?鐵礦資源回收利用虛擬仿真實踐教學平臺的搭建

吳蓬 邱俊 朱向楠

摘? 要 為解決學生在鐵礦選礦廠現場實習過程中存在的學習興趣不高、學習時間和空間受到限制等問題，借助先進的計算機虛擬仿真信息處理技術，經過語言、聲音、圖像、文字、動畫、音樂等數字化處理后，將工廠以一種全新的、圖（動態）文并茂的形式呈現，使學生成為學習的主動參與者，有助于激發學生的學習興趣，提高實踐教學質量。

關鍵詞 鐵礦資源回收利用;虛擬仿真技術;實踐教學;礦物加工工程;實踐教學系統;虛擬仿真教學平臺

1 前言

虛擬仿真技術是近年來計算機學科一個迅速發展的領域，將這項技術應用于高校實踐教學中，必將使實踐教學產生質的飛躍[1-3]。鐵礦資源回收利用現場地理位置往往比較偏遠，生產現場安全隱患多、環境差，生產設備往往是一些較為粗獷的破碎、選別等設備，一些智能自動化技術現場體現較少，使得學生的學習興趣不高，現場實踐教學效果較差。

仿真系統采用先進的Unity3D作為3D引擎系統，采用Maya 2015建模軟件，將實踐教學內容（工藝流程、設備等）賦予語言、聲音、圖像、文字、動畫、音樂等數字化處理，利用一種全新的、圖（動態）文并茂的形式呈現教學信息[4]。將這些先進的計算機信息技術與工廠實踐教學內容有機結合，使得先進技術應用于礦物加工工程專業的實踐教學中，更加直觀和具體地將所有的實踐教學內容表現出來并傳達給學生，使學生身臨其境，成為學習的主動參與者，也成為發現、探究和建構知識的主體，有助于激發學生的學習興趣，提高學生的學習積極性，是一種先進的實踐教學模式[5-6]。

2 平臺搭建

山東科技大學鐵礦資源回收虛擬仿真實踐教學系統是為解決學生在鐵礦選礦廠現場實習受時間和空間限制而建立的[7]。該系統根據礦物加工工程專業實習實踐教學大綱要求及內容特點，采用先進的Unity3D作為3D引擎系統，利用Maya 2015進行3D建模，采用C語言和Visual Studio

進行程序開發，利用SVN、Microsoft Project等進行程序版本控制和項目管理，采用Maya、3D Max等制作仿真資源。將這些信息技術和工廠生產實習教學內容有機結合起來，對改革本專業實踐教學方式，提高實踐教學質量，培養高質量的礦物加工工程技術人才將產生深遠影響[8-10]。

系統開發架構采用CS、BS架構相結合的模式：BS架構用于用戶訪問管理平臺，查看軟件列表、課程列表和學習記錄等統計信息，并啟動3D仿真項目;CS架構用于啟動3D仿真程序及其附屬程序。3D仿真程序獨立地與網站后臺、數據后臺進行交互。

系統通過3D仿真技術實現工廠的虛擬仿真，3D引擎在Windows平臺下通過DirectX技術實現3D渲染，通過骨骼動畫、關鍵幀和序列幀動畫制作3D動畫，通過計算機圖形學（實時陰影、光照貼圖、凹凸貼圖等）和計算幾何學（碰撞檢測、射線檢測、剛體、流體模擬等）等實現現象仿真，通過后臺模塊化模型的搭建和鏈接實現數據仿真，通過VR、AR和動作捕捉技術實現增強虛擬化變現和交互性[11-12]。

3 平臺功能

虛擬仿真教學平臺由學員站和教師站組成。在學員站內，學生可以通過NPC任務模式實現工廠的全景漫游，認識鐵礦資源回收工廠各類主要設備，跟蹤資源回收全流程作業等。教師站作為總體監控軟件，負責仿真系統的運行管理、監視與控制，實現仿真系統的各種功能。虛擬仿真教學平臺的具體功能主要包括工廠安全生產規程，生產工藝流程，主要設備原理、運行、結構拆解及常見故障，設備配置，廠房平臺配置等。

工廠安全生產規程? 利用PDF文字素材、各類生產設備動畫真實表現鐵礦資源回收工廠以及各個作業的安全操作規范，使學生樹立安全第一的職業意識（見圖1）。

工廠生產工藝流程? 選礦工藝流程主要包括礦石破碎篩分系統（見圖2）、磨礦分級選別系統、產品脫水系統、尾礦處理系統等。

1）破碎篩分系統。原料礦石經過顎式破碎機粗碎后，由皮帶輸送至中細碎車間的料斗;經振動給料機給入圓錐破碎機中碎，中碎產品由皮帶輸送至干式磁選，磁選精礦給入篩分車間料斗，磁選尾礦作為廢石;由振動給料機給入振動篩進行篩分，篩下粉礦產品經皮帶輸送至粉礦倉，篩上產品經皮帶輸送至中細碎車間的料斗，經振動給料機給入圓錐破碎機細碎，細碎產品由皮帶輸送至篩分車間進行篩分。

2）磨礦分級選別系統。粉礦經皮帶給入濕式預選磁選機，磁選尾礦給入脫水篩，篩上產品作為廢石子，篩下產品作為最終尾礦;磁選精礦給入球磨機磨礦，磨礦產品經泵給入旋流器;旋流器底流返回球磨機再磨，溢流給入一段磁選機分選，一磁尾作為最終尾礦，一磁精給入二段旋流器分級，底流給入二段球磨機再磨，溢流給入二段磁選

機;二磁尾作為綜合尾礦，二磁精給入淘洗機精選，淘洗機尾礦作為回水使用，淘洗機精礦作為最終精礦。

3）產品脫水系統。精礦脫水主要通過真空盤式過濾機，濾餅作為最終精礦，濾液作為回水使用。

4）尾礦處理系統。綜合尾礦首先經過濃密機進行初步濃縮，溢流作為回收使用，底流用泵輸送給深錐濃密機，溢流作為回水使用，底流與膠固粉混合攪拌后進行井下膠結充填。

主要設備原理及結構拆解? 選礦廠所有設備設施均按照1∶1比例制作，視覺上場景與現場相符，主要設備包括粗中細破碎機、振動篩（見圖3）、皮帶輸送機、振動給料機、礦倉、干式預選磁選機、濕式預選磁選機、球磨機、旋流器、筒式磁選機、淘洗機、盤式真空過濾機、濃密機等。具體按照設備簡介、設備結構、設備拆分、運行演示、運行原理、故障分析等內容進行講解。

設備配置? 廠房內的設備配置完全按照生產現場進行布置，能夠直觀地反映出廠房內設備布置方式、設備之間的連接方式、設備配套方式、物料的流向等信息（見圖4）。

廠房平臺配置? 工廠總平面布置鳥瞰圖可以直接觀看整個廠區的廠房布置情況和廠房之間的連接方式，在每一個廠房內，可直觀查看平臺的層高、大小等布置情況（見圖5、圖6）。

4 結語

鐵礦資源回收生產工藝流程、設備的結構及工作原理的動態模擬演示，整個工廠的三維設計模型，能夠多角度反映設備之間的位置關系;同時針對各主要生產設備結構特點，該系統具有手動拆裝功能，配以PDF文字介紹和設備運行動畫演示，全方位反映設備的結構、工作原理以及開停車的技術要求等，便于學生通過該系統自主高效地學習實踐教學內容。

參考文獻

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