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摘要：论述了虚拟现实在国内外矿业领域的应用现状和最新动态。从矿井生产过程的动态模拟、煤矿生产设备的虚拟设计和制造、矿井事故模拟与调查分析、矿井火灾和瓦斯爆炸模拟等几个方面分析了目前虚拟现实在矿业中的应用。
关键词：虚拟现实；矿业领域；应用现状
中图分类号：TP391.9文献标识码：A 文章编号：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
虚拟现实技术已在矿业领域很多方面得到应用并取得令人注目的成就，这些研究成果已经显示出虚拟现实技术在矿业领域应用的巨大潜力。目前国外从事虚拟现实技术在矿业中应用研究的主要有英国诺丁汉大学化工、环境与采矿工程学院所属的人工智能及其矿业应用研究所（简称AIMS）、南非工业与科研委员会（CSIR）矿业技术部的A.Squlch、美国宾西法尼亚州立大学采矿工程系的C.J.Bise、德国柏林工业大学B.M.Winkler等。其研究内容主要集中在采矿工程模拟、技术培训、事故分析、风险评估、灾害防治等方面。
2 研究现状
目前国外的许多工业组织和科研院校纷纷加大研究力度和深度，积极开发和探索虚拟现实技术应用的新领域。目前虚拟现实在国内外矿业中的应用主要集中在以下几个方面[1]：
2.1 矿山生产环境的风险评价
英国诺丁汉大学的AIMS Solutions公司开发出一系列矿山VR模型，如露天矿单斗-卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。通过应用VR技术辅助识别和评价对象（如设备、人员等）的风险状况，从而得出更客观的风险评价。这种VR计算机系统可动态的进行生产环境的风险分析。采矿设备周围的风险区域是动态的，它依据当前时刻虚拟环境中所处的状态对回采工作的多个工序进行风险评价。
2.2 矿井生产过程的动态模拟与技术培训
利用虚拟现实技术创建的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点。应用VR技术制作出的软件或录像，可以直观模拟采矿环境及其作业过程、适于矿山职业教育和岗位培训。诺丁汉大学AIMS研究室应用VR技术开发的房柱式开采模拟系统VR-MINE、蓄电池机车模型、露天矿单斗-卡车工艺生产系统等可分别用于相应环境下工作人员的培训。该系统在南非的一个金矿用于培训井下工人识别矿井开采危害及岩石冒落事故的发生。系统所建立的三维环境是该矿最忙碌且事故频发的工作面，其危害主要来自岩体冒落和设备运行。一旦训练者进入虚拟环境中的某个危险区，而又未做出正确的反应时(系统在屏幕底部显示出一系列图标来表征不同的反应)，系统就会以图像和声音形式模拟出这种灾害的动态发展过程。同时记录每个训练者的成绩，以供评价和比较。南非金矿的应用表明，矿工通过这种训练，不仅强化了安全意识，也增强了事故识别能力，达到了减小矿山灾害发生及其危害程度的目的。
2.3 煤矿生产设备的虚拟设计和制造
虚拟现实技术用于大型设施、设备的设计和制造已有许多成功的实例。把虚拟现实技术用于对煤矿新设备的设计方案进行性能评估，则更显示出虚拟现实技术的优势。由于井下场地狭窄，环境恶劣，因此煤矿设备的虚拟设计和制造，其意义不仅仅是节约资源和时间，而是完成在地面或在常规条件下无法进行的工作。例如采煤机虚拟设计中，设计人员不必等到样机制造出来后再去修改其中不太理想、不太合理的部分，因为VR系统可以容许他们“进入”电脑中的三维空间图像，借助多种交互手段直接对采煤机的设计进行观察、讨论和修改，从而大大缩短设备的研制周期，节省研制费用。中国矿业大学（北京校区）开发了综合机械化采煤中的采煤机和支架的虚拟现实系统，可以通过采煤机和支架的基本参数来模拟其在特定力的作用下的运动，也可以利用VR传感器或三维鼠标进行控制，对所建模型的各个部位进行全方位观察，进一步优化结构，改进设计方案。
2.4 矿井事故模拟与调查分析
应用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程，事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程，找出事故原因，包括系统设计和现场人员的动作行为。这个在公安部门的案例分析中已有应用，在矿业领域还没有涉及。中国的煤矿事故发生率非常高，通过对事故的事后调查，可以明确事故责任，更重要的是防止其它与此相关或类似的潜在事故的再次出现。矿山事故预防的关键在于创造并维护安全的工作环境、宣传并执行安全的作业行为，从而防止错误行为的发生。应用VR技术可以快速、有效地在计算机屏幕上再现事故发生的过程。事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生过程，从而找出事故发生的原因并采取相关预防措施，防止类似事故的再次发生。图1为通过VR技术再现的井下矿车事故发生的情景。通过交互式改变该模型中的环境参数来模拟再现事故过程，可以找到避免类似事故发生的技术途径和工人安全注意事项。
