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2 0 0 2年 6月 第 3 1 卷第 3期 有色矿 山 No n f e r r o u s M i n e s J u n． ， 2 0 0 2 V0 1 ． 31 No． 3 虚拟现实技术在矿业 中的应用 朱景 和，袁怀 雨 北京科技大学资源工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 [ 关键词 】虚拟现 实 ； 交 互性 ；矿业工程 [ 摘要】虚拟现实技术是最近二十多年才发展起来的--I ] 新技术。本文简单介绍了虚拟现实技术的概念、 特 征和相关技 术 。 并 探讨 了虚拟 现实技术 在矿业 中的应用 。 [ 中图分类号】T D6 7 2 [ 文献标识码】B [ 文章编号 】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 3 ． 0 0 4 2 ． 0 3 Appl i c a t i o n o f v i r t u a l r e a l i t y t e c hn o l o g y i n mi ni ng i n du s t r y Z HU J i n g h e ，YUAN Hu a i y u S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g，B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ke y wo r ds v i r t u a l r e ali t y；i n t e r a c t i o n；m i ni n g i n du s t r y Ab s t r a c t Vi r t u a l r e ali t y i s a n e w t e c h n o l o g y wh i c h i s d e v e l o p e d i n r e c e n t t we n t y y e a r s ．Th e c o n c e p t s o f v i r t u al r e a l i t y VRa n d i t s f e a t u r e s a r e i n t r o d u c e d ．Th e l a t e s t t e c h n o l o g y o f VR i s s u mma r i z e d a n d i t s h u g e p o t e n t i a l u s e i n mi ni ng i n du s t ry i s s ho wn． 虚拟现实技术 Vi r t u al R e a l i t y简称 VR 是近几 年逐渐发展完善起来的高新技术。该技术以多媒体 计算机系统为基础 ， 结合实时计算机图像生成、 数据 库、 人工智能和物理模拟等 手段可 以构造 出逼真 的 矿山工程三维空间环境。9 0年代 以来， 计算 机技 术 的迅猛发展使得 VR的硬件及软件价格 降低。 逐 步 进入社会化实用阶段 ， 并在矿业中得到初步应用。 1 虚拟现实技术简介 1 ． 1 虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术是一 门人与信息科学相结合的高 新技术， 它 由计算机生 成的人机交互的三维 空间环 境构成， 是以用户为核 心的完善的人机交换接 口， 人 通过使用传感器、 效应器 实现与计算机虚拟 环境 的 [ 收稿日期]2 0 0 1 0 7 ． 3 0 [ 修订 日期 】2 0 0 2 0 4 ． 2 0 [ 作者 简介 】朱 景和 1 9 6 9一 。 男， 江 西 景德 镇 人。 工 程 师， 从事技术经济工作， 现为北京科技大学在读博士生。 交互作用和认知过程。VR技术是计算 机绘 图技术 的高级 阶段， 所产生 的这种 虚拟 环境就如 同真 正的 现实空间一样具 有多种感知层次 。 并不仅是一 种多 媒体形式 ， 其中的图像 可根据 人的视觉和 动作来生 成 ， 因此简单地说， VR技 术是 人类 与计算 机和极复 杂的数据进行想象 、 处理和交互作用的一种手段。 