虛擬現實技術在礦業領域應用現狀綜述

摘要：論述了虛擬現實在國內外礦業領域的應用現狀和最新動態。從礦井生產過程的動態模擬、煤礦生產設備的虛擬設計和制造、礦井事故模擬與調查分析、礦井火災和瓦斯爆炸模擬等幾個方面分析了目前虛擬現實在礦業中的應用。

關鍵詞：虛擬現實；礦業領域；應用現狀

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)33-1511-02

Summarizing the Application Status Quo of Virtual Reality technology in Mining Field

GU Hai-xia1，WAN Wei2

(1.Xuzhou Normal University， Xuzhou 221116， China; 2.Yancheng Institut of Technicion， Yancheng 224002， China)

Abstract: The application status quo and the recent development of virtual reality in mining field are discussed. And this paper analyses the application of virtual reality in mining field from the aspects of simulating the mine production course dynamically， virtually designing and manufacturing the mine production equipment， accident simulation and diagnoses and fire damp explosion.

Key words: Virtual Reality; mining field; application status quo

1 前言

虛擬現實技術已在礦業領域很多方面得到應用并取得令人注目的成就，這些研究成果已經顯示出虛擬現實技術在礦業領域應用的巨大潛力。目前國外從事虛擬現實技術在礦業中應用研究的主要有英國諾丁漢大學化工、環境與采礦工程學院所屬的人工智能及其礦業應用研究所（簡稱AIMS）、南非工業與科研委員會（CSIR）礦業技術部的A.Squlch、美國賓西法尼亞州立大學采礦工程系的C.J.Bise、德國柏林工業大學B.M.Winkler等。其研究內容主要集中在采礦工程模擬、技術培訓、事故分析、風險評估、災害防治等方面。

2 研究現狀

目前國外的許多工業組織和科研院校紛紛加大研究力度和深度，積極開發和探索虛擬現實技術應用的新領域。目前虛擬現實在國內外礦業中的應用主要集中在以下幾個方面[1]：

2.1 礦山生產環境的風險評價

英國諾丁漢大學的AIMS Solutions公司開發出一系列礦山VR模型，如露天礦單斗-卡車作業系統、礦井開采系統模擬模型等。通過應用VR技術輔助識別和評價對象（如設備、人員等）的風險狀況，從而得出更客觀的風險評價。這種VR計算機系統可動態的進行生產環境的風險分析。采礦設備周圍的風險區域是動態的，它依據當前時刻虛擬環境中所處的狀態對回采工作的多個工序進行風險評價。

2.2 礦井生產過程的動態模擬與技術培訓

利用虛擬現實技術創建的礦山生產環境具有逼真、交互作用的特點。應用VR技術制作出的軟件或錄像，可以直觀模擬采礦環境及其作業過程、適于礦山職業教育和崗位培訓。諾丁漢大學AIMS研究室應用VR技術開發的房柱式開采模擬系統VR-MINE、蓄電池機車模型、露天礦單斗-卡車工藝生產系統等可分別用于相應環境下工作人員的培訓。該系統在南非的一個金礦用于培訓井下工人識別礦井開采危害及巖石冒落事故的發生。系統所建立的三維環境是該礦最忙碌且事故頻發的工作面，其危害主要來自巖體冒落和設備運行。一旦訓練者進入虛擬環境中的某個危險區，而又未做出正確的反應時(系統在屏幕底部顯示出一系列圖標來表征不同的反應)，系統就會以圖像和聲音形式模擬出這種災害的動態發展過程。同時記錄每個訓練者的成績，以供評價和比較。南非金礦的應用表明，礦工通過這種訓練，不僅強化了安全意識，也增強了事故識別能力，達到了減小礦山災害發生及其危害程度的目的。

2.3 煤礦生產設備的虛擬設計和制造

虛擬現實技術用于大型設施、設備的設計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現實技術用于對煤礦新設備的設計方案進行性能評估，則更顯示出虛擬現實技術的優勢。由于井下場地狹窄，環境惡劣，因此煤礦設備的虛擬設計和制造，其意義不僅僅是節約資源和時間，而是完成在地面或在常規條件下無法進行的工作。例如采煤機虛擬設計中，設計人員不必等到樣機制造出來后再去修改其中不太理想、不太合理的部分，因為VR系統可以容許他們“進入”電腦中的三維空間圖像，借助多種交互手段直接對采煤機的設計進行觀察、討論和修改，從而大大縮短設備的研制周期，節省研制費用。中國礦業大學（北京校區）開發了綜合機械化采煤中的采煤機和支架的虛擬現實系統，可以通過采煤機和支架的基本參數來模擬其在特定力的作用下的運動，也可以利用VR傳感器或三維鼠標進行控制，對所建模型的各個部位進行全方位觀察，進一步優化結構，改進設計方案。

2.4 礦井事故模擬與調查分析

應用計算機繪圖和虛擬現實技術可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現各種事故發生的過程，事故調查者可以從各種角度去觀測、分析事故發生的過程，找出事故原因，包括系統設計和現場人員的動作行為。這個在公安部門的案例分析中已有應用，在礦業領域還沒有涉及。中國的煤礦事故發生率非常高，通過對事故的事后調查，可以明確事故責任，更重要的是防止其它與此相關或類似的潛在事故的再次出現。礦山事故預防的關鍵在于創造并維護安全的工作環境、宣傳并執行安全的作業行為，從而防止錯誤行為的發生。應用VR技術可以快速、有效地在計算機屏幕上再現事故發生的過程。事故調查者可以從各種角度去觀測、分析事故發生過程，從而找出事故發生的原因并采取相關預防措施，防止類似事故的再次發生。圖1為通過VR技術再現的井下礦車事故發生的情景。通過交互式改變該模型中的環境參數來模擬再現事故過程，可以找到避免類似事故發生的技術途徑和工人安全注意事項。

