虚拟仿真平台在地下导线测量实验教改中的探讨

马占武，宫雨生

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山）

地下导线测量主要目的是获取矿井下点位的平面坐标，是矿山测量中的重要环节[1-3]。地下导线测量精度高低将直接影响矿井下的施工质量，进而影响矿山安全[4]。传统的地下导线测量实验直接到矿井下进行实验，受矿井的狭窄、黑暗、潮湿等环境影响，指导教师很难组织和指导学生实验[5-6]。此外，在矿井下进行实验不仅存在很大的安全风险，而且实验成本高[7]。由于上述等因素的影响，实验教学质量和效果很难达到预期[8]。在现有的实验教学条件下真实的实验很难开展，并且实验时间很难满足要求，成为提高培养现代应用型人才质量的屏障[9-10]。

然而，在信息化及科技飞速发展的当代，虚拟仿真系统实验教学为解决上述问题提供了契机[11-12]。虚拟仿真系统依托虚拟现实、三维可视化、人机交互、网络通信等新技术手段[13]，虚拟出了现实仪器设备和实验环境，学生可以在高度仿真的虚拟环境中完成实验，不仅吸引学生的学习兴趣，提高实验教学效果，而且有效弥补了传统实验教学方法的不足。另外，虚拟仿真系统不受时间、空间等限制，具有不计成本、反复演练等优点[14-15]。因此，本研究针对地下导线测量实验项目开展了虚拟仿真系统的开发。

一 地下导线测量实验虚拟仿真技术开发工具

本研究的地下导线测量实验虚拟仿真平台，主要采用Unity 3d、C#、3D max等开发工具。

（一） Unity 3d

Unity 3d也称Unity，是由 Unity Technologies 公司开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型开发工具。本研究利用Unity 3d实现了地下导线测量虚拟场景中的仪器设备和矿井环境等三维动画渲染和可视化。时至今日，Unity 3D以其强大的跨平台特性与绚丽的 3D 渲染效果跨足引擎前列，所以现在很多商业及虚拟现实产品都采用Unity 3D引擎来开发。

（二） C#

C#是一个简单的、现代的、通常的、面向对象的编程语言。在面向对象的程序设计方法中，程序由各种相互交互的对象组成。本研究利用C#实现了地下导线测量虚拟仿真系统中的测角、量边和高差测量等基本交互功能。

（三） 3D max

3D max是Discreet公司开发的，后被Autodesk公司合并。3D max是基于PC系统的三维动画渲染和三维模型制作软件。本研究利用3D max构建了地下导线测量虚拟仿真系统的仪器设备和矿井环境的三维建模。

二 地下导线测量实验虚拟仿真技术开发流程

地下导线测量实验虚拟仿真技术分别从虚拟环节、虚拟对象和虚拟功能三个方面进行开发，其技术开发流程如图1所示。

图1 地下导线测量实验虚拟仿真技术开发流程图

（一） 虚拟环节

根据地下导线测量虚拟仿真系统的特点，首先进行该系统虚拟环节的设计。其虚拟环节包括仪器设备的虚拟以及矿井环境的虚拟。

（二） 虚拟对象

虚拟对象部分主要是对虚拟环节中的仪器设备和矿井环境的具体对象进行虚拟。其中仪器设备具体虚拟对象包括，全站仪、三脚架和棱镜的虚拟；矿井环境的具体虚拟对象包括，巷道、峒室和岩壁的虚拟。

（三） 虚拟功能

根据地下导线测量实验的具体要求，其仪器设备实现的具体功能为测角、量边和高差测量。测角和量边为导线计算提供基础数据，再根据起算数据进而获取矿井下导线点的平面坐标X和Y。高差测量主要是为了获取导线点的高程H。

在矿井的虚拟环境中，实现的主要功能为仪器设备的安置、对中、整平、瞄准和读数。还需实现在虚拟环境中选取导线点，并在能够导线点上架设棱镜。

三 地下导线测量实验仪器设备虚拟仿真

地下导线测量实验仪器虚拟是为了解决传统教学中学生操作实验仪器时间不足的问题，让学生亲身体验地下导线测量的过程，完成实验教学大纲中“熟练操作仪器”的要求。虚拟仿真实验虚拟的仪器设备主要包括全站仪以及配套的三脚架和棱镜。虚拟的功能主要包括测角、量距和高差测量等。

本虚拟仿真实验教学平台由演示模式、训练模式以及测试模式三部分构成。

（一） 演示模式

在此模式中，学生可以观看完整的实验讲解以及实验操作动画，在此期间可进行“暂停、快进、回退”等控制操作，如下图2所示。演示模式主要包括以下几个方面内容：

图2 虚拟仿真实验演示模式

1.实验目的：通过与矿井上方的已知高等级平面和高程控制点进行联测，获取矿井下某两参考点的平面坐标和高程，再以此为起算数据以及测得的角度和距离获取矿井下所有导线点的平面坐标和高程。

