產(chǎn)教融合·虛實結(jié)合“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”的開發(fā)與人才培養(yǎng)實踐

王學文，王志華，熊曉燕，謝嘉成，高波，王雪松，劉俊

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西太原 030024；3.山西科達自控股份有限公司，山西太原 030006；4.太重煤機有限公司，山西太原 030032；5.山西煤礦機械制造股份有限公司，山西太原 030031）

2017年12月，國務院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》，指出“深化產(chǎn)教融合，促進教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈有機銜接，是當前推進人力資源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的迫切要求”[1]。產(chǎn)教融合是國家推動的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)政策，是校企合作的高級階段[2]。

2022年11月，工業(yè)與信息化部、教育部等五部門聯(lián)合印發(fā)《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022-2026年）》[3]，在“虛擬現(xiàn)實+教育培訓”部分明確提出“建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地……強化學員與各類虛擬物品、復雜現(xiàn)象與抽象概念的互動實操”。 在此基礎(chǔ)上，虛擬仿真資源與實物平臺形成虛實結(jié)合、相互輔助的教學載體[4-5]，可以更好地激發(fā)學生的學習興趣，有效提升實踐教學的質(zhì)量。

《中國制造2025》提出“開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應用”[6]，煤機裝備作為制造裝備的重要組成部分，必須加強與新一代信息技術(shù)的深度融合、集成創(chuàng)新與成熟應用。本文所述的“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”[7]以此為背景，面向煤機裝備，助力企業(yè)提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化水平，并通過產(chǎn)教融合與虛實結(jié)合，完成人才培養(yǎng)實踐。系統(tǒng)主要目標與功能包括以下內(nèi)容。

（1）提升科學研究水平：系統(tǒng)可使虛擬現(xiàn)實技術(shù)與煤機裝備深度融合，指導裝備制造業(yè)更高水平的信息化與自動化建設(shè)。

（2）促進學科建設(shè)發(fā)展：系統(tǒng)可促進機械工程領(lǐng)域CAx 技術(shù)的進步，促進傳統(tǒng)機械工程學科的發(fā)展。

（3）改善人才培養(yǎng)條件：系統(tǒng)可提高人才培養(yǎng)平臺的信息化水平，為高等院校研究生和本科生實踐能力培養(yǎng)創(chuàng)造更好條件。

（4）完善平臺基地建設(shè)：系統(tǒng)可為學科建設(shè)和實驗室建設(shè)提供重要的平臺支撐，為行業(yè)領(lǐng)域提供重要的教育培訓基地。

（5）實施教育教學改革：系統(tǒng)可為產(chǎn)教融合背景下新時代卓越工程師培養(yǎng)提供支撐。

1 校企合作科學研究

2010-2021年間，太原理工大學聯(lián)合太重煤機有限公司、山西煤礦機械制造股份有限公司、山西科達自控股份有限公司等單位，通過產(chǎn)學研結(jié)合方式，共同開發(fā)了“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”，其主要由虛擬現(xiàn)實模型資源庫、基于OSG 的虛擬裝配子系統(tǒng)、基于UG 的虛擬裝配子系統(tǒng)、場景仿真與漫游子系統(tǒng)、虛擬裝配人機交互子系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實裝配網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)與系統(tǒng)、基于WebGL 的數(shù)字模型系統(tǒng)7 部分組成（見圖1）。

圖1 “煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”功能框架

該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實、虛擬裝配等新一代信息技術(shù)與煤機裝備深度融合為主線，充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)開放、共享、高效集聚的技術(shù)優(yōu)勢，通過融合虛擬現(xiàn)實場景仿真與漫游、虛擬裝配與人機交互關(guān)鍵功能設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，集成雙通道柱幕系統(tǒng)、力反饋器、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、Visual Studio 和Open Scene Graph等軟硬件平臺，全面實現(xiàn)了涵蓋采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架、提升機等裝備在內(nèi)的煤機裝備虛擬現(xiàn)實場景交互與裝配仿真應用（見圖2）。

圖2 煤機裝備虛擬現(xiàn)實場景交互與裝配仿真

“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”通過產(chǎn)學研校企合作方式，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，包括：將煤機裝備UG 和Pro/E 三維模型導入3DMAX，通過精細修復制作VR 模型，實現(xiàn)了CAD 模型與VR 模型的格式轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，為CAD 模型導入VR 環(huán)境提供了解決方案；使用3DMAX、OSG 進行煤機裝備VR 場景制作，對煤機裝備增加了場景效果、漫游功能、光照功能，提供了紋理映射處理方案；利用數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器和力反饋器實現(xiàn)了煤機裝備虛擬抓取、移動、旋轉(zhuǎn)和裝配，解決了人機交互設(shè)備與系統(tǒng)的接口問題；對軟件平臺、中央控制器、邊緣融合器、投影機、立體眼鏡及投影環(huán)幕等進行了系統(tǒng)調(diào)試和集成，實現(xiàn)了煤機裝備虛擬環(huán)境的沉浸式立體顯示等。

