新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用研究

◎宋欣 王麗敏 屈年華 閆玉彪 程瞳

（作者單位：黑龍江工業(yè)學(xué)院）

大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)背景下的虛擬仿真現(xiàn)實，已經(jīng)改變了課程體系的發(fā)展，很多學(xué)校都在推行仿真實驗室的建設(shè)，完善實訓(xùn)基地的構(gòu)建工程?；诖?，本文主要分析新工科背景下，虛擬仿真技術(shù)在采礦工程當(dāng)中的實際應(yīng)用，探索課程體系改革的必要性，分析虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的具體構(gòu)建，以提高整體的開放性水平，構(gòu)建區(qū)域資源共享的實訓(xùn)教學(xué)基地，提升采礦工程的教學(xué)效果。

引言：當(dāng)前，雖然全世界的能源價格處于動態(tài)的波動當(dāng)中，但是在供給側(cè)改革以及我國經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展水平的整體背景之下，煤礦行業(yè)的發(fā)展?jié)摿θ匀槐容^巨大，尤其是在新工科背景之下，煤礦工程的教學(xué)體系發(fā)生著不斷的創(chuàng)新。整體的課程建設(shè)要結(jié)合目前的技術(shù)背景，注重綠色、安全與高效，培養(yǎng)出一批工程素養(yǎng)高、技術(shù)操作水平高、綜合應(yīng)用能力強的高素質(zhì)人才。

一、新工科背景下虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在采礦工程中的價值

首先，在新工科背景下，采礦工程專業(yè)的畢業(yè)生面臨的市場競爭更嚴(yán)峻，行業(yè)對于人才的技術(shù)要求也更高。采礦工程專業(yè)的學(xué)生只有掌握豐富的數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，不斷提升工作的技術(shù)水平，針對已出現(xiàn)的問題進行改進，才能夠提高自己的就業(yè)市場競爭能力。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行采礦工程的學(xué)科建設(shè)，可以促進實驗的綜合發(fā)展，使采礦專業(yè)的學(xué)生掌握全面的技術(shù)，既了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)，又了解采礦技術(shù)，通過遠(yuǎn)程控制的方法來進行實際的采礦操作。其次，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行采礦工程的課程體系建設(shè)，可以提高教學(xué)內(nèi)容的豐富性、信息的真實性，實時動態(tài)展現(xiàn)效果良好，避免采礦工程的教學(xué)受到天氣不確定性的變化影響，突破復(fù)雜地形的限制，減少外界干擾的因素，拓展教學(xué)的有用性。

二、新工科背景下虛擬仿真技術(shù)在采礦工程當(dāng)中的具體應(yīng)用

（一）實驗教學(xué)資源開放平臺

資源開放平臺的建設(shè)可以為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供多樣化的資源，幫助學(xué)生克服時間空間的限制，克服生產(chǎn)環(huán)境的諸多不確定性，而學(xué)習(xí)到采礦工程的系統(tǒng)性知識。首先，教師要注意上傳豐富的課程資源，例如視頻、圖片鏈接等等，包含采礦概論、巖層控制實驗方法以及具體的實驗操作方法。這種以視頻作為媒介的多層控制方法和實驗教學(xué)技術(shù)，有利于學(xué)生更加真實直觀的了解煤礦的生成現(xiàn)場以及操作的實驗過程。資源開放平臺可以降低學(xué)生在真實環(huán)境操作當(dāng)中面臨的不確定性風(fēng)險，也可以壓縮教學(xué)的成本，幫助學(xué)生更加全面的了解各個地區(qū)的礦山環(huán)境、安全生產(chǎn)、綠色建設(shè)。學(xué)生還可以通過這種系統(tǒng)性的資源開放平臺，掌握最先進的采礦生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)，系統(tǒng)了解各個設(shè)備的運行原理、礦山的日常管理以及礦山當(dāng)中危險事故的發(fā)生、災(zāi)害的演變、礦壓測試原理，形成完善的知識體系。學(xué)生還可以根據(jù)自主的資源選擇和實踐環(huán)節(jié)的比對，了解更多的采礦工程細(xì)節(jié)性的知識，深入的挖掘深耕領(lǐng)域，提高自己垂直知識學(xué)習(xí)的有用性。在日常的學(xué)習(xí)，當(dāng)中學(xué)生還可以利用這種資源共享平臺，收集和發(fā)布實驗數(shù)據(jù)，將自己學(xué)習(xí)的成果對外進行展示，方便教師根據(jù)這些成果進行綜合的成績評定。

