礦山VR教學(xué)系統(tǒng)在《采礦概論》課程中的應(yīng)用

張村 趙毅鑫 滕騰 陳見(jiàn)行 張磊

摘? 要：采礦工程本身就具有系統(tǒng)復(fù)雜，井巷交錯(cuò)，立體性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對(duì)當(dāng)前非采礦工程專業(yè)學(xué)生在《采礦概論》學(xué)習(xí)中普遍存在層次感不清，系統(tǒng)模糊等問(wèn)題，提出了將虛擬仿真VR技術(shù)引入教學(xué)過(guò)程中的方法，建立了煤礦開(kāi)采虛擬仿真漫游教學(xué)系統(tǒng)。將教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容和演示性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬和仿真化，能夠使得學(xué)生更加直觀立體的了解整個(gè)采礦系統(tǒng)。該系統(tǒng)在全?！恫傻V概論》教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用，提出了具體的教學(xué)方法。該虛擬教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用取得了較好的效果，為工程類專業(yè)教學(xué)改革提供有益的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);礦山開(kāi)采;教學(xué)系統(tǒng);課程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）04-0099-03

Abstract： Mining engineering itself has the characteristics of complex system， staggered lanes and wells， and strong three-dimensional. Aiming at the problems of ambiguous hierarchy and system ambiguity in the study ofIntroduction to Mining for non-mining engineering major students， a method of introducing VR technology into teaching process is proposed. A virtual simulation roaming teaching system for coal mining is established. By virtualization and simulation of difficult contents and demonstration experiment items in teaching system， students can understand the whole mining system more intuitively and stereoscopically. The system has been applied in the teaching of Introduction to Mining in the whole school， and specific teaching methods have been put forward. The application of the virtual teaching system has achieved good results and provided useful experience for the teaching reform of engineering major.

Keywords： virtual reality; mining; teaching system; course application

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)作為近年來(lái)快速發(fā)展的一種新技術(shù)，由于解決了虛擬現(xiàn)實(shí)中硬件設(shè)備昂貴、三維建模繁瑣和數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)，迅速的在醫(yī)療、制造與維修、娛樂(lè)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型的教學(xué)媒體，以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力，逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在實(shí)踐教學(xué)廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用[4，5]。虛擬仿真教學(xué)是指利用計(jì)算機(jī)軟件和具體實(shí)物共同模擬出現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景，使學(xué)生處于一種虛擬的情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)。該種教學(xué)方法可以利用接近于現(xiàn)實(shí)的工作場(chǎng)景進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)方法生動(dòng)形象，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深對(duì)知識(shí)的理解[6，7]。

采礦概論是非采礦工程專業(yè)的通識(shí)必修課。該課程應(yīng)用實(shí)踐性強(qiáng)，需緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐[8-9]。采礦工程尤其是煤礦井工開(kāi)采，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)井巷交錯(cuò)，層次立體感強(qiáng)，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的演示使學(xué)生完成掌握，特別是針對(duì)非采礦工程的學(xué)生而言。因此，本文將傳統(tǒng)的采礦概論課程教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使學(xué)生不受設(shè)備和場(chǎng)地的影響，能夠掌握更多的知識(shí)和技能，對(duì)于采礦概論課程教學(xué)具有重要的意義。

一、礦山開(kāi)采VR模擬系統(tǒng)構(gòu)建

（一）VR礦井漫游系統(tǒng)

礦山開(kāi)采VR模擬系統(tǒng)選擇常見(jiàn)的現(xiàn)代化斜井開(kāi)拓系統(tǒng)。井田開(kāi)采一緩傾斜煤層，煤層賦存較淺、表層薄、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。井田沿傾斜面劃分2個(gè)階段，設(shè)2個(gè)開(kāi)采水平，每個(gè)上山階段沿走向劃分為若干個(gè)采區(qū)。每個(gè)采區(qū)布置1個(gè)回采工作面和1個(gè)準(zhǔn)備工作面，具體井巷系統(tǒng)如圖1所示。

