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[摘 要]虚拟现实技术和地理信息系统技术在近十几年时间里取得了快速的发展，目前已经成为人们了解和探索现实世界的两大重要技术手段。由于缺乏足够的重视和资金不足等方面的原因，矿山的信息化建设与其他行业比起来相对较晚，目前煤矿的工作模式仍以二维图表和文字资料为主。构建“数字矿山”，加快煤矿生产信息化改造已经成为矿山科研工作者面临的重要课题。将虚拟现实技术同地理信息系统技术结合应用，可以构建三维可视化的矿山场景，并能够在其中进行相关数据的分析、查询和处理工作，为矿山的生产调度和安全监测提供有效的决策支持。
[关键词]巷道 虚拟现实 GIS Creator
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0034-01
1 前言
1999年在北京召开的“国际数字地球大会”上首次提出了“数字矿山”（DigitalMine，简称DM）的概念。跨入21世纪，越来越多的矿山工作者致力于矿山信息化改造与“数字矿山”建设的工作当中，有关“数字矿山”的科学研究与技术攻关悄然兴起。“数字矿山”涉及计算机科学、信息科学、矿山工程等众多学科，体系结构庞大且非常复杂，至今还没有一个明确的定义，许多问题仍处于研究阶段。
传统的矿山空间信息的处理、存储方式以文字、图表为主，信息化建设水平不高，严重制约了矿山的安全生产和科学发展。作为构建数字矿山的关键技术之一，虚拟现实技术可以构造出逼真的矿山工程三维空间环境，操作人员可以通过人机交互参与其间的活动，改变了依靠文字和二维图纸来了解和熟悉矿山的传统模式，从而减少了人们认识上的“模糊性”。
2 国内外研究现状
20世纪八十年代，虚拟现实技术开始走出实验室，进入实际应用阶段，短短十几年时间里就已经被广泛应用与军事训练、航空航天、工业生产、建筑设计、商业、游戏等领域，产生了巨大的社会经济效益。相对来说，虚拟现实技术在矿业领域的应用具有明显的滞后性。直到20世纪90年代后期，随着煤炭行业信息化进程的日益加快，国内外的研究人员才逐渐认识到虚拟现实技术应用于煤炭行业的重要性，并在理论和实际应用方面做了探索性的研究。
2.1 国外的研究现状
欧美等国家矿山信息化程度较高，早在20世纪70年代中期就开始研制采矿软件。加拿大、澳大利亚、美国、英国相机推出了一些有代表性的矿山模拟与矿业应用软件系统，以下介绍比较有影响力的相关成果：
（1）诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（简称AIMS）是较早从事人工智能、计算机绘图、虚拟现实等在矿业领域应用研究的机构。其研究涉及采矿工程、矿山安全、环境评价等方面。AIMS的研究人员已经开发出一系列的虚拟现实模型，如矿山安全系统SAFE-VR，井下房柱式开采系统VR-MINE，露天矿单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。SAFE-VR系统可以对连续采煤机、顶板锚杆机、蓄电池机车和给料破碎机组成的生产系统进行动态三维实时模拟，该系统不仅提供了灵活的用户界面，既可以设定设备型号及数量、作业参数，又可以选择煤柱尺寸、回采巷道数量和几何参数，而且可以通过全屏幕或多窗口视图的形式，动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。
（2）宾西法尼亚州立大学开发出一个初级的VR培训矿工系统，这个系统利用建筑行业的“Walk-Through”技术，使用了基于Windows操作系统的工作站，个人用的HMD、适合少部分使用的监控器及适合多矿工同时培训的立体投影仪，在这个系统中允许用户在虚拟的工作场地巡视以确定是否存在故障隐患；可以通过变换或移动“顶板”位置，使用户飞起来查看通风管路是否正确悬挂，电缆是否正确布置及其它置于工作场地中的设备是否正确放置：该系统还可以对矿工进行安全意识教育，如：顶板支护、警戒高压电缆等。目前为止，这个VR系统只能实现简单的功能，但是随着研究的进一步深入该系统会日臻完善。
（3）德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG，是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计、工作面状况、工人、市场等方面的简化条件，学生可以进行管理和决策。还有德国Freiberg大学采矿研究所和Dresden技术学院联合开发的矿井设计3D自动立体展示系统。该系统将3D技术应用于矿井设计中，可以根据钻孔数据模拟矿床分布，进行矿井设计，由于VR系统具有实时性，可以及时对设计进行修改，避免设计过程出现的失误，提高设计准确性，提高矿井的经济效益。系统可以模拟矿井废水、废气的扩散边界，开采过程中地表的下沉范围，有利于环境保护。而且可以模拟矿井中发生的各种危险情况，给出危险情况下采取的应急措施和方法，提高工作的安全性。
