綜采放頂煤工藝技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

侯運(yùn)炳，楊大鵬，張 勇，姜喜迪，孫振明，潘衛(wèi)東

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

近年來，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于教學(xué)和培訓(xùn)[1-5]，在煤炭企業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和高校采礦實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也得到一定程度的應(yīng)用[6-11]。綜采放頂煤（簡稱“綜放”）是煤礦開采學(xué)的核心教學(xué)內(nèi)容，也是對系統(tǒng)性、實(shí)踐性要求極高的大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但實(shí)驗(yàn)室無法提供所需的大型昂貴設(shè)備系統(tǒng)以及配套作業(yè)的采煤方法及工藝的實(shí)驗(yàn)條件。同時，由于受到安全、環(huán)境、繁忙生產(chǎn)等因素影響，學(xué)生難以在真實(shí)現(xiàn)代化礦井危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。為推行教學(xué)方法改革，本文采用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，研發(fā)了綜采放頂煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以解決教學(xué)難題[12-13]。

1 實(shí)時光影技術(shù)的應(yīng)用

為了提升礦井虛擬環(huán)境真實(shí)感和現(xiàn)場沉浸感，應(yīng)用實(shí)時光影技術(shù)增加圖形圖像的逼真度。在虛擬仿真場景中，當(dāng)物體確定了幾何形態(tài)之后，光照決定了整個場景的顯示效果。因此，真實(shí)感圖形的生成取決于如何建立一個合適的光照模型。

光線追蹤技術(shù)以攝像機(jī)為出發(fā)點(diǎn)，追蹤光線在場景中到處反射的路徑，在此過程中收集并儲存顏色。因?yàn)樗M了光的實(shí)際行為，所以能提供比光柵化逼真得多的結(jié)果，例如柔和的、帶細(xì)節(jié)的陰影，以及來自屏幕外物體的反光。光線追蹤已經(jīng)被追求極致真實(shí)影像的人們在電影中使用了幾十年，但對達(dá)到影視級分辨率的一幀畫面進(jìn)行光線追蹤非常費(fèi)時，運(yùn)算常需要幾個小時甚至幾天。

虛擬綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中為昏暗的主體，光線追蹤技術(shù)的應(yīng)用將大幅提升展示效果，提高學(xué)生體驗(yàn)水平。為達(dá)到高度逼真的仿真效果，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在構(gòu)建過程中，采用虛幻引擎 4（UE4）技術(shù)與實(shí)時光線追蹤（RTRT）相結(jié)合，創(chuàng)作出在細(xì)微光照效果上能夠與許多脫機(jī)渲染器效果相媲美的交互式體驗(yàn)。實(shí)時光線追蹤可以讓系統(tǒng)看起來更自然，制作出面積光源下的柔和陰影、準(zhǔn)確的環(huán)境光遮蔽、交互式的全局光照等效果。

本項(xiàng)目應(yīng)用的新技術(shù)對設(shè)備軟硬件提出了較高的要求，其中系統(tǒng)版本要求 Windows 10 RS5（構(gòu)建版1809）或更高版本，使用最新設(shè)備驅(qū)動程序的NVIDIA RTX系列顯卡或某些支持DXR的GTX系列顯卡。同時，虛幻引擎需要版本4.22或更高版本。

具體技術(shù)應(yīng)用包括：

（1）光線追蹤陰影為環(huán)境中的物體模擬柔和的面積光照效果。根據(jù)光源的大小或光源的角度，物體的陰影在靠近接觸面的部分會比較銳利，離接觸面越遠(yuǎn)就越柔和且變寬。

（2）光線追蹤反射（RTR）模擬準(zhǔn)確的環(huán)境反光，可支持多次反射，在反光表面呈現(xiàn)相互反射效果。

（3）光線追蹤半透明（RTT）能準(zhǔn)確表現(xiàn)玻璃和液體材質(zhì)，在透明表面上顯示符合物理規(guī)律的光線反射、吸收和折射。

（4）光線追蹤環(huán)境光遮蔽（RTAO）準(zhǔn)確地對環(huán)境光照被遮擋的區(qū)域投射陰影，使物體更好地融入環(huán)境，例如在角落和墻壁相交處投射陰影。與屏幕空間環(huán)境光遮蔽（SSAO）相比，RTAO能使物體融入環(huán)境，并為場景增加深度，使被間接照明的區(qū)域呈現(xiàn)自然的陰影。

