基于仿真模擬技術的礦山設備培訓系統發展現狀

龔開福，李延龍，盧二偉，祁澤鋒

基于仿真模擬技術的礦山設備培訓系統發展現狀

龔開福，李延龍，盧二偉，祁澤鋒

(中色非洲礦業有限責任公司，贊比亞 基特韋 22592)

由于礦山行業的高傷害和死亡率，培訓正在變得越來越重要，其中，仿真模擬培訓提高安全性的同時可減少成本。礦山通過使用設備模擬系統，可使操作人員在不干擾正常生產的情況下進行學習，還可避免未經培訓過的操作人員因不熟練或誤操作對設備造成損壞。多個礦山企業培訓結果證明，使用礦山機械設備模擬系統可增加輪胎的使用壽命，減少現場培訓時間，減少剎車系統的損耗，提高燃油利用率，減少發動機超速情況發生，提高操作安全性，對于礦山企業的可持續發展具有重大意義，在礦山企業中應用前景廣闊。

仿真模擬培訓;設備模擬系統;操作安全性

0 引 言

在高風險、高成本的工業生產中，基于設備操作工培訓的仿真模擬已經得到廣泛應用。設備仿真模擬培訓已被證明可以大幅度有效降低風險、減少成本，減低設備故障率，同時可以提高培訓師的 培訓效率，最大限度地提高生產力。在風險程度很高的采礦行業，礦山機械設備虛擬仿真可以通過提高操作工的技能與知識，以獲得安全效益與經濟效益[1]。

在真實的礦山環境中，一些培訓場景過于危險和復雜，并且培訓成本昂貴，而礦山機械設備虛擬仿真可以為操作工提供一個安全的環境，從而使他們在多種環境下進行練習操作。使用這些仿真技術，設備培訓師可以更加快速并且準確地對整個培訓過程進行監測監控與評估，經過近幾年的發展，一些利用仿真技術培訓成果已被證明，諸如增加輪胎的使用壽命，減少現場培訓時間，減少剎車系統的損耗，提高燃油利用率，減少發動機超速情況 等等。

目前礦山機械設備虛擬仿真模擬器廠商大多采用與礦山設備生產廠商及礦山企業合作的模式，從而獲得有針對性的培訓效果。

1 礦山機械設備仿真模擬的應用意義

1.1 零事故及零傷害

由于礦山行業屬于高危行業，在危及生命的生產操作過程中，培養操作工在緊急情況下的應急能力對于礦山運營至關重要，例如設備操作過程中，發動機起火，制動系統出現故障，鑿巖臺車出現卡釬，鉆桿堵塞等問題，通過設備仿真模擬系統可使操作工熟練掌握安全操作技能，做好充足準備，自信地做出適當的應對措施。

1.2 自助式培訓

通過基于礦山機械設備虛擬仿真系統培訓，可建立程序化的培訓周期與評估系統，同時可以建立一些緊急預案以應對突發狀況，此系統的培訓自成體系，可滿足操作工自助式的學習與進步，融合多種教學模式，提高培訓效果。

1.3 減少非計劃式維修與保養

由于礦山行業的特殊性，發展模式一直以來相對粗放，操作人員在操作設備過程中，經常養成一些不當的操作習慣，諸如：濫用換擋，超速使用發動機，濫用制動系統，鑿巖機的不當使用，設備碰撞等等。基于礦山機械設備虛擬仿真系統培訓，可以有效規避此類不當的操作習慣，從而極大減少設備的維修時間與維修成本，進而提高礦山的生產能力。目前，有研究表明，此類培訓已被證明可以有效減少62.2%的制動系統濫用情況，并且減少54.5%發動機超速的使用情況。

1.4 減少輪胎損耗

隨著礦山行業的發展，無軌設備在現代礦業中扮演著越來越重要的角色。其中在鏟運機和礦卡的運行過程中，輪胎消耗占據很大的維護成本，也是成本控制的一個切入點，不當的操作習慣會導致輪胎的頻繁更換。通過礦山機械設備虛擬仿真系統的培訓，培訓師可以實時監測設備操作情況，減少不當操作對輪胎消耗的影響，從而總結提出針對實際情況的操作規程。

1.5 燃油性能利用率最大化

目前，無軌設備正變得越來越普及，而燃油消耗占據無軌設備尤其是鏟運機和礦卡運行的絕大部分成本，通過仿真模擬培訓系統的實時監測監控功能對操作人員的操作習慣引起的燃油消耗進行實時監測，從而可制定相應的培訓方案，以實現燃油性能使用最大化，減少碳排放，保護環境。

