煤炭智能采礦虛擬仿真教學(xué)研究

李兆霖 李少波

摘要：近年來，智能采礦在煤炭工業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為煤炭行業(yè)發(fā)展的熱門方向。但是現(xiàn)階段智能采礦在煤礦開采過程中還存在很多問題，如何突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性是當下采礦專業(yè)教育教學(xué)面臨的主要問題。該文將虛擬仿真技術(shù)與煤炭智能開采教學(xué)有機結(jié)合，對智能采礦虛擬仿真教學(xué)體系進行探索，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)體系和模式。

關(guān)鍵詞：智能采礦??虛擬仿真??教學(xué)平臺??虛擬現(xiàn)實??教學(xué)實踐

中圖分類號：G642;TD67-4????文獻標識碼：A

Research?on?Virtual?Simulation?Teaching?of?Intelligent?Coal?Mining

LI?Zhaolin??LI?Shaobo

（State?Key?Laboratory?of?Mining?Response?and?Disaster?Prevention?and?Control?in?Deep?Coal?Mines，?Anhui?University?of?Science?and?Technology，?Huainan，?Anhui?Province，?232001?China）

Abstract：?In?recent?years，?intelligent?mining?has?been?widely?used?in?various?fields?of?the?coal?industry，?and?has?become?a?hot?direction?for?the?development?of?the?coal?industry.?However，?intelligent?mining?still?has?many?problems?in?the?process?of?coal?mining?at?this?stage.?How?to?break?through?the?traditional?classroom?teaching?mode?and?give?full?play?to?students?'?subjective?initiative?is?the?main?problem?faced?by?the?current?education?and?teaching?of?the?mining?specialty.?This?paper?combines?virtual?simulation?technology?with?intelligent?coal?mining?teaching，?explores?the?virtual?simulation?teaching?system?of?intelligent?mining，?and?constructs?the?virtual?simulation?teaching?system?and?mode.

Key?Words：?Intelligent?mining;?Virtual?simulation;?Teaching?platform;?Virtual?reality;?Teaching?practice

近年來，我國礦業(yè)行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，特別是新能源行業(yè)的快速發(fā)展使能源需求不斷增長，而煤炭行業(yè)的資源匱乏和開采難度大，致使我國煤炭行業(yè)呈現(xiàn)出“多、小、散”現(xiàn)象。基于此，智能采礦技術(shù)興起逐漸成為煤炭行業(yè)趨勢，智能采礦技術(shù)是利用計算機和智能控制等信息技術(shù)對煤礦采掘過程中出現(xiàn)的影響煤礦生產(chǎn)和環(huán)境的各種異常現(xiàn)象進行模擬監(jiān)測和預(yù)警的技術(shù)措施，是以人為核心、人機互動為主、模擬真實生產(chǎn)過程的新一代信息技術(shù)[1]。

智能采礦技術(shù)以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能化生產(chǎn)為核心理念，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為主要技術(shù)手段，實現(xiàn)礦井資源高效、安全、智能開采。與傳統(tǒng)采礦技術(shù)相比，其具有以下優(yōu)勢：（1）可優(yōu)化煤炭工業(yè)結(jié)構(gòu)；（2）可提升煤礦生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟效益。當前傳統(tǒng)采礦理論教學(xué)中通常采用師生互動教學(xué)或作業(yè)講解課程學(xué)習(xí)，但這種教學(xué)方式存在著一定問題，難以滿足學(xué)生對智能化采礦過程進行理解和掌握。在智能采礦教育中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機虛擬仿真等前沿技術(shù)相結(jié)合有利于學(xué)生實現(xiàn)人機互動、充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性等綜合能力要求。

1?智能采礦教學(xué)面臨的問題

目前，煤炭智能開采教學(xué)模式還處于“應(yīng)用型”教育階段，該階段的培養(yǎng)目標是充分利用計算機、信息技術(shù)等先進知識，通過實踐與探索取得能力和素質(zhì)的提升。但是該培養(yǎng)模式仍存在著以下多個問題[2-3]。

1.1?缺乏“工程思維”理論和方法的教學(xué)

