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摘要：采矿与安全虚拟仿真实验教学系统是一种应用主动立体技术、VR头显技术、虚拟仿真实操系统数据同步技术，用以构建高度仿真的煤矿井工矿、金属地下矿、露天矿环境的教学系统。该系统以沉浸式显示和实时交互为主要功能，是在虚拟仿真技术下搭建的一种适用于矿业类的、旨在让学生在虚拟环境中开展学习、实现“教”“学”“做”三位一体化的实验教学平台。
关键词：虚拟仿真；矿业类；三位一体；教学平台
本文引用格式：侯运炳等.采矿与安全虚拟仿真实验教学系统的搭建[J].教育现代化，2019，6（46）：40-43.
虚拟仿真教学一直是国内外关注的热点，该教学方式为学生开展探究性自主实验、合作学习和创新实践提供了先进手段，开放平台和丰富资源为实验室建设增添了活力[1-2]，虚拟仿真实验教学已成为未来教学的重要发展方向，特别是以采矿为主体的专业特色。在教学过程中，由于矿山重大灾害如矿井火灾、瓦斯爆炸、瓦斯突出、深井冲击地压、顶板垮落等现象难以在实验室中进行模拟，学生很难体会到矿井真实的生产环境，而虚拟仿真教学很好地解决了这一问题。
“采矿与安全虚拟仿真实验教学系统”立足矿山采矿及安全生产领域，构建可以进行矿山虚拟教学、矿山重大灾害数值仿真和虚拟现实重现开发的平台，构建矿山火灾、瓦斯爆炸、露天边坡等灾害数值模拟模型，进一步开展其他灾害数值模拟研究和三维虚拟矿山开采研究，建设成为具有国内领先水平的虚拟矿山及矿山灾害数值模拟与虚拟仿真实验室。
一 采矿与安全虚拟仿真教学系统功能
采矿与安全虚拟仿真实验教学系统是在三维虚拟仿真硬件平台基础上发展起来实验教学软件。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，将地下矿、金属地下矿、露天矿专业技术相结合，构建高度仿真的虚拟井下生产、露天生产和灾害环境，让学生在虚拟环境中开展学习，是一套以沉浸式显示和实时交互为主要功能的新一代数字媒体教学实验平台。
二采矿与安全虚拟仿真教学系统结构
采矿与安全虚拟仿真实验教学系统包括三大部分：地下煤矿虚拟仿真教学系统、金属地下矿虚拟仿真教学系统和露天矿虚拟仿真教学系统。
地下煤矿虚拟仿真教学系统主要针对地下煤矿实习教学，选取典型地下煤矿作为虚拟实习基地，根据地表地形图、无人机摄影测量、采掘工程图等建立井上工业广场、井下三维巷道和关键场所模型；建立典型煤矿地下开采环境和设备、人员模型；提供三维可视化环境。主要包括：煤的形成过程可视化；矿井地面工业广场及周边地理环境可视化（含洗煤厂、坑口电厂）；矿井地质环境、煤层、地质构造可视化；煤矿井下巷道布置系统场景（含平硐、立井、斜井）；煤矿井下主/辅运输系统场景；煤流线路（含地面部分）的展示；煤矿井下主/副提升系统场景；煤矿井下巷道通风线路模拟；煤矿井下排水系统场景；煤矿井下压风系统场景。
金属地下矿虚拟仿真教学系统主要针对金属地下矿实习教学，选取典型金属地下矿作为虚拟实习基地，建立井上工业广场、井下三维巷道和关键场所模型；建立典型金属矿地下开采环境和设备、人员模型；提供三维可视化环境。主要包括：金属矿床的形成过程可视化展示；金属矿地表工业广场及周边地理环境可视化；金属矿地质模型可视化；金属矿井下巷道和采场布置系统；金属矿井下掘进、支护场景及工艺流程展示；金属矿井下主/辅运输系统场景；金属矿井下主/副提升系统场景；金属矿井下巷道通风线路、避灾线路、运输线路展示；金属矿井下供电系统场景；金属矿井下排水系统场景；金属矿井下防灭火系统仿真；金属矿开采工艺流程展示；充填采矿系统仿真。
露天矿虚拟仿真教学系统主要针对露天煤矿实习教学研发，选取典型露天煤矿作为实验区域，建立露天煤矿地表开采环境和设备、人员模型；提供三维可视化操作环境。主要包括：露天矿地表地理环境场景；露天矿地质模型和矿体场景；露天矿关键设备可视化场景及设备介绍（钻机、卡车、电铲、辅助设备）；露天矿剥采过程模拟场景（偏重设计参数展示）；露天矿主要剥采工艺流程展示（间断、连续、半连续工艺流程）；无人化穿孔、装药、铲运、运输作业仿真；露天矿边坡监测系统仿真及边坡失稳仿真；露天矿运输事故仿真；调度室仿真模拟；排土场生态恢复模拟。具体概况如图1所示。
