礦業院校礦井設計競賽三維模擬實踐平臺

趙 學 軍

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

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礦業院校礦井設計競賽三維模擬實踐平臺

趙 學 軍

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

煤炭院校是向煤炭工業輸送高層次人才的主要渠道。人才質量是院校本身生存與發展的基礎，學科競賽是提高人才培養質量，促進素質教育、培養創新人才的最有效途徑之一。然而，針對采礦工程和安全專業的設計大賽卻很少，為了彌補多年來開展專業競賽平臺的短缺，利用三維仿真技術自主研發構建“礦業院校礦井設計競賽模擬仿真實踐平臺”的設計研發工作，為現場學生技術能力與實力的較量和發揮的檢驗，提供經濟、方便、可操作性強的專業競賽平臺解決方案。

煤礦院校； 礦井設計競賽； 模擬仿真平臺

0 引 言

煤炭是世界儲量最豐富的化石燃料，是我國的主要能源，煤炭工業是我國能源的支柱產業且對國家的發展舉足輕重[1]。當前，我國煤炭行業正面臨前所未有的困局。科技創新是人類發展與進步的唯一途徑，同樣也是解決煤炭行業目前困局的關鍵所在。堅持科技興煤戰略，提高自主創新能力是大勢所趨。而科技創新主要靠人才，人才培養的質量至關重要。煤炭行業80%以上的高級工程技術人員是由礦業特色高校培養的，而人才質量又是院校本身生存與發展的基礎。教育部提倡的學科競賽是提高人才培養質量，促進素質教育、培養創新人才的最有效途徑之一[2-3]。

學科競賽是面向大學生的群眾性科技活動，是結合現實對知識綜合運用的綜合訓練。在一定程度上模擬了大學生畢業后的工作環境，對于學生科學實踐和動手能力、創新和競爭意識以及綜合素質的提高起著積極促進的作用。因此，各高校及教育部都非常重視，對于各個專業都分別設立了不同類別的競賽，比如：電氣專業的機器人大賽，土木專業的結構設計大賽，英語大賽、數學建模大賽、物理模型大賽、計算機程序設計大賽、工商物流大賽、體育大賽等等就更多了。然而，礦業院校的主打專業是采礦工程和安全專業，但是，針對于采礦工程和安全專業的設計大賽卻很少。僅僅2011年10月29日由教育部高等學校地礦學科教學指導委員會主辦了“首屆全國高等學校采礦工程專業學生實踐作品大賽“，直到目前才有四屆。究其采礦專業大賽少的原因主要有：由于安全、經費、時間以及一些礦山企業存在教育的誤區等原因，帶學生到礦山現場實訓與比賽不現實；由于煤炭地下生產特殊的作業環境，煤礦工程與其他工程的最大區別在于，煤礦工程的主體工程(巷道系統)均位于井下，煤礦井下巷道錯綜復雜，構成復雜的三維空間結構，且井下工作場地面積大，學生了解礦山生產過程困難，學生即使是下井也無法直觀觀察其空間結構情況，也只能觀察到在井下局部生產環境，缺乏全局觀念，難以在工程現場開展全局的實訓和比賽；煤礦設備價格非常高，耗電極大，在學校進行實訓比賽成本太高等一系列困難，多年來不便于進行現場比賽。即使近幾年有比賽，也只是提交實物模型、數字模型或實踐論文作品，然后有十幾分鐘答辯的滯后競賽。缺乏當庭現場學生技術能力與實力的較量，無確鑿證據驗證某些作品的真偽及學生真正的創新能力，其公平性也只是相對的。鑒于此。利用信息時代先進的模擬仿真技術，開展礦業院校采礦工程及安全專業的礦井設計競賽仿真實踐平臺研究勢在必行。

通過三維地質建模技術、三維可視化技術、數據庫及模擬仿真技術，自主研發構建“礦業院校礦井設計競賽仿真實踐平臺”，為礦業院校采礦工程及安全專業提供進行礦井創新設計競賽環境的強大支撐，以彌補多年來進行專業競賽平臺的短缺，為充分發揮學生的創新性和創造性以及綜合素質的提高提供必要的保證和支持，充分體現礦業院校辦學特色，達到提高人才培養質量的效果和為礦山企業輸送創新型高層次科技力量的目的。

