露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的建設與實踐

鐘祥華，于 巖，樓曉明，劉青靈，劉文元

（福州大學 紫金礦業學院，福建 福州 350108）

在采礦工程專業培養中，露天礦臺階爆破是核心課程，其中的實驗教學占較高比重，是完成專業培養目標的必要內容。然而，傳統的露天礦臺階爆破中的大部分實驗項目具有風險大、成本高、消耗大及實際操作難等特點。礦山實驗現場迫于安全及生產經營的壓力，很難安排學生開展實驗工作[1]。此外，露天礦臺階爆破實驗曾嘗試采用爆破器材及模型等方式來替代，但教學效果不佳[2]。傳統的實驗教學導致學生的專業素質和專業能力不足，很難適應智慧礦山企業對人才的要求，已經成為該課程教學面臨的普遍問題。

計算機網絡、多媒體及虛擬仿真技術的發展及普及，為高等教育教學的多元化和深層次發展帶來了機遇[3]。虛擬仿真技術為礦山技術人員提供一種逼真的三維虛擬環境，使用戶不僅可以沉浸在虛擬礦山場景中，還可以與之進行實時交互，用戶可以沉浸于數據空間，能以更自然、更直接的方式與數據交互，這是傳統的二維 CAD設計圖和預渲染回放的三維動畫所無法達到的[4]。

我校采礦工程專業結合當前高校實驗教學的新變化，利用信息技術建立了露天礦臺階爆破虛擬仿真系統。該系統利用現代網絡技術、VR技術，多維度展現露天礦臺階爆破的整個工藝流程，解決了現場實習難、危險系數大、了解不全面、師資不足等難題，為學生提供了安全、逼真的交互環境。

本文以露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的建設與實踐為例，介紹了該系統建設的必要性、可行性、建設內容及建設成效，為采礦工程專業乃至其他相關專業虛擬仿真系統的建設提供借鑒。

1 傳統露天礦臺階爆破教學中存在的問題

露天礦臺階爆破課程實驗教學的特殊性決定了現場實驗教學需要到實際的礦山企業開展，這就需要礦山企業的支持，同時學校也需要專門的經費作保障，而現場的實驗教學暴露出很多問題。一方面，對于提供實驗場所的礦山企業而言，其生產經營目標重、安全責任大，爆破實習很難安排；另一面，對于高校而言，到礦山企業開展爆破實習，成本較高[5]。此外，在實驗教學中，教師曾嘗試使用爆破器材及模型等方式來替代實驗，但教學效果不佳。具體問題表現在以下幾個方面：

1.1 傳統實驗教學場地無法滿足

露天礦臺階爆破實驗教學活動安排在礦山企業現場，不僅給企業的生產經營帶來影響，也給企業的安全管理帶來難題。生產和安全是礦山企業的兩大生命線，大部分礦山企業對接待學生實習缺乏動力。近年來，學校也通過各種渠道來力圖解決這個問題，比如建立露天礦臺階爆破實踐基地[6]，但企業的實踐基地仍受企業生產經營的影響。此外，福建省是全國首批 3個國家生態文明試驗區之一，且實踐基地所在地的上杭縣為生態文明建設示范縣，對安全環保要求很高，盡管當地的礦山企業提供了很好的實踐平臺，但實習時間還是很難保證。

1.2 傳統實驗教學指導教師無法保證

露天礦臺階爆破現場實驗教學需要具有礦山一線工作經驗的教師指導，為此學校開創性地引入“工程型”教師參與教學的理念，選拔有現場實踐經驗的高級工程師由學校培訓合格后上崗。這些“工程型”教師具有豐富的現場管理經驗，通過專業的教學培訓后具備教學能力，能夠勝任工程型人才的培養要求，培養的畢業生能夠快速勝任礦山工作。“工程型”教師教學成為我校“紫金模式”教學的重要組成部分，而“校企深度融合‘紫金模式’協同育人創新與實踐”獲2018年高等教育國家級教學成果二等獎[7]。但“工程型”教師存在一些問題，如人事調動、崗位變動以及思想波動、考核機制不完善等。盡管我校已經開展了5輪培訓工作，共聘任了15位該課程的“工程型”教師，仍面臨現場指導教師不足的問題。