三 搭建“三位一体”的虚拟仿真机制
“三位一体”的教学方式以沉浸式环屏设备为主，同时配备光学或交互追踪系统、虚拟现实头盔、交互式物理触摸屏、全息台、图形工作站等。用于操作和演示与采矿相关的虚拟仿真实验或者系统，培养学生的综合素质和创新意识，进一步加大虚拟仿真实验室、实验仪器设备的开放力度，使更多的本科生有条件接触到高危的矿山环境，同时参与创新设计实验，为优秀、拔尖人才脱颖而出提供新的机制。针对教学中涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等实验，采用三维仿真技术模拟真实的实验环境，让用户在虚拟的三维环境下进行实验和实训练习，使用网络信息技术对实验和实训的数据进行采集，通过虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程安排和实验效果的考察，从而可以解决实际实验存在的问题。
“三位一体”的虚拟仿真机制旨在实现“教”“学”“做”一体化实验教学。全面地虚拟仿真地下煤矿、金属地下矿、露天矿复杂的生产系统、生产环境和灾害环境，在教学过程中配合可变化的虚拟场景，可进行参观式教学，学生在教师带领下，对虚拟场地进行漫游、参观式学习。在实际漫游过程中，教师利用手中的遥控终端可对沿途所见设备进行介绍、讲解，并可以打开虚拟场景中的虚拟视频播放机辅助教学。学生可以在教学系统中自主设定路线，主动完成学习，也可以按照固定路线漫游、浏览和查询、语音定位介绍等。
四 虚拟仿真教学系统关键技术
采矿与安全虚拟仿真教学系统的关键技术主要有以下六种：主动立体实现技术、透明化矿山构建的相关核心技术方法、倾斜摄影技术、实现了基于倾斜摄影测量数据创建地表的技术、VR头显技术、虚拟仿真实操系统数据同步技术，以下是对六种主要技术的分别阐述。
（一） 主动立体实现技术
主动立体实现是指一台显示设备同时显示左右眼画面，通过快门式眼镜来进行同步的物理遮挡，实现左右眼画面单独显示，是人眼感受到视觉差。主动立体是显示设备分别显示左右眼画面，通过快门式眼镜进行画面的物理遮挡，同一时刻，只有一只眼镜看见相应的画面，在视觉残留的作用下，让人脑中组合成3D立体画面。
（二） 透明化矿山构建的相关核心技术方法
通过高精度动态三维地质模型和设备模型，构建透明化矿山和矿区的目标[3]，研究实现了煤系地层及复杂地质构造（如正逆断层的相互切割）、陷落柱等的三维模型交互式和全自动生成技术，以及各类机电设备的建模和操作技术，构建了从井上到井下、从宏观到微观的矿井虚拟创景，可以全方位、立体化的仿真整个矿井生产环境和工艺流程。
（三） 倾斜摄影技术
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片。基于倾斜摄影与3dsMax插件开发技术的建筑物快速建模路线。首先将获取的影像进行空中三角量测并获得高精度的外方位元素；其次，3dsMax插件根据提供的外方位元素和共线方程实现基于倾斜影像的建筑物多片立体量测并将测得的数据输入3dsMax平台生成三维模型；然后，根据三维信息提取模型每个面在影像上相应的最佳纹理信息，并实现纹理自动映射；最后，将模型输出。
（四）实现了基于倾斜摄影测量数据创建地表的技术
传统三维场景中地表大多是通过拍摄对应地区的照片，然后依据照片进行三维建模，这样的三维模型大多是对真实场景的简化表达，在模型的精细程度和纹理的真实程度与真实物体相差较大。而采矿与安全虚拟仿真教学系统通过倾斜摄影测量技术的研究，采用了以倾斜摄影测量图为基础，对重要的建筑物及构筑物进行精细的三维建模，在模型尺寸、精细度及纹理的复杂度上尽量仿真实景，大大提高了场景的可视化效果。
（五）VR头显技术
