基于虚拟现实技术的采矿工程专业教学改革

作者:查重猫     发表时间:2021-06-30 01:32:01   浏览次数:27



  [摘要]采矿工程是一门紧密结合生产实际、实践性很强的基础学科,但新冠肺炎疫情期间,学生的现场实习受到了极大的限制,教学效果大打折扣。以东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学平台为基础,构建了面向地下采矿工程的虚拟仿真系统,通过虚拟现实技术及数值仿真技术为学生再现地下采矿的设备仪器、巷道布置、井下环境和施工过程,极大地激发了学生的学习兴趣,提高了学生的创新能力,增强了教学效果。

  [关键词]虚拟现实;采矿工程;本科教学;实习

  矿业是我国的第一产业,矿产资源是工业发展的基础。采矿工程是工科领域的重要基础学科,是一门紧密联系生产实际、实践性与理论性结合很强的课程[1,2]。相关实习实践活动可以让学生将课堂上所学的基础理论与现场实际应用联系起来,也是学生毕业设计认识和获取现场资料的重要途径[3]。因此,工程实习是采矿工程专业本科学习的关键环节,在采矿人才培养中具有举足轻重的地位和作用[4]。

  然而大量事实表明,采矿工程专业实习活动存在实习质量低下、学生实践热情不高、实习经费不充分、实习内容安排不合理等问题[5-7]。2020年,突如其来的新冠肺炎疫情极大地限制了学生相关实习实践活动的开展,让时间本就不充裕的实习活动陷入停滞状态,一些学生甚至没有看过现场状况就着手进行毕业设计,严重影响了采矿工程本科的教学效果。另外,采矿工程涉及门类繁多,与采矿直接相关的学科就包括地下采矿、露天采矿、井巷工程、岩体力学、矿井通风与安全等,这些学科相互联系紧密,交叉性强,内容还具有一定的抽象性,如矿井开拓采准巷道之间的三维位置关系、岩体周围应力场模型,以及随着开挖后应力场的迁移和演化规律。若仅仅以传统的平面图或者剖面图进行表示,学生往往难以理解,并严重影响教学效果。而虚拟现实技术因交互性、沉浸性和构想性等特点,可以让参与者进行沉浸式的体验,所形成的信息环境也具备交互效能多维化的特点[8,9],使学生对采矿工程课程的教学内容有身临其境的感觉,并为学生的学习提供更好的学习环境。因此,本文主要探讨虚拟现实技术在采矿工程专业教学中的应用。

  一、采矿工程教学存在的问题

  (一)教学手段有限

  传统的平面图、立面图、剖面图读图较难,且相关图表不够生动形象,学生对模型的认识也停留在二维阶段,导致对金属矿山地上地下整体结构缺乏直观认识。尽管多媒体教学配合教师的讲解,以及相关计算机3D模型的展示已经极大地丰富了教学内容,但是反映的内容仍比较片面,与现场实际还有较大的差别[1]。

  (二)教学内容显示度不足

  采矿工程涉及的开拓采准、运输等系统十分复杂,除了在采区的水平和倾斜巷道、平硐和竖井采用运输工艺外,周边配套的溜井、井底车场、矿仓、水仓也都各具特色,系统之间相互交错,层次立体感强[10],一个简单的平面图或者3D图很难对其进行全面的描述。另外,采矿是一个复杂的动态地质工程问题,矿山开挖及开采活动贯穿于矿山服务期限的始终,矿山自始至终处于复杂的动态开挖、回采过程之中,一个静态的模型很难将地下采矿活动的时空关系进行有机的展示,学生很难对整体系统有一个准确的把握。

  (三)教学过程交互性不强

  学生是学习的主体,教学效果的优劣取决于能否充分发挥师生的积极性。求知欲是推动学生进行主动学习的源动力。学生无法直接参与互动,会直接影响教学效果。但目前的教学方法仍是教师起主导作用,学生仅仅是被动地看和听,无法对课堂知识的掌握情况进行实时反馈,降低了学生的学习效率。

  (四)教学方法的局限性

  采矿工程中许多教学内容由于受到场所、安全性等多种因素的影响,无法给学生进行直接的演示。例如,爆破工程中炸药的连接过程、起爆过程等具有危险性的过程[2];又如,讲解矿山应力场估算时,巷道开挖后的应力场的迁移和演化规律也无法使学生产生直观的印象。

  (五)实习效果不佳

  采矿工程的实习活动面临着联系实习地点困难、经费短缺、实习内容不全面和过程简化等问题[6]。例如,一个采矿班的学生标准人数大约为25人,由于地下矿山往往处于半封闭环境,且一般是通过教师的讲解和演示来进行授课的,大部分学生只能在旁观看,导致学生对实验过程印象不深,更谈不上对相关问题的独立思考和分析。另外,矿山实习不同于常规的其他学科的现场实践,现场实习活动具有一定的危险性,往往无法直接深入一线工作环境中,导致学生走马观花,无法保障实习效果。