1 ． 2 虚拟现实技术的特征 1 投入性 i mme r s i o n 投入性指 参与者存 在 于虚拟环境的真实程度， 这是 VR系统的核心。 理想 的投入虚拟环境应该达到使参与者难 以分辨真假的 程度。 2 实时交互性 i n t e r a c t i o n 实时交互性是 指 用户与虚拟场景中各种对象相互 作用的能力， 它是 人机和谐的关键性 因素。 交 互性 包含对象 的可操 作 程度及用户从环境 中得到反馈 的 自然程度、 虚拟 场 景中对象 依据 物理学 定律运动 的程度 等 ； VR是 自 主参考系， 即以用户的视点变化进行虚拟交换 ， 这个 过程中最重要的因素是实时性， 实时性是指计算 机 维普资讯 第 3期 朱景和等 虚拟现实技术在矿业中的应用 4 3 能够响应用户的输入并立即改变虚拟场景的状态。 3 构 想 i ma g i n a t i o n 虚拟 现 实不 仅是 一个 用户与终端 的接 口， 而且可使用 户沉浸于此环境 中 获取新的知识 ， 提高感性和理性 认识 ， 从而产生新的 构思， 这种构思结果输入到系统 中去， 系统会将处理 后的状 态实时显示或 由传感装置反馈给用户。如此 反复， 这是 一个学 习一创造一 再学 习一再 创造 的过 程， 因而可 以说， VR是 启发 人的 创造 性 思维 的 活 动。 1 ． 3 虚拟现实的相关技术介绍 1 ． 3 ． 1 环境界 面技术 VR技 术的核心是 人机交互界面 的生成， 三 维 数据建模生成复杂场景的算法研究至关重要 。C AD 技术与感知系统建模技术相结合可有效地提高数据 获取效率。 1 ． 3 ． 2 图形／ 图像 生 成与混 合 技 术 该技术包括 图形 图像合理迭加显示 、 坐标系变 换、 物体仿真技术等。 目前三维 生成技术较为成熟， 但要满足 实时性， 图形 的刷新 率 至少 为 1 5帧／ 秒。 在单机系统 下的网格数量的减少及网络环境下 的块 传输将明显提高 图像 生成速度。同时， 硬件 系统性 能的改善也使此问题有所缓解。 1 ． 3 ． 3显示技术和传感器技术 显示技术涉及人眼的生理原理及在计算机上如 何产生深度线索的技术。现有的硬件系统如头盔显 示器、 单 目镜及可移动视觉显示器有待进一步研究， 同时光学显示还存在许多局限性。传感器技术需解 决设备可靠性 、 可重 复性 、 精确性 及安全性等 问题 ， 各种类型传感器性 能急需提高。 1 ． 3 ． 4系统集 成技 术 VR系统 的最终 集成是必 然的， 它包含 了大量 表达信息的模型， 必须根据设计意图进行合理组合 。 信息同步技术、 模 型校定技术、 数据 转换技术 、 数据 管理模型、 识别与合 同技术的研究是 系统 集成技术 发展的基础。 1 ． 3 ． 5应 用 系统平 台 虚拟现 实技术集计算机 图形学 、 计算机系统工 程、 计算机交互跟踪技术、 人工智能等 多种学科和多 种技术于一体， 它的核 心是 由三维 图形组成 的虚拟 空间及在这个虚拟空间进行考察的交互技术。技术 最终要面 向应用， 通 用平 台的开发可缩短 与应用结 合的时间。 目前， 基 于图形的 VR通 用平 台一般 都 具有 图形生成器， 能进行对象的几何建模。此外， 这 种应用系统平台还具有物理建模 、 动态仿真 、 交互性 设计等功能。VR ML语言的出现使 3 D建模方便快 捷 ， c ／ C、 J AV A在生成可扩充的模型库、 构造对 象和域方面也非常有效 。 2 虚拟现实技术在矿业中的应用前景 2 ． 1 虚拟现实技术在矿 山系统设计 中的应用 传统的矿 山设计 、 地质 、 测绘人员等 习惯 于依赖 信息的二维 表示， 如平 面 图、 俯视 图、 等 值线 图等。 工程人员在使用这些 图纸 时， 要在大脑 中“ 构想 ” 出 相应的三维模型， 这 常常使某些重要 的信息表达疏 漏或根本就考虑不到。基于 VR技术的矿 山设计应 用系统可以使工程师们“ 所想即所 见” ， 从而避免上 述错误的发生。矿山 VR设计系统可以即时生成矿 山工程师们设计的开拓 、 运输 、 通 风 、 压供 排等 7大 系统的三维虚拟模型， 并且这些模型 可以与设计者 实现 自然交互 。