礦山測量虛擬仿真實驗教學系統構建及應用

汪云甲，楊　敏，郭廣禮，余接情，查劍峰

（中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州221116）

礦山測量虛擬仿真實驗教學系統構建及應用

汪云甲，楊敏，郭廣禮，余接情，查劍峰

（中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州221116）

礦井測量、變形與沉陷控制等礦業特色課程是面向礦山與地下測繪人才培養的核心課程，直接到地下礦山開展真實實驗教學，高危環境下安全風險大、影響生產，并且由于采礦與巖層移動過程不可逆、地層內部礦體幾何特征不可見，以及精密陀螺經緯儀等貴重儀器實驗成本高、壽命短等問題，成為提高人才培養質量的瓶頸。近年來，筆者開展了將虛擬仿真實驗與測繪工程專業教學相結合的探索，構建了礦山測量虛擬仿真實驗教學系統，較好地解決了上述問題。本文主要介紹了礦山測量虛擬仿真實驗教學系統的設計思路、框架、主要模塊、功能及應用效果。

礦山測量；虛擬仿真；實驗教學

礦山測量被譽為礦山的“眼睛”，在保障礦產安全綠色開發中具有特別重要的作用。礦山測量學屬于測繪、采礦、地質間的交叉邊緣學科，是研究與礦產資源開發有關的從地面到地下、從礦體/工程到圍巖的動靜態信息監測監控、定向定位、集成分析、數字表達、智能感知和調控決策等的科學與技術［1-3］，為面向礦山與地下工程領域測繪人才培養的核心課程。該課程的傳統實驗教學通常在地下礦井開展，存在高危環境下安全風險大、影響生產等問題，且由于采礦與巖層移動過程不可逆，地層內部礦體幾何特征不可見，精密陀螺全站儀等貴重儀器實驗成本高、壽命短，加之近幾年招生規模擴大，使得本課程在實際過程中難以開展真實實驗，或真實實驗時間難以保證，嚴重制約了人才培養的質量。

虛擬仿真實驗教學［4］依托虛擬現實與三維可視化仿真、相似材料物理模擬、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使得學生在虛擬環境中開展實驗，進而達到教學大綱所要求的教學效果，可有效彌補傳統實驗教學手段的不足。目前，國外虛擬仿真實驗教學已在不同專業得以廣泛應用，如麻省理工學院的微電子在線實驗室、美國北卡羅來納大學外科手術仿真實驗室、美國休斯敦大學的虛擬物理實驗室、喬治梅森大學的動態流體虛擬仿真實驗系統等。在教育部的推動下，我國許多高校均結合專業特色相繼開展建設了虛擬仿真實驗教學中心［5-9］。中國礦業大學以礦業為特色開展了礦山測量專業的虛擬仿真實驗探索，建立了一套礦山測量虛擬仿真實驗教學系統，創建了“實景”實驗室、虛擬實驗室、常規實驗室相結合的實驗教學平臺，開創了“虛擬實驗—現場實踐—實踐反饋—虛擬改良”的綜合實驗教學模式，并于2014年成功入選國家級虛擬仿真實驗教學中心。

一、礦山測量虛擬仿真實驗教學系統設計

本系統的設計以培養大學生創新精神和綜合實踐能力為導向，遵循系統化、情景化、過程化、以實為本、虛實結合、能實不虛、能力提高與交互性等原則，按照“緊跟學科發展，立足社會需求，夯實實踐能力，強化技能，培育團隊精神，提高創新能力”的實驗教學理念，科學規劃了礦山測量實驗教學項目，構建了井上下一體化的全覆蓋實驗項目，形成了“統一平臺、分項虛擬、分階段培養、多層次提升、全覆蓋培訓、虛實結合、全方位共享”的虛擬仿真教學體系，以破解傳統礦井測量課程中高危、不可見及現實條件不具備的實驗項目和科研創新訓練難題。

按國際礦山測量協會劃分方法，礦山測量學由礦山測量方法與儀器、開采沉陷及控制、礦體幾何、礦區土地復墾等分支學科組成［1］。因此，筆者設計了點面結合的“1-2-5-X”礦山測量虛擬仿真實驗教學系統框架，如圖1所示。整個礦山測量虛擬仿真實驗教學平臺（即一縱）由實驗教學系統和實驗管理系統兩個子系統構成（即二橫）。其中，實驗教學系統則根據上述學科劃分進一步分為礦山礦井測量、開采沉陷及控制、礦體幾何、礦區土地復墾、通用測繪等5個虛擬仿真實驗教學子模塊，而每個實驗教學子模塊則分別由多個教學實驗項目構成。

圖1　礦山測量虛擬仿真實驗教學框架

虛擬仿真實驗教學管理系統可向學生、教師和系統管理員提供基于網絡環境的開放式實驗管理功能，學生可以進入系統選擇要開展的實驗項目，保留實驗結果或成果；教師可對學生相關實驗過程、結果或成果給出成績和評價；教師和學生可以通過系統進行虛擬仿真實驗互動交流和探討，分析虛擬仿真實驗教學及現有系統的優點與不足，提出改進、完善途徑；教師也可以從中得到實驗反饋信息，調整相關實驗的進度、深度及方式，改進、完善虛擬仿真實驗教學系統，提高實驗教學效果。