如今，煤炭工業(yè)的發(fā)展進入了一個新的常態(tài)。新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，煤炭開采正呈現(xiàn)智能化、信息化、自動化等趨勢。目前，我國部分高校采礦專業(yè)的培養(yǎng)目標仍停留在將工程思維作為學(xué)生的主要培養(yǎng)目標，而不是將知識傳授給學(xué)生。煤炭智能開采教學(xué)模式對企業(yè)的應(yīng)用需求研究不夠。首先，該模式注重理論學(xué)習(xí)，忽視實踐訓(xùn)練，煤炭工業(yè)企業(yè)的市場日新月異，要求學(xué)生掌握一定的實踐技能和知識。其次，大多數(shù)礦業(yè)院校由于對人才培養(yǎng)缺乏深刻研究和深刻認識，對人才培養(yǎng)模式仍停留在傳統(tǒng)知識學(xué)習(xí)階段，沒有形成一個系統(tǒng)化、專業(yè)化、批量化、個性化的人才培養(yǎng)模式。煤炭行業(yè)智能開采要求具有一定理論基礎(chǔ)、較強應(yīng)用能力，高校該培養(yǎng)方案應(yīng)注重實踐和技能訓(xùn)練，但高校教育在理論學(xué)習(xí)過程中不注重實踐性和實用性培訓(xùn)。最后，該高校多以理論知識培訓(xùn)為主，缺乏將工程技術(shù)、計算機軟件、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等知識融入實際應(yīng)用中的能力訓(xùn)練。

1.2?缺少對煤炭行業(yè)資源開發(fā)利用和經(jīng)濟運行情況進行調(diào)查評估

采礦傳統(tǒng)學(xué)科在技術(shù)革新上相對滯后于智能化領(lǐng)域，使得采礦專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后面臨從事煤礦企業(yè)井下工作時仍無法達到熟練掌握采礦工藝和生產(chǎn)環(huán)節(jié)知識，更談不上對礦用機械、工程材料等學(xué)科知識的掌握工作與學(xué)習(xí)，這也使得學(xué)生畢業(yè)后難以實現(xiàn)從傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)變，在新技術(shù)、新設(shè)備、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的研究投入不足。這也是中國大學(xué)開展專業(yè)培訓(xùn)時的一個常見問題。一方面，雖然煤礦智能采礦的研究和應(yīng)用已有多年的歷史，具有成熟的科研體系和科學(xué)成熟的研究方法和機制，但國內(nèi)高校對智能采礦技術(shù)發(fā)展的研究深度和廣度還不夠，學(xué)生將只學(xué)習(xí)機器人和人工智能領(lǐng)域的科學(xué)知識和應(yīng)用知識。另一方面，由于智能采礦主要集中在煤礦井下作業(yè)，學(xué)生所學(xué)習(xí)到的相關(guān)知識僅限于傳統(tǒng)學(xué)科框架內(nèi)，而對行業(yè)經(jīng)濟運行情況比較了解的學(xué)生并不會對相關(guān)領(lǐng)域有深入了解而難以接受相關(guān)領(lǐng)域科技創(chuàng)新成果。因此學(xué)生很難把握到煤炭行業(yè)技術(shù)發(fā)展動態(tài)及其對社會經(jīng)濟發(fā)展所帶來的影響，而目前煤炭工業(yè)發(fā)展已形成了煤礦機械、采掘裝備、智能開采三大領(lǐng)域，但在智能采礦和機器人應(yīng)用方面，與煤炭行業(yè)、煤機制造領(lǐng)域相比仍存在一定差距。

1.3?缺乏全面系統(tǒng)的智能采礦教學(xué)體系

智能采礦的內(nèi)涵不僅體現(xiàn)在設(shè)備方面，也包括生產(chǎn)過程的高效和自動化，這也是煤炭工業(yè)發(fā)展的必然要求。然而目前國內(nèi)大部分高校采礦專業(yè)課程依然是一種單一式的知識結(jié)構(gòu)布局方法，沒有形成涵蓋基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課的完整系統(tǒng)體系。就教學(xué)內(nèi)容而言，目前礦業(yè)院校普遍采用理論聯(lián)系實際的教學(xué)模式。雖然這種模式有利于學(xué)生掌握尖端技術(shù)，但也存在教學(xué)難度大、知識體系相對松散等問題。此外，一些學(xué)校尚未將采礦工程學(xué)科的理論知識與智能系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)合起來。此外，在整個教學(xué)過程中，智能系統(tǒng)的原理和應(yīng)用缺乏實踐環(huán)節(jié)，嚴重滯后于學(xué)生綜合能力的發(fā)展，目前許多高校缺乏將該領(lǐng)域的課程與實踐環(huán)節(jié)銜接的意識，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)與專業(yè)基礎(chǔ)知識缺乏有效的銜接和互補，使學(xué)生難以深入理解智能采礦生產(chǎn)技術(shù)。

2?智能采礦虛擬仿真教學(xué)的特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使學(xué)生更容易理解實際采礦工作中容易出現(xiàn)的問題，并可以模擬實際采礦工作存在的風(fēng)險，學(xué)生通過在虛擬礦山環(huán)境中學(xué)習(xí)與訓(xùn)練學(xué)生，可以大大提高學(xué)習(xí)效率，為日后從事礦產(chǎn)資源、智能采礦等相關(guān)領(lǐng)域工作奠定基礎(chǔ)。智能采礦虛擬仿真教學(xué)主要有以下特點[4]。

