产教融合·虚实结合“煤机装备虚拟现实装配系统”的开发与人才培养实践

王学文，王志华，熊晓燕，谢嘉成，高波，王雪松，刘俊

（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西太原 030024；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原 030024；3.山西科达自控股份有限公司，山西太原 030006；4.太重煤机有限公司，山西太原 030032；5.山西煤矿机械制造股份有限公司，山西太原 030031）

2017年12月，国务院办公厅印发《关于深化产教融合的若干意见》，指出“深化产教融合，促进教育链、人才链与产业链、创新链有机衔接，是当前推进人力资源供给侧结构性改革的迫切要求”[1]。产教融合是国家推动的拔尖创新人才培养政策，是校企合作的高级阶段[2]。

2022年11月，工业与信息化部、教育部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》[3]，在“虚拟现实+教育培训”部分明确提出“建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地……强化学员与各类虚拟物品、复杂现象与抽象概念的互动实操”。 在此基础上，虚拟仿真资源与实物平台形成虚实结合、相互辅助的教学载体[4-5]，可以更好地激发学生的学习兴趣，有效提升实践教学的质量。

《中国制造2025》提出“开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用”[6]，煤机装备作为制造装备的重要组成部分，必须加强与新一代信息技术的深度融合、集成创新与成熟应用。本文所述的“煤机装备虚拟现实装配系统”[7]以此为背景，面向煤机装备，助力企业提升数字化、网络化和信息化水平，并通过产教融合与虚实结合，完成人才培养实践。系统主要目标与功能包括以下内容。

（1）提升科学研究水平：系统可使虚拟现实技术与煤机装备深度融合，指导装备制造业更高水平的信息化与自动化建设。

（2）促进学科建设发展：系统可促进机械工程领域CAx 技术的进步，促进传统机械工程学科的发展。

（3）改善人才培养条件：系统可提高人才培养平台的信息化水平，为高等院校研究生和本科生实践能力培养创造更好条件。

（4）完善平台基地建设：系统可为学科建设和实验室建设提供重要的平台支撑，为行业领域提供重要的教育培训基地。

（5）实施教育教学改革：系统可为产教融合背景下新时代卓越工程师培养提供支撑。

1 校企合作科学研究

2010-2021年间，太原理工大学联合太重煤机有限公司、山西煤矿机械制造股份有限公司、山西科达自控股份有限公司等单位，通过产学研结合方式，共同开发了“煤机装备虚拟现实装配系统”，其主要由虚拟现实模型资源库、基于OSG 的虚拟装配子系统、基于UG 的虚拟装配子系统、场景仿真与漫游子系统、虚拟装配人机交互子系统、虚拟现实装配网络化技术与系统、基于WebGL 的数字模型系统7 部分组成（见图1）。

图1 “煤机装备虚拟现实装配系统”功能框架

该系统以虚拟现实、虚拟装配等新一代信息技术与煤机装备深度融合为主线，充分发挥新一代信息技术开放、共享、高效集聚的技术优势，通过融合虚拟现实场景仿真与漫游、虚拟装配与人机交互关键功能设计等关键技术，集成双通道柱幕系统、力反馈器、数据手套、位置跟踪器、Visual Studio 和Open Scene Graph等软硬件平台，全面实现了涵盖采煤机、掘进机、刮板输送机、液压支架、提升机等装备在内的煤机装备虚拟现实场景交互与装配仿真应用（见图2）。

图2 煤机装备虚拟现实场景交互与装配仿真

“煤机装备虚拟现实装配系统”通过产学研校企合作方式，解决了一系列关键技术问题，包括：将煤机装备UG 和Pro/E 三维模型导入3DMAX，通过精细修复制作VR 模型，实现了CAD 模型与VR 模型的格式转换和优化，为CAD 模型导入VR 环境提供了解决方案；使用3DMAX、OSG 进行煤机装备VR 场景制作，对煤机装备增加了场景效果、漫游功能、光照功能，提供了纹理映射处理方案；利用数据手套、位置跟踪器和力反馈器实现了煤机装备虚拟抓取、移动、旋转和装配，解决了人机交互设备与系统的接口问题；对软件平台、中央控制器、边缘融合器、投影机、立体眼镜及投影环幕等进行了系统调试和集成，实现了煤机装备虚拟环境的沉浸式立体显示等。

2 校企合作成果转化

2.1 煤机装备制造企业成果转化

“煤机装备虚拟现实装配系统”在包括太重煤机有限公司和山西煤矿机械制造股份有限公司在内的多家煤机装备制造企业进行了推广实施。

在太重煤机有限公司推广实施期间，系统对采煤机与掘进机协同设计资源实时互动与有效配置提供了帮助，促进了采煤机与掘进机数据资源、生产能力、市场需求的集聚与对接，强化了采煤机与掘进机基础与现代设计能力，提高了设计效率，促进了知识创新，显著提升了该公司采煤机与掘进机设计的数字化、网络化和智能化水平。

在山西煤矿机械制造股份有限公司推广实施期间，通过融入该公司CAD 设计系统，构建了刮板输送机沉浸式系统，可以逼真展示刮板输送机结构、工作原理和工作状况，帮助设计人员在较短时间内评估各种设计方案，优化刮板输送机性能和可靠性；系统通过虚拟场景模拟真实的刮板输送机装配与运动，使刮板输送机研发时间更短，效率更高，成本更低，提升了该公司刮板输送机在市场中的竞争力。

