数字矿山虚拟现实可视化.doc

数字矿山虚拟现实可视化 摘 要数字矿山虚拟现实可视化技术是以三维可视化技术、数据仓库技术为基础，全面实 现矿床地质建模、储量计算、测量数据的快速成图、地下开采系统设计及生产模拟到各种工 程图表的快速生成等工作的可视化、数字化与智能化的现代化技术。对于模拟井下生产、进 而进一步实现井下安全生产有重要意义。 关键词数字矿山；建模；Maya；虚拟现实；三维可视化 中图分类号TD 676 1 引言 二十一世纪提倡绿色开采，煤炭绿色开采以及相应的绿色开采技术，是从广义资源的角 度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的资源；基本出发点是防止或尽可能的减轻 开采煤矿对环境和其他资源的不良影响；目标是取得最佳经济效益和社会效益[1]。绿色开采 的同时需要大量新的技术，当然更要在煤矿开采的过程中实现更加安全的开采。数字化信 息技术的快速发展，为数字矿山提供了强大的技术支持，使得数字矿山在矿山的实际 规划、开发、生产和管理等方面发挥的作用越来越大。三维虚拟现实可视化技术作为 构建数字矿山的关键技术，能够将矿山的实际情况真实地反映出来，为矿山资源开采 设计、生产过程控制与调度、生产安全和管理决策等提供数字化技术平台和实用系统，协助 矿山企业实现安全、高效生产和生产过程控制与调度的自动化，达到安全开采的目的。 2 无人工作面采煤技术 无人工作面采煤简称无人采煤，即工人不出现在回采工作面内，而是在回采工作面以外 的地点操纵和控制机械设备，完成工作面内的采煤、运煤、支护回采工作空间和处理采空区 等各项工序。对于工作面设备的检修和故障处理也都在回采工作面以外的巷道中进行[2]。 无人工作面的最大特点是工人摆脱了较危险的工作地点，能够在较为舒适的环境中实现 井下作业，其多用于薄煤层较艰难条件下开采。并且实现用人少，劳动效率高的高标准，达 到安全、高产、高效、低耗的多目标效果。 然而，无人采煤仍是当今采矿的一大难题，如何达到预想效果，需要高科技产品的支持 和对井下工作面更深的掌握，现实中存在的一难题就是怎样将复杂的井下工作面环境模拟出 来从而进行研究和布置。通过图纸指导各种无人采煤方法。 3 虚拟现实可视化应用于矿山 3.1 采矿CAD 技术 随着计算机技术的迅猛发展，采矿CAD 技术逐渐引入了采矿工程行业，使得传统的手 工绘图和设计方法发生了根本性的改变。将计算机应用于采矿，使得绘图设计更加高效，更 加精确。 采矿工程图是矿井技术决策的重要表现形式，是采矿工程管理和技术人员交流决策思想 和保存矿井技术资料的重要手段。CAD 技术最早是针对露天开采计划编制而进入我国采矿 界，目前已渗透到采矿工业的各个环节，包括地质绘图、测量验收、开拓设计、采矿方法设 -2- 计等工作[3]。尽管CAD 技术有着诸多优点，但是由于井下地质条件的复杂，CAD 技术应用 三维技术模拟机器内部等仍存在些缺陷，还有待于进一步研究。 3.2 虚拟可视化 建立一个三维矿山模型让矿体的真实面目呈现在人们面前，对于矿山设计者和生产者无 疑具有重要的意义。因而，三维可视化技术的应用前景非常广泛。 1.三维矿山模型可让整个矿山工程呈现出来包括地面和地下工程，非常直观，矿山管 理人员可以直接全面了解生产进度和安全情况，有利于管理者作进一步的生产计划。 2.矿山保存的是三维模型，不再是各种剖面图。利用三维实体模型可以在任意位置形成 矿体的水平剖面、横剖面、纵剖面、斜剖面图，从而大大减轻了图纸绘制的工作量。 3.由于三维实体模型与绘图和参照绘图的工程和部位是相关联的，所以改变了模型，就 会自动反映在与之有关联的图形和工程上，这又极大地减轻了图纸的维护工作量。 4.可以方便地计算出某一局部的开采量和开挖工程量。 5.矿山三维实体模型还可方便地应用于教学及采矿方法研究。 在应用研究方面，我国矿山信息化建设的现状是总体水平不高，在矿山数字化技术水平 方面与发达国家相比，还有很大的差距。近年来我国在矿山信息化、数字化、智能化建设方 面进行了大量研究工作。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）、三维地学模型（3DGM）、矿山虚拟现实（MVR）、矿山 GPS 定位 等方面的技术开发和应用研究，并利用国外软件如 LYNX、Vulcan 等进行了三维地质模拟 体可视化技术的应用研究。