產教融合·虛實結合“煤機裝備虛擬現實裝配系統”的開發與人才培養實踐

王學文，王志華，熊曉燕，謝嘉成，高波，王雪松，劉俊

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西太原 030024；3.山西科達自控股份有限公司，山西太原 030006；4.太重煤機有限公司，山西太原 030032；5.山西煤礦機械制造股份有限公司，山西太原 030031）

2017年12月，國務院辦公廳印發《關于深化產教融合的若干意見》，指出“深化產教融合，促進教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈有機銜接，是當前推進人力資源供給側結構性改革的迫切要求”[1]。產教融合是國家推動的拔尖創新人才培養政策，是校企合作的高級階段[2]。

2022年11月，工業與信息化部、教育部等五部門聯合印發《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022-2026年）》[3]，在“虛擬現實+教育培訓”部分明確提出“建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地……強化學員與各類虛擬物品、復雜現象與抽象概念的互動實操”。 在此基礎上，虛擬仿真資源與實物平臺形成虛實結合、相互輔助的教學載體[4-5]，可以更好地激發學生的學習興趣，有效提升實踐教學的質量。

《中國制造2025》提出“開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用”[6]，煤機裝備作為制造裝備的重要組成部分，必須加強與新一代信息技術的深度融合、集成創新與成熟應用。本文所述的“煤機裝備虛擬現實裝配系統”[7]以此為背景，面向煤機裝備，助力企業提升數字化、網絡化和信息化水平，并通過產教融合與虛實結合，完成人才培養實踐。系統主要目標與功能包括以下內容。

（1）提升科學研究水平：系統可使虛擬現實技術與煤機裝備深度融合，指導裝備制造業更高水平的信息化與自動化建設。

（2）促進學科建設發展：系統可促進機械工程領域CAx 技術的進步，促進傳統機械工程學科的發展。

（3）改善人才培養條件：系統可提高人才培養平臺的信息化水平，為高等院校研究生和本科生實踐能力培養創造更好條件。

（4）完善平臺基地建設：系統可為學科建設和實驗室建設提供重要的平臺支撐，為行業領域提供重要的教育培訓基地。

（5）實施教育教學改革：系統可為產教融合背景下新時代卓越工程師培養提供支撐。

1 校企合作科學研究

2010-2021年間，太原理工大學聯合太重煤機有限公司、山西煤礦機械制造股份有限公司、山西科達自控股份有限公司等單位，通過產學研結合方式，共同開發了“煤機裝備虛擬現實裝配系統”，其主要由虛擬現實模型資源庫、基于OSG 的虛擬裝配子系統、基于UG 的虛擬裝配子系統、場景仿真與漫游子系統、虛擬裝配人機交互子系統、虛擬現實裝配網絡化技術與系統、基于WebGL 的數字模型系統7 部分組成（見圖1）。

圖1 “煤機裝備虛擬現實裝配系統”功能框架

該系統以虛擬現實、虛擬裝配等新一代信息技術與煤機裝備深度融合為主線，充分發揮新一代信息技術開放、共享、高效集聚的技術優勢，通過融合虛擬現實場景仿真與漫游、虛擬裝配與人機交互關鍵功能設計等關鍵技術，集成雙通道柱幕系統、力反饋器、數據手套、位置跟蹤器、Visual Studio 和Open Scene Graph等軟硬件平臺，全面實現了涵蓋采煤機、掘進機、刮板輸送機、液壓支架、提升機等裝備在內的煤機裝備虛擬現實場景交互與裝配仿真應用（見圖2）。