2.5矿井火灾和瓦斯爆炸模拟
计算机技术的高速发展使得在灾变条件下复杂通风网络的快速解算成为可能,从而指导井下火灾发生时正确地控制风流,确保井下工作人员安全撤出,防止火灾和有害气体、烟尘等的蔓延。近几年来,计算流体动力学 (简称ＣＦＤ)已广泛用于工业火灾、爆炸和煤矿火灾,ＣＦＤ通过解算与火灾和爆炸物相关的数学模型,可以较准确地预测火区附近的温度、火风压及其燃烧产物的实时分布状况。
ＡＩＭＳ的研究人员目前正致力于矿井火灾ＶＲ系统的开发。该系统通过模拟某个真实的矿井作业环境,并结合网络分析和ＣＦＤ模拟的结果,可以逼真地展示出火灾或爆炸发生的动态过程。除了模拟火烟弥漫状况外,该系统还可通过人机交互作用显示出人为因素， 如反风、灭火措施等对这整个通风网络的影响。此类系统的开发,无疑可以广泛地用于矿井火灾的防治、救灾和人员培训等方面。
中国矿业大学（北京校区）采用粒子系统对矿井火灾进行了三维可视化研究。在应用VC6.0 和open GL API 开发的程序中，设计了地下井巷真实感模型和火灾烟气与火焰模型,并考虑了风向对火焰以及烟流形态的影响、巷道高度受限影响等因素。图2所示为该系统完成的巷道火灾模拟结果。
该系统可以说只是矿井火灾的示意图，没有逼真体现矿井火灾的效果，为了能使研究成果应用在生产实际中去，必须进一步增加火灾环境的真实性和火灾模拟算法的研究。
2.6 生态重建
采矿无论是地下开采还是露天开采都会导致地表遭到破坏，破坏后的重建一般不是最初环境的简单恢复，而是按照采矿的时空发展顺序和最终符合当地人们的需求和价值取向，对生态系统的组成、结构和功能进行积极的安排和调控，重建一个高水平、可持续发展的生态系统。在生态重建的规划设计、方案论证的过程中，采用虚拟现实技术，能够把各种不同的方案在计算机中逼真的体现出来，给决策者提供一种直观形象的辅助决策手段，对于方案中不完美之处可以快速修改，这对于生态重建最优方案的确定有重要意义。中国矿业大学（徐州校区）进行了露天矿生态重建的研究，应用于霍林河矿的生态重建，取得较好效果[2]。图3是露天矿生态重建后的仿真效果图。
图2 采用粒子系统算法的矿山巷道火灾
图3 露天矿生态重建后的仿真效果图
3 国际动态
加拿大已制定出一项拟在2050年实现的远景规划，即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备，实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工业于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人(MR)、矿山地理信息系统(MGIS)、三维地学模拟(3DGM)、矿山虚拟现实(MVR)、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理和遥控指挥系统。
在我国，首个数字化矿井技术通过验收，是由山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿，与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作研制。据说该系统在我国首次全面开展了基于GIS技术、计算机网络技术、三维可视化和虚拟现实技术在矿山开采领域的集成和应用研究，首次全面开展了集巷道和地层为一体的煤矿专用三维可视化和虚拟现实系统的研究，首次实现了基于地测基础数据的生产图形的一体化管理，使矿井图形的自动化处理水平跃上了一个新的台阶，同时取得了实用化的成果。
4 小结
本文分析了虚拟现实技术在国内外矿业领域的应用现状和最新动态，目前虚拟现实在国内外矿业中的应用主要集中在矿山生产环境的风险评价、矿井生产过程的动态模拟与技术培训、煤矿生产设备的虚拟设计和制造、煤矿生产设备的虚拟设计和制造、矿井事故模拟与调查分析、生态重建几个方面。虚拟现实技术在矿业领域的应用研究已从多个角度展开并取得一定成果，但其在选煤系统方面的应用尚很少见，因此将该技术引入到选煤系统，构建选煤系统的三维仿真系统及其虚拟生产系统，为基于虚拟选煤厂的生产管理和信息化建设搭建一个直观、逼真的三维平台，对提高选煤厂生产和管理的技术水平，促进矿山企业信息化建设等，都可起到积极的作用。
参考文献：
[1] 吴立新，张瑞新，戚宜欣,等，3维地学模拟与虚拟矿山系统[J]，测绘学报,2002(31,1):31-33.