在软件系统开发方面，我国和发达国家相比也有很大差距，但也 取得了一定的成就 。 如 开 发 完 成 的 GEOTOOLS3.0、LeadingGIS、MAPGIS、 SUPERMAP 系统等都具有三维可视化的模块。 3.3 产品及技术概述 3.3.1 煤矿安全生产动画 传统的二维动画无法真实的表现生产过程。三维动画以超真实的效果再现安全生产所必 须遵守的操作规则，对人员培训，生产实践指导起到无法模拟的作用，使煤矿安全生产动画 得到质的提升。 图1 塌方 3.3.2 煤矿虚拟现实类 取代了用AutoCAD 图纸安排具体工作，用三维可以真实的模拟巷道布局不同状况，工 -3- 作面。轻而易举掌握井下生产。 图2 无轨胶轮车 3.3.3 科技宣传片 为客户量身打造宣传企业实力增加科技含量的宣传片，区别于一般的实拍宣传片，加入 大量三维元素，以绝大的三维冲击力，增加观众想象，使宣传片耳目一新。三维宣传片是宣 传片的必然趋势。 图3 装车系统正面 3.3.4 机械产品三维展示 机械产品三维展示，用最真实的效果展示，机械产品的外观、性能，使企业在推销产品 时，无需带模型及样品，只需一张光盘，便可使客户对机械产品外观、性能、维修等一目了 然。当机械产品升级或改进时与维修产品可根据需要进一步改进，或根据客户要求提供服务。 -4- 图4 提升装置 3.3.5 煤矿生产流程展示 根据煤矿不同生产工艺，真实展现生产过程，使观众不用下井对生产流程理解，更加深 刻对领导参观访问起到关键作用，同时增加煤矿生产科技含量。 图5 工作面 3.4 虚拟可视化优势 可视化技术作为构建数字矿山的关键技术，突破了静态平面图形和数据图表不能反映矿 井地质条件、生产条件和工作场所在时间、空间上变化的难题，应用到三维矿体和地形中， 能够将矿井复杂的井巷工程、生产与安全系统、地测等综合动态信息通过三维立体图逼真地 表现出来[4]。通过机械产品三维展示，矿业机械效果三维模拟，矿业机械维修、拆装三维演 示，煤矿生产流程三维立体演示，安全生产三维教学演示及仿真动画等途径将煤矿的生产过 程呈现在工作人眼前，直观，方便生产，实现交互，机械拆装交互式三维演示，厂矿区地面 及地下漫游交互，数字矿山可视化系统三维演示等，发展前景广阔。然而，“数字矿山”的建 设是一项长期、复杂并且庞大的系统工程。通过对数据采集和高速网络传输技术、分布式空 间数据库和网络GIS 技术、空间数据仓库和空间数据挖掘技术、三维可视化和虚拟现实技 术、动态模拟和人工智能技术等的进一步研究，改善实时性，交互性等方面，最终将会实现 矿山的高度信息化、自动化和高效率，从而达到无人采矿和遥控采矿，从根源上解决矿井事 故的发生。 -5- 4 结语 数字矿山可视化技术目前处于起步阶段，能够真实地将现实情况通过三维动画展现出 来，后续的研发工作主要指向交互性，增强可操作性。厂矿区能够进行地面及地下漫游交互， 通过井下的实时动画进行相应的操作，做到生产过程井下无人，全自动化生产，实现真正的 “数字矿山”。 开发出数字矿山自动化系统，使安全监控、生产监控、电力监控等主要系统有机结合在 一起，为煤矿科学生产等提供了一个完整的平台，实现矿井生产调度的统一管理，同时为自 然灾害的有效预防、抢险救灾的统一调度指挥、远程管理监测提供有力的支持工具，对于矿 井提高生产产量、减少生产事故、职工安全生产提供有力保障。最终实现煤矿井下无人全自 动生产、监测。 参考文献 [1] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤炭绿色开采技术[J].中国矿业大学学报,2003,32（4） [2] 刘过兵. 无人工作面采煤[M]. 煤炭工业出版社,1993,101-2 [3] 刘过兵. 采矿新技术[M]. 煤炭工业出版社,2002,11151-158 [4] 魏东等.矿井生产管理数字化与三维可视化信息技术[J].煤炭科学技术,2004 Digital Mine Virtual Reality Visualization Han Zhiting, Ge Wanliang, Feng Chaochao School of Mining Engineering，China University of Mining modeling; Maya; virtual reality; three-dimensional visualization