1.3 傳統實驗教學模型限制大

露天礦臺階爆破實驗教學中的驗證型、演示性觀摩實驗受實驗空間和制作成本的制約，設計的實驗內容不能達到課程的教學目的。爆破場景受實驗室條件限制，用模型很難模擬和重現。例如，學生必須掌握和認識不同類型盲炮的處理方式，包括：（1）情況為爆破網路未破壞，最小抵抗線無變化；（2）情況為雷管爆，而炸藥未炸；（3）情況為部分炮孔拒爆以及大塊和根底處理方法。這3種情況用模型很難解釋清楚。此外，爆破孔的設置、鉆孔等步驟在實驗室也很難演示；且傳統的爆破工程中實物模型是單一的、局部的以及靜態的，代表性差，與實際場景還有較大的差異。因此，受時間和空間的限制，傳統實驗教學模型很難達到預期的教學效果。

此外，現場實驗教學雖然可以提高學生的認識，但成本高，而且現場看到的只是某個時間點的情況，學生在頭腦中很難建立起爆破時的動態模型。多媒體教學與演示雖然可以豐富教學內容，而且也直觀生動，但師生互動差，教學效果差。

2 露天礦臺階爆破虛擬仿真系統建設的必要性

露天礦臺階爆破是采礦工程專業必須掌握的一門實踐性強的專業課程，提高實驗教學質量最有效的方法是讓學生通過實踐將課堂上的知識用于實際工程中，掌握相關原理及數據分析方法。對于實驗教學項目，師生最關心的是該項目的教學深度、廣度和教學內容對提升教學效果的作用。爆破工程實驗涉及高危環境，現場實習成本高，虛擬仿真實驗系統拉近了真實現場實踐與實驗教學之間的距離，讓不能做、做不上和做不好的實驗步驟通過虛擬仿真技術在實驗教學中得以實現，拓展了實驗教學項目廣度與深度。同時，虛擬仿真系統拓展了教學內容，提升了教學效果[8]。利用虛擬仿真技術將傳統的實驗操作場景完美呈現，對露天礦臺階爆破完整的場景三維進行仿真，可以對整個爆破流程，主要包括爆破參數和爆破工藝的設計、鉆孔、驗孔、裝藥、堵塞、網絡連接、警戒和起爆、爆后檢查及處理等，進行虛擬再現。虛擬仿真系統采用第一視角的主場景方式，為學生帶來現場體驗，讓學生快速掌握露天礦臺階爆破的整體工藝流程和爆破設計方案。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統安全環保，不受時空限制，學生們可以在反復學習中提高自己的實踐能力。因此，通過虛擬仿真系統，學生能夠在較短時間內對整個露天礦臺階爆破有直觀三維立體視覺感受，更能準確地把握生產環節上的關鍵點，從而培養出采礦專業畢業生應有的系統觀與大局觀，而這些是傳統的實踐教學沒有辦法做到的[9]。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的建設，不僅對鑿巖爆破課程和采礦生產實習課程的教學是有力補充，而且通過整體爆破工藝流程的展示，拓展項目廣度和深度，延伸實習時間和空間，對培養學生的系統性意識、激發學生對專業的學習興趣和研究潛能、增強學生的工程實踐能力也具有重要意義。

3 露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的構建

我校采礦工程專業是教育部首批“卓越工程師教育培養計劃”的實施專業，并通過了國家工程教育專業認證。露天礦臺階爆破虛擬仿真實驗項目被列為2019年福建省高等學校虛擬仿真實驗教學項目，該項目正在申報國家虛擬仿真項目。根據課程的教學目的和教學要求，虛擬仿真系統涵蓋教學全過程，包括虛擬現場場景的設計、虛擬實驗的設計、虛擬實驗的開展，并嵌入動態交互式模塊。在具體虛擬設計中，將虛擬主場景在距民房20 m外仿真為一個漸高的臺階，巖石的特性參數隨著臺階高度的變化而變化。根據爆破的流程，設計19個實驗步驟，包括爆破參數和爆破工藝的設計、鉆孔、驗孔等。通過對虛擬場景中各步驟的學習和實驗，學生對臺階爆破過程中整體與部分的關系形成一個清晰的認識，而各種特殊識別標志的學習以及專項作業、任務闖關讓學生在體驗虛擬現實的娛樂功能功效的同時，可以進行不同地質環境條件下的不同爆破參數和爆破工藝設計，并進行合理的爆破施工。整個系統的具體布局如圖1所示。