2.1?利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建情景化教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生切身體驗并感受到實際的采礦場景

在虛擬采礦課程中，教師和學(xué)生可以共同建立一個采礦場地，然后監(jiān)控整個采礦過程。整個過程可以通過虛擬采礦系統(tǒng)進行控制，以模擬采礦工作。在虛擬采礦仿真系統(tǒng)中，教師可以實時監(jiān)控虛擬采礦場景和工作條件，這些資料將以多種形式展現(xiàn)在虛擬礦業(yè)軟件中，極大地增強了學(xué)生對采礦領(lǐng)域?qū)嶋H問題以及相關(guān)理論知識技能的理解和掌握程度，同時也可消除學(xué)生對礦井環(huán)境的盲目性和不安全感。此外，虛擬仿真技術(shù)能夠使學(xué)生對智能采礦設(shè)備的基本構(gòu)造、運動軌跡等有較深的了解，使學(xué)生對所學(xué)的知識有一個更深層次的認識[5]。例如：利用虛擬仿真技術(shù)對地下采礦機器人的運動軌跡和姿態(tài)進行三維仿真，使學(xué)生能夠更直觀、更清晰地了解地下采礦過程中的空間工作環(huán)境和相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，以及采礦過程中需要面對的困難和風(fēng)險。

2.2?利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提高學(xué)生解決實際問題的能力

在礦山行業(yè)中，經(jīng)常會遇到實際問題。如果采取傳統(tǒng)課程教學(xué)方法，往往都是機械類教材和實驗操作教學(xué)法，效果不好，學(xué)生不能真正理解和掌握各個專業(yè)涉及到的知識。因此，如何讓大學(xué)生對礦山專業(yè)知識更容易理解和掌握，并能熟練地解決實際問題是采礦工程專業(yè)教師面臨的一個重要課題。由于智能采礦設(shè)備的構(gòu)造和運動狀態(tài)多種多樣，在虛擬仿真過程中，可以把每一個部件、每一個元件都用模型來表達與表現(xiàn)，讓使用者對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個更加直觀、形象的認識，這對提高學(xué)生解決實際問題能力有很大幫助[6-8]。例如：在“智能采礦”虛擬仿真實驗教學(xué)中，學(xué)生可以通過三維可視化演示，認識到復(fù)雜的采煤條件和惡劣的環(huán)境所造成的采礦困難，引發(fā)學(xué)生的思考，理解和解決采煤的實際技術(shù)問題。

3?智能采礦虛擬仿真教學(xué)方法構(gòu)想

3.1?智能采礦虛擬仿真教學(xué)平臺搭建

虛擬仿真教學(xué)平臺的搭建，將極大地提高教學(xué)資源利用效率，為實現(xiàn)智能礦山技術(shù)與裝備的理論和實際應(yīng)用提供支撐。依托于“互聯(lián)網(wǎng)+智能采礦”的理念，構(gòu)建智能采礦虛擬仿真教學(xué)平臺，平臺架構(gòu)主要由以下3個部分組成。（1）教學(xué)軟件系統(tǒng)：包含系統(tǒng)設(shè)計、虛擬仿真分析、數(shù)據(jù)庫管理與數(shù)據(jù)庫交互三部分內(nèi)容，通過不同的操作界面，可以完成各種復(fù)雜的仿真分析功能。（2）虛擬仿真教學(xué)軟件子系統(tǒng)：包括網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實、人機交互軟件等，可以在“云”平臺上實現(xiàn)對教師使用的設(shè)備的統(tǒng)一管理。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)和人機交互軟件在資源和知識方面自主學(xué)習(xí)和實踐，實現(xiàn)邊學(xué)習(xí)邊交流經(jīng)驗的目標。（3）教務(wù)管理系統(tǒng)：包括智能礦山虛擬仿真培訓(xùn)與考核管理系統(tǒng)等一系列功能和應(yīng)用，可以實時監(jiān)控和維護整個平臺，并提供相應(yīng)的管理服務(wù)。通過平臺可實現(xiàn)“云”學(xué)習(xí)和“云”監(jiān)測與應(yīng)用，實時監(jiān)測各虛擬環(huán)境設(shè)備運行狀態(tài)。

智能采礦虛擬仿真教學(xué)平臺通過人機交互，為學(xué)生提供虛擬環(huán)境訓(xùn)練和學(xué)習(xí)環(huán)境體驗。系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將仿真設(shè)備與真實礦山進行無縫鏈接，讓學(xué)生從視覺、聽覺等多感官上直觀感受采礦設(shè)備技術(shù)及復(fù)雜的礦井作業(yè)環(huán)境。人機交互過程中，可對煤礦礦工提出具體問題進行解答，并可根據(jù)教師提問隨時生成反饋結(jié)果。使用該平臺后，教師可以通過實時在線模式，讓學(xué)生及時得到反饋，及時糾正學(xué)習(xí)中的問題，有效提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生利用智能采礦平臺，可查看自己在不同環(huán)境下作業(yè)情況，從而全面掌握自身的知識技能，提高自身綜合素質(zhì)與參與科研的能力。

