基于开源平台BPIP的采矿教学实践与学生科创探索.pdf
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1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023 基于开源平台 BPIP 的采矿教学实践与学生科创探索朱权洁1,梁 娟2,欧阳振华3,郑贵强1,赵启峰3,滑 帅4(1.华北科技学院 应急技术与管理学院,河北 三河 065201;2.防灾科技学院 文化与传播学院,河北 三河 065201;3.华北科技学院 矿山安全学院,河北 三河 065201;4.华北科技学院 安全工程学院,河北 三河 065201)摘 要:采矿工程是一门具有复杂性、整体性和系统性特点
2、的学科。受制于开发平台等条件,采矿专业学生开展创新活动难度大、可持续性差,且与矿山现场应用存在较大距离。提出了一种基于开源程序的大学生科技创新实践平台(BPIP 平台),该平台以 Blender 开源软件为载体,以 Python 为脚本语言,通过交互方式调用Blender 自带内置引擎,构建一套支撑服务于矿山生产、灾害仿真等的三维可视化仿真平台。通过引入人工智能、数学建模等方法和思路,实现了矿山井巷自动生成、采矿参数优化、灾害动态仿真等内容。结合华北科技学院采矿专业学生的科技创新实践,BPIP 平台已被成功应用于三维矿山模型快速构建、爆破设计三维可视化以及突水灾害避灾仿真等创新活动,取得了良好
3、的效果。关键词:大学生创新活动;开源平台;实验平台;智慧矿山;Blender 开源软件中图分类号:TD77 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.052Mining teaching practice and students exploration of scientific innovation based on open-source platform BPIPZHU Quanjie1,LIANG Juan2,OUYANG Zhenhua3,ZHENG Guiqiang1,ZHAO Qifeng3,HUA Shuai4(1.School
4、 of Emergency Management,North China Institute of Science and Technology,Sanhe 065201,China;2.School of Culture and Communication,Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,China;3.School of Safety Supervision,North China Institute of Science and Technology,Sanhe 065201,China;4.Safety Engineering
5、 College,North China Institute of Science and Technolo-gy,Sanhe 065201,China)Abstract:Mining engineering is a subject with the characteristics of complexity,integrity and system.Confined to the development platform and other conditions,it is difficult for students majoring in min-ing to carry out in
6、novative activities,and the sustainability is poor,and there is a large distance be-tween them and the field application of mining.In this paper,a BPIP platform for college students based on open source program is proposed.This platform takes Blender open source software as the carrier,Python as the
7、 scripting language,and calls Blenders built-in engine in an interactive way to build a set of 3D visual simulation platform supporting mine production and disaster simulation,etc.Through the introduction of artificial intelligence,mathematical modeling and other methods and ideas,the automatic gene
8、ration of mine shaft and lane,mining parameter optimization,dynamic simulation of disaster and other contents are realized.Combined with the scientific and technological innovation practice of mining students in North China University of Science and Technology,BPIP platform has been successfully app
9、lied to the rapid construction of three-dimensional mine model,three-dimension-al visualization of blasting design and simulation of water inburst disaster avoidance and other innova-tive activities,and achieved good results.朱权洁,等:基于开源平台 BPIP 的采矿教学实践与学生科创探索Key words:college students innovation activ
10、ities;open source platform;experiment platform;intel-ligent mine;Blender 收稿日期:2021-05-24 修改日期:2022-09-26作者简介:朱权洁,博士,教授,主要从事矿业工程、防灾减灾等专业的科研与教学工作。E-mail:youyicun2008 基金 项 目:教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目(项 目 编 号:202102039026);中央高校基本科研业务费项目(项目编号:3142021002);华北科技学院校级教育科学研究课题(项目编号:HKJYGH202206);河北省地震灾害防御与风险评价