[2] 申闫春，才庆祥，张幼蒂,等，虚拟现实技术在露天矿生态重建仿真中的应用[J]，中国矿业大学学报，2002(31,1):1-5.
关键词：虚拟现实；矿业领域；应用现状
中图分类号：TP391.9文献标识码：A 文章编号：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
虚拟现实技术已在矿业领域很多方面得到应用并取得令人注目的成就，这些研究成果已经显示出虚拟现实技术在矿业领域应用的巨大潜力。目前国外从事虚拟现实技术在矿业中应用研究的主要有英国诺丁汉大学化工、环境与采矿工程学院所属的人工智能及其矿业应用研究所（简称AIMS）、南非工业与科研委员会（CSIR）矿业技术部的A.Squlch、美国宾西法尼亚州立大学采矿工程系的C.J.Bise、德国柏林工业大学B.M.Winkler等。其研究内容主要集中在采矿工程模拟、技术培训、事故分析、风险评估、灾害防治等方面。
2 研究现状
目前国外的许多工业组织和科研院校纷纷加大研究力度和深度，积极开发和探索虚拟现实技术应用的新领域。目前虚拟现实在国内外矿业中的应用主要集中在以下几个方面[1]：
2.1 矿山生产环境的风险评价
英国诺丁汉大学的AIMS Solutions公司开发出一系列矿山VR模型，如露天矿单斗-卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。通过应用VR技术辅助识别和评价对象（如设备、人员等）的风险状况，从而得出更客观的风险评价。这种VR计算机系统可动态的进行生产环境的风险分析。采矿设备周围的风险区域是动态的，它依据当前时刻虚拟环境中所处的状态对回采工作的多个工序进行风险评价。
2.2 矿井生产过程的动态模拟与技术培训
利用虚拟现实技术创建的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点。应用VR技术制作出的软件或录像，可以直观模拟采矿环境及其作业过程、适于矿山职业教育和岗位培训。诺丁汉大学AIMS研究室应用VR技术开发的房柱式开采模拟系统VR-MINE、蓄电池机车模型、露天矿单斗-卡车工艺生产系统等可分别用于相应环境下工作人员的培训。该系统在南非的一个金矿用于培训井下工人识别矿井开采危害及岩石冒落事故的发生。系统所建立的三维环境是该矿最忙碌且事故频发的工作面，其危害主要来自岩体冒落和设备运行。一旦训练者进入虚拟环境中的某个危险区，而又未做出正确的反应时(系统在屏幕底部显示出一系列图标来表征不同的反应)，系统就会以图像和声音形式模拟出这种灾害的动态发展过程。同时记录每个训练者的成绩，以供评价和比较。南非金矿的应用表明，矿工通过这种训练，不仅强化了安全意识，也增强了事故识别能力，达到了减小矿山灾害发生及其危害程度的目的。
2.3 煤矿生产设备的虚拟设计和制造
虚拟现实技术用于大型设施、设备的设计和制造已有许多成功的实例。把虚拟现实技术用于对煤矿新设备的设计方案进行性能评估，则更显示出虚拟现实技术的优势。由于井下场地狭窄，环境恶劣，因此煤矿设备的虚拟设计和制造，其意义不仅仅是节约资源和时间，而是完成在地面或在常规条件下无法进行的工作。例如采煤机虚拟设计中，设计人员不必等到样机制造出来后再去修改其中不太理想、不太合理的部分，因为VR系统可以容许他们“进入”电脑中的三维空间图像，借助多种交互手段直接对采煤机的设计进行观察、讨论和修改，从而大大缩短设备的研制周期，节省研制费用。中国矿业大学（北京校区）开发了综合机械化采煤中的采煤机和支架的虚拟现实系统，可以通过采煤机和支架的基本参数来模拟其在特定力的作用下的运动，也可以利用VR传感器或三维鼠标进行控制，对所建模型的各个部位进行全方位观察，进一步优化结构，改进设计方案。
2.4 矿井事故模拟与调查分析
应用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程，事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程，找出事故原因，包括系统设计和现场人员的动作行为。这个在公安部门的案例分析中已有应用，在矿业领域还没有涉及。中国的煤矿事故发生率非常高，通过对事故的事后调查，可以明确事故责任，更重要的是防止其它与此相关或类似的潜在事故的再次出现。矿山事故预防的关键在于创造并维护安全的工作环境、宣传并执行安全的作业行为，从而防止错误行为的发生。应用VR技术可以快速、有效地在计算机屏幕上再现事故发生的过程。事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生过程，从而找出事故发生的原因并采取相关预防措施，防止类似事故的再次发生。图1为通过VR技术再现的井下矿车事故发生的情景。通过交互式改变该模型中的环境参数来模拟再现事故过程，可以找到避免类似事故发生的技术途径和工人安全注意事项。