圖1 露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的布局

3.1 虛擬爆破場景，解決場地限制問題

礦山企業很難安排學生開展爆破實驗，直接給實驗教學帶來困難。同時，由于爆破行業的危險性，現場實驗易讓學生心生恐懼。虛擬仿真系統的建設及應用，可有效解決實驗場地問題。虛擬仿真實驗不受現場實驗時間、空間和安全等問題的限制，能直觀表達具有空間、時間復雜特性的系統構成及工藝流程，有利于教學質量的提高[10]。學生只需要在計算機前完成實驗，進入系統后，立刻就有“身臨其境”的感覺。

在虛擬仿真實驗系統中，將每個步驟涉及的不同作業過程和重要機械設備設計為嵌入式虛擬仿真場景，學生通過操作、設計等交互式動作，實現更復雜的實踐活動。為了增強學生對不同爆破實體的理解，在實驗中設置了多個臺階場景，在場景中的多個位置設置鷹眼，學生可多視角觀察臺階，并對臺階上各項參數（巖石的硬度系數、巖石完整性、是否有水、巖石抗壓拉及剪切強度、巖石密度、臺階高度、距民房距離等）進行設置（如圖2所示）。在臺階爆破起爆藥包制作步驟里，可直接拖動起爆藥包制作所需的3種主要材料至合成欄，點擊合成，從而動態展示起爆藥包的制作過程，同時配合語音講解和文字面板說明，介紹起爆藥包制作的時間、地點和制作方法，并說明制作起爆藥包時的注意事項（如圖3所示）。此外，在各個爆破流程中，添加三維視角，學生可從各個視角觀察爆破場地、爆破機械和爆破材料等，并可旋轉、縮小和放大視圖。通過虛擬仿真系統的使用，學生可以在接近現實的場景中完成實習任務。

圖2 露天礦臺階爆破中的虛擬臺階

圖3 露天礦臺階爆破中模擬起爆藥包制作

3.2 線上線下協調，解決師資不足問題

師資問題困擾著傳統礦山爆破實驗的開展。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統建成后，從根本上解決了師資不足問題。仿真系統的后臺由專業的軟件公司設計完成，任課教師根據操作規程以及教學需要及時更新系統。整個教學過程只需要一名授課教師和一名計算機管理員即可完成。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統總體布局采用線下與線上結合的方式進行。學生在線下根據教師要求進行仿真練習，熟悉整套仿真系統的使用方法及步驟；而專業教師在線上進行集中教學管理、資源管理、考核管理等，學生通過網絡平臺進行相應的虛擬實驗、專項作業和任務闖關。在整體布局中，學生獨立完成從爆破場景設計、虛擬爆破實驗再到最后實驗報告提交的全過程，教師可隨時監控學生的學習情況。

必要的考核對于培養學生的綜合能力至關重要，可直接提升學生學習的積極性[11]。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統讓考核變得靈活而簡單。在虛擬仿真系統中，學生最終成績由實際操作專業成績、闖關成績和實驗報告組成。其中，爆破中的每個步驟成績構成實際操作專業成績，考核學生的獨立思考和動手能力；而帶有娛樂性質的闖關成績構成總成績的一部分，考核學生的反應能力和專業知識的儲備水平；實驗報告成績側重考查學生的綜合能力、報告撰寫與文字編輯能力等。依據最終成績，系統自動形成成績表，并對成績進行分析和解譯。任課教師可以根據課程的教學要求，調整需要掌握的實驗步驟的分值，將在實際工作中常見的操作設置為關鍵考核點，記入闖關成績。學生在輕松的學習環境下，掌握專業知識和提高實踐能力，可以達到預期的考核目的。因此，在露天礦臺階爆破虛擬仿真系統的應用中，教師可以對學生進行實時指導，任課教師和計算機管理員配合即可完成相應的教學任務。

3.3 動態交互式仿真，解決模型失真問題

露天礦臺階爆破虛擬仿真系統在模擬的三維空間中設計了人機交互，實現虛擬世界與現實世界的無縫對接，其內容強調交互操作[12]。在實驗中，虛擬仿真系統將以往由教師演示或模型替代的部分全部轉為學生根據爆破場景的設計及操作。在臺階爆破虛擬仿真設計時，教師明確學生需要掌握的操作，對一些重要的步驟，設計了必要的交互動作，讓學生自主完成。學生通過點擊特殊識別標志，啟動嵌入式虛擬仿真場景，根據實際情況，分別啟動語音介紹、視頻插播、放開三維鼠標權限便于交互式操作。比如，爆破器材參數設置欄里，包括炸藥、起爆器材、輔助工具3大模塊。炸藥模塊三維仿真了乳化炸藥（包括各種直徑）和銨油炸藥，點選后會對其爆速等參數作相應的簡介。起爆器材包括導爆索、普通電雷管、導爆管雷管、電子數碼雷管等的三維仿真，同時可以選擇段別及對應的延期時間。輔助工具中三維仿真毛竹片供學生選用（如圖4所示）。學生們可以根據每一個模塊的提示，結合實驗內容，對爆破器材進行設置。不同的設置方式可以模擬不同爆破效果。通過對爆破步驟有針對性的設計，學生可以把控操作步驟，通過實驗效果驗證實驗方案的可行性，弄清自己設計的實驗的優劣。

