0 引言

在采矿相关教学环节中，如何能够使学生深入理解各种采矿方法的结构和生产过程一直是一个难题.首先，巷道、竖井等工程结构较为抽象，对于学生的空间想象力有较高要求. 即使通过录像片等辅助手段，也由于直观感官不强，缺乏互动性，不能圆满地解决上述问题.采用组织学生进行现场参观的方式，直观、形象，能够深入理解.但是，一方面这种方式组织实施困难、危险性大，矿山一般都不太愿意承担此风险.另一方面，现场参观会耗用较多的经费和时间，效率低下.另外，对于井下矿山设备的操作实践，虽然对于教学环节非常重要，但受到多方约束，更是难于实现.因此找到一种易于实施，又能直观、形象、具备良好互动性的教学方法，是采矿教学人员一直思考的问题.

最近几年随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高、易维护等诸多优点.近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室^[1].它的出现为我们提供了一个新的途径，作为一种新的教育培训手段，在公安、航天、建筑、交通、军事等诸多方面已经得到了愈来愈多的应用^[2].因此我们开始了一个虚拟矿山教学平台的开发尝试，主要用于金属矿山开采教学.

1 虚拟矿山教学平台的搭建与开发手段的选择 1.1 平台整体结构

建立一个完整的虚拟矿山教学平台系统是成功进行虚拟矿山教学应用的关键，而要建立一个完整的虚拟矿山教学平台系统，首先是选择切实可行的虚拟现实系统解决方案^[3].根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征，并结合多年的虚拟现实实验室建设经验，采用的虚拟矿山教学平台系统提供以下组成的系统结构，如图 1 所示.

虚拟矿山教学平台的这些子系统之间需要相互连接、相互依赖，彼此之间协同工作构成一个复杂的系统.然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作，就需要进行管理，集成控制系统便是承担该项工作.其中虚拟矿山教学平台集成控制系统链接控制着其他3 个系统，共同组成了一个有机有序的整体^[4]. 虚拟矿山教学平台软件开发平台进行三维场景的制作，并且和集成控制系统进行后台连接，在虚拟显示系统上显示沉浸式的影像，然后参与者利用虚拟矿山教学平台交互系统的硬件和显示系统内的仿真影像进行虚拟互动，比如进行机械的模拟拆装、虚拟旅游、产品的安装、虚拟操作演示等.如果涉及虚拟现实技术内容的开发，就得选择国外技术成熟并且接口比较方便的虚拟现实开发平台^[5].虚拟现实软件已经越来越多，例如Viewpoint，Superscape，Cult3D，Virtue3D，Virtools ^[6]，EON ^[7]3DVR，OpenGL ^[8]，Direct3D^[9] ，Maya^[10] 等.

1.2 虚拟矿山教学平台的功能

虚拟矿山教学平台的功能结构如图 2 所示.该平台有7个模块组成.

1.3 开发手段的选择

目前虚拟现实的主要开发手段可分为4 类：通用图形API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)、虚拟现实专用API、可视化的虚拟现实专用API、虚拟现实专用语言.它们各自的特点如表 1.

经过综合考虑，选择了Virtools 软件作为开发工具.由于Virtools 本身不具有建模功能，所有模型的构建必须借助其它软件^[11].Virtools 默认支持的模型文档有：3ds max，Maya，Lightwave，3dxml ^[12]. 由于3ds max软件具有界面友好、强大的功能和良好的操作性等.3ds max 软件能建立任何你能想得到的模型. 最后选择采用3ds max 软件建模.

2 矿山场景模型与角色模型的构建

在建模时为了节省建模时间，提高建模效率应当遵循一个原则：在能够保证视觉精度前提下，尽量采用较少多边形建模，这样做也能提高虚拟矿山教学平台的响应速度.同时，建模中对模型进行分割，分别建模，这样就把构建复杂模型转化为构建简单模型以及利于给模型赋予材质和在虚拟现实系统中进行控制和操作.给建好的模型赋予材质、设置灯光及照相机后就可以得到逼真的模型^[13].在虚拟矿山教学平台中需要建立的矿山场景模型与角色模型如下.

(1) 矿山场景模型.矿山场景模型包括矿区内天然物体和矿区内重要建筑物.天然物体又分为地面和地下天然物体. 地面的天然物体包括： 地形地貌、树木、花草、河流、湖泊、山沟、山崖、道路等.地下的天然物体包括：岩层、矿体、断层等.露天的重要建筑物包括：压风机房、变电所、提升机房等.井下的重要建筑物包括巷道、采场、硐室等.在3ds max 中建立好这些场景模型后，采用Virtools 插件导出时选择Export AsObjects 选项^[14].

