龚开福，李延龙，卢二伟，祁泽锋

基于仿真模拟技术的矿山设备培训系统发展现状

龚开福，李延龙，卢二伟，祁泽锋

(中色非洲矿业有限责任公司，赞比亚 基特韦 22592)

由于矿山行业的高伤害和死亡率，培训正在变得越来越重要，其中，仿真模拟培训提高安全性的同时可减少成本。矿山通过使用设备模拟系统，可使操作人员在不干扰正常生产的情况下进行学习，还可避免未经培训过的操作人员因不熟练或误操作对设备造成损坏。多个矿山企业培训结果证明，使用矿山机械设备模拟系统可增加轮胎的使用寿命，减少现场培训时间，减少刹车系统的损耗，提高燃油利用率，减少发动机超速情况发生，提高操作安全性，对于矿山企业的可持续发展具有重大意义，在矿山企业中应用前景广阔。

仿真模拟培训;设备模拟系统;操作安全性

0 引 言

在高风险、高成本的工业生产中，基于设备操作工培训的仿真模拟已经得到广泛应用。设备仿真模拟培训已被证明可以大幅度有效降低风险、减少成本，减低设备故障率，同时可以提高培训师的 培训效率，最大限度地提高生产力。在风险程度很高的采矿行业，矿山机械设备虚拟仿真可以通过提高操作工的技能与知识，以获得安全效益与经济效益[1]。

在真实的矿山环境中，一些培训场景过于危险和复杂，并且培训成本昂贵，而矿山机械设备虚拟仿真可以为操作工提供一个安全的环境，从而使他们在多种环境下进行练习操作。使用这些仿真技术，设备培训师可以更加快速并且准确地对整个培训过程进行监测监控与评估，经过近几年的发展，一些利用仿真技术培训成果已被证明，诸如增加轮胎的使用寿命，减少现场培训时间，减少刹车系统的损耗，提高燃油利用率，减少发动机超速情况 等等。

目前矿山机械设备虚拟仿真模拟器厂商大多采用与矿山设备生产厂商及矿山企业合作的模式，从而获得有针对性的培训效果。

1 矿山机械设备仿真模拟的应用意义

1.1 零事故及零伤害

由于矿山行业属于高危行业，在危及生命的生产操作过程中，培养操作工在紧急情况下的应急能力对于矿山运营至关重要，例如设备操作过程中，发动机起火，制动系统出现故障，凿岩台车出现卡钎，钻杆堵塞等问题，通过设备仿真模拟系统可使操作工熟练掌握安全操作技能，做好充足准备，自信地做出适当的应对措施。

1.2 自助式培训

通过基于矿山机械设备虚拟仿真系统培训，可建立程序化的培训周期与评估系统，同时可以建立一些紧急预案以应对突发状况，此系统的培训自成体系，可满足操作工自助式的学习与进步，融合多种教学模式，提高培训效果。

1.3 减少非计划式维修与保养

由于矿山行业的特殊性，发展模式一直以来相对粗放，操作人员在操作设备过程中，经常养成一些不当的操作习惯，诸如：滥用换挡，超速使用发动机，滥用制动系统，凿岩机的不当使用，设备碰撞等等。基于矿山机械设备虚拟仿真系统培训，可以有效规避此类不当的操作习惯，从而极大减少设备的维修时间与维修成本，进而提高矿山的生产能力。目前，有研究表明，此类培训已被证明可以有效减少62.2%的制动系统滥用情况，并且减少54.5%发动机超速的使用情况。

1.4 减少轮胎损耗

随着矿山行业的发展，无轨设备在现代矿业中扮演着越来越重要的角色。其中在铲运机和矿卡的运行过程中，轮胎消耗占据很大的维护成本，也是成本控制的一个切入点，不当的操作习惯会导致轮胎的频繁更换。通过矿山机械设备虚拟仿真系统的培训，培训师可以实时监测设备操作情况，减少不当操作对轮胎消耗的影响，从而总结提出针对实际情况的操作规程。

1.5 燃油性能利用率最大化

目前，无轨设备正变得越来越普及，而燃油消耗占据无轨设备尤其是铲运机和矿卡运行的绝大部分成本，通过仿真模拟培训系统的实时监测监控功能对操作人员的操作习惯引起的燃油消耗进行实时监测，从而可制定相应的培训方案，以实现燃油性能使用最大化，减少碳排放，保护环境。

