)際操作；也可以融入覆巖垮落、巖層移動(dòng)等巖體響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)識(shí)礦山全生命周期內(nèi)采掘活動(dòng)誘發(fā)的工程災(zāi)害。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)與礦山企業(yè)、設(shè)備廠家的聯(lián)合攻關(guān)，讓虛擬仿真技術(shù)真正走進(jìn)煤炭行業(yè)，用于人員培訓(xùn)與科學(xué)研究，促進(jìn)礦山行業(yè)持續(xù)發(fā)展，讓礦山更智慧、更安全。