汪云甲，楊　敏，郭廣禮，余接情，查劍峰

（中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州221116）

礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

汪云甲，楊敏，郭廣禮，余接情，查劍峰

（中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州221116）

礦井測量、變形與沉陷控制等礦業(yè)特色課程是面向礦山與地下測繪人才培養(yǎng)的核心課程，直接到地下礦山開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，高危環(huán)境下安全風(fēng)險(xiǎn)大、影響生產(chǎn)，并且由于采礦與巖層移動(dòng)過程不可逆、地層內(nèi)部礦體幾何特征不可見，以及精密陀螺經(jīng)緯儀等貴重儀器實(shí)驗(yàn)成本高、壽命短等問題，成為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸。近年來，筆者開展了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與測繪工程專業(yè)教學(xué)相結(jié)合的探索，構(gòu)建了礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，較好地解決了上述問題。本文主要介紹了礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、框架、主要模塊、功能及應(yīng)用效果。

礦山測量；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

礦山測量被譽(yù)為礦山的“眼睛”，在保障礦產(chǎn)安全綠色開發(fā)中具有特別重要的作用。礦山測量學(xué)屬于測繪、采礦、地質(zhì)間的交叉邊緣學(xué)科，是研究與礦產(chǎn)資源開發(fā)有關(guān)的從地面到地下、從礦體/工程到圍巖的動(dòng)靜態(tài)信息監(jiān)測監(jiān)控、定向定位、集成分析、數(shù)字表達(dá)、智能感知和調(diào)控決策等的科學(xué)與技術(shù)［1-3］，為面向礦山與地下工程領(lǐng)域測繪人才培養(yǎng)的核心課程。該課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常在地下礦井開展，存在高危環(huán)境下安全風(fēng)險(xiǎn)大、影響生產(chǎn)等問題，且由于采礦與巖層移動(dòng)過程不可逆，地層內(nèi)部礦體幾何特征不可見，精密陀螺全站儀等貴重儀器實(shí)驗(yàn)成本高、壽命短，加之近幾年招生規(guī)模擴(kuò)大，使得本課程在實(shí)際過程中難以開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，或真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間難以保證，嚴(yán)重制約了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)［4］依托虛擬現(xiàn)實(shí)與三維可視化仿真、相似材料物理模擬、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使得學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的不足。目前，國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已在不同專業(yè)得以廣泛應(yīng)用，如麻省理工學(xué)院的微電子在線實(shí)驗(yàn)室、美國北卡羅來納大學(xué)外科手術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)室、美國休斯敦大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、喬治梅森大學(xué)的動(dòng)態(tài)流體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。在教育部的推動(dòng)下，我國許多高校均結(jié)合專業(yè)特色相繼開展建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心［5-9］。中國礦業(yè)大學(xué)以礦業(yè)為特色開展了礦山測量專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索，建立了一套礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)建了“實(shí)景”實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、常規(guī)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開創(chuàng)了“虛擬實(shí)驗(yàn)—現(xiàn)場實(shí)踐—實(shí)踐反饋—虛擬改良”的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并于2014年成功入選國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

一、礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力為導(dǎo)向，遵循系統(tǒng)化、情景化、過程化、以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、能力提高與交互性等原則，按照“緊跟學(xué)科發(fā)展，立足社會需求，夯實(shí)實(shí)踐能力，強(qiáng)化技能，培育團(tuán)隊(duì)精神，提高創(chuàng)新能力”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，科學(xué)規(guī)劃了礦山測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，構(gòu)建了井上下一體化的全覆蓋實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了“統(tǒng)一平臺、分項(xiàng)虛擬、分階段培養(yǎng)、多層次提升、全覆蓋培訓(xùn)、虛實(shí)結(jié)合、全方位共享”的虛擬仿真教學(xué)體系，以破解傳統(tǒng)礦井測量課程中高危、不可見及現(xiàn)實(shí)條件不具備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科研創(chuàng)新訓(xùn)練難題。