（5）光線追蹤全局光照（RTGI）向未被給定光源直接照射的區(qū)域添加實(shí)時交互反射光照。

2 虛擬生產(chǎn)環(huán)境建立

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：120°環(huán)形屏幕、3D投影系統(tǒng)、3D眼鏡、VR頭盔、VR手柄、網(wǎng)服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、音響等。

2）虛擬礦井生產(chǎn)系統(tǒng)。

應(yīng)用三維模擬仿真和VR技術(shù)，構(gòu)建大型煤礦的工業(yè)廣場和井下真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境等場景，構(gòu)建綜采放頂煤工作面虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜采放頂煤工藝實(shí)驗(yàn)。

模擬礦井采用立井單水平開拓方式，在井田中部開掘主、副立井后開掘井底車場和主石門，在煤層地板巖層中開掘主要運(yùn)輸大巷并向井田兩翼延伸。當(dāng)運(yùn)輸大巷掘至各采區(qū)下部邊界中部時，開掘采區(qū)運(yùn)輸石門。在開掘的各井巷內(nèi)安裝相應(yīng)設(shè)備，形成生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 虛擬礦井生產(chǎn)系統(tǒng)

3）虛擬綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)。

以現(xiàn)代化真實(shí)礦井特厚煤層綜放工作面為依托構(gòu)造虛擬仿真綜采放頂煤工作面及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。沿煤層底板布置長度為200 m、采高為3 m、煤層厚度為9 m、煤的硬度系數(shù)為2.1、煤層傾角為3°的放頂煤工作面；采用雙滾筒采煤機(jī)割煤，采煤機(jī)采高范圍為1.8～4 m，截深為 0.8 m；采用低位放頂煤液壓支架放煤，支架支護(hù)強(qiáng)度為0.8 MPa，適用于厚度為6～10 m的煤層；采用前后兩部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，設(shè)計(jì)長度為200 m，刮板鏈速為1.3 m/s；采煤機(jī)進(jìn)刀方式為端部斜切進(jìn)刀，放煤方式采用單輪間隔放煤，放煤步距為 0.8 m，采放比為1∶2。虛擬綜放工作面如圖2所示。

圖2 虛擬綜放工作面

4）虛擬采煤設(shè)備。

虛擬綜采放頂煤工作面布置的主要采煤設(shè)備包括：MGTY250/600-1.1D型電牽引采煤機(jī)、ZFS6000/17/33低位放頂煤液壓支架、液壓支架、SGZ-830/800刮板輸送機(jī)、SZZ-800/315轉(zhuǎn)載機(jī)、PCM-160破碎機(jī)、SSJ1200/2×250帶式輸送機(jī)、ZT133200/19/35端頭液壓支架等。

3 實(shí)驗(yàn)方法

應(yīng)用三維虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生通過沉浸感知、三維視頻觀摩、交互操作訓(xùn)練方法掌握綜放工藝技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)由場景認(rèn)知、設(shè)備學(xué)習(xí)、綜放工藝、實(shí)驗(yàn)考核4個部分、29個步驟組成，見圖3。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程

3.1 場景認(rèn)知

在虛擬環(huán)境下漫游工業(yè)廣場，學(xué)生可以通過第一視角經(jīng)副井罐籠下井，沿巷道前往綜采放頂煤工作面，了解工業(yè)廣場建筑物構(gòu)成，熟悉綜采放頂煤工作面生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)，見圖4和5。

3.2 設(shè)備學(xué)習(xí)

在三維動態(tài)仿真環(huán)境下，學(xué)生可以拆解采煤機(jī)、放頂煤液壓支架、端頭支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等虛擬采煤設(shè)備，學(xué)習(xí)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和組成。圖6為采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)拆解。

學(xué)生還可以通過設(shè)備控制面板交互模擬操作采煤機(jī)、放頂煤液壓支架、端頭支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等虛擬采煤設(shè)備，學(xué)習(xí)設(shè)備的運(yùn)動控制和工作原理。圖7為采煤機(jī)的控制交互操作界面。

3.3 綜放工藝

綜放工藝學(xué)習(xí)部分主要包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、工藝視頻、工藝實(shí)踐、綜放工藝循環(huán)這4個模塊。

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境。首先通過實(shí)驗(yàn)環(huán)境學(xué)習(xí)模塊，學(xué)生們學(xué)習(xí)虛擬綜采放頂煤工作面的開采條件、工作面布置、綜放工藝參數(shù)，見圖8。