2.5礦井火災和瓦斯爆炸模擬

計算機技術的高速發展使得在災變條件下復雜通風網絡的快速解算成為可能，從而指導井下火災發生時正確地控制風流，確保井下工作人員安全撤出，防止火災和有害氣體、煙塵等的蔓延。近幾年來，計算流體動力學 (簡稱ＣＦＤ)已廣泛用于工業火災、爆炸和煤礦火災，ＣＦＤ通過解算與火災和爆炸物相關的數學模型，可以較準確地預測火區附近的溫度、火風壓及其燃燒產物的實時分布狀況。

ＡＩＭＳ的研究人員目前正致力于礦井火災ＶＲ系統的開發。該系統通過模擬某個真實的礦井作業環境，并結合網絡分析和ＣＦＤ模擬的結果，可以逼真地展示出火災或爆炸發生的動態過程。除了模擬火煙彌漫狀況外，該系統還可通過人機交互作用顯示出人為因素， 如反風、滅火措施等對這整個通風網絡的影響。此類系統的開發，無疑可以廣泛地用于礦井火災的防治、救災和人員培訓等方面。

中國礦業大學（北京校區）采用粒子系統對礦井火災進行了三維可視化研究。在應用VC6.0 和open GL API 開發的程序中，設計了地下井巷真實感模型和火災煙氣與火焰模型，并考慮了風向對火焰以及煙流形態的影響、巷道高度受限影響等因素。圖2所示為該系統完成的巷道火災模擬結果。

該系統可以說只是礦井火災的示意圖，沒有逼真體現礦井火災的效果，為了能使研究成果應用在生產實際中去，必須進一步增加火災環境的真實性和火災模擬算法的研究。

2.6 生態重建

采礦無論是地下開采還是露天開采都會導致地表遭到破壞，破壞后的重建一般不是最初環境的簡單恢復，而是按照采礦的時空發展順序和最終符合當地人們的需求和價值取向，對生態系統的組成、結構和功能進行積極的安排和調控，重建一個高水平、可持續發展的生態系統。在生態重建的規劃設計、方案論證的過程中，采用虛擬現實技術，能夠把各種不同的方案在計算機中逼真的體現出來，給決策者提供一種直觀形象的輔助決策手段，對于方案中不完美之處可以快速修改，這對于生態重建最優方案的確定有重要意義。中國礦業大學（徐州校區）進行了露天礦生態重建的研究，應用于霍林河礦的生態重建，取得較好效果[2]。圖3是露天礦生態重建后的仿真效果圖。

圖1 應用VR進行礦車事故的調查與再現

圖2 采用粒子系統算法的礦山巷道火災

圖3 露天礦生態重建后的仿真效果圖

3 國際動態

加拿大已制定出一項擬在2050年實現的遠景規劃，即將加拿大北部邊遠地區的一個礦山實現為無人礦井，從薩得伯里通過衛星操縱礦山的所有設備，實現機械自動破碎和自動切割采礦；芬蘭采礦工業于1992年宣布了自己的智能采礦技術方案，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網建設、新機械應用和自動控制等28個專題；瑞典制定了向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000”戰略計劃。中國礦業大學等單位也相繼開展了采礦機器人(MR)、礦山地理信息系統(MGIS)、三維地學模擬(3DGM)、礦山虛擬現實(MVR)、礦山GPS定位等方面的技術開發與應用研究。隨著實時礦山測量、GPS實時導航與遙控、GIS管理與輔助決策和3DGM的應用，國際上一些大型露天礦山（包括我國的平朔、霍林河礦區）已可在辦公室生成礦床模型、礦山采掘計劃，并與采場設備相聯系，形成動態管理和遙控指揮系統。

在我國，首個數字化礦井技術通過驗收，是由山東新汶礦業集團泰山能源股份有限公司翟鎮煤礦，與北京大學遙感與地理信息系統研究所合作研制。據說該系統在我國首次全面開展了基于GIS技術、計算機網絡技術、三維可視化和虛擬現實技術在礦山開采領域的集成和應用研究，首次全面開展了集巷道和地層為一體的煤礦專用三維可視化和虛擬現實系統的研究，首次實現了基于地測基礎數據的生產圖形的一體化管理，使礦井圖形的自動化處理水平躍上了一個新的臺階，同時取得了實用化的成果。

4 小結

本文分析了虛擬現實技術在國內外礦業領域的應用現狀和最新動態，目前虛擬現實在國內外礦業中的應用主要集中在礦山生產環境的風險評價、礦井生產過程的動態模擬與技術培訓、煤礦生產設備的虛擬設計和制造、煤礦生產設備的虛擬設計和制造、礦井事故模擬與調查分析、生態重建幾個方面。虛擬現實技術在礦業領域的應用研究已從多個角度展開并取得一定成果，但其在選煤系統方面的應用尚很少見，因此將該技術引入到選煤系統，構建選煤系統的三維仿真系統及其虛擬生產系統，為基于虛擬選煤廠的生產管理和信息化建設搭建一個直觀、逼真的三維平臺，對提高選煤廠生產和管理的技術水平，促進礦山企業信息化建設等，都可起到積極的作用。

參考文獻：

[1] 吳立新，張瑞新，戚宜欣，等，3維地學模擬與虛擬礦山系統[J]，測繪學報，2002(31，1):31-33.

[2] 申閆春，才慶祥，張幼蒂，等，虛擬現實技術在露天礦生態重建仿真中的應用[J]，中國礦業大學學報，2002(31，1):1-5.