（3）南非采矿与冶金学院利用虚拟现实技术开发的基于PC机的危险识别训练模拟器，可以训练矿工对井下环境的危险识别。南非（Centre of Scientific and Industrial Research，CSIR）公司矿业分公司用区域3D沉积模型来模拟各种断裂构造，通过该模型可以看到断裂面之间复杂的内部关系，预测断裂构造在时间和空间上的分布，加深对地质条件的了解和掌握。另外还有从事虚拟现实基础研究的许多团体，加拿大的一家名叫MARARCO的公司，它建立了一个用于矿业工程的虚拟现实试验室VRL（Virtual Reality laboratory），这个试验室可以为项目研究专家和工程师提供一种基于真实数据而产生的虚拟现实环境，可以实现矿业工程中的各个环节，包括可行性分析、设计、施工、竣工及开采等。
2.2 国内研究状况
由于资金、技术和重视不足等方面的原因，致使中国在矿山资源开发中存在着信息化程度较，有关数据显示，就信息技术在矿山中的应用程度而言，中国与发达国家相比至少存在10年左右的差距，目前中国三维矿山模拟软件尚不十分成熟，与国际水平相比有较大差距，不能满足矿山三维可视化的需要，可以说，目前国内利用虚拟现实技术在矿业方面的研究还处于起步阶段，随着近几年“数字矿山”的兴起，国内的科学工作者也越来越重视矿山信息化建设的研究，开始积极地进行这方面的探索，近年来取得的成果主要包括以下几个方面：
（1）中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统；
（2）中国矿业大学和德国DMT大学合作，把矿井决策模拟系统STMBERG应用于真实矿井中，利用可视化虚拟现实技术可以模拟井下火灾的发生过程、变化趋势，帮助人们研究矿井防、灭火技术。这是国内目前安全领域所建立的VR系统。
（3）发表的一些相关文章：中国矿业大学利用虚拟现实技术在矿业方面的研究主要有：针对露天矿的规划研究建立了露天矿三维模型和生态重建模拟系统，运用三维图形技术模拟综采工作面生产过程；太原理工大学的三维建模在虚拟矿山系统中的应用；烟台大学的利用虚拟现实技术实现矿井中的计算机通风管理、通风网络解算以及矿井巷道的三维立体显示和维护，其中包含井下虚拟漫游部分，实现了矿井通风的可控性和可视化；河南理工大学的基于OpenGL的三维煤矿虚拟现实系统的实现；西安科技大学的采矿数字化实验室煤矿实地仿真教学系统，模拟了矿并从地面到工作面的巷道系统。
3 结论
本文主要阐述了本论文的选题背景、研究意义，对虚拟煤矿的国内外研究现状进行了总结和分析，进而对具有良好交互性能和GIS基本应用功能的巷道虚拟现实系统进行初步探索。
参考文献
[1] 王卫红.将MultiGen/Vega虛拟现实场景用于GIS的研究与实践[J].陕西师范大学学报（自然科学版） ，2003（9）.
[2] 陈瑜，古钟璧，周新志，杨真.GIS数据融合的虚拟现实系统探讨[J].计算机仿真，2006（4）.
[关键词]巷道 虚拟现实 GIS Creator
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0034-01
1 前言
1999年在北京召开的“国际数字地球大会”上首次提出了“数字矿山”（DigitalMine，简称DM）的概念。跨入21世纪，越来越多的矿山工作者致力于矿山信息化改造与“数字矿山”建设的工作当中，有关“数字矿山”的科学研究与技术攻关悄然兴起。“数字矿山”涉及计算机科学、信息科学、矿山工程等众多学科，体系结构庞大且非常复杂，至今还没有一个明确的定义，许多问题仍处于研究阶段。
传统的矿山空间信息的处理、存储方式以文字、图表为主，信息化建设水平不高，严重制约了矿山的安全生产和科学发展。作为构建数字矿山的关键技术之一，虚拟现实技术可以构造出逼真的矿山工程三维空间环境，操作人员可以通过人机交互参与其间的活动，改变了依靠文字和二维图纸来了解和熟悉矿山的传统模式，从而减少了人们认识上的“模糊性”。
2 国内外研究现状
20世纪八十年代，虚拟现实技术开始走出实验室，进入实际应用阶段，短短十几年时间里就已经被广泛应用与军事训练、航空航天、工业生产、建筑设计、商业、游戏等领域，产生了巨大的社会经济效益。相对来说，虚拟现实技术在矿业领域的应用具有明显的滞后性。直到20世纪90年代后期，随着煤炭行业信息化进程的日益加快，国内外的研究人员才逐渐认识到虚拟现实技术应用于煤炭行业的重要性，并在理论和实际应用方面做了探索性的研究。
2.1 国外的研究现状
欧美等国家矿山信息化程度较高，早在20世纪70年代中期就开始研制采矿软件。加拿大、澳大利亚、美国、英国相机推出了一些有代表性的矿山模拟与矿业应用软件系统，以下介绍比较有影响力的相关成果：