礦山VR模擬系統(tǒng)針對(duì)上述井巷布置圖，運(yùn)用防爆全景相機(jī)對(duì)井下各個(gè)部位進(jìn)行拍攝，之后采用Unity Pro團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)模塊進(jìn)行礦井各巷道以及設(shè)備的構(gòu)建，構(gòu)建后的模型圖如圖2所示。

（二）礦井漫游系統(tǒng)操作流程

系統(tǒng)可以直接配合現(xiàn)代多媒體教室進(jìn)行運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行需要HTC vive設(shè)備，攜帶筆記本連接教室多媒體投影設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)將頭盔中看到的視角投影到大屏幕上，以實(shí)現(xiàn)全班人員能夠共同進(jìn)入該系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

進(jìn)入該系統(tǒng)后，首先出現(xiàn)在同學(xué)們面前的是圖1所示的整個(gè)礦井的系統(tǒng)圖，利用HTC手柄可以選擇圖1中任何一個(gè)位置進(jìn)入。進(jìn)入實(shí)際巷道后，就如同進(jìn)入真實(shí)場(chǎng)景一樣，同學(xué)們可以在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中自由移動(dòng)，也可以借助手柄進(jìn)行跳躍式移動(dòng)。

二、礦山VR系統(tǒng)課堂教學(xué)

（一）井巷認(rèn)識(shí)

開(kāi)機(jī)進(jìn)入礦井系統(tǒng)后，首先教師先帶上頭盔，以問(wèn)答的方式點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)中任何一條井巷，讓學(xué)生掌握每條巷道所處的層位，巷道斷面特點(diǎn)，以及在整個(gè)系統(tǒng)的用途。具體在講解過(guò)程中按照井巷掘進(jìn)順序進(jìn)行講解。一般情況下教師講解巷道的類型可以分為以下幾個(gè)方面：

（1）開(kāi)拓巷道。為全礦井或一個(gè)開(kāi)采水平服務(wù)的巷道屬于開(kāi)拓巷道。如圖1中主副斜井和風(fēng)井、井底車場(chǎng)、主要石門(mén)、階段運(yùn)輸和回風(fēng)大巷、采區(qū)回風(fēng)和采區(qū)運(yùn)輸石門(mén)等井巷，以及掘進(jìn)這些巷道的輔助巷道都屬于開(kāi)拓巷道。

（2）準(zhǔn)備巷道。為采區(qū)和一個(gè)以上區(qū)段、分段服務(wù)的運(yùn)輸、通風(fēng)巷道叫準(zhǔn)備巷道。具體如圖1中的采區(qū)上（下）山、區(qū)段集中巷、區(qū)段石門(mén)、采區(qū)車場(chǎng)等。

（3）回采巷道。指形成采煤工作面及為其服務(wù)的巷道。如圖1所示屬于這類巷道的有采煤工作面的區(qū)段運(yùn)輸平巷、區(qū)段回風(fēng)平巷和開(kāi)切眼、中切眼。

教師講過(guò)一遍后，同時(shí)教會(huì)學(xué)生簡(jiǎn)單的操作方法，讓學(xué)生上臺(tái)體驗(yàn)。此時(shí)，教師任意說(shuō)出巷道的名稱要求學(xué)生進(jìn)入相應(yīng)的巷道，坐在下面的同學(xué)也可以指揮臺(tái)上的同學(xué)。如此，同學(xué)們就可以對(duì)巷道的布置有一個(gè)更全面直觀的了解，而不是僅僅停留在書(shū)面上線條式的識(shí)別。

（二）礦井設(shè)備認(rèn)識(shí)