2.实验方法：演示利用全站仪进行角度、距离和高差测量的具体步骤。

3.观测成果：主要演示角度、距离以及高差记录手簿，以及如何进行导线点的平面坐标和高程计算。

4.注意事项：主要讲解如何保证仪器设备和人身安全、如何减少仪器设备的偏心误差以及如何提高外业观测精度等。

（二） 训练模式

通过地下导线测量虚拟仿真系统中的演示模式学习，学生可以容易地进入到训练模式中，在此模式中学生不仅可以近距离地观察实验所用仪器设备的外观构造，而且也可亲身进行相应的虚拟实验交互操作等，如下图3所示。训练模式主要包括以下几方面内容：

图3 虚拟仿真实验训练模式

1.仪器设备的安置、开关机、对中、整平、瞄准和读数。

2.矿井虚拟环境中，导线点的选取。

3.棱镜的架设。

4.角度、距离和高差观测。

5.导线点的平面坐标和高程计算。

（三） 测试模式

该模式是通过计时以及得分情况检验学生经过演示模式的学习以及训练模式的锻炼对该实验的掌握程度。地下导线测量实验仪器设备以及相应功能虚拟，如下图4所示。测试模式主要包括以下几方面内容：

图4 虚拟仿真实验训练模式

1.测试学生对仪器设备安置以及开关机的熟练程度。

2.测试学生对仪器设备的对中、整平过程的熟练程度以及测试学生能否对仪器设备的对中和整平进行检验。

3.测试学生对测角、量边以及高差测量过程的掌握情况。

4.测试学生计算导线点的平面坐标和高程能力。

本研究的地下导线测量虚拟仿真系统，通过以上三种模式的虚拟，环环相扣，从演示模式到训练模式再到测试模式，逐步强化学生理论知识的掌握情况以及加强学生的实践能力。不仅解决了传统上教师要带学生到真实矿井下进行实验所遇到的各种困难问题，而且通过虚拟仿真的形式使学生身临其境，感受矿井下的真实环境并进行虚拟实验操作，既能达到实验要求的能力又可以吸引学生的学习兴趣，进而提高学生的实践能力，达到培养应用型人才的目的。

四 地下导线测量实验矿井环境虚拟仿真

传统的地下导线测量实验直接到矿井下进行实验，会受到矿井的阴暗、潮湿、狭窄、行人和运输车辆多等影响，实验教学质量和效果很难达到预期。因此，为了提高应用型人才培养质量，虚拟仿真平台应用到传统的实验教学改革中显得尤为重要。矿井下的虚拟仿真环境主要包括主副井、采掘巷道、硐室、岩壁、采掘工作面和运输设备等。在虚拟环境中可以进行导线点的选取、仪器设备安置、架设棱镜以及导线测量。

在矿井的真实环境中，会受到很多条件的限制，为了使导线点不被破坏，导线点一般选在巷道的顶板上。如果对井下环境认识不熟悉，很难开展和完成地下导线测量实验，并且学生在实验过程中存在很大的安全风险。通过虚拟矿井下的环境，学生可以不用亲自到实地考察就可以很好地熟悉和了解矿井下的工作环境，对巷道空间关系有直观的认识。本系统可以极大提高学生的学习兴趣以及解决相关问题的能力。

五 结语

地下导线测量虚拟仿真系统开发应体现以学生为中心，培养学生创新精神以及综合实践能力，使学生能够在虚拟仿真实验中提高自主学习能力和亲身实践的兴趣。虚拟仿真系统在开发过程中，要遵循交互性、开放性、简单易用性、安全和稳定性等原则。按照“紧跟学科发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化技能，培育团队精神，提高创新能力”的实验教学理念，科学规划地下导线测量实验项目，克服传统上高危环境、成本高、实验条件不具备、实验预期效果差等创新实践难题。

本研究通过三维建模、网络通信、交互式操作和虚拟现实等技术，克服了现有实验条件的不足，构建了地下导线测量虚拟仿真平台，打破了传统的实验教学思维。不仅学生学习实验仪器的操作方法，熟悉矿井下导线测量的流程，教师也可改变实验教学方式，提高实验教学质量。虚拟仿真平台中交互式操作模式，极大地提升了学生的学习兴趣，降低了实验成本。同时，也促进了教师与学生的交流互动，这对强化学生对实验仪器操作以及实验流程的记忆以及教学质量的提高具有重要意义。