虛擬仿真技術在智能采礦專業實踐教學中的應用

劉飛躍，楊 科*，闞 磊，朱 曄，池小樓

（安徽理工大學礦業工程學院 安徽 淮南 232001）

新時代信息技術與人工智能的深入發展，為推動煤炭行業的轉型發展提供了支撐，智能開采已經成為煤炭行業高質量發展的必由之路。為滿足就業市場對智能采礦專業人才的需求，2021年教育部正式批準安徽理工大學與中國礦業大學（北京）增設智能采礦工程專業，此外河南理工大學、遼寧工程技術大學、西安科技大學等高校開設智能采礦工程試點班。智能采礦專業的培養目標要求學生成為系統掌握礦山資源開發利用的基本理論和方法，具備采礦工程與軟件工程、信息工程、人工智能等采礦+智能融合的知識技能，能在礦山自動化、信息化、智能化等智能采礦領域從事設計與施工、生產技術管理、安全監察及科學研究等相關工作的復合型專業技術人才，多學科交叉成為智能采礦專業建設的關鍵要點，由于智能礦山系統繁多、專業性強，其專業實踐教學對教學方式與教學方法提出了新的要求。

針對智能采礦工程專業建設中存在的痛點難點問題，學者們進行了相應的探索，并提出了積極的對策。段敏克等[1]以安徽理工大學智能采礦專業建設為例，提出了“產―學―研”的智能采礦工程專業人才培養新模式；張俊文等[2]以中國礦業大學（北京）為例，介紹了智能采礦本科教學的人才培養方案；劉學生等[3]介紹了山東科技大學智能采掘技術基礎課程設計。現代虛擬仿真技術可以追溯至20 世紀90年代，在采礦工程專業教學中得到了良好的應用，從最初的三維建模與立體顯示[4]發展至數字孿生與增強虛擬現實[5]再到如今的礦山元宇宙[6]。為了推進虛擬仿真技術與實驗教學的深入融合，2019年清華大學牽頭成立了“虛擬仿真實驗教學創新聯盟”，在國內已擁有數百家高校及企業會員。虛擬仿真技術可以很好地解決智能采礦專業多學科交叉的特殊性，實現教學流程和教學效果的優化。

作為全國首批智能采礦工程專業，安徽理工大學在我國首批智能化礦井之一的麻地梁煤礦建設了教學實踐基地，專業實踐教學中重點學習礦山地質透明、設備地面遠程集控與智能生產運營等。經過多次現場實踐教學，筆者發現礦山現場實習存在如下問題：①實習資源有限、成本高；②專業設備昂貴，學生難以動手操作；③難以通過參觀與講座深入了解通訊控制等系統。虛擬仿真技術為智能采礦工程的專業實踐提供了有利途徑，同時智能采礦的復雜性也對虛擬仿真教學提出了新的要求。本文詳細說明麻地梁煤礦虛擬場景的主要架構與功能，并介紹虛擬仿真在安徽理工大學智能采礦專業實踐教學中的應用經驗。

1 麻地梁煤礦虛擬仿真系統

1.1 系統簡介

內蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦位于內蒙古自治區準格爾煤田西南段，行政隸屬準格爾旗龍口鎮。麻地梁煤礦建成了“遠程集控、智能掘進、智能采煤、智能通風、智能運輸、智能交通管控、煤質運銷管控、設備智能預警與遠程會診、物聯網+智能倉儲、互聯網+遠程辦公”的礦井十大智慧系統，2020年被國家能源局、國家煤礦安全監察局列入首批新（改擴）建智能化煤礦名單，2021年成為內蒙古自治區首批驗收通過的智能化建設煤礦。為了將智能礦井的復雜系統具象化，麻地梁煤礦建立了虛擬仿真系統，系統直接連接麻地梁煤礦生產管控系統，形成智能煤礦的五層級構架，如圖1 所示。系統將復雜地質、采礦設備、生產現場等“顯式”信息進行三維演示，可以給予學生空間上的初步認知。同時，系統集成了數據采集傳輸、災害監測預警、生產經營管理等信息，展示了現場實際的“隱式”信息，豐富了學生對工程實際的認知。

圖1 智能礦井虛擬仿真系統構架

1.2 功能界面

麻地梁煤礦虛擬仿真系統登錄賬號由后臺統一分配管理。建設有基礎設施、安全保障、生產執行、經營管理與決策指揮五個模塊。各模塊之間相互獨立又有機連接，涵蓋煤礦生產運營全流程，有助于學生了解智能礦井各生產工藝環節，提升專業實踐教學效果。

基礎設施模塊：該模塊通過網絡通訊集成了智慧礦井的基礎設置，同時內嵌智能算法對基礎設施系統進行自主診斷，對設施故障進行實時預警。主要包括GIS 一張圖、基礎網絡萬兆環網、綜合分站、5G 通訊等，實現定位通信、監測監控、自動化等系統的統一接入、統一承載、統一管理。

安全保障模塊：主要接入了安全監控、人員車輛定位、應急救援管理、避災路線、水文監測、礦壓監測、束管監測、智能噴霧、光纖測溫等9 個子系統。學生（安全管理人員）可以遠程查看礦井安全系統數據變化趨勢，對礦井安全進行全方位監控，數據自動上載至礦山私有云服務器，同時根據設定閾值進行實時監測預警，并根據報警級別推送相關安全管理人員。

