露天礦開採虛擬仿真實驗

露天礦開採虛擬仿真實驗是東北大學建設的虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程。該實驗課程在實驗空間平台授課，課程負責人為顧曉薇，授課教師為王青、胥孝川、陳慶凱、孫效玉。據2021年9月實驗空間官網顯示，該課程做實驗人數3957，其中優秀710人、達標3138人、不達標109人，實驗通過率97.2%。

該虛擬仿真實驗課程利用東北大學自主研發的露天礦最佳化軟體建可進行露天礦最終境界最佳化設計、開採計畫最佳化設計、分期方案最佳化設計等。基於開發的多方案對比程式，可實現對不同設計方案的三維立體空間比較，利於最優方案的直觀選擇。使用露天礦仿真開採程式，可在最優設計方案中進行任意工程布置、車輛調度，模擬露天礦整個開採過程；也可進行VR操作，實現人機互動。露天礦虛擬仿真實驗平台的建設，為採礦工程專業的學生提供了一個全新的實踐環境。

基本介紹

• 中文名：露天礦開採虛擬仿真實驗
• 外文名：Virtual simulation experiment of open pit mining
• 類別：虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程
• 建設院校：東北大學
• 授課平台：實驗空間
• 課程負責人：顧曉薇
• 授課教師：王青、胥孝川、陳慶凱、孫效玉
• 實驗課時：8

課程建設

開設歷程

2010年5月1日，露天礦開採虛擬仿真實驗課程在東北大學上線；

2011年4月1日，露天礦開採虛擬仿真實驗課程面向社會開放；

2020年11月24日，露天礦開採虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程（虛擬仿真實驗教學一流課程）”。

服務規劃

該虛擬仿真實驗已完成整個框架體系搭建，可以滿足正常虛擬仿真實驗教學需求，下一步工作主要包括三個方面。

一是，繼續完善該實驗的各個實驗步驟，比如對炮孔爆破設計，融入爆破最佳化設計理論公式，做到爆破效果最佳化設計，對運輸設備融入最優設備配置和自動化調動原理，實現礦山設備智慧型化運轉等；

二是，對該實驗三個實驗環境之間的銜接儘量簡單化，最終目的是實現所有的學生都能夠利用自己的最佳化設計結果進行礦山整個虛擬開採，而不是簡單的會用已有的模型進行虛擬開採；

三是，完善評價系統，由於該實驗是一個完全開放實驗，實驗結果不確定，所以無法給出一個標準答案，因此給實驗過程的考核增加了難度，該實驗可以借鑑雨課堂教學軟體的功能，通過上傳每一步的實驗數據和圖形，來考核學生的實驗過程。

對於該虛擬仿真實驗課程的後續建設，將以學生參與為主，老師指導為輔，通過大學生創新項目申報，逐步完善每一個實驗模組，既完善了該實驗課程，又鍛鍊了學生的個人動手能力。

課程性質

課程背景

在教學方法和手段方面，東北大學“金屬礦床露天開採”的授課教師們研究總結出採礦工程專業課的教學難點：

1. 三維空間概念的建立。採礦中各種工程有很強的空間性，各種工程的布置及其相互之間的銜接，相關幾何參數的設計計算，都要求學生能夠建立起一個完整的空間三維概念。過去只能藉助平面三視圖憑想像來形成空間結構，教學時費時且效果不佳。
2. 時序概念的建立。採礦不同於一般工廠的生產，後者的作業場地是固定的，而採礦中作業場所和對象是隨時間以一定的順序移動的。這就需要學生掌握採礦過程的時空發展程式，靠靜態圖解很難達到好的教學效果。
3. 實踐性強。課堂上講採礦方法、工藝時，為了具有普遍性，用的大都是典型方案。而採礦的一大特點是地質條件千差萬別，實踐中的方案與典型方案有較大的差別。把學到的一般知識套用到實踐的能力必須通過親自動手來培養，而這是難以在課堂上實現的。

針對上述問題，虛擬仿真實驗教學可以模擬採礦工程結構以及各個工藝環節，在較短時間內使學生建立起三維空間概念和時序概念，而且在需要時學生在課餘可以反覆演放。這些教學輔助手段拉近了教學與實踐的距離，提高了教學效果。藉助露天礦最佳化軟體、三維建模分析軟體以及VR虛擬仿真現實軟體等，學生可以自己動手，套用課堂學到的知識，對露天礦山進行虛擬仿真最佳化設計，做出設計、計畫方案，既深化了對所學知識的理解、鞏固了知識的掌握，又培養了套用所學知識解決實際問題的能力和獨自確定參數、方案的技術決策能力。軟體還可用於課程設計和畢業設計，在有限的時間裡提高設計水平，鍛鍊設計能力。