2 校企合作成果轉(zhuǎn)化

2.1 煤機裝備制造企業(yè)成果轉(zhuǎn)化

“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”在包括太重煤機有限公司和山西煤礦機械制造股份有限公司在內(nèi)的多家煤機裝備制造企業(yè)進行了推廣實施。

在太重煤機有限公司推廣實施期間，系統(tǒng)對采煤機與掘進機協(xié)同設(shè)計資源實時互動與有效配置提供了幫助，促進了采煤機與掘進機數(shù)據(jù)資源、生產(chǎn)能力、市場需求的集聚與對接，強化了采煤機與掘進機基礎(chǔ)與現(xiàn)代設(shè)計能力，提高了設(shè)計效率，促進了知識創(chuàng)新，顯著提升了該公司采煤機與掘進機設(shè)計的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平。

在山西煤礦機械制造股份有限公司推廣實施期間，通過融入該公司CAD 設(shè)計系統(tǒng)，構(gòu)建了刮板輸送機沉浸式系統(tǒng)，可以逼真展示刮板輸送機結(jié)構(gòu)、工作原理和工作狀況，幫助設(shè)計人員在較短時間內(nèi)評估各種設(shè)計方案，優(yōu)化刮板輸送機性能和可靠性；系統(tǒng)通過虛擬場景模擬真實的刮板輸送機裝配與運動，使刮板輸送機研發(fā)時間更短，效率更高，成本更低，提升了該公司刮板輸送機在市場中的競爭力。

2.2 煤礦企業(yè)成果轉(zhuǎn)化

“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”在煤礦工作面監(jiān)控中的推廣應用，主要借助山西科達自控股份有限公司與一線煤礦的項目合作。2020年4月，山西科達自控股份有限公司中標國家電投集團內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦工作面綜采自動化控制系統(tǒng)項目，該系統(tǒng)要求將察哈素煤礦的采煤工作方式革新為計算機集中監(jiān)測控制結(jié)合機械化的自動化采煤工作方式，并實現(xiàn)對綜采裝備的實時監(jiān)測和自動控制，達到“遠程自動化采煤，就地巡視手動干預”的目標[8]。

為順利實施上述中標項目，從2020年4月開始，系統(tǒng)通過“高等院校-制造企業(yè)-煤礦企業(yè)”三方合作方式在察哈素煤礦進行了推廣應用。通過融入山西科達自控股份有限公司自有的煤礦信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)將工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架和相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集和錄入，建立了3D 全景顯示的綜采裝備虛擬仿真系統(tǒng)和虛擬運行系統(tǒng)，完成了裝備的姿態(tài)與軌跡預測。在察哈素煤礦具體應用實踐中，該成果通過融入地面遠程調(diào)度與井下集控中心，形成了“視頻 +數(shù)據(jù)+VR”的全方位透明化監(jiān)測系統(tǒng)，豐富了察哈素煤礦工作面計算機集中監(jiān)測控制功能，對采煤工作方式的革新起到了重要推動作用[9]。

基于所取得的良好經(jīng)濟效益與社會效益，該項成果以校企合作方式獲得2021年中國機械工業(yè)科技進步二等獎[10]和中國煤機行業(yè)“十三五”科技創(chuàng)新成果獎[11]，并入選中國科協(xié)2022年科創(chuàng)中國先導技術(shù)系列榜單[12]。

3 虛實結(jié)合人才培養(yǎng)實踐

3.1 校內(nèi)虛實結(jié)合的本科生實踐教學

面向上述功能，“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”與煤礦綜采裝備山西省重點實驗室現(xiàn)有的實體裝備“煤礦綜采裝備成套實驗系統(tǒng)”[13]，組成了校內(nèi)虛實結(jié)合實踐載體，承擔多項面向機械工程專業(yè)煤機方向的本科生實踐教學功能（見圖3、圖4），包括：承擔礦山機械認知實驗、采掘運機械認知實驗、認識實習、畢業(yè)實習等實踐課程的部分虛擬實驗與虛擬實操任務，2020年立項建設(shè)的國家級一流專業(yè)建設(shè)點機械設(shè)計制造及其自動化中機械設(shè)計方向部分建設(shè)任務，國家級教學示范中心煤炭資源開采利用與裝備工程實驗教學中心中有關(guān)煤機裝備的部分實踐教學任務，山西省煤礦裝備與機械結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真類實驗系統(tǒng)教學任務等。