1 平臺系統設計

1.1 系統架構設計

系統架構分為四層，如圖1所示。

(1) 最底層是礦山數據采集層。其中包括采集礦山現有的自動化子系統、監控子系統以及設備子系統的數據及各種圖件等；

(2) 第二層為數據庫層。包括地測數據庫、生產數據庫和模型數據庫，主要抽取最底層礦山現有自動化子系統、監控子系統以及設備子系統的數據，進入到相應的數據庫中，并對數據進行統一的整合和管理，以作為前臺強大的數據支撐。模型數據庫包括井下的各種巷道，井上下設備，避難硐室，運輸系統軌道等，所有資源可以任意調用和修改，以達到三維礦山快速創建的目的；

圖1 平臺系統架構

(3) 第三層為礦井設計競賽仿真實踐平臺。支撐最前臺的各種應用程序，即應用功能層的各項功能模塊，并協調各模塊之間的關系；

(4) 第四層為應用功能層。包括系統維護、礦山生產流程模擬演示、競賽示范教學、模擬訓練、競賽規程、開始競賽及競賽評估等7個功能模塊，以實現競賽及系統管理的所有功能。

1.2 系統功能設計

(1) 系統維護。實現管理員對系統的用戶進行總的管理，可以增加新的用戶、將失效的用戶刪除，對用戶遺忘密碼進行修改。實現用戶權限的錄入、維護、授權、數據庫備份和恢復，以及數據字典的錄入和維護等系統管理功能。

(2) 礦山生產流程模擬演示。有虛擬煤礦開采場景、開采設備、工作流程、煤礦事故等內容演示，可以演示采煤機、皮帶、液壓支架的運動和操作過程，使學生對礦井下生產設備的原理及操作過程有更深入的理解，同時能夠進行災害模擬演示。

(3) 競賽示范教學。以一個礦區的數據及礦圖為例，為學生做示范指導。示范一個礦井如何進行設計的操作步驟及流程，以為學生競賽能熟練操作此平臺功能進行培訓教學。其中有快速搭建礦井的動畫演示，還有教師可實際一步步操作演示設計礦井的過程及教學。可以根據用不同需求任意調整視角和位置，以及縮放等操作，從而多方位的瀏覽審視井下環境，對礦山井下環境的整體布局有更加深入和形象的認識，還可以創建全局縮略圖，整體平面圖，區間三維圖等，可以讓學生針對不同礦山大場景的井下環境進行快速準確地進行位置確認，及快速跳轉到目標位置，達到對礦山井下環境及布局快速準確的認識。同時，通過多種人物以及井下運輸設備的三維動畫創建功能，快速地模擬礦山井下遇到的突發事件的應急預案，以三維動畫仿真的方式呈現出來，可幫助在礦山井下遇到重大安全隱患時進行應急預案的規劃、部署和預演[4]。

(4) 模擬訓練。學生可模擬正式競賽過程，進行礦井設計或快速搭建礦井練習。即由學生根據系統所隨機抽取的某礦井采掘平面圖等圖形及數據，進行交互式操作，從模型庫中調取相應的模型，開展礦山設計工作[5]。

(5) 競賽規程。系統內置競賽規程及其競賽細則，以便競賽學生隨時了解并遵照執行。

(6) 開始競賽。根據系統所隨機抽取的某礦井采掘平面圖及其相關的數據，由學生進行交互式操作，從模型庫中調取相應的模型，在限定時間內開展礦井生產環境、設備及設施整體設計競賽。

(7) 競賽評估。在競賽完成即可在線測試，為競賽評委提供評判依據。

2 平臺系統實現

以從試驗礦區所獲取并使其標準化的基礎數據為基礎，利用三維地質建模技術, 提取礦井生產有關的地層、巷道、工作面及設備等目標要素, 實現三維礦井目標的建模[6]。遵循軟件工程思想，利用三維可視化仿真(模型、顯示與動態演示) 技術及數據庫技術等建立海量的三維模型資源庫，可以快速的創建井下的環境和布局，盡可能的還原井下場景；實現井下巷道的快速搭建；可以清楚明了地了解整個井下巷道的布局和開采方向；可以直接畫出煤礦內部環境的結構，快速建立內部相同的布局和模擬災害，預防可能存在的災害，更好的避免安全隱患；能夠模擬事故的發生；進行三維交互和漫游，直觀整體地了解生產系統；快速改善布局和工藝流程；結合礦圖、地圖及全景圖等圖件和監控數據、地測數據及GIS信息，進行地上地下關聯，構建地面真實全景及地下生產場景全部圖像[7-8]。平臺系統所實現功能的部分畫面如圖2～5所示。

