虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)

是一项综合集成技术，利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界。

提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

虚拟现实集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

目前，虚拟现实技术广泛应用于游戏、电影、房地产等多个领域。

同时，虚拟现实技术在矿业领域有着广阔的应用前景。

本文将探讨虚拟现实技术在矿山领域的应用。

一

矿山开采模拟

1、矿山规划、设计与辅助决策

通过桌面VR软件能够生成一系列的虚拟作业场景，如模拟露天矿挖掘机装载、车辆运行及卸载过程，工程技术人员可以“亲临现场”操纵挖掘机，调整车辆运行速度、装载机装载速度及卸载速度循环次数等参数，以确定最优作业工序等。

2、矿山开采过程模拟

由天河道云（北京）科技有限公司研发的VRgo虚拟辅助教学系统，可真实呈现虚拟的矿山作业场景，通过硬件设施与软件的连接，使使用者能够“亲临”矿山现场，学习开采过程。

由英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（简称AIMS）开发研制的房柱式开采模拟VR-MINE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。

该系统的主要特点在于它的真实性和人与系统的交互性。系统创造的这一三维环境与现实中的房柱式开采情况极为接近，无论是采矿作业过程,还是工艺设备的运行都如同是现场拍摄的录像。

更有意义的是，操作人员可以与这一系统进行交互作用，他可以在任意时刻穿越任何空间，进入系统模拟出的任何区域，通过计算机屏幕显示出所视空间的采矿作业情况，如：设备当前位置和运行状况,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所达到的效果。应用VR-MINE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。

显然，这类系统还可用于矿山开采计算机辅助设计、生产监控、管理和技术培训等方面。

二

地下矿技术培训

1、 地下矿作业模拟与设备操作训练

在矿业领域可以借助VR系统虚拟井下各种复杂的作业环境，VR创造出的矿山生产环境具有逼真、交互的特点，可以模拟采矿作业过程和空间环境，适于井下作业模拟与虚拟培训。

系统提供了灵活的用户界面，可以设定设备型号及数量、作业参数，也可选择煤柱尺寸、回采巷道的数量和几何参数等，而且可动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。还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。

这可以供采矿工程专业的学生实习训练，这样既可以降低实习费用，又可缩短教学时间，让更多的人接受高等教育，同时还可对井下工人进行上岗前的操作及安全教育培训。

如虚拟井下的各种工况及险情，使被训练者 身临其境地去体验，并学会采取有效的应急措施去处理各种险情，以提高人员素质，消除事故隐患。

▲矿山作业模拟

▲煤矿技能模拟操作实训台

▲采煤机模拟实训

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。

如用于露天矿卡车司机及相关人员的培训的露天矿卡车模拟器， 该模拟器除了采用一般的VR模拟系统硬件及软件进行人机交互外，还可通过方向盘、加速器和刹车板控制屏幕上卡车的运行，就如同驾驶真正的卡车一样。

当受训者操作这些硬件时，面对的计算机屏幕或投影大屏幕上呈现出一个三维的真实直观的露天矿作业环境，包括声音、甚至烟雾，如同驾驶着一 辆 真实的卡车运行在露天矿的矿坑内，无论是驾驶的卡车本身,还是环境中运行的其它设备，均按照受训者的操作或依据系统间的动态关系运行。

比如，受训者操作出错时，同样会造成撞车或从台阶滚落下去的事故。显然，这种培训手段使人与环境结合起来，通过人机交互使受训者产生身临其境的感觉并达到或超过以往其它培训形式所能产生的效果。

由天河道云（北京）科技有限公司研发的VRgo虚拟辅助教学系统，具有20多个采矿作业VR场景，将AR及云服务元素融入VR教学中，还可实现异地多人实时协同互动主动式教学，是VR+采矿工程教学的先行者。

该系统以真实的矿山数据和采矿专业知识为核心，基于VR技术打造的平台化教学产品，通过沉浸式、互动式教学，为学员提供前所未有的学习和创作环境。

▲VRgo虚拟辅助教学系统

▲VRgo虚拟辅助教学系统

2、矿山安全培训

采矿生产作业的安全隐患比任何地方都多。工人安全成为此类工作场所关注的主要问题。由于采矿工人数量多、培训手段落后，导致企业不可能对所有员工进行有效的安全培训。传统培训手段只局限于一些课堂讲解、练习和视频， 培训效果不佳，无法真正让人体验遇到安全问题如何进行处理。虚拟现实安全培训是体验式学习的救星。

数据表明，VR训练比理论训练快6倍。VR安全培训软件可以对员工的表现进行跟踪和记录。根据这些数据，培训可以加速进行，或者提升更高的水平。通过组织范围内的统计数据，虚拟现实安全培训模拟可以创建现实的预测，并覆盖有时过于昂贵或危险而无法现场进行的情况。

位于安大略省萨德伯里的北方先进技术中心NORCAT. ，已经开发了虚拟现实安全培训项目。通过工作地点拍照和视频的导入，创建一个类似于工作地点的虚拟世界，包括角色和设备。工作人员将虚拟现实面罩打开，他们就会被带到工作地点的一个复制版本。

▲NORCAT.培训场景

三

采矿设备的虚拟设计和制造

VR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新型采矿设备的设计方案进行可视化的性能评估，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，因此对井下设备的设计、运行、维修都提出了很高的要求。采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，再去修改其中不太理想、不太合理的部分，因为VR系统可以容纳他们“进入”电脑中的三维空间图像，借助多种交互手段直接对采矿设备的设计进行观察、讨论和修改，从而大大缩短设备的研制周期，节省研制费用。