課程定位

該實驗基於教學團隊自主研發的露天礦最佳化設計軟體（教學版），結合學校（東北大學）提供的機房，保證每個學生可以根據各自的礦山基礎資料庫獨立進行軟體操作，且可以根據自己的認知和判斷，設計不同的參數，得到不同的最佳化設計方案。除了軟體最佳化設計，該實驗還增加了礦山生產現場情景再現，學生可以真實模擬礦山生產，同時可以通過VR操作感受身臨其境。

適應對象

該虛擬仿真實驗涉及到露天礦的基本概念和最佳化原理，所以必須是採礦專業大三的學生，學完露天開採課程後方可進行試驗。該實驗設計的第二環節和第三環節，如果僅從觀摩角度考慮的話，適合於社會大眾，對專業和知識層次要求不高，可以通過對第二環節和第三環節已有資料庫的操作了解礦山生產現狀和生產流程。

課程簡介

實驗原理

1.露天最佳化實驗原理

虛擬開採仿真過程中，露天礦境界最佳化虛擬仿真實驗的基本原理是通過構造的三維錐體，從礦體模型的最低水平開始逐層排除不盈利的模組（以錐體為單位）；露天礦開採計畫虛擬仿真實驗的基本原理是通過構造的三維錐體，從礦體模型的最低水平開始逐模組柱搜尋並排除平均品位最低的模組集合，產生一系列地質最優開採體序列，然後使用動態規劃法求解最優開採計畫；露天礦分期開採最佳化虛擬仿真實驗的基本原理與開採計畫類似（區別在於排除的增量大小不一樣，幫坡角不一樣），通過構造的三維錐體，從礦體模型的最低水平開始逐模組柱搜尋並排除平均品位最低的模組集合，產生一系列地質最優境界序列，然後使用動態規劃法求解最優分期方案。

露天礦最佳化實驗的仿真度可達90%。

2.露天礦最佳化結果三維空間立體對比實驗基本原理

該實驗採用露天礦最佳化軟體計算出的真實露天回採方案境界圖紙，通過三維建模技術生成真實的露天坑三維模型，與真實地形同比例。實驗軟體能夠根據最佳化軟體導出的礦體塊模信息一鍵生成礦體塊體模型。實驗載入三維模型後，能夠在同一場景中將方案的各年末圖進行疊加顯示，並能夠根據用戶調節進行不同速度的自動播放顯示，及手動切換顯示，360°自由旋轉和縮放礦體模型進行觀察。並能夠根據礦體不同品位信息對礦體模型進行篩選顯示。能夠使用戶更加清楚的知道不同露天礦回採方案之間的區別及與礦體的相對關係。

露天礦最佳化結果三維空間立體對比實驗的仿真度可達95%。

3.露天礦生產現場情景再現實驗基本原理

該實驗以露天礦山生產現狀為模型，對露天礦開採作業過程進行仿真演示，實驗能夠根據用戶輸入的礦山參數及設備參數如台階高度、孔深、鑽機效率、卡車載重等，通過用戶圈定的開採區域及指定的卸礦位置來計算該作業任務的理論作業時長、能耗、物耗、電鏟效率等作業數據。在作業任務進行過程中，能夠實時監控各個設備的生產狀態，統計車輛的產量、重載里程和時長等統計數據。並對某一作業區域“具備鏟運條件”“車輛排隊較多”“卡車數量不足”等特殊情況以調度信息的形式進行顯示。用戶可以動態管理各個生產作業任務的啟停，並根據生產設備的利用情況在多個生產任務之間進行資源調配來模擬礦山生產的車輛調度過程。實驗中所有參數均基於真實的礦山生產參數，計算算法採用礦山實際算法，力求模擬結果與礦山真實情況相吻合。