1.6 建立標準化培訓流程

基于礦山機械設備虛擬仿真系統培訓，可將設備培訓所涉及的培訓內容進行統一管理，建立標準化、程序化的培訓流程。同時，通過建立云服務平臺，礦山機械設備虛擬仿真系統提供商利用全球各地所收集的培訓信息，對數據進行分析處理，為礦山企業提供相應的技術支持，便于礦山企業對培訓進行有效管理與引導。亦可通過標準化流程建立相對一致且有效的學習環境，保證操作人員及時討論，保持學習的活力。

2 礦山機械設備仿真模擬系統現狀

很多西方國家的礦山企業很早就開始利用計算機虛擬仿真技術開發仿真培訓系統，在操作人員培訓方面取得了十分顯著的效果[2]。比如有些礦山通過Utility 3D開發的培訓系統可保存操作人員的培訓日志，供培訓師在評估培訓效果時參考，以此為依據來判斷該操作人員是否達到培訓要求[3?4]。

雖然國內虛擬仿真技術相比發達國家起步晚，但由于國家對該技術的高度重視，建設了一批高質量的仿真技術研究及培訓實驗室[5]。國內雖然虛擬仿真技術取得巨大發展，但目前為止還未有一款與礦山企業使用的機械設備型號完全一致，具備操作演示、設備狀態顯示、故障診斷等虛擬交 互功能于一體的礦山設備虛擬仿真操作平臺和模擬器。

目前國外基于礦山機械設備虛擬仿真系統的設計思路基本見圖1。

2.1 設備在線學習

設備在線學習用于培訓操作人員關于諸如安全教育、設備原理知識、設備操作流程等知識，旨在培訓操作人員對于設備的初步理解，同時掌握設備相關的安全知識。通過利用視頻、音頻、動畫等多媒體手段，提高操作人員對設備的興趣，保證培訓師實時監督培訓進度。

圖1 礦山機械設備仿真模擬系統設計思路

2.2 設備熟悉

設備熟悉是操作人員在設計的仿真操作平臺上進一步熟悉設備安全、設備控制平臺、設備操作流程等知識，保證操作人員進一步加深設備了解，通過交互式體驗，使操作人員掌握設備操作的初步技能，為后續設備操作模擬器的培訓打下基礎。

2.3 設備操作模擬

設備操作模擬是礦山機械設備虛擬仿真模擬系統最主要的一個環節，通過仿真設計，操作人員可在非常安全舒適的環境中根據培訓師設計的不同情境進行設備模擬操作。通過與設備廠家的合作，仿真系統的生產廠商可以最大化地滿足礦山企業的要求，模擬出真實的操作環境。

一般設備操作模擬器分為以下3個部分：不同設備的操作平臺、沉浸式體驗的操作艙、培訓師控制艙。

（1）操作平臺。技術服務商通過設計多軸可移動式操作平臺，最大化地模擬設備在行走過程中的真實體驗，通過設計不同的操作環境路況，可模擬真實的行走狀態，甚至是設備碰撞、鑿巖過程中設備振動帶來的操作體驗。可移動式操作平臺見圖2。

圖2 可移動式操作平臺

（2）沉浸式體驗操作艙。沉浸式體驗操作艙是設計獨立的操作艙，通過與原設備廠商合作，將與真實設備一致的設備操作控制模塊安裝在操作平臺上，同時利用投影技術與計算機強大的計算功能將仿真圖像投影在操作艙的墻壁上，保證操作人員在培訓過程中，視野寬度可達360°，進而模擬沉浸式的駕駛體驗。某公司生產的沉浸式體驗操作艙見圖3。

圖3 沉浸式體驗操作艙

（3）培訓師控制艙。通過培訓師控制艙內的軟件系統，培訓師可利用監視器設定或者修改一套標準的設備操作練習流程；選擇操作的一個起始點；根據真實礦山環境設定不同的巖石參數、爆堆形態、巷道內的路況；為設備設定一些隨機的故障，如爆胎、制動系統失靈、發動機熄火；360°無死角實時監控操作人員的操作過程；查看操作工操作日志；為操作人員回放操作過程；生成練習的報告 等等。