（2）綜采放頂煤工藝視頻。通過綜采放頂煤視頻，學(xué)生們觀摩學(xué)習(xí)綜采放頂煤基本知識、放頂煤工藝流程、頂煤放出制度等，獲得工藝整體認(rèn)識，如圖9所示。

圖4 地面工業(yè)廣場

圖5 井底車場

圖6 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)拆解

圖7 采煤機(jī)交互操作

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖9 放頂煤工藝介紹

（3）綜采放頂煤工藝交互操作實(shí)踐。綜采放頂煤工藝操作實(shí)踐是在虛擬綜采放頂煤工作面環(huán)境下，學(xué)生按照綜采放頂煤工藝和煤礦安全規(guī)程要求交互操作采煤設(shè)備，逐一進(jìn)行采煤機(jī)割煤、放頂煤液壓支架移架、推刮板版輸送機(jī)、放頂煤、拉后部刮板輸送機(jī)等作業(yè)的操作實(shí)踐訓(xùn)練，從而掌握綜放作業(yè)各工種的實(shí)際操作，如圖10和11所示。

圖10 采煤機(jī)割煤操作訓(xùn)練

圖11 液壓支架放頂煤操作訓(xùn)練

（4）工藝循環(huán)。綜采放頂煤工作面以采煤機(jī)割煤為中心，從進(jìn)刀割煤、移架、推前部刮板輸送機(jī)、放頂煤、拉后部刮板輸送機(jī)，從而完成全部工序，到再次進(jìn)刀割煤前，為一個正規(guī)作業(yè)循環(huán)。以采煤機(jī)割煤為中心，學(xué)生按照作業(yè)規(guī)程和放煤制度，模擬多人交互操作采煤機(jī)、放頂煤液壓支架等采煤設(shè)備進(jìn)行綜采放頂煤生產(chǎn)，模擬綜采放頂煤工藝循環(huán)過程，從而達(dá)到以下教學(xué)目的：學(xué)習(xí)綜采工作面采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀、割三角煤、正常割煤、端部割煤的工藝技術(shù)；學(xué)習(xí)頂煤放出方式、制度和工藝技術(shù)方法；學(xué)習(xí)采煤、放煤各作業(yè)工種協(xié)調(diào)作業(yè)流程和關(guān)系；提高學(xué)生對綜采放頂煤現(xiàn)場生產(chǎn)組織管理能力。端部斜切進(jìn)刀割煤與單輪間隔放頂煤工藝的界面分別如圖12和13所示。

圖12 端部斜切進(jìn)刀割煤

圖13 單輪間隔放頂煤

3.4 實(shí)驗(yàn)考核

本系統(tǒng)設(shè)置兩種考核測試方式：試題形式考核和看圖測試考核。試題形式考核是根據(jù)放頂煤理論技術(shù)知識和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容建立題庫，隨機(jī)出題進(jìn)行考核?？磮D測試考核是根據(jù)系統(tǒng)顯示的采煤設(shè)備拆解的部件和提出的問題，選擇與問題一致的部件。系統(tǒng)將兩種考核方式得到的成績匯總，考核完畢生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)已在“采礦學(xué)”“采煤概論”“礦井實(shí)習(xí)”等多門課程和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)得到大范圍應(yīng)用，取得了良好教學(xué)效果。

綜采放頂煤工藝技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)方法的改革：

（1）發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢，靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提供比實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)代化礦井現(xiàn)場更為豐富、系統(tǒng)的內(nèi)容，幫助學(xué)生從礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備、工藝操作訓(xùn)練、綜放工藝過程及作業(yè)循環(huán)等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)，從多層次多角度系統(tǒng)掌握綜放開采知識。

（2）為學(xué)生提供虛擬環(huán)境沉浸感知、三維工藝作業(yè)視頻觀摩學(xué)習(xí)、交互操作訓(xùn)練等全方位先進(jìn)的虛擬仿真教學(xué)手段和方法，提高學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)效果。

（3）改變教師傳統(tǒng)的注入式教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，將學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)空間開放，使學(xué)生自己學(xué)習(xí)和教師指導(dǎo)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)驗(yàn)平臺通過沉浸式顯示和交互式操作引導(dǎo)學(xué)生完成綜采放頂煤技術(shù)工藝實(shí)驗(yàn)，更利于綜放知識的系統(tǒng)掌握和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（4）課堂綜放理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力、現(xiàn)場實(shí)踐和組織管理能力、科技創(chuàng)新能力。