3.2?課堂虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

在這種教學(xué)環(huán)境下，教師能夠參照結(jié)合實際教學(xué)內(nèi)容設(shè)計課堂教學(xué)任務(wù)，如采礦工程智能采礦技術(shù)課程。課程的主要內(nèi)容是講解智能采礦技術(shù)的原理，并在課堂上播放智能采礦施工現(xiàn)場視頻，加深學(xué)生對該知識的理解，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂上展示礦業(yè)專業(yè)的理論和實踐操作，進一步提升課堂教學(xué)的互動性和實用性。在課堂上，學(xué)生還能夠?qū)崟r看到課后的實踐活動。借助VR技術(shù)，學(xué)生能夠在一個頂板事故場景中體驗采礦井下環(huán)控作業(yè)和頂板搬運作業(yè)的實際操作。對學(xué)生來說，能夠?qū)W習(xí)到更多的安全知識和技術(shù)操作技能，VR虛擬現(xiàn)實軟件能夠做到遠程控制、視頻播放、語音通話等功能，數(shù)字化呈現(xiàn)課堂內(nèi)容。例如，學(xué)生可選用VR設(shè)備在三維采礦平臺上觀察地表形貌和采礦工作面情況；借助實時視頻查看，能夠獲得更多的三維圖形圖像，如礦山景觀、采礦現(xiàn)場、設(shè)備運行信息等。另外，VR視頻觀看能夠進一步提高實際學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能力，激發(fā)他們探索創(chuàng)新思維過程。

3.3?虛擬仿真實踐

實踐環(huán)節(jié)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)課程內(nèi)容確定不同課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，并根據(jù)不同課程內(nèi)容的特點設(shè)計和設(shè)置相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)。許多學(xué)生參加虛擬仿真教學(xué)實踐活動，為學(xué)生提供更深入的學(xué)習(xí)體驗。在虛擬仿真設(shè)備中有很多不同類型的設(shè)備都是多工位實時操作使用的設(shè)備，如機器人本體及控制器、電液伺服電機等。這些設(shè)備一般具有很多不同的操作使用環(huán)境和使用要求，學(xué)生通過多次實踐將更全面地了解這些設(shè)備的使用環(huán)境與使用要求，使學(xué)生更加了解這些設(shè)備背后鮮為人知的功能并進一步提高對這些設(shè)備的實際操作能力，如礦工在安裝傳感器時不注意安裝規(guī)程導(dǎo)致傳感器失靈等一系列的問題，都可以通過學(xué)生參與到虛擬仿真教學(xué)過程中來解決上述問題。

虛擬仿真實踐的具體過程如下：（1）通過AR/VR技術(shù)輸入礦山相關(guān)現(xiàn)場動態(tài)視頻素材，生成相應(yīng)的虛擬場景背景視頻模型；（2）實時采集環(huán)境中采集到的礦井數(shù)據(jù)信息并加以整合構(gòu)建分析模型；（3）將煤礦環(huán)境進行數(shù)字化建模并通過AR/VR技術(shù)將場景展現(xiàn)給學(xué)生用戶，同時在教師管理后臺實時對用戶信息及場景狀態(tài)進行監(jiān)控和分析；（4）教師根據(jù)分析結(jié)果確定學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和虛擬場景用戶的使用情況，并實時反饋給教學(xué)管理后臺進行統(tǒng)一調(diào)整；（5）學(xué)生將所看到的場景畫面上傳至學(xué)生用戶個人信息資料區(qū)等進行存儲并查看和使用。

4?結(jié)語

當前對智能采礦虛擬仿真教學(xué)提出了新的要求，教師應(yīng)該利用虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)對學(xué)生的全過程教育，通過智能采礦虛擬仿真教學(xué)，為學(xué)生提供了沉浸式的智能采礦場景體驗，實現(xiàn)了對實際煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的全過程模擬學(xué)習(xí)和實訓(xùn)。智能采礦虛擬仿真教學(xué)可以更好地實現(xiàn)學(xué)生知識與實踐能力、思維能力與創(chuàng)新能力的有機統(tǒng)一，適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)的新形勢，為培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)采礦專業(yè)未來發(fā)展所需要的創(chuàng)新型人才提供了有效途徑。

參考文獻[1] 張志遠.采礦工程中綠色開采技術(shù)的應(yīng)用探討[J].科技資訊，2020，18（34）：60-62.