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摘要

論述了虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和最新動(dòng)態(tài)。從礦井生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、煤礦生產(chǎn)設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造、礦井事故模擬與調(diào)查分析、礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸模擬等幾個(gè)方面分析了目前虛擬現(xiàn)實(shí)在礦業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)、礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

1 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在礦業(yè)領(lǐng)域很多方面得到應(yīng)用并取得令人注目的成就。這些研究成果已經(jīng)顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。目前國(guó)外從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)中應(yīng)用研究的主要有英國(guó)諾丁漢大學(xué)化工、環(huán)境與采礦工程學(xué)院所屬的人工智能及其礦業(yè)應(yīng)用研究所簡(jiǎn)稱AIMS、南非工業(yè)與科研委員會(huì)CSIR礦業(yè)技術(shù)部的A.Squlch、美國(guó)賓西法尼亞州立大學(xué)采礦工程系的C.J.Bise、德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)B.M.Winkler 等。其研究?jī)?nèi)容主要集中在采礦工程模擬、技術(shù)培訓(xùn)、事故分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)害防治等方面。

2 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外的許多工業(yè)組織和科研院校紛紛加大研究力度和深度積極開(kāi)發(fā)和探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。目前虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外礦業(yè)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

2.1 礦山生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的 AIMS Solutions公司開(kāi)發(fā)出一系列礦山VR模型，如露天礦，單抖卡車作業(yè)系統(tǒng)、礦井開(kāi)采系統(tǒng)模擬模型等。通過(guò)應(yīng)用VR技術(shù)輔助識(shí)別和評(píng)價(jià)對(duì)象，如設(shè)備、人員等的風(fēng)險(xiǎn)狀況，從而得出更客觀的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。這種VR計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)的進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)分析。采礦設(shè)備周圍的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是動(dòng)態(tài)的，它依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻虛擬環(huán)境中所處的狀態(tài)對(duì)回采工作的多個(gè)工序進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.2 礦井生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬與技術(shù)培訓(xùn)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真、交互作用的特點(diǎn)。應(yīng)用VR技術(shù)制作出的軟件或錄像，可以直觀模擬采礦環(huán)境及其作業(yè)過(guò)程、適于礦山職業(yè)教育和崗位培訓(xùn)。諾丁漢大學(xué)AIMS研究室應(yīng)用VR技術(shù)開(kāi)發(fā)的房柱式開(kāi)采模擬系統(tǒng) VR-MINE、蓄電池機(jī)車模型、露天礦單斗卡車工藝生產(chǎn)系統(tǒng)等可分別用于相應(yīng)環(huán)境下工作人員的培訓(xùn)。該系統(tǒng)在南非的一個(gè)金礦用于培訓(xùn)井下工人識(shí)別礦井開(kāi)采危害及巖石冒落事故的發(fā)生。系統(tǒng)所建立的三維環(huán)境是該礦最忙碌且事故頻發(fā)的工作面其危害主要來(lái)自巖體冒落和設(shè)備運(yùn)行。一旦訓(xùn)練者進(jìn)入虛擬環(huán)境中的某個(gè)危險(xiǎn)區(qū)而又未做出正確的反應(yīng)時(shí)(系統(tǒng)在屏幕底部顯示出一系列圖標(biāo)來(lái)表征不同的反應(yīng))，系統(tǒng)就會(huì)以圖像和聲音形式模擬出這種災(zāi)害的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。同時(shí)記錄每個(gè)訓(xùn)練者的成績(jī)，以供評(píng)價(jià)和比較。南非金礦的應(yīng)用表明，礦工通過(guò)這種訓(xùn)練，不僅強(qiáng)化了安全意識(shí)，也增強(qiáng)了事故識(shí)別能力，達(dá)到了減小礦山災(zāi)害發(fā)生及其危害程度的目的。

2.3 煤礦生產(chǎn)設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于大型設(shè)施、設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造已有許多成功的實(shí)例。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于對(duì)煤礦新設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行性能評(píng)估，則更顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。由于井下場(chǎng)地狹窄，環(huán)境惡劣，因此煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造，其意義不僅僅是節(jié)約資源和時(shí)間，而是完成在地面或在常規(guī)條件下無(wú)法進(jìn)行的工作。例如采煤機(jī)虛擬設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員不必等到樣機(jī)制造出來(lái)后再去修改其中不太理想、不太合理的部分。因?yàn)?/span> VR 系統(tǒng)可以容許他們“進(jìn)入”