按國際礦山測量協(xié)會劃分方法，礦山測量學(xué)由礦山測量方法與儀器、開采沉陷及控制、礦體幾何、礦區(qū)土地復(fù)墾等分支學(xué)科組成［1］。因此，筆者設(shè)計(jì)了點(diǎn)面結(jié)合的“1-2-5-X”礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)框架，如圖1所示。整個(gè)礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（即一縱）由實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成（即二橫）。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)則根據(jù)上述學(xué)科劃分進(jìn)一步分為礦山礦井測量、開采沉陷及控制、礦體幾何、礦區(qū)土地復(fù)墾、通用測繪等5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)子模塊，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)子模塊則分別由多個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成。

圖1　礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)可向?qū)W生、教師和系統(tǒng)管理員提供基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的開放式實(shí)驗(yàn)管理功能，學(xué)生可以進(jìn)入系統(tǒng)選擇要開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，保留實(shí)驗(yàn)結(jié)果或成果；教師可對學(xué)生相關(guān)實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果或成果給出成績和評價(jià)；教師和學(xué)生可以通過系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)互動(dòng)交流和探討，分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)及現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與不足，提出改進(jìn)、完善途徑；教師也可以從中得到實(shí)驗(yàn)反饋信息，調(diào)整相關(guān)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度、深度及方式，改進(jìn)、完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二、礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能模塊構(gòu)建

1.礦井測量模塊及功能

井下測量的很多現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要在井下的一個(gè)狹小、有限空間里進(jìn)行，存在觸電、誤入危險(xiǎn)區(qū)、井巷落石、礦車運(yùn)行等危險(xiǎn)，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大，實(shí)施困難；礦井測量中導(dǎo)入高程、一井定向、兩井定向等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均需要在井筒中完成，影響生產(chǎn)；一些測繪儀器精密貴重，實(shí)驗(yàn)成本高。礦井測量模塊就是為解決上述問題而形成，且不斷應(yīng)用、不斷修改、不斷完善。

本模塊由礦山環(huán)境感知、礦山測量儀器認(rèn)知、礦井聯(lián)系測量、陀螺定向、一井定向、礦井導(dǎo)入高程、井下定位等子系統(tǒng)等構(gòu)成，應(yīng)用效果良好。如模擬井巷、峒室定位教學(xué)子系統(tǒng)以學(xué)院室內(nèi)樓道為現(xiàn)實(shí)模擬巷道，通過移動(dòng)終端安裝虛擬教學(xué)軟件，實(shí)現(xiàn)井下人員定位數(shù)據(jù)采集、三維交互、人員信息監(jiān)測等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)；礦山環(huán)境感知虛擬仿真教學(xué)子系統(tǒng)模擬礦山測量井下陰暗、潮濕、狹窄、行人和運(yùn)輸車輛多等高危環(huán)境，開展井巷環(huán)境漫游、開采系統(tǒng)漫游等實(shí)驗(yàn)，克服了真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的難題；井下陀螺定向子系統(tǒng)通過儀器認(rèn)知、儀器操作等虛擬仿真模塊，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對定向知識掌握和操作訓(xùn)練，提升了儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果；一井定向、礦井導(dǎo)入高程等子系統(tǒng)，可通過模擬真實(shí)的井筒等環(huán)境，讓學(xué)生在“不停產(chǎn)”的環(huán)境下，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，再配合在一些高層建筑樓梯中實(shí)際操作，觀看真實(shí)礦井聯(lián)系測量工程錄像，也可使這類實(shí)驗(yàn)達(dá)到較好效果。

