虛擬仿真平臺(tái)在地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)教改中的探討

馬占武，宮雨生

（遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山）

地下導(dǎo)線測(cè)量主要目的是獲取礦井下點(diǎn)位的平面坐標(biāo)，是礦山測(cè)量中的重要環(huán)節(jié)[1-3]。地下導(dǎo)線測(cè)量精度高低將直接影響礦井下的施工質(zhì)量，進(jìn)而影響礦山安全[4]。傳統(tǒng)的地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)直接到礦井下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受礦井的狹窄、黑暗、潮濕等環(huán)境影響，指導(dǎo)教師很難組織和指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)[5-6]。此外，在礦井下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且實(shí)驗(yàn)成本高[7]。由于上述等因素的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果很難達(dá)到預(yù)期[8]。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件下真實(shí)的實(shí)驗(yàn)很難開展，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)間很難滿足要求，成為提高培養(yǎng)現(xiàn)代應(yīng)用型人才質(zhì)量的屏障[9-10]。

然而，在信息化及科技飛速發(fā)展的當(dāng)代，虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為解決上述問題提供了契機(jī)[11-12]。虛擬仿真系統(tǒng)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、三維可視化、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等新技術(shù)手段[13]，虛擬出了現(xiàn)實(shí)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以在高度仿真的虛擬環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)，不僅吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，而且有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的不足。另外，虛擬仿真系統(tǒng)不受時(shí)間、空間等限制，具有不計(jì)成本、反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。因此，本研究針對(duì)地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展了虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

一 地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)開發(fā)工具

本研究的地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)，主要采用Unity 3d、C#、3D max等開發(fā)工具。

（一） Unity 3d

Unity 3d也稱Unity，是由 Unity Technologies 公司開發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開發(fā)工具。本研究利用Unity 3d實(shí)現(xiàn)了地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬場(chǎng)景中的儀器設(shè)備和礦井環(huán)境等三維動(dòng)畫渲染和可視化。時(shí)至今日，Unity 3D以其強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性與絢麗的 3D 渲染效果跨足引擎前列，所以現(xiàn)在很多商業(yè)及虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品都采用Unity 3D引擎來開發(fā)。

（二） C#

C#是一個(gè)簡(jiǎn)單的、現(xiàn)代的、通常的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法中，程序由各種相互交互的對(duì)象組成。本研究利用C#實(shí)現(xiàn)了地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)中的測(cè)角、量邊和高差測(cè)量等基本交互功能。

（三） 3D max

3D max是Discreet公司開發(fā)的，后被Autodesk公司合并。3D max是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和三維模型制作軟件。本研究利用3D max構(gòu)建了地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)的儀器設(shè)備和礦井環(huán)境的三維建模。

二 地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)開發(fā)流程

地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)分別從虛擬環(huán)節(jié)、虛擬對(duì)象和虛擬功能三個(gè)方面進(jìn)行開發(fā)，其技術(shù)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)開發(fā)流程圖

（一） 虛擬環(huán)節(jié)

根據(jù)地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，首先進(jìn)行該系統(tǒng)虛擬環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。其虛擬環(huán)節(jié)包括儀器設(shè)備的虛擬以及礦井環(huán)境的虛擬。

（二） 虛擬對(duì)象

虛擬對(duì)象部分主要是對(duì)虛擬環(huán)節(jié)中的儀器設(shè)備和礦井環(huán)境的具體對(duì)象進(jìn)行虛擬。其中儀器設(shè)備具體虛擬對(duì)象包括，全站儀、三腳架和棱鏡的虛擬；礦井環(huán)境的具體虛擬對(duì)象包括，巷道、峒室和巖壁的虛擬。

（三） 虛擬功能

根據(jù)地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)的具體要求，其儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)的具體功能為測(cè)角、量邊和高差測(cè)量。測(cè)角和量邊為導(dǎo)線計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再根據(jù)起算數(shù)據(jù)進(jìn)而獲取礦井下導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo)X和Y。高差測(cè)量主要是為了獲取導(dǎo)線點(diǎn)的高程H。

在礦井的虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)的主要功能為儀器設(shè)備的安置、對(duì)中、整平、瞄準(zhǔn)和讀數(shù)。還需實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中選取導(dǎo)線點(diǎn)，并在能夠?qū)Ь€點(diǎn)上架設(shè)棱鏡。

三 地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備虛擬仿真

地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器虛擬是為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)間不足的問題，讓學(xué)生親身體驗(yàn)地下導(dǎo)線測(cè)量的過程，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中“熟練操作儀器”的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)虛擬的儀器設(shè)備主要包括全站儀以及配套的三腳架和棱鏡。虛擬的功能主要包括測(cè)角、量距和高差測(cè)量等。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由演示模式、訓(xùn)練模式以及測(cè)試模式三部分構(gòu)成。

（一） 演示模式

在此模式中，學(xué)生可以觀看完整的實(shí)驗(yàn)講解以及實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)畫，在此期間可進(jìn)行“暫停、快進(jìn)、回退”等控制操作，如下圖2所示。演示模式主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示模式

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^與礦井上方的已知高等級(jí)平面和高程控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，獲取礦井下某兩參考點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，再以此為起算數(shù)據(jù)以及測(cè)得的角度和距離獲取礦井下所有導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。