以下为英国诺丁汉大学AIMS研究所研究的VR虚拟操作系统的介绍:

VRCoal

VRCoal主要用于采煤机的操作培训。可构建较真实的采煤环境，为用户提供了采煤机、梭式矿车、采煤工作面、煤层、煤层顶底板的三维模型；另外，可为用户提供了声音效果，这些声音是在真实的采矿环境中录制的，并进行了混音处理。

可使用户按照真的操作面板对采煤机进行虚拟控制，如采煤机的前进、后退、对齐煤层、装车等。当采煤机遇到不同岩性的岩石时，采煤速度会自动改变，如遇到焦变煤时会加速，遇到岩石时会减速等。

VRCoal可以保存学员的培训日志，供教员在评估培训效果时参考，以决定该员是否达到培训要求。

SafeVR

SafeVR是英国诺丁汉大学AIMS研究所的研究人员开发的安全培训VR软件包。可训练学员正确判断险情并作相应的处理。用户可以让学员指出一种险情并选择最佳的解决方案。用户可以定义自己列表并创建一种险情。用户还可为每一类对象关联声音，声音是根据情的存在与否而定的(如管道泄露时会发出“世噬”的响声)。

VROOM

VROOM是AIMS的研究人员开发的另一个软件，主要用于矿山机械设备的操作培训方面，如采掘机的使用，拖车的实时驾驶等。包含大量的虚拟矿山模型，如矿山表面纹理、卡车、托运线路、钻机、推土机、索斗铲、维修车、矿山工人等，以便完成虚拟环境的创建。

四

应用VR技术进行矿井事故调查和研究

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。同时通过交互式地改变这一VR模型中环境的参数 或状态,从而防止其它与此相关的潜在事故的出现。

安全监察与危险识别

通过基于VR的安全监察与危险识别训练系统，训练者在VR生成的虚拟作业现场导航，对各种动态目标和静态对象进行观察，以识别潜在的危险、风险和行为;一经发现危险源，使用者必须回答一系列相关问题，选择出正确的危险处理方法，实现训练目标。诺丁汉大学开发的SAEF-VR系统是虚拟现实在安全监察与危险识别中的典型应用之一。

井下环境风险评估

风险评估目前已成为现代矿山生产管理的重要工作，其主要内容是评价人员对生产过程安全状况的辨识。然而，识别井下复杂环境下的所有因素是困难的，常常会影响到风险分析的结果，甚至可能导致人为的失误，造成灾难性后果。虚拟现实技术的发展为风险评价提供了有效的手段。在计算机生成的虚拟环境中，可以交互式地对作业空间进行多角度观测，实现对生产过程更加科学的评估。

矿井火灾、瓦斯等事故仿真

通过模拟真实的矿井作业环境，并结合通风网络分析和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烟火弥漫状况外，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。在矿井的某些位置，可以对火灾或爆炸进行模拟，并随之产生有关环境参数的各种变化。

矿井火灾和瓦斯爆炸是井下工作人员所面临的主要灾害。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。

演练矿井抢救

采矿作业危险性较大。不仅工作环境危险，有毒气体时时危害着工作人员的健康,井下各类用电设备也会构成安全隐患。矿山安全培训的需求目前非常大，而各家公司也积极地寻求方法提高煤矿作业效率和技术，希望鱼与熊掌兼得。

Mines Rescue位于澳大利亚新南威尔士，属于Coal Service(煤矿服务下的一个业务部)，该组织成立了虚拟现实安全培训中心，该中心将以特有的培训方法改变采矿人员对作业安全的认识。

该培训中心安装了360度显示屏，像IMAX影院，使用户产生更为真实的体验。同其他培训中心不同，Mines Rescue在虚拟环境下创建一个采矿作业区。该培训中心能全面地向人们展示培训如何进行：如何安装螺栓，安装命令以及安装原因。培训教员还可以在虚拟世界中触发事故场景，例如火灾事故、浓烟等效果，让受训人员产生第一手真实体验。

虚拟技术在矿山应用的不足

1、目前国内外矿山VR系统中，着重于虚拟环境图形信息的几何表达，基本未着重考虑虚拟环境的智能性问题；

2、大多数场景中的物体是静态的、被动的、无生命的，还缺少对井下作业人员、运输车辆等高级实体的行为建模与研究，不能表现高级实体在环境中的行为方式及其与虚拟环境的交互作用;

3、缺少对井下物理环境的逼真表达与模拟方法，或者使用了过于简单的自然环境模型，造成虚拟环境与真实世界有较大差异，严重制约了VR系统的应用价值。

近期发展方向

嵌入式3D可视化操控平台

以虚拟仿真技术为主要平台进行开发，采集工作面中相关设备的真实数据，真实再现井上井下设备的操作及控制；替代传统二维图片设备控制，提升远程操作安全和准确性。

智能化成套装备仿真体验培训

（可用ipad控制电脑端的虚拟机器）

与AR连接

在手持电脑、头盔显示器或“智能”眼镜上使用AR系统，矿工可以清楚的看到需要处理的机械部件，并在如何维护或者修理设备的单个部件方面得到指导。通过设备上的传感器，矿工可以获得有关齿轮、链条和输送机磨损程度的有用信息。传感器收集的数据被输入到数据库中，数据库可以提供机器的实时信息和可视化。一步一步的画外音知道他们完成维护和维修工作。对矿业公司来说，准确的知道在哪里找到维修的部件是一件省钱又省时的工作，最重要的是，它能确保那些在地下实际工作的人获得最大的安全。