  二、虚拟现实平台的开发方法

  (一)数据资料的收集

  相关虚拟图像的建立首先需要相关的数据资料,搜集资料越多,虚拟场景的逼真程度越高[1]。例如,钻孔三维数据,包括收集孔口数据结构、测斜数据结构、采样信息数据结构、岩性信息数据结构等,并指定三维视图中显示的内容,包括孔口符号及颜色、孔口文字及颜色、钻孔轨迹颜色、钻孔轨迹两侧的文字标注内容及颜色,搜集到上述内容后即可绘制出钻孔的三维轨迹模型。

  (二)实体模型的建立

  金属矿山地上地下整体三维建模是采矿工程专业的主要课程内容。可通过3DMax、3DMINE等软件依据勘探线定义若干剖面,在剖面上依据钻孔轨迹显示的采样和岩性信息进行钻孔揭示,圈定出剖面多边形,再调用建模模块,连接序列剖面轮廓线,建立矿体三维模型。

  (三)虚拟场景合成

  利用建立好的模型,通过实景管理软件对模型进行光照、纹理、材质、自然环境乃至声音等方面的渲染,其中精细匹配的材质贴图可以降低实体建模的复杂程度,而且会显著提高整个场景的真实感,增强用户对虚拟环境的沉浸感[11]。

  (四)数据集成与交互控制

  三维模型与数据库的联系可以通过VR系统软件提供的数据库接口建立,主关键字为名称。搜索可以获取与名称对应的数据信息,且数据库中的信息可以实时更新。借助VR系统已有的人机交互界面控制选项或者编写脚本语句功能,可实现上述需求。

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  三、教学改革实践应用

  (一)采矿设备的虚拟模型

  井下的设备纷繁复杂,包括开拓设备、开采设备、运输设备、照明设备等。东北大学虚拟现实教学中心建立了采矿设备虚拟模型素材库,如图1所示。这些模型的使用使原本抽象的内容变得十分形象和具体,并且这些模型可以任意调节显示视角和观察距离,也可以进行局部的放大和缩小,有效克服了采矿工程专业传统教学内容显示度不足、学生观察效果不佳的弊端。另外,通过图1可以看出,这些教学实物模型往往体积巨大,只有在一线工作现场才能看到,原来的教学活动很难逐一展示,而现在的模型库可以随时调用所需模型,大大增强了教学的灵活性。

  (二)矿山三维整体模型

  矿井上下三维集成建模是与矿山有关的各专业的主要课程。由于实验的宏观性,该实验不能开设实体实验,导致学生对井上井下集成的矿井结构缺乏直观感性的认识。通过建立整体三维模型,学生在全局上对于各种巷道的三维空间结构布置有了直观的认识,而且通过利用虚拟现实模型的漫游功能,可以让学生身临其境地在全矿井各部位进行漫游,从而迅速熟悉矿山运输系统,提高学习效率。

  (三)采矿施工工艺的实践应用

  采用虚拟现实技术可以动态展示地下采矿工艺实施的整个流程。图2展示了露天矿山的台阶推进过程。学生可以通过虚拟现实系统,在虚拟生成的环境中进行模拟施工,从而对整个施工工艺有更加全面的认识和理解。

  (四)数值模拟结果与虚拟现实的结合

  通过虚拟现实技术及数值仿真技术为学生再现矿山应力场演化规律及矿山灾害场景,变枯燥的文字和静态图片为动态、可交互且具有沉浸感的虚拟场景。以新颖的教学方式激发学生的好奇心,通过学生在场景中进行的虚拟漫游和模型操作,实现互动式学习。以虚拟场景为载体将教学内容传授给学生,迅速提高学生对矿山地压显现规律、岩体冒落规律、散体移动规律,以及动力灾害的致灾机理、致灾环境、致灾过程的认识,并能够辅助进行操作,以实现授课内容的多样化,提升教学效率与学习效果。不仅可以实现矿体形象、开挖进度的三维可视化模拟和查询,而且可以对相关监测断面应力场和位移场进行剖切分析和可视化查询,帮助学生掌握理论知识,深刻理解工程设计原理,加深对未知现象的探索,提高学习兴趣和创新能力。

  四、结语

  基于东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学平台,通过建立丰富的虚拟模型素材库,并结合国内典型矿山的实际,建立虚拟矿山,对金属矿山地上地下整体三维建模与开采工艺的虚拟仿真,为学生提供全天候的实习环境,使学生能够身临其境,并能够根据虚拟矿山中遇到的岩石力学问题进行矿山灾害的虚拟实验,提出自己的解决方案,以帮助学生熟悉金属矿山生产环境,并熟练掌握岩石力学在矿山中的应用,提升学生的创新能力。

  教学实践表明,将虚拟现实技术融入采矿工程专业实践不仅有利于学生了解矿山开采的状况,还实现了科研成果向教学实践的转化,拓展了学生的创新思维,形成了岩石力学实验研究和学术交流并举的实践创新教学模式,实现了“教与学互动、科研与教学结合、能力与兴趣共增”的教学目标。——论文作者:侯晨a,b,朱万成a,b,刘洪磊a,b,张鹏海a,b

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