圖2 系統平臺、井上礦區環境模型搭建

圖3 設備模型、巷道模型及避難硐室模型及設計

3 平臺特色

(1) 系統自主研發，采用C++語言開發，自含性好，無須另外購買第三方的軟件，操作簡便，實用性強。

(2) 系統真實準確、立體可視化，包含動畫演練、互動操作和在線測試等，系統注重交互性和真實性。

(3) 系統高性能，支持大的顯示場景。

(4) 可通過互聯網遠程查看該實驗礦井的生產工作流程的三維場景，并動畫演示。

(5) 學生通過學習了解相關操作流程后，可以同時在線扮演多個工種的角色，實現多角色設計[9]。

(6) 海量的三維模型資源庫。

(7) 多視角觀察環境。

(8) 快速模擬應急預案。

4 實踐和成效

礦井設計競賽仿真實踐平臺在部分礦業院校得到應用實踐，使得學校組織采礦專業設計競賽形成常態化，由多年來只參加過四屆的全國高等學校采礦工程專業學生實踐作品大賽，改進成每學期就可組織學生進行一次模仿礦山實際的現場當庭實戰設計大賽，為學校組織礦井設計類競賽提供了可操作性強、成本低、安全性好、方便、真實、設計創新能力檢查力度大并且實用的競賽平臺，彌補了礦業類院校采礦專業開展設計大賽的平臺系統的短缺，同時也受到學生們的歡迎[10]。這對于學生已有知識的鞏固、創新能力的培養和激勵及校園文化氛圍的強化都具有重要的積極作用[11-12]。目前，中國煤炭教育協會經過深入多所煤炭學校調研，擬將此礦井設計競賽仿真實踐平臺系統設定為煤炭系統院校采礦及安全工程專業的大賽平臺并逐步推廣[13-14]。

圖4 礦井災害模擬、水災及火災模型及仿真模擬

圖5 礦井災害模擬爆炸沖擊波模型及仿真模擬、采掘設備模型及設計

5 結 語

該競賽模擬仿真實踐平臺經過幾年的設計研究及實踐，具有海量的三維模型數據資料庫和三維交互引擎，使學生更加簡單方便地將礦山井上環境及井下現場的仿真還原或設計搭建，也可根據不同礦山的礦圖及數據，構建設計出一個逼真的三維數字礦山[15]。同時，還為學生能夠有機會將理論與實踐相結合提供了可操作性強的設計環境，對充分發揮學生的想象力、創造力和競爭意識大有益處，使得競賽效果和評判能夠綜合、全面、實際、現場、公平、公正和公開，真正起到通過大賽促進提高創新型人才培養質量，為礦山企業輸送高層次創新精英的目的，使礦山企業、院校及學生三方面在科技創新上達到共贏。

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Study on Simulated Practice Platform of Mine Design Contest in Mining College

ZHAOXue-jun

(China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

Coal institute is a main channel for conveying talents with high quality to coal industry. The quality of talents is the basis for the survival and development of mining universities. Academic competition is one of the most effective ways to improve the quality of talent training, to promote quality education, and to cultivate innovative talents. However, due to various reasons, the design contest for mining engineering and safety professional are very rare. In order to make up the shortage of professional competition, a platform was designed and developed over years. The system of "Mine Construction Design Competition Mining College Simulation Practice Platform" was independently researched and developed by using 3D simulation technology. Court students can play in the platform to strength their technical ability. It really provides an economic, convenient professional competition solution.

coal mining colleges; competition of mining design; simulation platform

2015-02-28

國土資源部公益性行業科研專項(201211003); 中央高校基本科研業務費專項資金(2010YJ10)

趙學軍(1962-)，女、北京人，碩士，副教授，研究生導師，研究方向：計算機應用仿真、圖形圖像、計算機地學應用、信息處理等。Tel.:13901019670; E-mail:zhxj20120219@163.com

G 644.5; G 434

A

1006-7167(2016)01-0187-04