在進(jìn)入每一條巷道的過(guò)程中，除了讓學(xué)生掌握巷道所處位置，還要帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)每條巷道內(nèi)所布置的設(shè)備及其作用。比如當(dāng)進(jìn)入工作面后，先講工作面的開(kāi)采參數(shù)，之后就要講相應(yīng)的三機(jī)配套情況：采煤機(jī)型號(hào)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架的型號(hào)。然后進(jìn)一步說(shuō)明工作面的循環(huán)作業(yè)圖表（包括采煤機(jī)進(jìn)刀方式、液壓支架的支護(hù)方式等，具體如圖2b所示）。當(dāng)進(jìn)入?yún)^(qū)段運(yùn)輸平巷時(shí)則給學(xué)生們介紹轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)以及皮帶運(yùn)輸機(jī)的具體情況（圖3）。當(dāng)進(jìn)入?yún)^(qū)段回風(fēng)平巷時(shí)，可以介紹設(shè)備列車中相應(yīng)的設(shè)備及其作用。當(dāng)進(jìn)入變電所以及井底水倉(cāng)時(shí)，介紹變電所及井底水倉(cāng)的相關(guān)設(shè)備及其作用。在進(jìn)入掘進(jìn)工作面時(shí)，講解掘進(jìn)工藝的同時(shí)可以觀察掘進(jìn)機(jī)（圖2a）。

在整個(gè)巷道系統(tǒng)走完一遍后，學(xué)生能夠熟悉煤礦中的相應(yīng)設(shè)備及其主要用途。

（三）生產(chǎn)系統(tǒng)漫游

在進(jìn)行完井巷認(rèn)識(shí)及內(nèi)部設(shè)備的講解后，學(xué)生基本上對(duì)煤礦井下的立體環(huán)境有著充分的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，教師就可以進(jìn)行煤礦各生產(chǎn)系統(tǒng)的講解，而在講解過(guò)程中，教師可以采用虛擬系統(tǒng)模型沿著各生產(chǎn)系統(tǒng)巷道完整的走一遍。常見(jiàn)的煤礦三大系統(tǒng)如煤礦運(yùn)煤系統(tǒng)，教師可以從采煤工作面（刮板輸送機(jī)）→區(qū)段運(yùn)輸平巷（轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶輸送機(jī)）→采區(qū)運(yùn)輸上山（皮帶輸送機(jī)）→采區(qū)煤倉(cāng)（暗溜井）→采區(qū)運(yùn)輸石門(mén)（皮帶輸送機(jī)）→階段運(yùn)輸大巷（皮帶輸送機(jī)）→井底煤倉(cāng)→主斜井（皮帶輸送機(jī)）→地面。除此之外，礦井通風(fēng)系統(tǒng)與運(yùn)料排矸系統(tǒng)采用同樣的方法帶學(xué)生們完整的走一遍。在系統(tǒng)漫游的過(guò)程中不僅能夠?qū)⑾锏牢恢脤游患皟?nèi)部設(shè)備再?gòu)?qiáng)化一遍，同時(shí)還能更加完整立體的掌握煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)。

三、結(jié)束語(yǔ)

礦山開(kāi)采VR教學(xué)模型針對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化礦井系統(tǒng)進(jìn)行了等比例還原，可實(shí)現(xiàn)全礦井巷道漫游。針對(duì)當(dāng)前非采礦工程專業(yè)學(xué)生在《采礦概論》學(xué)習(xí)中普遍存在層次感不清，系統(tǒng)模糊等問(wèn)題，提出了將虛擬仿真VR技術(shù)引入教學(xué)過(guò)程中的方法。借助VR技術(shù)，將煤礦開(kāi)采設(shè)備的現(xiàn)代化及自動(dòng)化引入《采礦概論》課堂，讓學(xué)生們走出書(shū)本，置身于真實(shí)礦井，更加立體直觀的感受煤礦開(kāi)采作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)情況，給出了VR教學(xué)方法，大大豐富了學(xué)校的教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了校外實(shí)習(xí)資源從基地直接引入課堂的同時(shí)有利于礦業(yè)企業(yè)的宣傳。

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