露天礦生產現場情景再現實驗仿真度可達99%。

該實驗課程有以下51個知識點：

1.組合樣品 2.極值樣品 3.邊界品位 4.盈虧平衡品位 5.礦石損失率 6.礦石回採率 7.廢石混入率 8.礦石貧化率 9.金屬回收率 10.最大現值（LANE）法 11.礦床數值模型 12.區域化隨機變數 13.半變異函式 14.塊金值與塊金效應 15.幾何各向異性 16.克里金估值 17.距離反比法

18.最終境界 19.經濟合理剝采比 20.露天礦合理開採深度 21.橫剖面線段比法、面積比法 22.水平剖面面積比法 23.浮錐排除法 24.圖論法 25.最終幫坡角 26.並段 27.開採計畫 28.台階要素 29.開採選別性 30.工作平盤與安全平台 31.工作幫坡角 32.運輸坡道 33.緩衝平台 34.露天開採一般過程

35.出入溝 36.段溝 37.最小溝底寬度 38.台階推進方式 39.採掘方式 40.工作線布置方式 41.采場布線方式 42.生產剝采比 43.露天礦生產能力 44.採掘進度計畫 45.穿孔與爆破作業 46.組合台階 47.分期開採 48.露天礦床開拓 49.采裝與運輸作業 50.車輛調度 51.排土作業

（參考資料來源）

課程步驟

實驗方法

首先，對露天礦最佳化軟體、三維模型展示軟體以及露天礦生產現場情景再現軟體的基本操作功能進行介紹，包括圖形編輯、外部數據導入、數據導出、模型操作、數據顯示等。

然後，在每做一個虛擬仿真最佳化實驗時，先回顧一下最佳化原理和基本知識點，在指導實驗過程中，強調因操作不當可能出現的各種問題以及解決辦法。

最後，由於該實驗是完全開放性，也就是說最佳化設計結果理論上存在無數多個，所以鼓勵學生自由探索，並自己對實驗結果進行總結和分析。

操作步驟

學生互動性操作步驟數：32

學生互動性操作步驟說明：露天礦虛擬仿真實驗總共包括三個實驗環節，第一是基於露天礦最佳化軟體進行露天礦最終境界、開採計畫和分期方案最佳化；第二是使用三維演示軟體對不同最佳化方案進行對比展示；第三是基於真實礦山（或者學生自己最佳化的方案）進行生產現場情景再現，學生可以自行設計爆破區域、車輛配置和選型、人員安排，並通過VR實現采場行走、觀摩和操作。實驗總共步數為32步。

操作環節	具體步驟	示意圖
第一環節 露天礦最佳化設計	第一步，建立礦山數值模型，包括礦體模型、品位模型、台階模型等；	數值模型
	第二步，最佳化最終境界；	境界最佳化
	第三步，對最終境界內不合理等高線進行編輯，分析不同市場行情和技術條件對露天礦最終境界影響；	境界影響分析
	第四步，在最終境界內布置運輸坑線；	-
	第五步，在給定境界內最佳化開採計畫；	開採計畫最佳化
	第六步，分析不同市場行情對開採計畫影響；	-
	第七步，對每一年開採計畫不合理的地方進行編輯；
	第八步，分析不同境界在相同市場行情下對應的開採計畫變化特點；
	第九步，根據軟體具有的產生地質最優候選境界序列功能，產生多個候選境界；
	第十步，分析不同候選境界在相同市場行情條件下的開採計畫變化特點。	境界-計畫整體最佳化對比
第二環節 不同露天礦最佳化設計方案三維空間立體對比	第一步，導入礦區地理模型和礦體分布數據；	-
	第二步，設定各品位級別礦塊的顯示顏色；	礦塊設定
	第三步，生成礦塊模型；	-
	第四步，導出帶有礦塊資源模型的地形圖；
	第五步，三維演示礦區開採的地形變化過程；	礦區演示
	第六步，對比不通開採方案的變化特點；	-
	第七步，對礦塊顯示進行按品位篩選，觀察不同品位礦塊分布；	品位篩選
	第八步，手動旋轉視角從各個角度觀察礦區開採過程的地形變化。	-
第三環節 露天礦生產現場仿真開採	第一步，創建露天礦地勢模型；
	第二步，在礦區內標記車輛起點、若干個裝礦點和卸礦點；	礦區模型及作業點
	第三步，導出礦區模型；	-
	第四步，三維自動演示礦區開採作業過程；	鏟運過程演示
	第五步，配置工程算量基礎數據；	配置算量數據
	第六步，繪製開採區域，創建作業任務；	-
	第七步，為作業任務配置卸貨點和卡車數量；	創建作業任務
	第八步，觀察作業任務相關數據在不同資源配置下的變化；	-
	第九步，執行作業任務，觀察轉孔，爆破，鏟運作業流程；
	第十步，創建其他開採任務；
	第十一步，在任務列表面板中對多個生產任務作業進程進行管理；
	第十二步，在不同開採任務之間進行車輛調配；	作業任務進程管理
	第十三步，觀察生產過程的調度信息提示；	-
	第十四步，在設備信息面板中觀察卡車和電鏟的作業狀態變化和生產統計數據。	設備作業信息管理