圖2 煤機裝備虛擬現實場景交互與裝配仿真

“煤機裝備虛擬現實裝配系統”通過產學研校企合作方式，解決了一系列關鍵技術問題，包括：將煤機裝備UG 和Pro/E 三維模型導入3DMAX，通過精細修復制作VR 模型，實現了CAD 模型與VR 模型的格式轉換和優化，為CAD 模型導入VR 環境提供了解決方案；使用3DMAX、OSG 進行煤機裝備VR 場景制作，對煤機裝備增加了場景效果、漫游功能、光照功能，提供了紋理映射處理方案；利用數據手套、位置跟蹤器和力反饋器實現了煤機裝備虛擬抓取、移動、旋轉和裝配，解決了人機交互設備與系統的接口問題；對軟件平臺、中央控制器、邊緣融合器、投影機、立體眼鏡及投影環幕等進行了系統調試和集成，實現了煤機裝備虛擬環境的沉浸式立體顯示等。

2 校企合作成果轉化

2.1 煤機裝備制造企業成果轉化

“煤機裝備虛擬現實裝配系統”在包括太重煤機有限公司和山西煤礦機械制造股份有限公司在內的多家煤機裝備制造企業進行了推廣實施。

在太重煤機有限公司推廣實施期間，系統對采煤機與掘進機協同設計資源實時互動與有效配置提供了幫助，促進了采煤機與掘進機數據資源、生產能力、市場需求的集聚與對接，強化了采煤機與掘進機基礎與現代設計能力，提高了設計效率，促進了知識創新，顯著提升了該公司采煤機與掘進機設計的數字化、網絡化和智能化水平。

在山西煤礦機械制造股份有限公司推廣實施期間，通過融入該公司CAD 設計系統，構建了刮板輸送機沉浸式系統，可以逼真展示刮板輸送機結構、工作原理和工作狀況，幫助設計人員在較短時間內評估各種設計方案，優化刮板輸送機性能和可靠性；系統通過虛擬場景模擬真實的刮板輸送機裝配與運動，使刮板輸送機研發時間更短，效率更高，成本更低，提升了該公司刮板輸送機在市場中的競爭力。

2.2 煤礦企業成果轉化

“煤機裝備虛擬現實裝配系統”在煤礦工作面監控中的推廣應用，主要借助山西科達自控股份有限公司與一線煤礦的項目合作。2020年4月，山西科達自控股份有限公司中標國家電投集團內蒙古能源有限公司察哈素煤礦工作面綜采自動化控制系統項目，該系統要求將察哈素煤礦的采煤工作方式革新為計算機集中監測控制結合機械化的自動化采煤工作方式，并實現對綜采裝備的實時監測和自動控制，達到“遠程自動化采煤，就地巡視手動干預”的目標[8]。

為順利實施上述中標項目，從2020年4月開始，系統通過“高等院校-制造企業-煤礦企業”三方合作方式在察哈素煤礦進行了推廣應用。通過融入山西科達自控股份有限公司自有的煤礦信息化系統，該系統將工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架和相關地質數據進行采集和錄入，建立了3D 全景顯示的綜采裝備虛擬仿真系統和虛擬運行系統，完成了裝備的姿態與軌跡預測。在察哈素煤礦具體應用實踐中，該成果通過融入地面遠程調度與井下集控中心，形成了“視頻 +數據+VR”的全方位透明化監測系統，豐富了察哈素煤礦工作面計算機集中監測控制功能，對采煤工作方式的革新起到了重要推動作用[9]。

基于所取得的良好經濟效益與社會效益，該項成果以校企合作方式獲得2021年中國機械工業科技進步二等獎[10]和中國煤機行業“十三五”科技創新成果獎[11]，并入選中國科協2022年科創中國先導技術系列榜單[12]。

3 虛實結合人才培養實踐

3.1 校內虛實結合的本科生實踐教學

面向上述功能，“煤機裝備虛擬現實裝配系統”與煤礦綜采裝備山西省重點實驗室現有的實體裝備“煤礦綜采裝備成套實驗系統”[13]，組成了校內虛實結合實踐載體，承擔多項面向機械工程專業煤機方向的本科生實踐教學功能（見圖3、圖4），包括：承擔礦山機械認知實驗、采掘運機械認知實驗、認識實習、畢業實習等實踐課程的部分虛擬實驗與虛擬實操任務，2020年立項建設的國家級一流專業建設點機械設計制造及其自動化中機械設計方向部分建設任務，國家級教學示范中心煤炭資源開采利用與裝備工程實驗教學中心中有關煤機裝備的部分實踐教學任務，山西省煤礦裝備與機械結構虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真類實驗系統教學任務等。