2.5矿井火灾和瓦斯爆炸模拟
计算机技术的高速发展使得在灾变条件下复杂通风网络的快速解算成为可能,从而指导井下火灾发生时正确地控制风流,确保井下工作人员安全撤出,防止火灾和有害气体、烟尘等的蔓延。近几年来,计算流体动力学 (简称ＣＦＤ)已广泛用于工业火灾、爆炸和煤矿火灾,ＣＦＤ通过解算与火灾和爆炸物相关的数学模型,可以较准确地预测火区附近的温度、火风压及其燃烧产物的实时分布状况。
ＡＩＭＳ的研究人员目前正致力于矿井火灾ＶＲ系统的开发。该系统通过模拟某个真实的矿井作业环境,并结合网络分析和ＣＦＤ模拟的结果,可以逼真地展示出火灾或爆炸发生的动态过程。除了模拟火烟弥漫状况外,该系统还可通过人机交互作用显示出人为因素， 如反风、灭火措施等对这整个通风网络的影响。此类系统的开发,无疑可以广泛地用于矿井火灾的防治、救灾和人员培训等方面。
中国矿业大学（北京校区）采用粒子系统对矿井火灾进行了三维可视化研究。在应用VC6.0 和open GL API 开发的程序中，设计了地下井巷真实感模型和火灾烟气与火焰模型,并考虑了风向对火焰以及烟流形态的影响、巷道高度受限影响等因素。图2所示为该系统完成的巷道火灾模拟结果。
该系统可以说只是矿井火灾的示意图，没有逼真体现矿井火灾的效果，为了能使研究成果应用在生产实际中去，必须进一步增加火灾环境的真实性和火灾模拟算法的研究。
2.6 生态重建
采矿无论是地下开采还是露天开采都会导致地表遭到破坏，破坏后的重建一般不是最初环境的简单恢复，而是按照采矿的时空发展顺序和最终符合当地人们的需求和价值取向，对生态系统的组成、结构和功能进行积极的安排和调控，重建一个高水平、可持续发展的生态系统。在生态重建的规划设计、方案论证的过程中，采用虚拟现实技术，能够把各种不同的方案在计算机中逼真的体现出来，给决策者提供一种直观形象的辅助决策手段，对于方案中不完美之处可以快速修改，这对于生态重建最优方案的确定有重要意义。中国矿业大学（徐州校区）进行了露天矿生态重建的研究，应用于霍林河矿的生态重建，取得较好效果[2]。图3是露天矿生态重建后的仿真效果图。
图2 采用粒子系统算法的矿山巷道火灾
图3 露天矿生态重建后的仿真效果图
3 国际动态
加拿大已制定出一项拟在2050年实现的远景规划，即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备，实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工业于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人(MR)、矿山地理信息系统(MGIS)、三维地学模拟(3DGM)、矿山虚拟现实(MVR)、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理和遥控指挥系统。
在我国，首个数字化矿井技术通过验收，是由山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿，与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作研制。据说该系统在我国首次全面开展了基于GIS技术、计算机网络技术、三维可视化和虚拟现实技术在矿山开采领域的集成和应用研究，首次全面开展了集巷道和地层为一体的煤矿专用三维可视化和虚拟现实系统的研究，首次实现了基于地测基础数据的生产图形的一体化管理，使矿井图形的自动化处理水平跃上了一个新的台阶，同时取得了实用化的成果。
4 小结
本文分析了虚拟现实技术在国内外矿业领域的应用现状和最新动态，目前虚拟现实在国内外矿业中的应用主要集中在矿山生产环境的风险评价、矿井生产过程的动态模拟与技术培训、煤矿生产设备的虚拟设计和制造、煤矿生产设备的虚拟设计和制造、矿井事故模拟与调查分析、生态重建几个方面。虚拟现实技术在矿业领域的应用研究已从多个角度展开并取得一定成果，但其在选煤系统方面的应用尚很少见，因此将该技术引入到选煤系统，构建选煤系统的三维仿真系统及其虚拟生产系统，为基于虚拟选煤厂的生产管理和信息化建设搭建一个直观、逼真的三维平台，对提高选煤厂生产和管理的技术水平，促进矿山企业信息化建设等，都可起到积极的作用。
参考文献：
[1] 吴立新，张瑞新，戚宜欣,等，3维地学模拟与虚拟矿山系统[J]，测绘学报,2002(31,1):31-33.
[2] 申闫春，才庆祥，张幼蒂,等，虚拟现实技术在露天矿生态重建仿真中的应用[J]，中国矿业大学学报，2002(31,1):1-5.