新工科背景下虛擬仿真技術在采礦工程中的應用研究

◎宋欣 王麗敏 屈年華 閆玉彪 程瞳

（作者單位：黑龍江工業學院）

大數據技術、人工智能技術背景下的虛擬仿真現實，已經改變了課程體系的發展，很多學校都在推行仿真實驗室的建設，完善實訓基地的構建工程。基于此，本文主要分析新工科背景下，虛擬仿真技術在采礦工程當中的實際應用，探索課程體系改革的必要性，分析虛擬仿真實驗教學平臺的具體構建，以提高整體的開放性水平，構建區域資源共享的實訓教學基地，提升采礦工程的教學效果。

引言：當前，雖然全世界的能源價格處于動態的波動當中，但是在供給側改革以及我國經濟技術發展水平的整體背景之下，煤礦行業的發展潛力仍然比較巨大，尤其是在新工科背景之下，煤礦工程的教學體系發生著不斷的創新。整體的課程建設要結合目前的技術背景，注重綠色、安全與高效，培養出一批工程素養高、技術操作水平高、綜合應用能力強的高素質人才。

一、新工科背景下虛擬仿真技術應用在采礦工程中的價值

首先，在新工科背景下，采礦工程專業的畢業生面臨的市場競爭更嚴峻，行業對于人才的技術要求也更高。采礦工程專業的學生只有掌握豐富的數據應用技術，不斷提升工作的技術水平，針對已出現的問題進行改進，才能夠提高自己的就業市場競爭能力。應用虛擬現實技術進行采礦工程的學科建設，可以促進實驗的綜合發展，使采礦專業的學生掌握全面的技術，既了解虛擬現實技術，又了解采礦技術，通過遠程控制的方法來進行實際的采礦操作。其次，通過虛擬現實技術進行采礦工程的課程體系建設，可以提高教學內容的豐富性、信息的真實性，實時動態展現效果良好，避免采礦工程的教學受到天氣不確定性的變化影響，突破復雜地形的限制，減少外界干擾的因素，拓展教學的有用性。

二、新工科背景下虛擬仿真技術在采礦工程當中的具體應用

（一）實驗教學資源開放平臺

資源開放平臺的建設可以為學生的學習提供多樣化的資源，幫助學生克服時間空間的限制，克服生產環境的諸多不確定性，而學習到采礦工程的系統性知識。首先，教師要注意上傳豐富的課程資源，例如視頻、圖片鏈接等等，包含采礦概論、巖層控制實驗方法以及具體的實驗操作方法。這種以視頻作為媒介的多層控制方法和實驗教學技術，有利于學生更加真實直觀的了解煤礦的生成現場以及操作的實驗過程。資源開放平臺可以降低學生在真實環境操作當中面臨的不確定性風險，也可以壓縮教學的成本，幫助學生更加全面的了解各個地區的礦山環境、安全生產、綠色建設。學生還可以通過這種系統性的資源開放平臺，掌握最先進的采礦生產設備生產技術，系統了解各個設備的運行原理、礦山的日常管理以及礦山當中危險事故的發生、災害的演變、礦壓測試原理，形成完善的知識體系。學生還可以根據自主的資源選擇和實踐環節的比對，了解更多的采礦工程細節性的知識，深入的挖掘深耕領域，提高自己垂直知識學習的有用性。在日常的學習，當中學生還可以利用這種資源共享平臺，收集和發布實驗數據，將自己學習的成果對外進行展示，方便教師根據這些成果進行綜合的成績評定。

（二）數值模擬與仿真實驗平臺

數值模擬與仿真實驗平臺的搭建，可以幫助學生在學習的過程當中不斷地與過去的自己進行比對，精進自己的學習成果。首先，通過數值模擬與仿真平臺的計算機實施模擬，方便學生對采礦工程的數據進行搜集。繪制出可視化的圖譜，整理自己的學習成果，驗算工程設計的參數，分析邏輯的推演過程，有效的解決自己目標研究的問題。其次，在仿真平臺的搭建上，可以利用目前的FLAC系統、ABQS系統，進行多數值的聯合運算，運用上述的數字化軟件進行礦壓數值的分析，幫助學生根據采礦工作面的實際工作情況進行全過程的模擬，還可以結合Bim技術對于問題的展現進行碰撞實驗分析，幫助學生建立暢通的實驗通道，提供更多的數字保證。最后，數值模擬與仿真實驗平臺的建設，還可以搭載生產環境參數這個圖層，拓展實驗的條件，推廣仿真教學的優勢，讓學生在這種安全的實驗環境當中了解到煤礦實際的產品應用情況、設備工作情況、工人操作環境情況。

（三）采礦實訓與安全培訓平臺

在目前的煤礦開采以及工程管理當中，不確定性的因素較多，這也是造成安全管理事故的主要原因。對采礦工程專業的學生開展實訓訓練，就是要讓其了解影響安全管理的多種因素，在安全培訓過程當中掌握系統性的原理，樹立安全第一的意識。第一，通過仿真模擬技術建設采礦實訓與安全培訓平臺，要引導學生通過參數的不同調節分析環境的實際變化，通過仿真過程的計算軟件認識到安全的風險不確定性。基于這種先進的計算機技術，擁有人與設備的對話能力，開展操作系統的優化培訓。第二，指導學生通過礦壓實測環節的實驗教學，了解煤礦井下系統的物理模型，通過延伸性的計算，測得不同實驗儀器的了解參數準確性，分析礦山壓力的安全閥值。學生在自己的操作平臺上感受到每一個參數的細小調整對于真實環境造成的影響，就可以樹立風險意識與安全管理意識。

（四）開放共享的實訓基地建設

基于虛擬仿真實驗教學技術，拓展教學平臺，建設實訓基地，可以在新工科教學背景之下，提高學生的網絡信息轉換能力、網絡信息管理能力。一方面，在教學改革的過程當中，教師要根據《采礦學》國家精品資源共享課程進行數據的匯總和資源的靈活應用，編寫延時控制的相關參數、實測技術的相關參數，增加講義內容，研發出更多的虛擬實驗教學平臺，實現開放共享的資源利用。另一方面，在教學的過程當中，學校要建立實驗室，配合數字模擬仿真教學，引導學生了解課程體系改革對于學生帶來的影響，促進學生的綜合素質發展。從核心素養培養的角度，注重學生的實際訓練能力，資源整合運用能力，數據開發能力和創新管理能力。

結論：綜上所述，仿真實驗技術在目前的采礦工程教學當中具有顯著的應用，可以適應新工科背景下市場和行業對于人才的需求。從本文的分析可知，采礦工程專業的虛擬仿真技術應用，要建設完善的實訓平臺安全培訓平臺，開展工程數據模擬與仿真建設，提高資源的綜合利用程度。