(2) 矿山角色模型.矿山角色模型包括虚拟矿工和矿山设备模型.矿工作为一个普通的人，所建矿工模型必须具有行走、站立、跑步、蹲下、转身等基本动作.而且矿山还有不同的工种.凿岩工有抓取钻机的功能.支护工有爬楼梯功能.爆破工有捅炮棍功能.矿山主要生产设备包含：采掘设备、通风设备、排水设备、供电设备和运输设备等.由于矿山设备很多，全部实现工作量太大. 首期主要考虑采掘设备的建模，使其能够根据控制命令和仿真数据产生运动，这些设备包括铲运机、凿岩机等.在3ds max 中建立好以上两类角色模型后，采用Virtools 插件导出时选择Export As A Character 选项.

3 安全事故的模拟与生产过程的演示 3.1 安全事故的模拟

矿山安全事故包括爆炸事故、火灾事故、突水事故、顶板事故、塌方事故、充填事故等.虚拟矿山教学平台可模拟矿山各种矿难事故的发生过程，以声光等多种手段向受培训人员发出警告，当受培训人员熟练了安全事故之后则仅以接近自然的方式提醒受培训人员. 在3ds max 中建立好这些模型后，采用Virtools 插件导出时选择Export Animation Only 选项.

3.2 生产过程的演示

虚拟矿山教学平台也可以演示多种施工或开采的过程.例如能演示浅孔留矿法的拉底、劈漏、放矿等全部回采过程. 还能演示普通法打天井的搭横撑、架梯子、铺平台、凿岩爆破的全部掘进过程.在3ds max中建立好这些模型后，采用Virtools 插件导出时选择Export Animation Only 选项.

4 矿山漫游与虚拟操作的评价

在Virtools 中加入的任何模型和角色默认为超人状态，要想使矿工进入普通状态，需要添加增强地面持续行动的特性(Enhance Character Keep OnFloor)，同时对物体增加地板属性，实现行走时保持在地板上.这也是一件非常费时的工作，需要找出所有的作为地板的物体，然后给所有这些物体逐一增加地板属性^[15].

矿山设备很多，它们的操纵过程也不相同.这里仅简单介绍一下电铲的情况，电铲的基本操作主要包括：电铲的启动和停止、挖掘作业、装车作业、倒装台作业等.电铲装车作业就是通过操纵各部主令控制器，实现铲斗挖掘、回转、卸载、返回、再挖掘、反复循环运行的过程. 在Virtools 中控制虚拟电铲做各种动作主要是通过键盘上对应的按键，因为虚拟控制板不太容易定位^[16].

虚拟人处在不同危险情况会产生不同严重程度的后果，有的则是受点轻伤，有的会导致死亡.例如当电机车经过时如果虚拟人站在轨道中间则会被撞死，如果躲让在不正确的地方则仅仅造成轻伤.当发生地压灾害时在虚矿井中按不同的路径撤离出危险区域后果也不同.在虚拟矿山中也需要针对不同的情况结合受培训人员采取的不同措施给予不同的评分.对这些给予不同的计分权重，只有在虚拟矿山中操作合格后才能颁发下井证.

5 结束语

针对矿山相关教学中学生对于采矿知识、矿山布局以及采矿作业过程认识困难等难题.基于虚拟现实技术开发了虚拟教学平台，并应用到教学中.实践表明，该平台使学生通过虚拟环境充分感受矿山，了解采矿方法结构和生产过程.并通过交互式操作来实现矿山的漫游. 甚至操作井下机器设备和采掘装备，并通过操作评价系统对于学生的正确性和准确性程度进行打分和指导，可以大大提升教学效果，降低教学成本.同时能够大幅提高教学的生动性、高效性、系统性和安全性，对于提高采矿教学质量具有重要意义.同时，该平台在矿山人员培训、虚拟采矿试验等方面也具有良好的应用前景和推广价值.其优越性体现在以下方面.

(1) 在虚拟矿山中，通过切换键，随时可改变学生的视野，在大视野环境下学生可非常直观地了解自己当前所处的位置，切换到小视野环境下学生可非常清晰地观察到附近的物体.学生不再会“不识庐山真面目，只缘身在此山中”.

(2) 彻底打破空间、时间的限制.例如学生可以轻易地进入到实际矿山难以进入的场所，观察结构组成以及每个工序之间的相互联系，一些需要几年甚至上十年才能观察的变化过程，可以在很短的时间内呈现给学生观察.

(3) 在虚拟的环境中，可以设置各种矿难事故的发生几率，让学生在虚拟矿山中参观或者操作设备时出现各种矿难事故，进而培养学生的遇险处理能力.而在真实的矿山中碰上矿难事故是很难的，这是其它培训手段无法相比的.

(4) 采用虚拟现实的手段对学生进行培训，在虚拟逼真的环境下学生进行各种动作，例如走动、操作各种井下设备，万一掉入溜井或误操作设备也不会有真正的生命危险，能极大地调动学生的动手积极性^[17].

(5) 可以极大地降低教学成本.实际矿山中的很多设备非常昂贵，而虚拟设备100 台跟1 台是一样的花费，在虚拟环境中每个学生都有机会操作设备.将来的网络版虚拟矿山中模仿真实矿山的情况，在虚拟矿山中看到别的同学在虚拟矿山中的情况，甚至虚拟互救.