（註：表格內容參考資料）

實驗記錄

是否記錄每步實驗結果：是

實驗結果與結論要求：實驗報告，心得體會

其他描述：實驗報告需要有詳細的數據分析和附圖

課程特色

教學方法創新

基於教學團隊已建立的國家精品線上開放課程“採礦學”，對學生進行線上線下相結合的混合式教學模式；採用手機端的雨課堂和MOOC課堂軟體，遠程與學生進行仿真實驗的實時交流和數據推送；智慧型監控學生實驗操作狀態。

評價體系創新

評價體系包括：課堂實踐操作表現評價；課後學習報告評價；MOOC平台線上學習效果評價和測驗；雨課堂教學軟體對學生學習情況後台數據分析，加強過程監控；MOOC手機端課堂掃描點名、課堂隨機抽查和測驗等。

對傳統教學的延伸與拓展

傳統教學手段停留在二維空間，而採礦專業具有較強的立體空間特點，學生往往難以構架出礦山實際空間布局。鑒於此，該虛擬仿真實驗教學，以傳統課堂教學的理論傳授為基礎，通過礦山數值模型建立，形成礦區立體空間；通過虛擬開採和礦區布置，使學生對礦山有整體掌控和巨觀認識；鍛鍊學生的動手操作能力，和對案例礦山隨市場行情變化的綜合分析能力；學生通過VR操作，可以不用去礦山生產現場同樣可以體驗整個生產流程。

教學計畫

面向高校

該實驗在高校之間的推廣有三個條件。第一，實驗課程能共享，也就是其他高校可以獲得該實驗的資源；第二，高校學分互認，激勵學生選擇自己感興趣的課程修學分；第三，必須保障質量，讓該實驗在改進中不斷完善，吸引相關院校的重視。

面向社會

該實驗實現了整個礦山生產的全過程虛擬仿真，這對一個即使不懂露天礦的人來說，也可了解大概情況。而露天礦一般位於偏遠地區，對很多人來說不知道露天礦是什麼樣，通過該實驗項目的情景再現軟體虛擬整個生產現場，能讓更多的人為露天開採規模所震撼，對礦業有新的認識，改變人們對礦山生產以及從事礦業行業人員的偏見。

教學目標

金屬礦床露天開採是一門實踐性很強的專業課程，通過虛擬仿真實驗教學，學生可以更加深刻的認識到最終境界最佳化、礦床開拓工程布置、開採計畫最佳化、車輛調度等採礦工藝的時空順序特點，進一步強化基本概念，熟悉礦山生產流程。

教學要點

• 教學方法

1. 基於露天礦最佳化結果，使用三維演示軟體對不同最佳化方案進行對比展示，學生可以直觀的比較出不同方案在三維空間的分布情況，進而做出合理的選擇。
2. 露天礦生產現場情景再現。學生基於一個正在生產的露天礦真實現場，可進行穿孔、爆破、鏟裝、運輸和排土等工序設計，可進行車輛配置和調度，可任意設計爆破區域。同時，學生可以通過VR實現模擬行走在生產現場，真實感受礦山生產過程。

• 教學手段

1. 藉助教學團隊已建成的國家精品網路線上開放課程“採礦學”（中國大學MOOC）以及已經上線的慕課“金屬礦床露天開採”（中國大學MOOC），學生可實現對實驗基本原理和基本理論的熟悉和理解。
2. 實驗課教學過程中，藉助雨課堂教學軟體，實時統計學生學習情況，實驗數據是否合理，監控學生實驗進度等。
3. 露天開採課程實驗依託教學團隊自主研發的露天礦最佳化軟體，學生根據實際需求，可任意設定參數，對整個礦區進行最終境界、開採計畫以及分期開採等最佳化，獲得不同的礦山開採方案；變化參數，快速做出多個方案對比。