VR头显技术是一种利用头戴式显示器将人的对外界的视觉、听觉封闭，通过在虚拟场景的身临其境，引导让学生更好地体会到真实的煤矿井下生产环境[4]。通过对VRPN等协议的重点研究并结合G-Motion的实现原理，研发虚拟仿真教学系统与VR手柄、数据手套、跑步机等外围设备的连接，为学生更自由地与仿真系统交互提供基础。
相比于传统的二维屏幕显示，VR虚拟现实技术应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使学生能如同在生产现场一样与荧屏上出现的生产过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。虚拟现实头盔并不能单独使用，或者单独使用会影响使用效果，需要配合3D虚拟现实真实场景、大屏幕立体现实屏幕和数据反馈手套配合使用才能保证更好的使用效果。
（六）虚拟仿真实操系统数据同步技术
虚拟仿真实验教学系统在学生使用过程中产生大量的数据，包括学生学习时间、学些模块时间、学些内容及学些结果、测试成绩等等，如何将这些数据实时的传送回实验管理系统，便于统计出学生的学习情况。实验教学系统中学生信息，实验安排、实验内容等信息也需要在学验收时同步到仿真系统中。
仿真实操教学系统通过对教学业务的研究和分析[5]，将虚拟实操系统需要同步的数据进行分类整理并按照一定的规则进行编码，这样既将杂乱繁多的数据进行了结构化处理，也最大限度压缩了同步的数据量，数据在两个系统中同步、共享，消除了数据孤岛，方便了教学管理，为实验教学提供可靠保证。
仿真实操教学系统通过GRPC与LRServer交互，LRServer通存储过程与实验教学管理系统交互。通过此种模式可实现仿真实操教学系统和实验教学管理系统数据同步。
五 虚拟仿真教学系统实际应用
虚拟仿真教学系统在对学生的教学工作中，主要借助于PC平台进行实验教学。下面以地下煤矿仿真实验教学系统部分为例，主要介绍该虚拟仿真教学系统在教学工作中的实际应用。
1.在PC端打开地下煤矿仿真实验教学系统主界面，如图2所示，主界面分为八个虚拟仿真教学板块，可选择任意一种教学板块进行教学。
2.选择“生产系统”选项，则进入生产系统板块，如图3所示，生产系统又包含供电、主运输、辅助运输和消防洒水等系统[6]，教师根据需要可任意选择一种系统进行教学
六 结束语
虚拟仿真教学方式实现了矿山井上、下真实场景的仿真，尤其涉及不可逆的工艺及不安全的场所，学生不用下井就能体验真实的生产环境，为矿山安全生产、人员生命安全提供重要技术保障。
“采矿安全虚拟仿真教学系统”立足矿山采矿及安全生产领域，构建可以进行矿山虚拟教学、矿山重大灾害数值仿真和虚拟现实重现开发的平台，构建矿山火灾、瓦斯爆炸、露天边坡等灾害数值模拟模型，进一步开展其他灾害数值模拟研究和三维虚拟矿山开采研究，建设成为具有国内领先水平的虚拟矿山及矿山灾害数值模拟与虚拟仿真实验室。为采矿教学提供条件，同时为分析井下事故原因、预防事故、应急救援提供技术支持。采矿安全虚拟仿真教学系统平台的搭建改变了传统的实验教学管理模式，大大提高了实验教学管理水平，不仅减少了教师、学生的工作量，提高了培训的效果，节约了教学成本，产生了巨大的经济效益，更是为矿业类仿真实验教学有序推进和实施应用打下坚实的基础。
参考文献
[1]王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(05):214-219.
[2]朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].华中师范大学,2012.
[3]荆永滨.矿床三维地质混合建模与属性插值技术的研究及应用[D].中南大学,2010.
[4]芳菲.虚拟现实技术在现代执法变革中的运用[J].现代世界警察,2018(06):89-90.
[5]韦琳.E-learning非结构化数据管理系统的构建与实现[D].中国科学技术大学,2009.
[6]宋华岭,金智新,白希军,李金克.矿井生产系统结构复杂性评价[J].煤炭学报,2005(03):403-408.
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