（二）數(shù)值模擬與仿真實驗平臺

數(shù)值模擬與仿真實驗平臺的搭建，可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程當(dāng)中不斷地與過去的自己進行比對，精進自己的學(xué)習(xí)成果。首先，通過數(shù)值模擬與仿真平臺的計算機實施模擬，方便學(xué)生對采礦工程的數(shù)據(jù)進行搜集。繪制出可視化的圖譜，整理自己的學(xué)習(xí)成果，驗算工程設(shè)計的參數(shù)，分析邏輯的推演過程，有效的解決自己目標(biāo)研究的問題。其次，在仿真平臺的搭建上，可以利用目前的FLAC系統(tǒng)、ABQS系統(tǒng)，進行多數(shù)值的聯(lián)合運算，運用上述的數(shù)字化軟件進行礦壓數(shù)值的分析，幫助學(xué)生根據(jù)采礦工作面的實際工作情況進行全過程的模擬，還可以結(jié)合Bim技術(shù)對于問題的展現(xiàn)進行碰撞實驗分析，幫助學(xué)生建立暢通的實驗通道，提供更多的數(shù)字保證。最后，數(shù)值模擬與仿真實驗平臺的建設(shè)，還可以搭載生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)這個圖層，拓展實驗的條件，推廣仿真教學(xué)的優(yōu)勢，讓學(xué)生在這種安全的實驗環(huán)境當(dāng)中了解到煤礦實際的產(chǎn)品應(yīng)用情況、設(shè)備工作情況、工人操作環(huán)境情況。

（三）采礦實訓(xùn)與安全培訓(xùn)平臺

在目前的煤礦開采以及工程管理當(dāng)中，不確定性的因素較多，這也是造成安全管理事故的主要原因。對采礦工程專業(yè)的學(xué)生開展實訓(xùn)訓(xùn)練，就是要讓其了解影響安全管理的多種因素，在安全培訓(xùn)過程當(dāng)中掌握系統(tǒng)性的原理，樹立安全第一的意識。第一，通過仿真模擬技術(shù)建設(shè)采礦實訓(xùn)與安全培訓(xùn)平臺，要引導(dǎo)學(xué)生通過參數(shù)的不同調(diào)節(jié)分析環(huán)境的實際變化，通過仿真過程的計算軟件認(rèn)識到安全的風(fēng)險不確定性?；谶@種先進的計算機技術(shù)，擁有人與設(shè)備的對話能力，開展操作系統(tǒng)的優(yōu)化培訓(xùn)。第二，指導(dǎo)學(xué)生通過礦壓實測環(huán)節(jié)的實驗教學(xué)，了解煤礦井下系統(tǒng)的物理模型，通過延伸性的計算，測得不同實驗儀器的了解參數(shù)準(zhǔn)確性，分析礦山壓力的安全閥值。學(xué)生在自己的操作平臺上感受到每一個參數(shù)的細(xì)小調(diào)整對于真實環(huán)境造成的影響，就可以樹立風(fēng)險意識與安全管理意識。

（四）開放共享的實訓(xùn)基地建設(shè)

基于虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)，拓展教學(xué)平臺，建設(shè)實訓(xùn)基地，可以在新工科教學(xué)背景之下，提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)換能力、網(wǎng)絡(luò)信息管理能力。一方面，在教學(xué)改革的過程當(dāng)中，教師要根據(jù)《采礦學(xué)》國家精品資源共享課程進行數(shù)據(jù)的匯總和資源的靈活應(yīng)用，編寫延時控制的相關(guān)參數(shù)、實測技術(shù)的相關(guān)參數(shù)，增加講義內(nèi)容，研發(fā)出更多的虛擬實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)開放共享的資源利用。另一方面，在教學(xué)的過程當(dāng)中，學(xué)校要建立實驗室，配合數(shù)字模擬仿真教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生了解課程體系改革對于學(xué)生帶來的影響，促進學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展。從核心素養(yǎng)培養(yǎng)的角度，注重學(xué)生的實際訓(xùn)練能力，資源整合運用能力，數(shù)據(jù)開發(fā)能力和創(chuàng)新管理能力。

結(jié)論：綜上所述，仿真實驗技術(shù)在目前的采礦工程教學(xué)當(dāng)中具有顯著的應(yīng)用，可以適應(yīng)新工科背景下市場和行業(yè)對于人才的需求。從本文的分析可知，采礦工程專業(yè)的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用，要建設(shè)完善的實訓(xùn)平臺安全培訓(xùn)平臺，開展工程數(shù)據(jù)模擬與仿真建設(shè)，提高資源的綜合利用程度。