圖3 虛實結(jié)合虛擬煤機裝備實踐教學

圖4 虛實結(jié)合實體煤機裝備實踐教學

3.2 校企虛實結(jié)合的智能化培訓

“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統(tǒng)”[13]虛實結(jié)合，除可以完成校內(nèi)人才培養(yǎng)實踐外，也可以實現(xiàn)面向行業(yè)企業(yè)對員工進行煤機裝備智能化技術(shù)培訓。

2019年8月至2020年12月，山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司與太原理工大學聯(lián)合舉辦了智能化工作面建設(shè)培訓班[14]，雙方已聯(lián)合完成10 期培訓，每期22天，培訓學員50 名，已累計培訓學員約500 名。

在培訓授課過程中，通過“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統(tǒng)”形成的虛實結(jié)合平臺，受訓學員掌握了煤礦綜采裝備智能系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、智能系統(tǒng)基本原理和組成、系統(tǒng)的基本操作方法以及如何判斷和處理系統(tǒng)故障；熟悉了虛擬現(xiàn)實、虛擬裝配等新一代信息技術(shù)與煤機裝備的集成創(chuàng)新若干關(guān)鍵技術(shù)，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)如何在煤礦智能化建設(shè)中進行深度“融合-改造-創(chuàng)新”有了深刻認識。培訓工作培養(yǎng)了既懂管理又深刻理解信息技術(shù)的專業(yè)技術(shù)管理隊伍，充分了解煤礦智能化的基層建設(shè)。

3.3 虛實結(jié)合公益服務與科普

在公益服務與科普實踐應用方面，“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統(tǒng)”形成的虛實結(jié)合載體依托煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，在每年一次的山西省科技廳組織的公眾開放活動中，發(fā)揮著向社會普及煤機裝備領(lǐng)域的科學知識的作用。近5年來，累計向社會公眾開放2 000 余人次，在激發(fā)社會公眾科學創(chuàng)新意識方面效果明顯，對煤礦綜采裝備山西省重點實驗室科學創(chuàng)新支撐作用明顯，有效提升了煤礦綜采裝備山西省重點實驗室的社會影響力。

4 結(jié)語

“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”開發(fā)與人才培養(yǎng)實踐取得了以下成果。

（1）促進了校企合作科學研究、校企合作成果轉(zhuǎn)化、科研成果服務人才培養(yǎng)。

通過校企產(chǎn)學研合作方式，研發(fā)了煤機裝備與虛擬現(xiàn)實技術(shù)深度融合的“煤機裝備虛擬現(xiàn)實裝配系統(tǒng)”；面向煤機裝備制造企業(yè)和煤礦企業(yè)，完成了校企合作模式下的成果轉(zhuǎn)化；與“煤礦綜采裝備成套實驗系統(tǒng)”形成了虛實結(jié)合的人才培養(yǎng)載體與平臺，并基于虛實結(jié)合模式，開展了校內(nèi)本科生實踐教學、校企智能化培訓、公益服務與科普等。

（2）產(chǎn)教融合深化了校企合作模式。

傳統(tǒng)的校企合作通常是學校因為發(fā)展需要而成為合作的主動發(fā)起方，企業(yè)常常是被動合作方，合作過程中企業(yè)獲益不多，動力不足。本文以對接合作企業(yè)信息化和智能化需求為先導，通過校企合作科學研究使合作企業(yè)共同受益科研成果，通過校企合作成果轉(zhuǎn)化使合作企業(yè)順利完成煤礦中標項目，實現(xiàn)了校企合作共贏。合作過程是校企雙向互動與整合的過程，校企雙方都是合作主導者，校企溝通交流由原先的學校單向自發(fā)走向校企雙向自覺，具有較強的交融性和穩(wěn)定性特點，實現(xiàn)了深度產(chǎn)教融合，形成了發(fā)展共同體。

（3）虛實結(jié)合拓寬了人才培養(yǎng)路徑。

虛實結(jié)合實踐平臺的應用促進了太原理工大學機械工程（煤機裝備領(lǐng)域）實踐教學的改革和創(chuàng)新，全面提升了本專業(yè)本科生和研究生的培養(yǎng)質(zhì)量；智能化培訓應用為煤礦企業(yè)培養(yǎng)既懂管理又深刻理解信息技術(shù)的專業(yè)技術(shù)管理隊伍提供了路徑；公益服務與科普應用在激發(fā)社會公眾科學創(chuàng)新意識方面效果明顯。