华北矿业高等专科学校　王玉怀

    北京科技大学　李祥仪

    摘　要　本文对虚拟现实技术进行了介绍,并介绍了虚拟现实技术在采矿设计、工艺和其它方面的应用,对该技术的应用前景进行了分析。

    虚拟现实技术(Virtual Reality) 是一种探讨如何实现人和计算机之间理想结合的技术,这种信息处理方法已不是建立在一个单维的数字化的信息空间上,而是建立在一个多维化的信息空间,感性认识和理性认识相结合的综合集成环境,虚拟现实技术是把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人们能够感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息,使人产生身临其境的感觉。

    虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃,它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界,是这些技术高层次的集成和渗透;它给用户以更逼真的体验,为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律,提供了极大的便利。这种技术一经问世就受到人们的高度重视,如今它与多媒体技术及计算机网络技术并称为三大计算机技术。

    虚拟现实空间的实现过程如下:首先虚拟现实设备从现实世界获得素材;然后用户向虚拟现实设备发信息,此信息与现实素材一道经过加工后建立3D 模型;最后生成用户可直接参与的虚拟世界。其中,最关键的是建立一套完整的反馈机制,用户的一切行动都要及时反馈到虚拟现实设备上,而用户也必须及时收到虚拟空间的反馈信息以便做出反应。

    1 　虚拟现实的特点

    虚拟现实并不是简单地执行预先编制好的程序,也不是让使用者被动地接受程序运行的结果。使用者可以和虚拟现实空间中的物体发生关系,而且一切过程都具有实时性。和现有的其他媒体技术相比,虚拟现实的主要特点是:

    (1) 沉浸感。虚拟现实强调用户的参与,它通过上述过程生成一个3D 仿真空间,仿真空间内的各种物体都是根据现实原型的数据加工而来,它们也有实体感和力度感。虚拟现实设备可以模拟出各种感官环境,用户可以充分利用其感官去听、察、嗅、触。其界面十分友好,使人产生一种沉浸其中的强烈之感。

    (2) 交互性(互动性) 。虚拟现实不是简单地运行事先编制好的程序,它重点强调用户的亲身参与。用户根据各种已有线索做出反应,设备根据用户的具体行动及时生成新的场景,然后将信息反馈给用户,如此反复,推动情节向前发展。

    (3) 主动性。不同于以往被动式经历,虚拟现实更强调用户的积极参与和交互作用,用户可以自己做决定,达到前所未有的逼真度。

    2 　国内外研究概况

    国外研究状况:美国是VR 技术的发源地,其研究水平基本上代表国际VR 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面,其应用研究主要用于航空、建筑、机械、医疗等领域。如美国宇航局的航空、卫星维护VR 训练系统,空间站VR 训练系统,北卡罗来纳大学的分子建模、外科手术仿真、建筑仿真等。

    国内研究状况:我国对于此项技术的研究和国外有一定的差距,但已经扩展了对此项技术的研究。北京航空航天大学是国内研究虚拟现实技术的代表,其主要研究虚拟现实演示环境,提供飞行训练的虚拟现实系统,提供虚拟现实应用系统的开发平台。中国科学院、清华大学等单位也进行了各自的应用研究。

    3 　虚拟现实技术在矿业中的应用

    随着计算机技术的发展,虚拟现实技术已逐步开始应用于矿业领域。目前,虚拟现实技术在矿业的应用主要体现在以下方面:

    3. 1 　在矿井设计和优化中的应用

    (1) 露天煤矿设计。目前,露天煤矿一般是用AUTOCAD进行设计,设计出来的是平面二维图,不直观,一般人不易看懂,而且容易造成有些主要的信息表达不清或丢失。而采用VR 开发的三维地形模型—DTM数字地形模型,非常生动、直观。对于不满意或不合理的地方,可以及时调整数据并立即在

    虚拟环境中再现。建立该模型的主要依据是测量数据,测量的数据经过AutoPLan 计算后转换为三维地形模型。应用该模型一方面可以优化矿井设计,提高设计的可靠性,另一方面可以预测开采过程中周围环境的变化情况。人们日益重视环境的今天,在一开始就考虑到开采对周围环境的影响,以便尽可能减少对环境的破坏。

    (2) 矿井设计3D 自动立体展示系统,由德国Freiberg 大学采矿研究所和Dresden 技术学院联合开发。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,给出危险情况下应采取的正确措施和方法,提高工作的安全性。

    3. 2 　在爆破工艺上的应用

    爆破是矿山的一项重要工艺,其爆破效果对生产具有很大的影响,而且容易引发事故。美国Neva2da 大学研究出通用差异单元法UDCE ,用这种方法建造爆破模型。该模型可以模拟爆破对岩体的冲击和产生的气体压力效果,模拟出爆破后某一部分岩体的最终位置,从而根据覆岩移动和破碎情况重新设计爆破方案,提高矿石的品位,而且不需要再进行现场试验。同样,对井下巷道的爆破工艺,也可以采用VR 系统进行研究。

3. 3 　露天矿卡车P铲车调度系统的实时优化

露天煤矿运输卡车和铲车之间匹配是否合理,直接影响露天煤矿产量。针对卡车、铲车的不同状态,可以借助GPS 和VR 系统对卡车和运输网络之间的关系进行优化。通过对卡车的行驶速度、装载机的装载速度、装载循环次数的研究,对卡车和装载机之间匹配关系的研究,确定最优的运输、装载工艺。

    3. 4 　综采工作面设备的虚拟研究

    由于井下条件的限制,对于工作面设备的运行情况、作用范围和相互之间的匹配情况,很难进行细致的研究。通过虚拟现实研究,VR 系统可以演示采煤机、皮带、液压支架的运动和操作过程,使人们对工作面这些设备的作用有更深入的理解,对设备系统出现的问题及时解决,优化设备整体性能,提高生产效率和生产的安全性。

    3. 5 　模拟地质构造

    地质构造对采矿工作的影响是相当大的,因此,人们非常希望能够预先了解甚至掌握地质构造的分布规律及其对生产的影响。目前主要依靠地质勘探来推断各种地质构造。南非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。

    3. 6 　在培训、教学上的应用

    美国宾西法尼亚大学开发出VR 矿工培训系统。该系统允许用户在虚拟工作面上检查工作面的故障隐患,如顶板支护是否合理,查看工作面设备是否正确放置,应该采取哪些措施。应用该系统可以培训矿工的安全意识。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。

    目前,中国矿业大学和DMT —TFH合作,已把STMBERG 应用于真实矿井中。另外,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。

4          虚拟现实技术在矿业中应用前景

随着计算机技术的不断发展,虚拟现实技术在矿业中的应用会越来越广泛,从矿藏分布预测、地质构造分布、矿井设计优化、各种工艺模拟优化,一直到救灾、防灾,教育培训等等。

    参考文献

    1 　黄心渊,虚拟现实技术与应用,科学出版社,1999

    2 　Heping Xie ,Yuehan Wang & Yaodong Jiang , Computer Appli2

    cations in the Mineral Industries ,Proceedings of the 29th Inter2

    national Symposiumon Computer Applications in the Mineral In2

    dustriesPBeijingPChinaP25 - 27 April 2001

    3 　马旭东,虚拟现实技术及其应用,国外科技动态,2001. 5