例如 在拟建矿山的可行性研究 中， 面对的将不仅是一 些图纸， 而且还有矿 山环境 。设 计者可以进入该 环境 中， 判断 并校验 设 计的结 果。 对于不令人满意的地方 或设计不合理 的地 方， 可即 时调整参数进行修改并马上在虚拟环境中再现。该 系统还可生成矿 山开 采 1 0年、 2 0年后 及未 来复垦 的虚拟景观， 验证矿 山设计方案是否正确， 同时评估 矿山开采对周围环境 的影响， 使得矿 山开采满足环 保各项指标。又如当通 风工程师将 自己的初步设计 方案在 V R设计 系统上“ 预演” ， 他可 以即刻进入 自 己的虚拟系统 中测试 各项指标并确定其 合理性 ， 对 于不合理的参数可即刻进行调 整并马上从该系统得 到反馈， 从而实现了动态的三维交互设计。 2 ． 2 虚拟现实技术在采矿工程 中的应用 2． 2 ． 1 虚 拟现 实技 术 在 采矿 作 业 中的应 用 VR技术 可对采矿作业 进行模拟 ， 生成 一 系列 虚拟作业场景， 操 作人员通过它不 仅能看到设备 的 当前位置和运行状况， 而且可 以获取设 备运行 的时 间 、 产量 、 设备间的距离等动态信息。这种模拟超过 以往以任何方法建立的模型达到的效果。国外研究 人员 已经 开 发 出房 柱 式开 采 模拟 VRMI N E 系 统、 电池式机动 矿车 F S V模拟 系统 、 露天矿单 斗一 卡车作业模拟 系统 等虚拟 现 实模型。VRMI NE 系统可 以对连续式采煤机 、 顶板锚杆机 、 蓄 电池式机 动矿车和给料破碎机构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 维普资讯 4 4 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1 卷 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。应 用 VRMI NE系统 可 以通过对不同型号 设备、 不 同开采参数下 的生产系 统进行动态模拟 ， 从而达到优化生产系统 的 目的。 2 ． 2 ． 2 虚 拟 现 实技 术 在矿 山爆 破 工 程 中 的应 用 矿 山的爆破 作业几 乎占矿 山整体作 业时 间的 7 0 ％， 而它的事故率在矿 山生产中也很高。所以矿 山的爆破施工 的质量是至关重要的。利用 VR系统 模拟矿 山的地质水文及 岩石条件， 在这种 特定条件 下爆破工 程师 将 自己的设计方 案在 VR系统 中预 演， 并将所得 的结果 同预期 的结果比较， 从而确定最 佳的炮孔布局和最佳的装药量。这样既优化设计方 案又可以减少不必要的爆破事故 。 2 ． 3 虚拟现实技术在矿山安全工程 中的应用 2 ． 3 ． 1 应 用虚拟 现 实技 术进 行 矿 山 生 产 环 境 的 风 险 评价 风险评价 已成为现代矿 山生产管理 日常工作的 一 部分。虚拟现实技术的发展为风 险评价提供了更 新、 更有效 的手段。VR计 算机系统 可 自动地进行 任何生产环境的风险分析。风 险值是按 照“ 风 险标 度” 所处的位置来度量的， 风 险标度是用不同颜色的 立体框表示， 不同的色彩表征风险的大小 ， 如绿色表 征低风 险， 黄色为中等风险、 红色则为高风险。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 中所处的状态来 变化。VR模型为用户提供 了一种强有力的观测风 险分 析环境的方法， 这 种风 险评价方法考虑如下因素 ①风险评价的三维性质 ； ②模型环境 中的人及设备 的位置及其运动 ； ③模型 环境中的人及设备的行 为。 2 ． 3 ． 2 虚拟现 实技术在事故调查 中的应用 运用 VR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， 找出事故发生的原 因， 防止 其它与此相关的潜在事 故 的出现。矿井火灾和瓦斯爆炸是井下工作人员所 面 临的主要灾害。 目前国外 的研究人员正致力于矿 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 C F D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 ， 除了模拟烟火弥漫状 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 整个 通风 网络的影响。 