利用礦山機械設備虛擬仿真軟件系統，通過三維建模，數學模擬等手段，可以真實反映發動機、制動系統、懸掛系統、液壓系統的狀況；也可在整個模擬過程為操作人員提供真實的反饋，如設備碰撞、鏟斗出礦接觸巖石、鑿巖引起的振動等情況；還可模擬設備故障及故障對于相關系統的影響，使模擬更加接近真實。國外某礦山使用的仿真模擬系統培訓師控制艙見圖4。

圖4 培訓師控制艙

（4）設備真實操作。在經過基于仿真技術的培訓后，操作人員需參加測評，在達到礦山企業設定的要求后才可利用真實的設備在真實的環境中進行操作。基于仿真技術的培訓可以糾正操作人員不良的操作習慣，幫助操作人員掌握安全操作規程，提高應對緊急情況的能力，提高培訓的標準化與進度。

3 礦山機械設備仿真模擬系統的應用

隨著計算機技術和軟件技術的迅猛發展，礦山行業自動化與機械化的飛速發展，為了適應新的行業環境，越來越多的礦山企業開始使用礦山機械設備仿真模擬技術，圖5為某仿真模擬技術服務商在全球的市場分布情況。

圖5 某仿真模擬技術服務商的市場分布

從圖5中可以看出，目前露天礦應用仿真模擬技術已經非常普遍，而地下礦利用仿真模擬技術卻相對較少，所以市場潛力是巨大的，隨著露天礦資源的日益減少，全球采礦行業開始向深部采礦發展，無軌設備的逐漸普及，地下采礦裝備的仿真模擬技術的需求也會越來越高。

4 礦山機械設備仿真模擬系統的應用展望

由于礦山井下環境的危險性，對于任何一個環節的疏忽都可能導致嚴重后果。正因為設備誤操作的代價高，所以需要高仿真度的模擬系統及模擬器來降低甚至避免誤操作的出現。礦山機械設備仿真系統已在礦山企業中得到了應用，未來的發展應用方向需要完善的有以下四方面。

（1）不同級別的仿真度針對不同經驗的操作人員。比如無任何經驗的操作人員需要更多的指導性培訓，而更加熟練的操作人員若使用相同的方法可能會適得其反。因此，仿真級別可根據操作人員的熟練程度進行調整。

（2）無論什么級別的仿真度都需不斷研究和優化培訓計劃的多樣性和復雜性。

（3）模擬器的有效學習需要分組培訓。多個礦山培訓結果表明，操作人員間的相互合作可提高學習投入度，并且相互間可進行交流學習，有助于操作人員長期記憶的形成。

（4）增加操作人員與環境的互動可促進快速學習，有助于長久記憶的形成和信息的交換。

仿真、虛擬現實和數字游戲技術已經證明其在礦業中的教育價值，擁有較大的優勢和較多的學習機會。使用設備仿真模擬系統增強了操作人員對復雜問題的學習和理解。顯然，融合了仿真模擬技術的礦山機械設備仿真模擬系統的機遇和潛在應用遠遠超出了當前的使用情況。在礦山安全培訓領域，使用該技術的培訓效果顯著，最終提高了礦山的安全性。

5 結 論

礦山機械設備仿真模擬系統可提供簡單和復雜的培訓場景。通過這些場景可培訓操作人員甚至是無任何操作經驗的操作人員如何安全操作設備，通過持續不斷地培訓可提高操作人員的操作水平，避免因操作人員的不當操作對設備造成的損壞，同時可減少設備故障檢測和維修時間。礦山機械設備仿真模擬培訓系統有效提高操作人員的操作技能，同時給礦山企業帶來良好的經濟效益，對于礦山企業可持續發展具有重要意義。

[1] Laurence D, Stothard P. Applications of simulation methodologies for a sustainable mining industry. Advanced Mining for Sustainable Development, Ha Long Bay, Vietnam, September 23 – 25, 2010: 50-59.

[2] 孫志敏,馬 舜,韓樹新,趙 輝.工業鍋爐仿真培訓系統的研究現狀與發展趨勢[J].機電工程技術,2013,42(3):1-5.

[3] 王鳳欽.基于Unity3D鑿巖臺車虛擬培訓系統的研究[D].石家莊鐵道大學,2016.

[4] 畢 成.基于Unity3D的XXX特種車輛的虛擬培訓系統的設計與實現[D].大連海事大學,2017.

[5] 官 鑫.大型礦山機械設備虛擬仿真系統設計與研發[D].遼寧:遼寧科技大學,2016.

(2019-08-05)

龔開福(1983—)，男，高級工程師，主要從事采礦工程技術管理工作，Email: 184258058@qq.com。