（1）诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（简称AIMS）是较早从事人工智能、计算机绘图、虚拟现实等在矿业领域应用研究的机构。其研究涉及采矿工程、矿山安全、环境评价等方面。AIMS的研究人员已经开发出一系列的虚拟现实模型，如矿山安全系统SAFE-VR，井下房柱式开采系统VR-MINE，露天矿单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。SAFE-VR系统可以对连续采煤机、顶板锚杆机、蓄电池机车和给料破碎机组成的生产系统进行动态三维实时模拟，该系统不仅提供了灵活的用户界面，既可以设定设备型号及数量、作业参数，又可以选择煤柱尺寸、回采巷道数量和几何参数，而且可以通过全屏幕或多窗口视图的形式，动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。
（2）宾西法尼亚州立大学开发出一个初级的VR培训矿工系统，这个系统利用建筑行业的“Walk-Through”技术，使用了基于Windows操作系统的工作站，个人用的HMD、适合少部分使用的监控器及适合多矿工同时培训的立体投影仪，在这个系统中允许用户在虚拟的工作场地巡视以确定是否存在故障隐患；可以通过变换或移动“顶板”位置，使用户飞起来查看通风管路是否正确悬挂，电缆是否正确布置及其它置于工作场地中的设备是否正确放置：该系统还可以对矿工进行安全意识教育，如：顶板支护、警戒高压电缆等。目前为止，这个VR系统只能实现简单的功能，但是随着研究的进一步深入该系统会日臻完善。
（3）德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG，是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计、工作面状况、工人、市场等方面的简化条件，学生可以进行管理和决策。还有德国Freiberg大学采矿研究所和Dresden技术学院联合开发的矿井设计3D自动立体展示系统。该系统将3D技术应用于矿井设计中，可以根据钻孔数据模拟矿床分布，进行矿井设计，由于VR系统具有实时性，可以及时对设计进行修改，避免设计过程出现的失误，提高设计准确性，提高矿井的经济效益。系统可以模拟矿井废水、废气的扩散边界，开采过程中地表的下沉范围，有利于环境保护。而且可以模拟矿井中发生的各种危险情况，给出危险情况下采取的应急措施和方法，提高工作的安全性。
（3）南非采矿与冶金学院利用虚拟现实技术开发的基于PC机的危险识别训练模拟器，可以训练矿工对井下环境的危险识别。南非（Centre of Scientific and Industrial Research，CSIR）公司矿业分公司用区域3D沉积模型来模拟各种断裂构造，通过该模型可以看到断裂面之间复杂的内部关系，预测断裂构造在时间和空间上的分布，加深对地质条件的了解和掌握。另外还有从事虚拟现实基础研究的许多团体，加拿大的一家名叫MARARCO的公司，它建立了一个用于矿业工程的虚拟现实试验室VRL（Virtual Reality laboratory），这个试验室可以为项目研究专家和工程师提供一种基于真实数据而产生的虚拟现实环境，可以实现矿业工程中的各个环节，包括可行性分析、设计、施工、竣工及开采等。
2.2 国内研究状况
由于资金、技术和重视不足等方面的原因，致使中国在矿山资源开发中存在着信息化程度较，有关数据显示，就信息技术在矿山中的应用程度而言，中国与发达国家相比至少存在10年左右的差距，目前中国三维矿山模拟软件尚不十分成熟，与国际水平相比有较大差距，不能满足矿山三维可视化的需要，可以说，目前国内利用虚拟现实技术在矿业方面的研究还处于起步阶段，随着近几年“数字矿山”的兴起，国内的科学工作者也越来越重视矿山信息化建设的研究，开始积极地进行这方面的探索，近年来取得的成果主要包括以下几个方面：
（1）中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统；
（2）中国矿业大学和德国DMT大学合作，把矿井决策模拟系统STMBERG应用于真实矿井中，利用可视化虚拟现实技术可以模拟井下火灾的发生过程、变化趋势，帮助人们研究矿井防、灭火技术。这是国内目前安全领域所建立的VR系统。
（3）发表的一些相关文章：中国矿业大学利用虚拟现实技术在矿业方面的研究主要有：针对露天矿的规划研究建立了露天矿三维模型和生态重建模拟系统，运用三维图形技术模拟综采工作面生产过程；太原理工大学的三维建模在虚拟矿山系统中的应用；烟台大学的利用虚拟现实技术实现矿井中的计算机通风管理、通风网络解算以及矿井巷道的三维立体显示和维护，其中包含井下虚拟漫游部分，实现了矿井通风的可控性和可视化；河南理工大学的基于OpenGL的三维煤矿虚拟现实系统的实现；西安科技大学的采矿数字化实验室煤矿实地仿真教学系统，模拟了矿并从地面到工作面的巷道系统。
3 结论
本文主要阐述了本论文的选题背景、研究意义，对虚拟煤矿的国内外研究现状进行了总结和分析，进而对具有良好交互性能和GIS基本应用功能的巷道虚拟现实系统进行初步探索。
参考文献
[1] 王卫红.将MultiGen/Vega虛拟现实场景用于GIS的研究与实践[J].陕西师范大学学报（自然科学版） ，2003（9）.
[2] 陈瑜，古钟璧，周新志，杨真.GIS数据融合的虚拟现实系统探讨[J].计算机仿真，2006（4）.