生產執行模塊：主要接入綜放工作面、掘進工作面、主通風機、壓風機、主煤流皮帶運輸、主排水泵房、電力監控、生產消防泵房、礦井污水處理硐室、生活污水處理廠、選煤廠及快速裝車、鍋爐房、礦燈房、制氮車間、灌漿車間等15個子系統自動化集成。實現全礦井生產系統的數據采集、分析，遠程控制、無人值守，各類數據在PC端、手機端監控并實現數據異常分級報警推送等功能。

經營管理模塊：主要接入互聯網遠程辦公、物聯網+智能倉儲快遞服務、生產計劃及管理、自動排班、一通三防管理、設備備配件管理、機電設備管理、煤質產銷管理、生產技術管理、后勤服務系統等10 個子系統。實現業務流和工作流的網上運行、數據資源留痕共享、自動生成各種報表，集成各項經營管理的業務需求，提高企業運行效率、達到精細化管理。

決策指揮模塊：主要包括安全決策分析、生產決策分析、經營決策分析3 個子系統。通過對智能礦山生產執行系統和生產經營管理系統的大數據進行提取，顯示出直觀的趨勢圖；監控安全避險六大系統運行異常，并對安全生產、經營管理存在的問題進行分析決策[7-8]。

2 智能采礦專業虛擬仿真實踐教學

2.1 現場實踐與仿真實驗相結合

采礦工程是應用性強、緊密結合生產實際的專業，實踐教學大綱要求學生深刻理解采礦工藝、安全控制、設備操作、通訊傳感等知識，并能夠聯系實際培養學生的科學探索思維，促使學生應用專業知識解決現場中的相關工程問題。現場實習無疑是實現上述目標的重要環節，但受到現場條件、人力物力財力的限制，難以長時間大范圍地開展現場實踐教學，引入虛擬仿真可以不受時間地點的約束，無限次地開展仿真實踐。特別是仿真實踐可以將難以理解的通訊控制、運營管理、監測預警等知識點具象化，在開展現場實踐教學前，利用仿真實踐使學生形成智能礦井的整體概念，可以更好地實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的教育教學目標。

2.2 科研成果與教育教學相結合

自2020年國家發展改革委、能源局、應急部、教育部等八部委聯合制定了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》以來，我國的煤礦智能化建設進入了快車道，新理論、新技術、新裝備不斷涌現。指導意見要求到2025年我國大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，實現開拓設計、地質保障、采掘（剝）、運輸、通風、洗選等系統的智能化決策和自動化執行；2035年各類煤礦基本實現智能化，建成“智能感知、智能決策、自動執行”的煤礦智能化體系。在此過程中，智能采礦專業教材往往剛編寫完成就落后于實際，傳統的教學模式無法適應采礦行業智能化的高速發展，將最新的科研成果引入教育教學中，特別是利用現代人工智能技術與虛擬可視化技術，將復雜的智能采礦機理形象地展示出來，便于學生理解與吸收最新的智能采礦知識。

2.3 校企合作與學科建設相結合

在市場、政策與技術等因素持續催化下，煤礦智能化建設持續高速發展，預計到2025年將形成數百億人民幣規模的市場。以麻地梁煤礦、楊柳煤礦、黃陵煤礦等為代表的礦山企業，以鄭煤機、梅安森、天瑪智控等為代表的設備廠商，以三大電信運營商、華為、中興等為代表的通訊服務，以龍軟科技、山源科技等為代表的軟件廠商，在煤礦智能化建設上持續發力，在技術設備研發上已經超過高校。配套的現代化虛擬仿真實驗室對于礦山企業而言，可以實現物理礦山的虛擬化、生產環節的可視化，實現礦山生產流程再造，助力煤礦智能精準開采；對于高校可以協助培養人才、助力學科建設，同時有利于學生就業。校企合作與學科建設相結合，是智能采礦專業建設的有利途徑，也是實現“產―學―研”一體化的必由之路。

3 結語

借助虛擬仿真、通訊控制、人工智能和軟件技術，不僅可以復現真實礦山物理場景，還可以集成生產、監測數據，實現數據流、信息流的展示。此外結合礦山設計，借助于三維建模，實現數字孿生的智能礦山建設。虛擬仿真技術能夠將礦井全生產流程中的“顯式”與“隱式”信息動態可視化地展現出來，幫助學生直觀形象地了解現代智能礦井的各個系統，也可以激發學生的積極性與創造性，取得了良好的應用效果。

在后續的智能采礦虛擬仿真專業實踐教學課程建設中，虛擬仿真系統可以融入VR技術，學生通過在虛擬環境中模擬實訓，學習礦山裝備的實際操作；也可以融入覆巖垮落、巖層移動等巖體響應規律，認識礦山全生命周期內采掘活動誘發的工程災害。同時應加強與礦山企業、設備廠家的聯合攻關，讓虛擬仿真技術真正走進煤炭行業，用于人員培訓與科學研究，促進礦山行業持續發展，讓礦山更智慧、更安全。