電腦中的三維空間圖像，借助多種交互手段直接對(duì)采煤機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行觀察、討論和修改從

而大大縮短設(shè)備的研制周期，節(jié)省研制費(fèi)用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)開(kāi)發(fā)了綜合機(jī)械化采煤中的采煤機(jī)和支架的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以通過(guò)采煤機(jī)和支架的基本參數(shù)來(lái)模擬其在特定力的作用下的運(yùn)動(dòng)。也可以利用VR傳感器或三維鼠標(biāo)進(jìn)行控制，對(duì)所建模型的各個(gè)部位進(jìn)行全方位觀察，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2.4 礦井事故模擬與調(diào)查分析

應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以快速、有效地以一系列三維圖像在計(jì)算機(jī)屏幕上再現(xiàn)各種事故發(fā)生的過(guò)程，事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測(cè)、分析事故發(fā)生的過(guò)程，找出事故原因包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)人員的動(dòng)作行為。這個(gè)在公安部門(mén)的案例分析中已有應(yīng)用在礦業(yè)領(lǐng)域還沒(méi)有涉及。中國(guó)的煤礦事故發(fā)生率非常高。通過(guò)對(duì)事故的事后調(diào)查，可以明確事故責(zé)任，更重要的是防止其它與此相關(guān)或類似的潛在事故的再次出現(xiàn)。礦山事故預(yù)防的關(guān)鍵在于創(chuàng)造并維護(hù)安全的工作環(huán)境、宣傳并執(zhí)行安全的作業(yè)行為。從而防止錯(cuò)誤行為的發(fā)生。應(yīng)用 VR 技術(shù)可以快速、有效地在計(jì)算機(jī)屏幕上再現(xiàn)事故發(fā)生的過(guò)程。事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測(cè)、分析事故發(fā)生過(guò)程，從而找出事故發(fā)生的原因并采取相關(guān)預(yù)防措施，防止類似事故的再次發(fā)生。通過(guò)VR技術(shù)再現(xiàn)的井下礦車事故發(fā)生的情景。通過(guò)交互式改變?cè)撃Ｐ椭械沫h(huán)境參數(shù)來(lái)模擬再現(xiàn)事故過(guò)程，可以找到避免類似事故發(fā)生的技術(shù)途徑和工人安全注意事項(xiàng)。

2.5 礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸模擬

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得在災(zāi)變條件下復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的快速解算成為可能,從而指導(dǎo)井下火災(zāi)發(fā)生時(shí)正確地控制風(fēng)流,確保井下工作人員安全撤出,防止火災(zāi)和有害氣體、煙塵等的蔓延。近幾年來(lái),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)已廣泛用于工業(yè)火災(zāi)、爆炸和煤礦火災(zāi),通過(guò)解算與火災(zāi)和爆炸物相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火區(qū)附近的溫度、火風(fēng)壓及其燃燒產(chǎn)物的實(shí)時(shí)分布狀況。研究人員目前正致力于礦井火災(zāi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)通過(guò)模擬某個(gè)真實(shí)的礦井作業(yè)環(huán)境,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析和模擬的結(jié)果,可以逼真地展示出火災(zāi)或爆炸發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程。除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統(tǒng)還可通過(guò)人機(jī)交互作用顯示出人為因素，如反風(fēng)、滅火措施等對(duì)這整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響。此類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),無(wú)疑可以廣泛地用于礦井火災(zāi)的防治、救災(zāi)和人員培訓(xùn)等方面。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)采用粒子系統(tǒng)對(duì)礦井火災(zāi)進(jìn)行了三維可視化研究。在應(yīng)用VC6.0 和 open GL API 開(kāi)發(fā)的程序中設(shè)計(jì)了地下井巷真實(shí)感模型和火災(zāi)煙氣與火焰模型,

并考慮了風(fēng)向?qū)鹧嬉约盁熈餍螒B(tài)的影響、巷道高度受限影響等因素。系統(tǒng)完成的巷道火災(zāi)模擬結(jié)果。該系統(tǒng)可以說(shuō)只是礦井火災(zāi)的示意圖沒(méi)有逼真體現(xiàn)礦井火災(zāi)的效果，為了能使研究成果應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中去，必須進(jìn)一步增加火災(zāi)環(huán)境的真實(shí)性和火災(zāi)模擬算法的研究。