2 ． 4 虚拟现实技术在矿 山培训中的应用 VR系统 创造 出的矿 山生 产环境具有逼 真 、 交 互作用的特点， 非常适合 于矿工的技术培训 和安全 教育。VR系统不仅 可 以模 拟矿 山常规 作业环 境， 而且可以模拟矿山的抢险救灾环境。矿工们可以在 模拟 的常规作业 环境 中接受技 术培训 ， 这 种培训可 以使受训者产生身临其境 的感觉 ， 能够迅速 理解和 掌握那些在书面 资料上很难理 解的 内容， 操 作方法 的学 习、 工作技巧的掌握等也变得非常简单和容易。 另外矿工 们还可以在模拟的抢险救灾场景 中寻找逃 生自救 的方法及 所必需 的救护设 施， 并 作为安全经 验积累下来 ， 这将有助于矿 山的安全生产。另外， 由 于虚拟环境与矿工 的实时交互 ， 这 比在装备 良好 的 实时工作场地培训 矿工更加节 约成本， 效果更加 明 显 。 2 ． 5 虚拟现实技术在特殊采矿环境 中的应用 由于近百年来 的大规模 的陆上开采， 陆地浅部 资源 已消耗殆尽， 采矿业 的发展趋 势必然是 向深部 开采 ， 到海洋中开采甚至是到 太空 中去。随之而来 的是开采环境越来越复杂、 越来越危险， 而 VR技术 则可以进行先期 的、 指导性 的研究工作。对于深部 开采， 可通过地质勘探 获取地下相 应深度的水文地 质条件 、 地压、 地温状况 。利用 VR技术建立相应的 虚拟采矿环境， 采矿工程师可 在这 个环境 中进行 交 互式的设计， 设计出适合这种环境的特殊采矿方法 、 巷道支护方 式、 通 风方 式并 确定相 应 的开采 参数 。 之后可通过 对采矿 作业 的虚拟 确定 施工工 艺 的参 数。并且可以在这种环境 中培训 员工来适应这种工 作方式， 待到真正进行深部开采时， 则可以把现有成 果运用到实践 中去， 避 免开采的盲 目性 。对 于海洋 和太空的采矿 环境 同样可 以利用 VR技 术， 主要工 作就是收集海洋或地理环境信 息、 建立 良好的通讯 控制系统及制造出实用的采矿工具 如机器人等 。 在这 些 技 术 中会 应 用 到 VR 的 1个 分 支一遥 现 t e l e p r e s e n c e ， 它可以实现远程机器人的操作。 3结 语 虚拟现实技术是近年来发展起来 的高 新技术， 国外 已有相关 的矿业 VR产品问世 ， 但在 我国才 刚 刚起步， 应 当加紧研 究， 缩 短与 国外先进 水平 的差 距。当前的工作主要应放在为 VR技术与采矿环境 建立相宜的接 口，即建立一系列工程数据库。与此 下转 第 3 6页 维普资讯 3 6 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 在山达 克高效浓密机的选型设计 中， 根据尾矿 的物理特性选 用了高分子絮凝剂 作为添加药剂 ， 絮 凝剂添加量的确 定是使用 山达克 实际矿样， 由矿 山 实验室进行尾矿 浓缩试验后得 出的， 试验结 果见表 2 。实验室确定的最佳絮凝剂用量为 1 2 ． 6 g ／ t 。 表 2 絮凝剂添加量的实验数据 给 矿浓 絮凝剂 不同浓度浓密机实验面积／ m2 ／ t d 溢流水 浑 度／ ％量／ g ／ t 4 5 ％ 5 0 ％ 5 5 ％ 浊度／ 1 0 3 ． 2 高效浓密机面积参数的确定 在 实验 室确定 了絮凝剂最佳添 加量后 。 由絮凝 剂用量的试验结果 ， 选定浓 密机 单位面积参数。根 据山达克选矿厂排出尾矿浓度为 2 6 ％， 浓缩后设计 底流浓度 为 4 5 ％～5 5 ％， 絮凝 剂加 药量 为 1 2～2 6 g ／ t 、 满足溢流水浑浊度小于 2 0 01 0 I 6 的 回水使 用 要 求 时，确 定 浓 密 机 设 计 面 积 参 数 为 0 ． 0 4 1 m ／ t d 。 3 ． 3 高效浓密机的选型 根据 尾矿沉降和 浓缩试验结果 ， 考虑尾矿 实际 生产运用条件， 设计选取用 1台直径为 2 7． 4 m 的高 效 浓 密 机 ， 该 设 备 的 性 能 指 标 为 给 矿 浓 度 为 2 6 ． 