二、礦山測量虛擬仿真實驗教學系統功能模塊構建

1.礦井測量模塊及功能

井下測量的很多現場實驗項目需要在井下的一個狹小、有限空間里進行，存在觸電、誤入危險區、井巷落石、礦車運行等危險，現場實驗安全風險大，實施困難；礦井測量中導入高程、一井定向、兩井定向等實驗項目，均需要在井筒中完成，影響生產；一些測繪儀器精密貴重，實驗成本高。礦井測量模塊就是為解決上述問題而形成，且不斷應用、不斷修改、不斷完善。

本模塊由礦山環境感知、礦山測量儀器認知、礦井聯系測量、陀螺定向、一井定向、礦井導入高程、井下定位等子系統等構成，應用效果良好。如模擬井巷、峒室定位教學子系統以學院室內樓道為現實模擬巷道，通過移動終端安裝虛擬教學軟件，實現井下人員定位數據采集、三維交互、人員信息監測等實驗項目，達到了虛實結合的教學目標；礦山環境感知虛擬仿真教學子系統模擬礦山測量井下陰暗、潮濕、狹窄、行人和運輸車輛多等高危環境，開展井巷環境漫游、開采系統漫游等實驗，克服了真實實驗難以實現的難題；井下陀螺定向子系統通過儀器認知、儀器操作等虛擬仿真模塊，實現了學生對定向知識掌握和操作訓練，提升了儀器實驗教學效果；一井定向、礦井導入高程等子系統，可通過模擬真實的井筒等環境，讓學生在“不停產”的環境下，完成相關實驗，再配合在一些高層建筑樓梯中實際操作，觀看真實礦井聯系測量工程錄像，也可使這類實驗達到較好效果。

2.沉陷控制模塊及功能

地下開采改變了采場周圍、上覆巖層的原始應力狀態，引起采場周圍、上覆巖層產生變形和破壞，打破了地下巖層、地下水、巖層結構的賦存狀態，誘發一系列的采動地質災害問題。建立沉陷控制模塊是滿足開采沉陷及控制課程教學及學生科研與創新訓煉要求的關鍵環節。由于巖體內部移動破壞是地表移動破壞的內因，地表移動破壞是巖體移動破壞的內在表現，現場實驗存在成本高、時間長、地質采礦條件單一、巖體內部不可見、不可復制、實施難度大、需要多方配合、時間難以控制等問題，使得其很難在教學過程中實施。因此，開展虛擬仿真實驗可彌補現場實驗在可行性、重復性、控制性、展示性方面的不足，是提高教育質量的重要途徑。

沉陷控制模塊包括地表移動與變形規律、充填采煤地表沉陷控制、巖層移動與變形預計和保護煤柱設計等虛擬仿真實驗教學子系統，以及兩個虛擬仿真實驗平臺，即開采沉陷相似材料模擬平臺和開采沉陷數值模擬實驗平臺。

本模塊營造了一個安全、可靠的實驗氛圍，避免了現場實驗的高風險、不可控、高成本等缺陷；同時也讓學生能夠突破時間、空間的局限，再現采動巖體移動與變形過程，直觀地觀察到巖土體內部的位移、應力場的動態演化過程，掌握地表移動與變形規律及巖層移動控制的基本原理，理解開采沉陷及控制學科的精髓。

3.礦體幾何模塊及功能

礦體幾何主要研究礦床中帶有幾何特征的一些問題，分析礦體形狀和礦產特性空間分布的幾何特性，利用圖解模型和數學模型反映礦體形狀和礦產特性的空間分布情況，以便及時、有效、準確地解決有關地質采礦問題。地下礦體的形狀因礦而異，變化很大，有的規則，有的特別復雜。礦產特性更是變化莫測，甚至十分鄰近的地區，特性的數值差別卻極大。而且礦床多埋藏于地下深處，眼不能見，只能根據地質調查和有限的鉆孔資料進行研究，虛擬仿真教學就顯得非常重要與必要。

礦體幾何仿真模塊能在實現礦床形態分析、礦體圈定及輔助成圖、儲量估算、礦體建模系統仿真、漫游操作、礦圖繪制的基礎上，深刻感知礦體形狀和礦產特性空間分布的幾何特性，學會利用圖解模型和數學模型反映礦體形狀和礦產特性的空間分布，并據此解決有關地質采礦問題的理論與方法。

4.礦區土地復墾模塊及功能

礦區土地復墾是一項復雜的系統工程，周密合理的規劃和精心的設計是土地復墾工程成功的關鍵。為了避免復墾工程的盲目性，保證土地利用與礦區生態系統的結構合理、土地部門調控及土地復墾項目時空分布的合理，礦區土地復墾規劃設計需要多方案、多角度比較，進行時空分析、結構優化、三維景觀設計與模擬。而真實實驗由于成本及表現形式的限制，難以達到這一要求，學生通過虛擬仿真實驗，可以提高規劃設計的效率和科學性，更深入、更靈活、更安全地對礦區土地復墾系統進行解析、規劃與設計。