2.2 煤矿企业成果转化

“煤机装备虚拟现实装配系统”在煤矿工作面监控中的推广应用，主要借助山西科达自控股份有限公司与一线煤矿的项目合作。2020年4月，山西科达自控股份有限公司中标国家电投集团内蒙古能源有限公司察哈素煤矿工作面综采自动化控制系统项目，该系统要求将察哈素煤矿的采煤工作方式革新为计算机集中监测控制结合机械化的自动化采煤工作方式，并实现对综采装备的实时监测和自动控制，达到“远程自动化采煤，就地巡视手动干预”的目标[8]。

为顺利实施上述中标项目，从2020年4月开始，系统通过“高等院校-制造企业-煤矿企业”三方合作方式在察哈素煤矿进行了推广应用。通过融入山西科达自控股份有限公司自有的煤矿信息化系统，该系统将工作面采煤机、刮板输送机、液压支架和相关地质数据进行采集和录入，建立了3D 全景显示的综采装备虚拟仿真系统和虚拟运行系统，完成了装备的姿态与轨迹预测。在察哈素煤矿具体应用实践中，该成果通过融入地面远程调度与井下集控中心，形成了“视频 +数据+VR”的全方位透明化监测系统，丰富了察哈素煤矿工作面计算机集中监测控制功能，对采煤工作方式的革新起到了重要推动作用[9]。

基于所取得的良好经济效益与社会效益，该项成果以校企合作方式获得2021年中国机械工业科技进步二等奖[10]和中国煤机行业“十三五”科技创新成果奖[11]，并入选中国科协2022年科创中国先导技术系列榜单[12]。

3 虚实结合人才培养实践

3.1 校内虚实结合的本科生实践教学

面向上述功能，“煤机装备虚拟现实装配系统”与煤矿综采装备山西省重点实验室现有的实体装备“煤矿综采装备成套实验系统”[13]，组成了校内虚实结合实践载体，承担多项面向机械工程专业煤机方向的本科生实践教学功能（见图3、图4），包括：承担矿山机械认知实验、采掘运机械认知实验、认识实习、毕业实习等实践课程的部分虚拟实验与虚拟实操任务，2020年立项建设的国家级一流专业建设点机械设计制造及其自动化中机械设计方向部分建设任务，国家级教学示范中心煤炭资源开采利用与装备工程实验教学中心中有关煤机装备的部分实践教学任务，山西省煤矿装备与机械结构虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真类实验系统教学任务等。

图3 虚实结合虚拟煤机装备实践教学

图4 虚实结合实体煤机装备实践教学

3.2 校企虚实结合的智能化培训

“煤机装备虚拟现实装配系统”与“煤矿综采装备成套实验系统”[13]虚实结合，除可以完成校内人才培养实践外，也可以实现面向行业企业对员工进行煤机装备智能化技术培训。

2019年8月至2020年12月，山西汾西矿业（集团）有限责任公司与太原理工大学联合举办了智能化工作面建设培训班[14]，双方已联合完成10 期培训，每期22天，培训学员50 名，已累计培训学员约500 名。

在培训授课过程中，通过“煤机装备虚拟现实装配系统”与“煤矿综采装备成套实验系统”形成的虚实结合平台，受训学员掌握了煤矿综采装备智能系统基础知识、智能系统基本原理和组成、系统的基本操作方法以及如何判断和处理系统故障；熟悉了虚拟现实、虚拟装配等新一代信息技术与煤机装备的集成创新若干关键技术，对虚拟现实技术如何在煤矿智能化建设中进行深度“融合-改造-创新”有了深刻认识。培训工作培养了既懂管理又深刻理解信息技术的专业技术管理队伍，充分了解煤矿智能化的基层建设。

3.3 虚实结合公益服务与科普

在公益服务与科普实践应用方面，“煤机装备虚拟现实装配系统”与“煤矿综采装备成套实验系统”形成的虚实结合载体依托煤矿综采装备山西省重点实验室，在每年一次的山西省科技厅组织的公众开放活动中，发挥着向社会普及煤机装备领域的科学知识的作用。近5年来，累计向社会公众开放2 000 余人次，在激发社会公众科学创新意识方面效果明显，对煤矿综采装备山西省重点实验室科学创新支撑作用明显，有效提升了煤矿综采装备山西省重点实验室的社会影响力。

4 结语

“煤机装备虚拟现实装配系统”开发与人才培养实践取得了以下成果。

（1）促进了校企合作科学研究、校企合作成果转化、科研成果服务人才培养。

通过校企产学研合作方式，研发了煤机装备与虚拟现实技术深度融合的“煤机装备虚拟现实装配系统”；面向煤机装备制造企业和煤矿企业，完成了校企合作模式下的成果转化；与“煤矿综采装备成套实验系统”形成了虚实结合的人才培养载体与平台，并基于虚实结合模式，开展了校内本科生实践教学、校企智能化培训、公益服务与科普等。

（2）产教融合深化了校企合作模式。

传统的校企合作通常是学校因为发展需要而成为合作的主动发起方，企业常常是被动合作方，合作过程中企业获益不多，动力不足。本文以对接合作企业信息化和智能化需求为先导，通过校企合作科学研究使合作企业共同受益科研成果，通过校企合作成果转化使合作企业顺利完成煤矿中标项目，实现了校企合作共赢。合作过程是校企双向互动与整合的过程，校企双方都是合作主导者，校企沟通交流由原先的学校单向自发走向校企双向自觉，具有较强的交融性和稳定性特点，实现了深度产教融合，形成了发展共同体。

（3）虚实结合拓宽了人才培养路径。

虚实结合实践平台的应用促进了太原理工大学机械工程（煤机装备领域）实践教学的改革和创新，全面提升了本专业本科生和研究生的培养质量；智能化培训应用为煤矿企业培养既懂管理又深刻理解信息技术的专业技术管理队伍提供了路径；公益服务与科普应用在激发社会公众科学创新意识方面效果明显。