11、重点实验室资助项目(项目编号:ZY20215217)。采矿技术在经历工业革命、风动凿岩以及机械化大开采后,在 21 世纪已进入全新时代。2012 年 9月 26 日,依据关于推动产业技术创新战略联盟构建的指导意见(国科发政2008770 号)文件,中国智慧矿山产业技术创新联盟成立,其目的是实现矿山的本质安全、高产高效、绿色环保。2018 年 10月 12 日,“中国矿业大学智能采矿人才培养高端论坛”进一步明确了智能采矿的内涵,同时提出了对新时期智能采矿人才能力与素质的要求,这其中明确指出智能采矿人才应该具备地质测绘、人工智能、计算机与数据等新的知识结构。由此可见,智慧矿山的概念已逐步被矿业领域
12、认可,未来采矿行业将越来越呈现“智慧型”特征。因此,新时期的采矿专业学生应具备智能采矿的相关概念,并提前了解智能采矿的相关知识。人工智能、虚拟现实、互联网、大数据等高新技术的快速发展,为矿山数字化构建带来发展机遇。数字化矿山是数字矿区与数字煤矿的一个重要组成部分,旨在实现矿山的综合自动化,是采矿领域未来的发展方向,已在我国部分煤矿落地推广。采矿工程专业系地矿类专业,旨在培养能很好地适应采矿工作、有较宽知识面、对新技术和新知识适应能力较强的综合素质人才1-2,因此,数字化矿山、智能化矿山在采矿专业教学中的提前引入势在必行,加速了采矿工程专业教学的变革。由于现有的书本教学及计算机辅助教学模式,存在
13、特定教学内容难呈现、难重复,不具备三维空间属性等缺陷,不能满足采矿工程专业教学变革要求。近年来,在科教方面开源软件已崭露头角。以开源软件 Blender 为例,该软件具备媲美商业软件3DMAX 的完善功能及后处理,被广泛应用于艺术、天文3、化学4、自然灾害5等领域。笔者团队一直开展数字矿山方面的研究工作,借助 Blender 和Python 搭建了三维模型快速生成平台(BP 平台),利用该平台实现了对矿山三维虚拟环境的生成与搭建 6-7。基于上述原因,在智慧矿山的背景之下,以采矿工程专业教学改革为例,提出构建基于 Blender和 Python 科技创新平台(BP 科创平台)。该平台具有自动化
14、程度高、模型生成速度快以及开发人员需求少、可扩展性强、费用低廉等优点,适合于高校科研团队开展科创研发。因此,BP 平台的搭建将为华北科技学院采矿专业课程的讲授、采矿学生大创活动的开展奠定基础。1 当前大创活动面临的主要问题当前计算机技术快速发展,大量先进技术被广泛应用于各个行业。以矿业领域为例,数字化矿山、智能化矿山是采矿领域未来发展的方向,也是采矿专业教学必须提前引入的,这其中矿山三维模型构建与交互仿真是一个关键内容。以往的采矿教学实践中多以计算机辅助教学,教学内容多以平面模式展示,缺乏直观立体感的效果。限于各种客观条件,采矿专业学生缺少合适的平台去开展与之相对应的大学生创新活动,这主要体现
15、在以下几个方面。(1)矿井三维模型开发速度慢、精细化程度低。目前多采用 GIS 等伪三维模式展可视化仿真,并不是真正意义上的三维,还有一些是几何模型粗糙、建模速度慢,此外,很难将建模、仿真等在一个软件中全部实现。(2)多为一次性开发,缺少连续性,难以满足大学生创新需求。针对于某一具体场景(矿井)进行研发,但无法进行后期的二次开发,这主要是由于商业软件开发的局限性所导致。(3)创新活动与实际生产脱节,无法产生社会经济效益。受制于商业软件和选题,没有良好的平台供学生选择,并应用于矿山现场。本文聚焦“智能采矿”背景下的采矿专业人才培养问题,以创新人才培养与实践育人问题为核心,具有将理论与实践相结合、
16、紧扣人才培养热点等特色。基于上述背景,本文提出了一种基于“Blender-Python”的开源科技创新平台(BPIP 开源平台),通过快速构建矿山三维模型,实现矿山井巷实体模型的快速实体化,在此基础上引入交互仿真,形成矿山922生产的三维可视化交互仿真。通过该平台的构建,为采矿等工程类专业大学生提供了一个崭新的课外创新活动条件,同时,寓教于乐,将书本的平面模型立体化、复杂知识简单化、枯燥知识生动化。通过营造积极进取的人文环境,构建立体式的交流平台和多样化的实践机会,将实践育人贯穿到学生科技创新活动之中,最终实现“教学-科创-就业”的循环促进体系。2 Blender 与 Python 开源平台简
17、介2.1 开源 Blender、Python 简介Blender 是开源的三维动画制作软件,可以进行建模、贴图、动画、粒子、渲染、运动跟踪、合成、后期处理和游戏制作等操作,同时具有多用户界面以及工具栏、操作面板、3D 视图、时间轴等命令窗口。随着 Blender 软件不断的升级与发展,其打破了商业软件的壁垒,在建模、贴图、后期渲染、动画等功能方面可与 3D Max、Maya 等商业软件相媲美。Python是 Blender 的底层开发语言,贯穿于各个流程和环节,对模型快速构建、流程简化起到关键作用。Blender 优势明显,主要有以下几点:(1)完全开源;(2)免费跨平台软件;(3)体积小、绿
18、色版,储存、携带方便;(4)Blender 底层由 Python 开发,提供 Py-thon API;(5)更新速度快:Blender 软件功能随着需求的提升在不断优化与完善。作为优秀的三维软件,Blender 可以完成矿山三维场景由建模、贴图、动画、渲染到可视化仿真全过程的各个环节。尤其重要的是,Blender 还内置了Python 解释器与编辑器,提供了完善的 Python API,这为模型的参数化自动构建提供了契机。Python 作为典型的解释型脚本语言,在科学计算、人工智能、软件开发等方面的应用广泛。由此,提出一种基于Blender 和 Python 软件的开源创新平台(BPIP,Bl
19、ender and Python innovation platform of open source)。BPIP 创新平台的实质是,以开源软件Blender 引擎为开发平台,利用 Python 语言编写脚本、调用函数进行数字矿山系统模型的自动、快速构建。2.2 开源平台特点与优势采矿工程是一门兼具复杂性、整体性和系统性特点的综合性学科。以主干课程“采矿学”为例,该课程要求训练和培养学生对矿井系统具有良好的立体空间感,了解矿井生产在时间和空间上的配合关系。其目的是为了让学生深入了解和掌握矿井主要系统和设备,进而提升学生理论联系实际,分析和解决实际问题的能力。基于上述原因,本文开展了矿山三维模型
20、快速构建及虚拟仿真的研究。所开发和完善的 BPIP 创新平台除了应用于日常教学外,在学生创新、科学研究等方面也可使用。BPIP 开源创新平台具有以下特色:(1)人力物力等投入低。整个开发投入不需要大量人力物力去支撑,几个人的小组就可以组建研发团队;(2)创新平台的可扩展性、规范性良好,其开源特性可为后期自主研发提供便利;(3)操作简单、运行速度快,尤其适合于高校及科研单位持续研发;(4)研发系统安全稳定,可满足当前高速、稳定运行的需求;(5)技术先进、开发前景强,版本的持续更新保证了开发平台的可持续性。可以看出,BPIP 创新平台的巨大优势为采矿教学实践和学生科创活动的开展奠定了基础。未来将充
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