1.6 建立标准化培训流程

基于矿山机械设备虚拟仿真系统培训，可将设备培训所涉及的培训内容进行统一管理，建立标准化、程序化的培训流程。同时，通过建立云服务平台，矿山机械设备虚拟仿真系统提供商利用全球各地所收集的培训信息，对数据进行分析处理，为矿山企业提供相应的技术支持，便于矿山企业对培训进行有效管理与引导。亦可通过标准化流程建立相对一致且有效的学习环境，保证操作人员及时讨论，保持学习的活力。

2 矿山机械设备仿真模拟系统现状

很多西方国家的矿山企业很早就开始利用计算机虚拟仿真技术开发仿真培训系统，在操作人员培训方面取得了十分显著的效果[2]。比如有些矿山通过Utility 3D开发的培训系统可保存操作人员的培训日志，供培训师在评估培训效果时参考，以此为依据来判断该操作人员是否达到培训要求[3−4]。

虽然国内虚拟仿真技术相比发达国家起步晚，但由于国家对该技术的高度重视，建设了一批高质量的仿真技术研究及培训实验室[5]。国内虽然虚拟仿真技术取得巨大发展，但目前为止还未有一款与矿山企业使用的机械设备型号完全一致，具备操作演示、设备状态显示、故障诊断等虚拟交 互功能于一体的矿山设备虚拟仿真操作平台和模拟器。

目前国外基于矿山机械设备虚拟仿真系统的设计思路基本见图1。

2.1 设备在线学习

设备在线学习用于培训操作人员关于诸如安全教育、设备原理知识、设备操作流程等知识，旨在培训操作人员对于设备的初步理解，同时掌握设备相关的安全知识。通过利用视频、音频、动画等多媒体手段，提高操作人员对设备的兴趣，保证培训师实时监督培训进度。

图1 矿山机械设备仿真模拟系统设计思路

2.2 设备熟悉

设备熟悉是操作人员在设计的仿真操作平台上进一步熟悉设备安全、设备控制平台、设备操作流程等知识，保证操作人员进一步加深设备了解，通过交互式体验，使操作人员掌握设备操作的初步技能，为后续设备操作模拟器的培训打下基础。

2.3 设备操作模拟

设备操作模拟是矿山机械设备虚拟仿真模拟系统最主要的一个环节，通过仿真设计，操作人员可在非常安全舒适的环境中根据培训师设计的不同情境进行设备模拟操作。通过与设备厂家的合作，仿真系统的生产厂商可以最大化地满足矿山企业的要求，模拟出真实的操作环境。

一般设备操作模拟器分为以下3个部分：不同设备的操作平台、沉浸式体验的操作舱、培训师控制舱。

（1）操作平台。技术服务商通过设计多轴可移动式操作平台，最大化地模拟设备在行走过程中的真实体验，通过设计不同的操作环境路况，可模拟真实的行走状态，甚至是设备碰撞、凿岩过程中设备振动带来的操作体验。可移动式操作平台见图2。

图2 可移动式操作平台

（2）沉浸式体验操作舱。沉浸式体验操作舱是设计独立的操作舱，通过与原设备厂商合作，将与真实设备一致的设备操作控制模块安装在操作平台上，同时利用投影技术与计算机强大的计算功能将仿真图像投影在操作舱的墙壁上，保证操作人员在培训过程中，视野宽度可达360°，进而模拟沉浸式的驾驶体验。某公司生产的沉浸式体验操作舱见图3。

图3 沉浸式体验操作舱

（3）培训师控制舱。通过培训师控制舱内的软件系统，培训师可利用监视器设定或者修改一套标准的设备操作练习流程；选择操作的一个起始点；根据真实矿山环境设定不同的岩石参数、爆堆形态、巷道内的路况；为设备设定一些随机的故障，如爆胎、制动系统失灵、发动机熄火；360°无死角实时监控操作人员的操作过程；查看操作工操作日志；为操作人员回放操作过程；生成练习的报告 等等。