圖3 虛實結合虛擬煤機裝備實踐教學

圖4 虛實結合實體煤機裝備實踐教學

3.2 校企虛實結合的智能化培訓

“煤機裝備虛擬現實裝配系統”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統”[13]虛實結合，除可以完成校內人才培養實踐外，也可以實現面向行業企業對員工進行煤機裝備智能化技術培訓。

2019年8月至2020年12月，山西汾西礦業（集團）有限責任公司與太原理工大學聯合舉辦了智能化工作面建設培訓班[14]，雙方已聯合完成10 期培訓，每期22天，培訓學員50 名，已累計培訓學員約500 名。

在培訓授課過程中，通過“煤機裝備虛擬現實裝配系統”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統”形成的虛實結合平臺，受訓學員掌握了煤礦綜采裝備智能系統基礎知識、智能系統基本原理和組成、系統的基本操作方法以及如何判斷和處理系統故障；熟悉了虛擬現實、虛擬裝配等新一代信息技術與煤機裝備的集成創新若干關鍵技術，對虛擬現實技術如何在煤礦智能化建設中進行深度“融合-改造-創新”有了深刻認識。培訓工作培養了既懂管理又深刻理解信息技術的專業技術管理隊伍，充分了解煤礦智能化的基層建設。

3.3 虛實結合公益服務與科普

在公益服務與科普實踐應用方面，“煤機裝備虛擬現實裝配系統”與“煤礦綜采裝備成套實驗系統”形成的虛實結合載體依托煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，在每年一次的山西省科技廳組織的公眾開放活動中，發揮著向社會普及煤機裝備領域的科學知識的作用。近5年來，累計向社會公眾開放2 000 余人次，在激發社會公眾科學創新意識方面效果明顯，對煤礦綜采裝備山西省重點實驗室科學創新支撐作用明顯，有效提升了煤礦綜采裝備山西省重點實驗室的社會影響力。

4 結語

“煤機裝備虛擬現實裝配系統”開發與人才培養實踐取得了以下成果。

（1）促進了校企合作科學研究、校企合作成果轉化、科研成果服務人才培養。

通過校企產學研合作方式，研發了煤機裝備與虛擬現實技術深度融合的“煤機裝備虛擬現實裝配系統”；面向煤機裝備制造企業和煤礦企業，完成了校企合作模式下的成果轉化；與“煤礦綜采裝備成套實驗系統”形成了虛實結合的人才培養載體與平臺，并基于虛實結合模式，開展了校內本科生實踐教學、校企智能化培訓、公益服務與科普等。

（2）產教融合深化了校企合作模式。

傳統的校企合作通常是學校因為發展需要而成為合作的主動發起方，企業常常是被動合作方，合作過程中企業獲益不多，動力不足。本文以對接合作企業信息化和智能化需求為先導，通過校企合作科學研究使合作企業共同受益科研成果，通過校企合作成果轉化使合作企業順利完成煤礦中標項目，實現了校企合作共贏。合作過程是校企雙向互動與整合的過程，校企雙方都是合作主導者，校企溝通交流由原先的學校單向自發走向校企雙向自覺，具有較強的交融性和穩定性特點，實現了深度產教融合，形成了發展共同體。

（3）虛實結合拓寬了人才培養路徑。

虛實結合實踐平臺的應用促進了太原理工大學機械工程（煤機裝備領域）實踐教學的改革和創新，全面提升了本專業本科生和研究生的培養質量；智能化培訓應用為煤礦企業培養既懂管理又深刻理解信息技術的專業技術管理隊伍提供了路徑；公益服務與科普應用在激發社會公眾科學創新意識方面效果明顯。