本模塊包括土地復墾規劃、景觀要素規劃、三維景觀模型的空間分析等子系統，以虛擬仿真的方式展示了礦區土地復墾規劃的全過程，包括前期分析、規劃設計、方案選擇及成果展示等，既可支撐和輔助礦區土地復墾的規劃和設計，又可實現礦區土地復墾規劃的虛擬仿真實驗教學。

5.通用測繪模塊及功能

與礦業特色課程相對應，圍繞通用測繪類課程也建設了一批包括衛星導航定位、數字地球與數字城市等在內的虛擬仿真教學系統，如數字地球子系統立足現有科研成果打造，以全球空間格網為技術基礎，涉及地圖投影、空間框架、數據組織、三維可視化等若干知識點，可讓學生直觀、形象地理解數字地球的基本知識，動手操作數字地球構建的關鍵步驟，進而實現對數字地球全面、深入的認識。

上述虛擬仿真實驗教學模塊從基礎、技術、創新3個階段，為測繪、采礦等專業全程學習礦山測量及通用測繪類課程提供了虛擬實驗條件和環境，可讓學生自由搭建和自主設計相關任務、場景和應用模型，組建團隊共同完成實驗項目，進行科研與創新訓練，實現統一規劃、分階段培養、多層次提升、全方位實訓的教學目標。如利用筆者承擔的“特大城市室內外無縫定位信號體制與系統構建”（863項目），構建了室內外無縫定位平臺，筆者所在院校測繪工程專業大學生在此平臺上進行設計研究型虛擬仿真實驗，完成的“基于室內外無縫定位技術的校園LBS手機應用”項目在2014年“創青春”江蘇省大學生創業大賽中榮獲銀獎。

三、結束語

實踐表明，礦山測量虛擬仿真實驗教學系統能在一定程度上解決當前礦山測量教學存在的問題:

1）使由于礦山生產和安全方面的限制難以開展的實驗得以進行，如井下水準測量、井下導線測量等。

2）解決新、貴、精、尖儀器不足的問題。如井下陀螺儀是礦山防爆儀器，成本高、壽命短，加之近幾年招生規模擴大，使得或難以開展陀螺定向真實實驗，或真實實驗時間難以保證。通過虛擬仿真實驗教學系統，學生能有效實現儀器的拆裝，進行定向操作，學習原理及計算方法。

3）突破礦山現場實驗受時間、空間等限制，彌補了現場實驗在可行性、重復性、控制性、展示性方面的不足，如開采沉陷與變形監測，礦體幾何形態認知等。

4）采用虛擬仿真實驗教學系統，可著眼生產實際，每個學生都能靈活、自主完成所有實驗，避免了現場實驗需要多方配合、時間難以控制、缺乏跟蹤指導等問題，可提升實驗教學整體水平，滿足人才培養需求。

未來的工作重點是以中國礦業大學“礦山測量虛擬仿真實驗教學中心”獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心為契機，繼續按“戰略指引、產學研互動、虛實結合、協同創新”的思想，構建國內外交叉融合、共同提升的虛擬仿真實驗教學資源開放共享與可持續發展模式，實現虛擬仿真實驗教學、教研、科研的一體化與共贏，豐富虛擬仿真實驗內容與內涵，提高實驗教學效果，為高水平測繪人才培養提供關鍵支撐。

［1］ 郭達志.礦山測量學科的發展——回顧與展望［J］.礦山測量，2011（6）:5-9.

［2］ WANG Yunjia，WANG Jian.Surveying and Mapping Education and Training in China［J］.Survey Review，2011，43（322）:427-435.

［3］ 汪云甲.論礦業特色測量工程專業教學改革［J］.測繪通報，1998（6）:40-42.

［4］ 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）:5-8.

［5］ 吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展［J］.實驗技術與管理，2014，31（10）:5-9.

［6］ 張瓊，舒鵬.北京郵電大學網絡教學系統研究中心——虛擬仿真實驗教學的研究與創新［J］.海峽科技與產業，2014（7）:78-80.

［7］ 張智煥，張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31（7）:102-111.

［8］ 蒲丹，周舟，任安杰，等.多層次綜合性虛擬仿真實驗教學中心建設經驗初探［J］.實驗技術與管理，2014，31（3）:5-16.

［9］ 馬文頂，吳作武，萬志軍.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31 （9）:14-18.

Construction and Application of Mining Surveying Virtual Simulation Experiment System

WANG Yunjia，YANG Min，GUO Guangli，YU Jieqing，ZHA Jianfeng

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0241.

G64

B

0494-0911（2016）07-0129-04

2015-06-10

江蘇高校優勢學科建設工程（測繪科學與技術）資助；中國礦業大學虛擬仿真實驗課程建設項目（0201407）

汪云甲（1960—），男，博士，教授，主要從事國土環境及災害監測、資源環境評價與管理、地理信息工程、礦山測量等方面的教學科研工作。E-mail:Wyj4139@163.com

引文格式：汪云甲，楊敏，郭廣禮，等.礦山測量虛擬仿真實驗教學系統構建及應用［J］.測繪通報，2016（7）:129-132.