利用矿山机械设备虚拟仿真软件系统，通过三维建模，数学模拟等手段，可以真实反映发动机、制动系统、悬挂系统、液压系统的状况；也可在整个模拟过程为操作人员提供真实的反馈，如设备碰撞、铲斗出矿接触岩石、凿岩引起的振动等情况；还可模拟设备故障及故障对于相关系统的影响，使模拟更加接近真实。国外某矿山使用的仿真模拟系统培训师控制舱见图4。

图4 培训师控制舱

（4）设备真实操作。在经过基于仿真技术的培训后，操作人员需参加测评，在达到矿山企业设定的要求后才可利用真实的设备在真实的环境中进行操作。基于仿真技术的培训可以纠正操作人员不良的操作习惯，帮助操作人员掌握安全操作规程，提高应对紧急情况的能力，提高培训的标准化与进度。

3 矿山机械设备仿真模拟系统的应用

随着计算机技术和软件技术的迅猛发展，矿山行业自动化与机械化的飞速发展，为了适应新的行业环境，越来越多的矿山企业开始使用矿山机械设备仿真模拟技术，图5为某仿真模拟技术服务商在全球的市场分布情况。

图5 某仿真模拟技术服务商的市场分布

从图5中可以看出，目前露天矿应用仿真模拟技术已经非常普遍，而地下矿利用仿真模拟技术却相对较少，所以市场潜力是巨大的，随着露天矿资源的日益减少，全球采矿行业开始向深部采矿发展，无轨设备的逐渐普及，地下采矿装备的仿真模拟技术的需求也会越来越高。

4 矿山机械设备仿真模拟系统的应用展望

由于矿山井下环境的危险性，对于任何一个环节的疏忽都可能导致严重后果。正因为设备误操作的代价高，所以需要高仿真度的模拟系统及模拟器来降低甚至避免误操作的出现。矿山机械设备仿真系统已在矿山企业中得到了应用，未来的发展应用方向需要完善的有以下四方面。

（1）不同级别的仿真度针对不同经验的操作人员。比如无任何经验的操作人员需要更多的指导性培训，而更加熟练的操作人员若使用相同的方法可能会适得其反。因此，仿真级别可根据操作人员的熟练程度进行调整。

（2）无论什么级别的仿真度都需不断研究和优化培训计划的多样性和复杂性。

（3）模拟器的有效学习需要分组培训。多个矿山培训结果表明，操作人员间的相互合作可提高学习投入度，并且相互间可进行交流学习，有助于操作人员长期记忆的形成。

（4）增加操作人员与环境的互动可促进快速学习，有助于长久记忆的形成和信息的交换。

仿真、虚拟现实和数字游戏技术已经证明其在矿业中的教育价值，拥有较大的优势和较多的学习机会。使用设备仿真模拟系统增强了操作人员对复杂问题的学习和理解。显然，融合了仿真模拟技术的矿山机械设备仿真模拟系统的机遇和潜在应用远远超出了当前的使用情况。在矿山安全培训领域，使用该技术的培训效果显著，最终提高了矿山的安全性。

5 结 论

矿山机械设备仿真模拟系统可提供简单和复杂的培训场景。通过这些场景可培训操作人员甚至是无任何操作经验的操作人员如何安全操作设备，通过持续不断地培训可提高操作人员的操作水平，避免因操作人员的不当操作对设备造成的损坏，同时可减少设备故障检测和维修时间。矿山机械设备仿真模拟培训系统有效提高操作人员的操作技能，同时给矿山企业带来良好的经济效益，对于矿山企业可持续发展具有重要意义。

[1] Laurence D, Stothard P. Applications of simulation methodologies for a sustainable mining industry. Advanced Mining for Sustainable Development, Ha Long Bay, Vietnam, September 23 – 25, 2010: 50-59.

[2] 孙志敏,马 舜,韩树新,赵 辉.工业锅炉仿真培训系统的研究现状与发展趋势[J].机电工程技术,2013,42(3):1-5.

[3] 王凤钦.基于Unity3D凿岩台车虚拟培训系统的研究[D].石家庄铁道大学,2016.

[4] 毕 成.基于Unity3D的XXX特种车辆的虚拟培训系统的设计与实现[D].大连海事大学,2017.

[5] 官 鑫.大型矿山机械设备虚拟仿真系统设计与研发[D].辽宁:辽宁科技大学,2016.

(2019-08-05)

龚开福(1983—)，男，高级工程师，主要从事采矿工程技术管理工作，Email: 184258058@qq.com。