圖4 爆破器材實物設置

在虛擬仿真系統中，為了提升教學效果，專業的軟件工程師將整個爆破操作演示類的教學內容制作成動畫融入虛擬仿真場景中。例如，在臺階爆破炮孔布置欄里設計了一個爆破炮孔布置框，框中包含填寫爆破的排數、布孔方式（方形、矩形或梅花形）、鉆孔角度等參數等，點擊動畫演示后，虛擬仿真系統開始在平整好的場地臺階上動態演示炮孔布置的過程，同時配合語音講解有關炮孔布置的原則（如圖5所示）。此外，在臺階爆破起爆警戒欄里，點擊動畫演示，虛擬仿真系統開始展示臺階爆破警戒的全過程預警，包括預警信號發出—清場—派出崗哨—臨時交通管理—堅守崗位—起爆信號—堅守崗位—解除信號—撤除警戒，同時配合語音講解和文字面板說明，解說要清場的因素及其理由、崗哨的位置及注意事項、3個信號的發出及信號發出后人員的響應情況（如圖6所示）。因此，學生們在虛擬動態實驗中，安全意識和規范意識得到提升。通過動態交互式設計，學生可以在輕松的環境下學習知識，從而擺脫模型演示無法達到預期教學效果的局面。

圖5 露天礦臺階爆破中模擬鉆機鉆孔

圖6 露天礦臺階爆破中模擬爆破警戒

4 露天礦臺階爆破虛擬仿真系統建設成效及出現的問題

針對露天礦臺階爆破課程的特殊性，課程的教學方法和教學內容在不斷創新，從最初的爆破現場操作演示到拍攝真實爆破視頻講解，再到簡單的 Flash動畫視頻，最后使用虛擬仿真教學系統軟件[13]。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統建立后，教師可直接在線上和學生交流，并根據實際的教學目的和教學效果及時改進系統；學生可以充分利用虛擬仿真系統的優勢和性能，隨時隨地學習，反復演練，重復操作[14]。虛擬仿真教學解決了傳統實驗教學受空間和時間的限制的問題，此外，漫游式的操作體驗、嵌入式的交互、動態仿真等大大提高了學生對爆破工程實踐的學習興趣，提升了教學效果[15]。爆破工程是高危行業，學生對爆破實驗自帶恐懼，虛擬仿真系統可改變大家對爆破課程的恐懼感，而且能培養按規章操作的良好習慣，強化了安全意識。同時，學生的實踐能力、創新能力和科研能力得到提高。采用虛擬仿真教學的采礦專業的畢業生進入礦山工作后適應能力強，能很快勝任崗位，得到用人單位的認可。盡管露天礦臺階爆破虛擬仿真系統有著多種優勢，但仍存在一些問題[16]，如交互性不夠、逼真不足等。虛擬仿真系統的真實性和礦山現場實驗還有差別，虛擬仿真的真實度不夠，在實際的教學工作中，應適當安排爆破現場實驗，可以考慮在生產實習時適當加入。

5 結語

露天礦臺階爆破教學中引入虛擬仿真技術，對露天礦臺階爆破完整的場景進行三維仿真，對整個爆破流程進行虛擬再現，解決了實際爆破現場不能進入的難題以及實驗時間無法保證的問題，可以有效提高教學效率和教學效果，緩解了該課程實驗難度大的問題。露天礦臺階爆破虛擬仿真系統采用第一視角的主場景方式，為學生帶來現場體驗，可以使學生快速掌握露天礦臺階爆破的整體工藝流程和爆破設計方案，能夠加深學生對臺階爆破的認識程度，提高學生專業興趣、創新能力和科研能力，為采礦工程專業及其他相關專業相關課程的教學改革提供了有益的經驗。