學習預備

知識能力

實驗操作者需要對整個露天礦開採程式和最佳化原理有基本的了解和認識，對於能力較強的學生，要想基於自己在第一個環節中的最佳化結果進行後續兩個環節的實驗，還需要在建模方面有一定基礎，比如會使用3Dmax、Auto CAD、Surpac等建模軟體。

預設參數

礦山地質數據、採礦成本、剝岩成本、選礦成本、精礦售價、回採率、選礦回收率、廢石混入率、混入廢石品位、邊界品位、平均品位、最佳化級別、最終幫坡角、生產能力上下限、開採體增量、候選境界增量、設備數量和型號、炸藥類型和數量、運輸距離等。

軟體設備

露天礦最佳化軟體一套

三維模型空間立體顯示軟體一套

虛擬露天礦生產現場情景軟體一套

PC及HTC Vive設備

運行條件

具體條件	具體要求
網路條件要求	說明客戶端到伺服器的頻寬要求（需提供測試頻寬服務）：第一，基於公有雲伺服器部署的系統，5M-10M頻寬； 第二，基於區域網路伺服器部署的系統，10M-50M頻寬。 說明能夠支持的同時線上人數（需提供線上排隊提示服務）：500
用戶作業系統要求	計算機作業系統和版本要求：Windows 7及以上。 其他計算終端作業系統和版本要求：無 支持移動端：是
用戶非作業系統軟體配置要求	需要特定外掛程式：否 其他計算終端非作業系統軟體配置要求（需說明是否可提供相關軟體下載服務）：火狐瀏覽器（推薦），google瀏覽器（推薦），微軟的edge瀏覽器（推薦），360瀏覽器（極速版）
用戶硬體配置要求	計算機硬體配置要求：作業系統：Win7及以上；瀏覽器：IE8.0；處理器：Intel 2.2GHz；記憶體：8GB；硬碟空間：80G；顯示卡：解析度1920x1080；網路：1000Mbps乙太網卡；顯示器：14英寸以上；網速：10M；顯存：2G。 其他計算終端硬體配置要求：無
用戶特殊外置硬體要求	計算機特殊外置硬體要求：如進行VR操作，需購買HTC Vive設備。 其他計算終端特殊外置硬體要求：無
網路安全	項目系統是否完成國家信息安全等級保護：否

（註：表格內容參考資料）

考核標準

學生需要完成三個環節的實驗任務。其中第一個環節的實驗任務所有學生都一樣，完成任務後，保存實驗數據；第二個環節，學生根據個人能力，有兩種路徑完成，一是對於能力較強的學生基於第一環節的最佳化結果自行建立三維模型並結合三維模型演示軟體進行多方位展示，二是對於能力一般的學生可以使用已經建立好的三維模型演示不同方案對比效果；第三個環節同樣針對不同層次的學生進行考核，能力較強的學生可以把自己前兩個環節得到的礦山設計方案導入到礦山情景再現軟體中，替換已有礦山現場模型，進行生產仿真模擬，對於能力一般的學生，可以基於軟體自帶的礦山場景，設定不同參數模擬礦山生產。

在實驗系統的題庫里線上隨機答題；提交實驗報告。

教師簡介

顧曉薇，東北大學資源與土木工程學院教授、博士生導師。主要從事大宗工業固廢資源化利用、露天礦床開採最佳化及礦山資源與生態經濟領域的研究工作。

王青，東北大學採礦工程研究所教授、博士生導師。主要從事礦山最佳化開採和資源經濟學研究，形成了一套較完整的露天礦整體最佳化理論、模型與算法體系，研發有露天金屬礦和煤礦的最佳化設計與計畫軟體系統。

胥孝川，東北大學資源與土木工程學院師資博士後。曾作為項目負責人主持國家青年基金、國家項目培育種子基金、大學生創新性項目（國家級）、研究生科研創新項目以及中華環境保護基金會“123”工程。

陳慶凱，東北大學資源與土木工程學院副教授、碩士生導師，遼寧省工程爆破協會副秘書長。主要研究方向：礦床開採技術、工程爆破技術。

孫效玉，東北大學資源與土木工程學院教授，採礦系教授委員會副主任。主要研究方向：礦山設計、生產與管理的智慧型化與信息化。