7 ％； 排 放 浓 度 为 5 0． 0 ％；溢 流 水 浑 浊 度 2 0 0 1 0 一； 回水量 2 1 4 0 0 t ／ d ； 回水率 6 4 ． 3 ％； 絮凝 剂用量 1 2 ． 6 g ／ t 。 考虑尾矿浓度的波动、 絮凝剂 高分子 量的变化 等因素， 设计最终取值为 给矿浓度 2 6 ． 3 ％； 排放浓 度 5 0 ． 0 ％； 溢 流 水 浑 浊 度2 0 0 1 0 ； 回 水 量 1 8 0 0 0 t ／ d ； 回水率 5 4 ％； 絮凝剂用量 1 5 g ／ t 。 该设备 主要有加药装置 、 脱气箱 、 中心给矿与加 药混合箱、 行架、 耙架组成， 有过扭矩保 护装置及絮 凝剂制备系统等。 3 ． 4 高效浓密机 自动控制 系统 高效浓密机运行的成功与否关键取决于其 自动 控制 系统， 山达克高效浓密机 自动控制 系统 由来矿 控制和排放控制组成。 来矿控制是由来矿的流量计和浓度计及沉淀层 的液位显示计将 4～2 0 mA 的信号送到微机控制 系 统， 经数据处理后作用于 絮凝剂添 加系统 中的流量 计， 由此来决 定絮凝剂的添加量 。 排矿控制是经过底流排放管道上的流量计和浓 度计将测得的流量和浓度 由 4～2 0 mA 的信号送 到 微机控制 系统， 经数据处理后 作用于底流排放泵， 经 过调节渣浆泵的转速来调节底流排放量。 经高效浓密机浓缩后的尾矿矿浆 ， 其溢 流水扬 送至高位水池供选 厂二次使用， 底 流尾矿浆扬送 至 尾矿库排放 。 4 结语 选用如此大的高效浓密机在我国尾矿行业 中还 是第一次， 其面积小， 配置合理 ， 便于生产管理， 效率 是普通浓 密机 的十多倍 ， 同时基 建 费用低 ， 回水率 高， 能耗低 ； 在山达克工程一 次试 车成功， 各面指标 均达到设计要求。 [ 参考文献 ] [ 1 ] T h e r e s u I t s f r o m t h e HI C a p T h i c k e n e r t e s t s d o n e o n a s a mp l e o f fl o t a t i o n c o p p e r f r o m S a i n d a k Pa k i s t a n 1 9 9 2． [ 2 ] Th e U b i q u i t o u s Th i c k e n e r K e l t h R．S u t t i l 1 ． [ 3 ] 詹姆士 麦克哈迪． 现有选矿设备性能的改善[ R] ． [ 4 ] 北京有色 冶金 设计 研 究总 院． 张家 口选 矿高 效 浓密 机 设计 资料 [ R] 。 1 9 8 4 ， 6 ． [ 5 ] 北京有 色冶金 设计 研 究总 院 ． 金 川尾 矿 1 0 0米 普通 浓 密机设计资料[ R] 。 1 9 8 9 。 9 ． 上 接 第 4 4页 同时还应对相应的硬件进行 完善 ， 例 如 3一D视 听 卡、 3 一D图形卡及系统跟踪接 口等。 [ 参考文献 】 [ 1 ] 张瑞新 ， 任廷祥 ． 虚拟 现实技术 及其在 采矿工程 中 的应 用 [ J ] ． 中国矿业大学 学报 ， 1 9 9 8 ， 3 2 3 0 2 3 4 ． [ 2 ] 余 新 。 庞 晓晖 ． 虚拟 现 实技 术 及 其 应 用 [ J ] ． 电子 技 术 。 1 9 9 8 ， 9 2 02 2 ． [ 3 ] 陈健， 孙 兰凤 。 陆达 ． 虚拟现 实技 术 的现 状 与展 望 [ J ] ． 天津纺织工 学院学报 。 1 9 9 8 ， 2 9 29 6 ． [ 4 ] S t e p h e n R． E l l i s ． Wh a t a r e v i r t u a l e n v i r o n me n t s ． CCA。1 9 9 4 。 1 1 72 2． [ 5 ] B i s e C J ．Vi r t u a l r e a l i t y E me r g i n g t e c h n o l o g y f o r t r a i n ． i n g o f mi n e r s ．Mi n i n g En gi n e e r i n g 。1 9 9 7 。 4 9 1 3 7 41． 维普资讯