2.沉陷控制模塊及功能

地下開采改變了采場周圍、上覆巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起采場周圍、上覆巖層產(chǎn)生變形和破壞，打破了地下巖層、地下水、巖層結(jié)構(gòu)的賦存狀態(tài)，誘發(fā)一系列的采動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害問題。建立沉陷控制模塊是滿足開采沉陷及控制課程教學(xué)及學(xué)生科研與創(chuàng)新訓(xùn)煉要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于巖體內(nèi)部移動(dòng)破壞是地表移動(dòng)破壞的內(nèi)因，地表移動(dòng)破壞是巖體移動(dòng)破壞的內(nèi)在表現(xiàn)，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)存在成本高、時(shí)間長、地質(zhì)采礦條件單一、巖體內(nèi)部不可見、不可復(fù)制、實(shí)施難度大、需要多方配合、時(shí)間難以控制等問題，使得其很難在教學(xué)過程中實(shí)施。因此，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可彌補(bǔ)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在可行性、重復(fù)性、控制性、展示性方面的不足，是提高教育質(zhì)量的重要途徑。

沉陷控制模塊包括地表移動(dòng)與變形規(guī)律、充填采煤地表沉陷控制、巖層移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)和保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)，以及兩個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，即開采沉陷相似材料模擬平臺和開采沉陷數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)平臺。

本模塊營造了一個(gè)安全、可靠的實(shí)驗(yàn)氛圍，避免了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的高風(fēng)險(xiǎn)、不可控、高成本等缺陷；同時(shí)也讓學(xué)生能夠突破時(shí)間、空間的局限，再現(xiàn)采動(dòng)巖體移動(dòng)與變形過程，直觀地觀察到巖土體內(nèi)部的位移、應(yīng)力場的動(dòng)態(tài)演化過程，掌握地表移動(dòng)與變形規(guī)律及巖層移動(dòng)控制的基本原理，理解開采沉陷及控制學(xué)科的精髓。

3.礦體幾何模塊及功能

礦體幾何主要研究礦床中帶有幾何特征的一些問題，分析礦體形狀和礦產(chǎn)特性空間分布的幾何特性，利用圖解模型和數(shù)學(xué)模型反映礦體形狀和礦產(chǎn)特性的空間分布情況，以便及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地解決有關(guān)地質(zhì)采礦問題。地下礦體的形狀因礦而異，變化很大，有的規(guī)則，有的特別復(fù)雜。礦產(chǎn)特性更是變化莫測，甚至十分鄰近的地區(qū)，特性的數(shù)值差別卻極大。而且礦床多埋藏于地下深處，眼不能見，只能根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和有限的鉆孔資料進(jìn)行研究，虛擬仿真教學(xué)就顯得非常重要與必要。

礦體幾何仿真模塊能在實(shí)現(xiàn)礦床形態(tài)分析、礦體圈定及輔助成圖、儲量估算、礦體建模系統(tǒng)仿真、漫游操作、礦圖繪制的基礎(chǔ)上，深刻感知礦體形狀和礦產(chǎn)特性空間分布的幾何特性，學(xué)會利用圖解模型和數(shù)學(xué)模型反映礦體形狀和礦產(chǎn)特性的空間分布，并據(jù)此解決有關(guān)地質(zhì)采礦問題的理論與方法。

4.礦區(qū)土地復(fù)墾模塊及功能

礦區(qū)土地復(fù)墾是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，周密合理的規(guī)劃和精心的設(shè)計(jì)是土地復(fù)墾工程成功的關(guān)鍵。為了避免復(fù)墾工程的盲目性，保證土地利用與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理、土地部門調(diào)控及土地復(fù)墾項(xiàng)目時(shí)空分布的合理，礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)需要多方案、多角度比較，進(jìn)行時(shí)空分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、三維景觀設(shè)計(jì)與模擬。而真實(shí)實(shí)驗(yàn)由于成本及表現(xiàn)形式的限制，難以達(dá)到這一要求，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以提高規(guī)劃設(shè)計(jì)的效率和科學(xué)性，更深入、更靈活、更安全地對礦區(qū)土地復(fù)墾系統(tǒng)進(jìn)行解析、規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

本模塊包括土地復(fù)墾規(guī)劃、景觀要素規(guī)劃、三維景觀模型的空間分析等子系統(tǒng)，以虛擬仿真的方式展示了礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃的全過程，包括前期分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案選擇及成果展示等，既可支撐和輔助礦區(qū)土地復(fù)墾的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，又可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

