吴蓬 邱俊 朱向楠

摘  要 为解决学生在铁矿选矿厂现场实习过程中存在的学习兴趣不高、学习时间和空间受到限制等问题，借助先进的计算机虚拟仿真信息处理技术，经过语言、声音、图像、文字、动画、音乐等数字化处理后，将工厂以一种全新的、图（动态）文并茂的形式呈现，使学生成为学习的主动参与者，有助于激发学生的学习兴趣，提高实践教学质量。

关键词 铁矿资源回收利用;虚拟仿真技术;实践教学;矿物加工工程;实践教学系统;虚拟仿真教学平台

1 前言

虚拟仿真技术是近年来计算机学科一个迅速发展的领域，将这项技术应用于高校实践教学中，必将使实践教学产生质的飞跃[1-3]。铁矿资源回收利用现场地理位置往往比较偏远，生产现场安全隐患多、环境差，生产设备往往是一些较为粗犷的破碎、选别等设备，一些智能自动化技术现场体现较少，使得学生的学习兴趣不高，现场实践教学效果较差。

仿真系统采用先进的Unity3D作为3D引擎系统，采用Maya 2015建模软件，将实践教学内容（工艺流程、设备等）赋予语言、声音、图像、文字、动画、音乐等数字化处理，利用一种全新的、图（动态）文并茂的形式呈现教学信息[4]。将这些先进的计算机信息技术与工厂实践教学内容有机结合，使得先进技术应用于矿物加工工程专业的实践教学中，更加直观和具体地将所有的实践教学内容表现出来并传达给学生，使学生身临其境，成为学习的主动参与者，也成为发现、探究和建构知识的主体，有助于激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性，是一种先进的实践教学模式[5-6]。

2 平台搭建

山东科技大学铁矿资源回收虚拟仿真实践教学系统是为解决学生在铁矿选矿厂现场实习受时间和空间限制而建立的[7]。该系统根据矿物加工工程专业实习实践教学大纲要求及内容特点，采用先进的Unity3D作为3D引擎系统，利用Maya 2015进行3D建模，采用C语言和Visual Studio

进行程序开发，利用SVN、Microsoft Project等进行程序版本控制和项目管理，采用Maya、3D Max等制作仿真资源。将这些信息技术和工厂生产实习教学内容有机结合起来，对改革本专业实践教学方式，提高实践教学质量，培养高质量的矿物加工工程技术人才将产生深远影响[8-10]。

系统开发架构采用CS、BS架构相结合的模式：BS架构用于用户访问管理平台，查看软件列表、课程列表和学习记录等统计信息，并启动3D仿真项目;CS架构用于启动3D仿真程序及其附属程序。3D仿真程序独立地与网站后台、数据后台进行交互。

系统通过3D仿真技术实现工厂的虚拟仿真，3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染，通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画，通过计算机图形学（实时阴影、光照贴图、凹凸贴图等）和计算几何学（碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等）等实现现象仿真，通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真，通过VR、AR和动作捕捉技术实现增强虚拟化变现和交互性[11-12]。

3 平台功能

虚拟仿真教学平台由学员站和教师站组成。在学员站内，学生可以通过NPC任务模式实现工厂的全景漫游，认识铁矿资源回收工厂各类主要设备，跟踪资源回收全流程作业等。教师站作为总体监控软件，负责仿真系统的运行管理、监视与控制，实现仿真系统的各种功能。虚拟仿真教学平台的具体功能主要包括工厂安全生产规程，生产工艺流程，主要设备原理、运行、结构拆解及常见故障，设备配置，厂房平台配置等。

工厂安全生产规程  利用PDF文字素材、各类生产设备动画真实表现铁矿资源回收工厂以及各个作业的安全操作规范，使学生树立安全第一的职业意识（见图1）。

工厂生产工艺流程  選矿工艺流程主要包括矿石破碎筛分系统（见图2）、磨矿分级选别系统、产品脱水系统、尾矿处理系统等。

1）破碎筛分系统。原料矿石经过颚式破碎机粗碎后，由皮带输送至中细碎车间的料斗;经振动给料机给入圆锥破碎机中碎，中碎产品由皮带输送至干式磁选，磁选精矿给入筛分车间料斗，磁选尾矿作为废石;由振动给料机给入振动筛进行筛分，筛下粉矿产品经皮带输送至粉矿仓，筛上产品经皮带输送至中细碎车间的料斗，经振动给料机给入圆锥破碎机细碎，细碎产品由皮带输送至筛分车间进行筛分。

2）磨矿分级选别系统。粉矿经皮带给入湿式预选磁选机，磁选尾矿给入脱水筛，筛上产品作为废石子，筛下产品作为最终尾矿;磁选精矿给入球磨机磨矿，磨矿产品经泵给入旋流器;旋流器底流返回球磨机再磨，溢流给入一段磁选机分选，一磁尾作为最终尾矿，一磁精给入二段旋流器分级，底流给入二段球磨机再磨，溢流给入二段磁选

机;二磁尾作为综合尾矿，二磁精给入淘洗机精选，淘洗机尾矿作为回水使用，淘洗机精矿作为最终精矿。

3）产品脱水系统。精矿脱水主要通过真空盘式过滤机，滤饼作为最终精矿，滤液作为回水使用。

4）尾矿处理系统。综合尾矿首先经过浓密机进行初步浓缩，溢流作为回收使用，底流用泵输送给深锥浓密机，溢流作为回水使用，底流与胶固粉混合搅拌后进行井下胶结充填。

主要设备原理及结构拆解  选矿厂所有设备设施均按照1∶1比例制作，视觉上场景与现场相符，主要设备包括粗中细破碎机、振动筛（见图3）、皮带输送机、振动给料机、矿仓、干式预选磁选机、湿式预选磁选机、球磨机、旋流器、筒式磁选机、淘洗机、盘式真空过滤机、浓密机等。具体按照设备简介、设备结构、设备拆分、运行演示、运行原理、故障分析等内容进行讲解。

设备配置  厂房内的设备配置完全按照生产现场进行布置，能够直观地反映出厂房内设备布置方式、设备之间的连接方式、设备配套方式、物料的流向等信息（见图4）。

厂房平台配置  工廠总平面布置鸟瞰图可以直接观看整个厂区的厂房布置情况和厂房之间的连接方式，在每一个厂房内，可直观查看平台的层高、大小等布置情况（见图5、图6）。

4 结语

铁矿资源回收生产工艺流程、设备的结构及工作原理的动态模拟演示，整个工厂的三维设计模型，能够多角度反映设备之间的位置关系;同时针对各主要生产设备结构特点，该系统具有手动拆装功能，配以PDF文字介绍和设备运行动画演示，全方位反映设备的结构、工作原理以及开停车的技术要求等，便于学生通过该系统自主高效地学习实践教学内容。

参考文献

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