2.實(shí)驗(yàn)方法：演示利用全站儀進(jìn)行角度、距離和高差測(cè)量的具體步驟。

3.觀測(cè)成果：主要演示角度、距離以及高差記錄手簿，以及如何進(jìn)行導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程計(jì)算。

4.注意事項(xiàng)：主要講解如何保證儀器設(shè)備和人身安全、如何減少儀器設(shè)備的偏心誤差以及如何提高外業(yè)觀測(cè)精度等。

（二） 訓(xùn)練模式

通過地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)中的演示模式學(xué)習(xí)，學(xué)生可以容易地進(jìn)入到訓(xùn)練模式中，在此模式中學(xué)生不僅可以近距離地觀察實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備的外觀構(gòu)造，而且也可親身進(jìn)行相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)交互操作等，如下圖3所示。訓(xùn)練模式主要包括以下幾方面內(nèi)容：

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練模式

1.儀器設(shè)備的安置、開關(guān)機(jī)、對(duì)中、整平、瞄準(zhǔn)和讀數(shù)。

2.礦井虛擬環(huán)境中，導(dǎo)線點(diǎn)的選取。

3.棱鏡的架設(shè)。

4.角度、距離和高差觀測(cè)。

5.導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程計(jì)算。

（三） 測(cè)試模式

該模式是通過計(jì)時(shí)以及得分情況檢驗(yàn)學(xué)生經(jīng)過演示模式的學(xué)習(xí)以及訓(xùn)練模式的鍛煉對(duì)該實(shí)驗(yàn)的掌握程度。地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及相應(yīng)功能虛擬，如下圖4所示。測(cè)試模式主要包括以下幾方面內(nèi)容：

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練模式

1.測(cè)試學(xué)生對(duì)儀器設(shè)備安置以及開關(guān)機(jī)的熟練程度。

2.測(cè)試學(xué)生對(duì)儀器設(shè)備的對(duì)中、整平過程的熟練程度以及測(cè)試學(xué)生能否對(duì)儀器設(shè)備的對(duì)中和整平進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.測(cè)試學(xué)生對(duì)測(cè)角、量邊以及高差測(cè)量過程的掌握情況。

4.測(cè)試學(xué)生計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程能力。

本研究的地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)，通過以上三種模式的虛擬，環(huán)環(huán)相扣，從演示模式到訓(xùn)練模式再到測(cè)試模式，逐步強(qiáng)化學(xué)生理論知識(shí)的掌握情況以及加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。不僅解決了傳統(tǒng)上教師要帶學(xué)生到真實(shí)礦井下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所遇到的各種困難問題，而且通過虛擬仿真的形式使學(xué)生身臨其境，感受礦井下的真實(shí)環(huán)境并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，既能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的能力又可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)踐能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

四 地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)礦井環(huán)境虛擬仿真

傳統(tǒng)的地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)直接到礦井下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)受到礦井的陰暗、潮濕、狹窄、行人和運(yùn)輸車輛多等影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果很難達(dá)到預(yù)期。因此，為了提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中顯得尤為重要。礦井下的虛擬仿真環(huán)境主要包括主副井、采掘巷道、硐室、巖壁、采掘工作面和運(yùn)輸設(shè)備等。在虛擬環(huán)境中可以進(jìn)行導(dǎo)線點(diǎn)的選取、儀器設(shè)備安置、架設(shè)棱鏡以及導(dǎo)線測(cè)量。

在礦井的真實(shí)環(huán)境中，會(huì)受到很多條件的限制，為了使導(dǎo)線點(diǎn)不被破壞，導(dǎo)線點(diǎn)一般選在巷道的頂板上。如果對(duì)井下環(huán)境認(rèn)識(shí)不熟悉，很難開展和完成地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過虛擬礦井下的環(huán)境，學(xué)生可以不用親自到實(shí)地考察就可以很好地熟悉和了解礦井下的工作環(huán)境，對(duì)巷道空間關(guān)系有直觀的認(rèn)識(shí)。本系統(tǒng)可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及解決相關(guān)問題的能力。

五 結(jié)語

地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)體現(xiàn)以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神以及綜合實(shí)踐能力，使學(xué)生能夠在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提高自主學(xué)習(xí)能力和親身實(shí)踐的興趣。虛擬仿真系統(tǒng)在開發(fā)過程中，要遵循交互性、開放性、簡(jiǎn)單易用性、安全和穩(wěn)定性等原則。按照“緊跟學(xué)科發(fā)展，立足社會(huì)需求，夯實(shí)實(shí)踐能力，強(qiáng)化技能，培育團(tuán)隊(duì)精神，提高創(chuàng)新能力”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，科學(xué)規(guī)劃地下導(dǎo)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，克服傳統(tǒng)上高危環(huán)境、成本高、實(shí)驗(yàn)條件不具備、實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果差等創(chuàng)新實(shí)踐難題。

本研究通過三維建模、網(wǎng)絡(luò)通信、交互式操作和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，克服了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的不足，構(gòu)建了地下導(dǎo)線測(cè)量虛擬仿真平臺(tái)，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思維。不僅學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的操作方法，熟悉礦井下導(dǎo)線測(cè)量的流程，教師也可改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真平臺(tái)中交互式操作模式，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低了實(shí)驗(yàn)成本。同時(shí)，也促進(jìn)了教師與學(xué)生的交流互動(dòng)，這對(duì)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器操作以及實(shí)驗(yàn)流程的記憶以及教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要意義。