2.6 生態(tài)重建

采礦無(wú)論是地下開(kāi)采還是露天開(kāi)采都會(huì)導(dǎo)致地表遭到破壞，破壞后的重建一般不是最初環(huán)境的簡(jiǎn)單恢復(fù)，而是按照采礦的時(shí)空發(fā)展順序和最終符合當(dāng)?shù)厝藗兊男枨蠛蛢r(jià)值取向，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行積極的安排和調(diào)控，重建一個(gè)高水平、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。在生態(tài)重建的規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案論證的過(guò)程中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠把各種不同的方案在計(jì)算機(jī)中逼真的體現(xiàn)出來(lái)，給決策者提供一種直觀形象的輔助決策手段，對(duì)于方案中不完美之處可以快速修改，這對(duì)于生態(tài)重建最優(yōu)方案的確定有重要意義。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐州校區(qū)進(jìn)行了露天礦生態(tài)重建的研究應(yīng)用于霍林河礦的生態(tài)重建取得較好效果

3 國(guó)際動(dòng)態(tài)

加拿大已制定出一項(xiàng)擬在2050年實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，即將加拿大北部邊遠(yuǎn)地區(qū)的一個(gè)礦山實(shí)現(xiàn)為無(wú)人礦井從薩得伯里通過(guò)衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)破碎和自動(dòng)切割采礦芬蘭采礦工業(yè)于1992年宣布了自己的智能采礦技術(shù)方案，涉及采礦實(shí)時(shí)過(guò)程控制、資源實(shí)時(shí)管理、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機(jī)械應(yīng)用和自動(dòng)控制等28個(gè)專題，瑞典制定了向礦山自動(dòng)的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計(jì)劃。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位也相繼開(kāi)展了采礦機(jī)器人(MR)、礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)、三維地學(xué)模擬(3DGM)、礦山虛擬現(xiàn)實(shí)(MVR)、礦山 GPS 定位等方面

的技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。隨著實(shí)時(shí)礦山測(cè)量、GPS 實(shí)時(shí)導(dǎo)航與遙控、GIS 管理與輔助決策和

3DGM的應(yīng)用國(guó)際上一些大型露天礦山包括我國(guó)的平朔、霍林河礦區(qū)已可在辦公室生成

礦床模型、礦山采掘計(jì)劃并與采場(chǎng)設(shè)備相聯(lián)系，形成動(dòng)態(tài)管理和遙控指揮系統(tǒng)。在我國(guó)首個(gè)數(shù)字化礦井技術(shù)通過(guò)驗(yàn)收是由山東新汶礦業(yè)集團(tuán)泰山能源股份有限公司翟鎮(zhèn)煤礦與北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所合作研制。據(jù)說(shuō)該系統(tǒng)在我國(guó)首次全面開(kāi)展了基于GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山開(kāi)采領(lǐng)域的集成和應(yīng)用研究，首次全面開(kāi)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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究，首次實(shí)現(xiàn)了基于地測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)圖形的一體化管理，使礦井圖形的自動(dòng)化處理水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階同時(shí)取得了實(shí)用化的成果。

4 小結(jié)

本文分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和最新動(dòng)態(tài)，目前虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外礦業(yè)中的應(yīng)用主要集中在礦山生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、礦井生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬與技術(shù)培訓(xùn)、煤礦生產(chǎn)設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造、煤礦生產(chǎn)設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造、礦井事故模擬與調(diào)查分析、生態(tài)重建幾個(gè)方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已從多個(gè)角度展開(kāi)并取得一定成果，但其在選煤系統(tǒng)方面的應(yīng)用尚很少見(jiàn)，因此將該技術(shù)引入到選煤系統(tǒng)，構(gòu)建選煤系統(tǒng)的三維仿真系統(tǒng)及其虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，為基于虛擬選煤廠的生產(chǎn)管理和信息化建設(shè)搭建一個(gè)直觀、逼真的三維平臺(tái)，對(duì)提高選煤廠生產(chǎn)和管理的技術(shù)水平，促進(jìn)礦山企業(yè)信息化建設(shè)等都可起到積極的作用。

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