5.通用測繪模塊及功能

與礦業(yè)特色課程相對應(yīng)，圍繞通用測繪類課程也建設(shè)了一批包括衛(wèi)星導(dǎo)航定位、數(shù)字地球與數(shù)字城市等在內(nèi)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，如數(shù)字地球子系統(tǒng)立足現(xiàn)有科研成果打造，以全球空間格網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，涉及地圖投影、空間框架、數(shù)據(jù)組織、三維可視化等若干知識點(diǎn)，可讓學(xué)生直觀、形象地理解數(shù)字地球的基本知識，動(dòng)手操作數(shù)字地球構(gòu)建的關(guān)鍵步驟，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)字地球全面、深入的認(rèn)識。

上述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊從基礎(chǔ)、技術(shù)、創(chuàng)新3個(gè)階段，為測繪、采礦等專業(yè)全程學(xué)習(xí)礦山測量及通用測繪類課程提供了虛擬實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境，可讓學(xué)生自由搭建和自主設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)、場景和應(yīng)用模型，組建團(tuán)隊(duì)共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行科研與創(chuàng)新訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、分階段培養(yǎng)、多層次提升、全方位實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)。如利用筆者承擔(dān)的“特大城市室內(nèi)外無縫定位信號體制與系統(tǒng)構(gòu)建”（863項(xiàng)目），構(gòu)建了室內(nèi)外無縫定位平臺，筆者所在院校測繪工程專業(yè)大學(xué)生在此平臺上進(jìn)行設(shè)計(jì)研究型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完成的“基于室內(nèi)外無縫定位技術(shù)的校園LBS手機(jī)應(yīng)用”項(xiàng)目在2014年“創(chuàng)青春”江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽中榮獲銀獎(jiǎng)。

三、結(jié)束語

實(shí)踐表明，礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能在一定程度上解決當(dāng)前礦山測量教學(xué)存在的問題:

1）使由于礦山生產(chǎn)和安全方面的限制難以開展的實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行，如井下水準(zhǔn)測量、井下導(dǎo)線測量等。

2）解決新、貴、精、尖儀器不足的問題。如井下陀螺儀是礦山防爆儀器，成本高、壽命短，加之近幾年招生規(guī)模擴(kuò)大，使得或難以開展陀螺定向真實(shí)實(shí)驗(yàn)，或真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間難以保證。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能有效實(shí)現(xiàn)儀器的拆裝，進(jìn)行定向操作，學(xué)習(xí)原理及計(jì)算方法。

3）突破礦山現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、空間等限制，彌補(bǔ)了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在可行性、重復(fù)性、控制性、展示性方面的不足，如開采沉陷與變形監(jiān)測，礦體幾何形態(tài)認(rèn)知等。

4）采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可著眼生產(chǎn)實(shí)際，每個(gè)學(xué)生都能靈活、自主完成所有實(shí)驗(yàn)，避免了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)需要多方配合、時(shí)間難以控制、缺乏跟蹤指導(dǎo)等問題，可提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，滿足人才培養(yǎng)需求。

未來的工作重點(diǎn)是以中國礦業(yè)大學(xué)“礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”獲批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為契機(jī)，繼續(xù)按“戰(zhàn)略指引、產(chǎn)學(xué)研互動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新”的思想，構(gòu)建國內(nèi)外交叉融合、共同提升的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享與可持續(xù)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教研、科研的一體化與共贏，豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與內(nèi)涵，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為高水平測繪人才培養(yǎng)提供關(guān)鍵支撐。

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G64

B

0494-0911（2016）07-0129-04

2015-06-10

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程（測繪科學(xué)與技術(shù)）資助；中國礦業(yè)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)項(xiàng)目（0201407）

汪云甲（1960—），男，博士，教授，主要從事國土環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測、資源環(huán)境評價(jià)與管理、地理信息工程、礦山測量等方面的教學(xué)科研工作。E-mail:Wyj4139@163.com

引文格式：汪云甲，楊敏，郭廣禮，等.礦山測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用［J］.測繪通報(bào)，2016（7）:129-132.