虚拟仿真技术在智慧矿山建设中的应用探讨

王文田，关长亮,刘启超，蔡国良，孙秀丽，单 峰

(丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118002)

虚拟仿真技术在智慧矿山建设中的应用探讨

王文田，关长亮,刘启超，蔡国良，孙秀丽，单 峰

(丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118002)

在安全矿山建设中，虚拟仿真技术应用在虚拟环境中的模拟实训、防灾避难的应急处置等，可以大幅降低在真实环境中操作错误所带来的事故风险。通过仿真技术可以对矿山前期建厂的选址、设备选型和调试以及生产中的一系列过程进行模拟仿真，从而实现高效节能生产。

智慧矿山； 安全矿山； 高效节能； 虚拟仿真

1 前言

虚拟现实技术自出现以来就受到全球的瞩目，其强有力地向世人展现了无比宽广的应用前景。美国作为虚拟现实技术(VR技术)的诞生地，关于VR的发展和研究一直处于世界研究和发展的前沿。目前，发达国家和部分发展中国家对该领域的研究已经达到一定程度。后台软件、用户界面、感知以及与之相关的硬件产品研究是目前美国在该领域的主要研究方向。我国VR技术和一些发达国家相比还有一定的差距，但是近年来我国对该技术高度重视，建立了一批虚拟现实实验室、科研机构和研究基地。

近几年，冶金矿山行业在大环境困难的情况下，如何安全、高效地生产成为需要面对的主要问题。虚拟仿真技术在智慧矿山中的应用，如在虚拟环境中模拟实训、防灾避难的应急处置等，可以大幅降低在真实环境中操作的错误所带来的事故风险。在矿山领域的模拟仿真即是通过物联网技术、无线通讯技术等手段将现场数据传入虚拟现实的系统中，通过实时交互、人机界面、智能分析等实现对矿山作业的每个工作流程以及工作单元实时的、历史的模拟和分析。真正的使智慧矿山做到安全、高效、清洁、数字化信息化的矿山。

2 项目建设背景与意义

高效矿山、清洁矿山、矿山的数字化、信息化建设依托于工业仿真软件技术，将实体矿山中的各个模块转化成数据整合到一个虚拟的体系中，在这个体系中模拟实现矿山作业中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互。大数据分析技术、云计算技术、无线通讯技术、传感器技术等智能化技术在工业领域的迅速发展，使得工业软件对工业元素描述更精确、软件与工业实际应用结合更紧密更细致，虚拟仿真成为工业软件未来发展的重点。

随着数字化的发展给矿山行业带了新的挑战和机遇。制定“互联网+”行动计划，就是对现有企业尤其是高新技术企业的一次改革，要从智能制造、网络通讯、新型材料、航空航天、电子、医疗、能源与环境等一系列项目加大力度，培养出一大批新兴主导产业。加快经济稳定发展，同时兼顾网络安全、环境保护、资源利用等安全有序的发展[1]。

虚拟仿真技术将是21世纪信息技术的代表，主要是以计算机技术为代表并包含但不局限于以下技术：计算机图像处理技术、计算机建模技术、人工智能技术、计算机仿真学、无线通讯技术、物联网技术、集成电路技术、网络技术、立体显示技术及人机接口技术等多种高新技术集成[2～3]。虚拟现实技术在娱乐、教育、艺术等应用领域已经处于研发应用阶段，而在工业制造领域在近几年才开始探索。虚拟现实仿真技术支持高速运算分析并具有强大的物理引擎，可以真实地模拟重力、阻尼、摩擦因数、刚体动力学、牛顿运动定律等动力学特性，并可以进行碰撞替代体的高速运算分析以及多种动力学交互。这项技术的突破使得工业仿真领域的交互方式成为现实，模拟仿真技术可以生动形象地将显示工作虚拟化、仿真化，从而为工业仿真领域带来了革命性的进步和发展。在智慧矿山中，VR虚拟现实技术应用的核心问题是大幅提升生产力和安全生产，创造潜在的经济价值，还可以通过在虚拟环境中的模拟实训，大幅降低在真实环境中操作的错误，从而提高安全水平以及应对安全事故的应急处置能力。

3 建模软件及模型建立

虚拟仿真离不开虚拟现实物体的建模，常用的3D建模软件有3D Studio Max、solidworkss、Autodesk Maya、Pro/E、UG等。其中3D Studio Max和solidworks是相对容易掌握的软件；在3D建模中很常用； Pro/E也很常用，其生成的零件可以直接编程，装配受力分析等接口好； UG是一款功能相对比较全的3D建模软件，集成受力分析、编程等一系列功能，要求掌握的起点也较高。

3D Studio Max具有丰富的造型工具、材质设置及3D动画设计工具，可简称为3d Max或3ds MAX，该软件是由Discreet公司开发的(后被Autodesk公司合并)。该软件前身3D Studio系列软件是基于DOS操作系统的。3DMAX可将其他专业的工具软件例如CAD等制图软件的图形导入其中，其主要支持DWG、DXF等格式的文件, 该软件可以对物体进行灯光、材质等渲染,且技术门槛要求较低，因此该软件应用较为广泛。该软件在Discreet 3Ds max 7后，正式更名为Autodesk 3ds Max，最新版本是3ds max 2017。

3d Max最大的弱点是几乎无法交互性,用户无法对自己建造的模型进行操作，一切都只能是按照一定动画形式做展现，这一致命的弱点约束了该软件在虚拟现实技术中更深远的应用和发展[4～5]。

4 虚拟现实技术及软件

虚拟现实技术即可以方便使人们对所构造的“虚拟世界”进行模拟真实环境的侵染式交互式操作、分析、控制等。其主要手段是通过计算机将自然现实的场景模拟成虚拟环境下的场景，该虚拟场景几乎可以取代真实场景的一切功能，虚拟现实的技术实力也正是体现于此。虚拟现实应具备具有多媒体信息的交互性、侵染性和感知性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值。为了给用户创建能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件是根据需要能在虚拟现实系统中逼真地显示出客观世界中的一切对象，不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求在形态、光照、质感等方面十分逼真，图1即为三维交互软件设计的功能组成图。

数字样机展示、大规模装配、异构CAD装配、虚拟拆装、虚拟维修、人机工效分析、协同设计、CAE后处理可视化、更多工业客户需求,由于虚拟现实技术的发展，目前关于这方面的软件发展很快，其中常用的软件有MuLtiGen Greator、Vega、OpenGI以及我国图灵公司的VRMAP、适普公司的IMAGIS等[6]。

图1 三维交互软件设计功能组成图

5 虚拟仿真在选矿中的应用探讨

随着工业的不断发展，企业对生产设备和生产流程需建立方便、直观的监控，通过三维可视化技术展示选矿工艺中生产设备和生产流程的监控，因此需开发一套选矿全流程演示软件。软件可由用户定制建立一套选矿全流程三维场景，并通过外部系统的数据对有关设备、仪表进行显示和驱动，从而方便用户在生产过程中对选矿全流程的监控。

选矿工艺三维模拟与仿真系统平台对选矿厂真实生产场景进行虚拟实现，使用户通过良好的人机界面可以获得真实的感受，同时结合选矿自动化控制仿真系统(控制仿真由其他软件实现，“平台”只是通过数据通信形象地展示控制量的变化)，使用户可以更加形象地认识和理解选矿自动化控制的功能。

系统平台重点分为“3D生产工艺流程展示”、“3D图形与外部数据交互展示”两大主要功能。系统登陆后显示主界面，并设置交互菜单，主画面为虚拟选矿厂三维整体布局展示并带有工作场景画面，可以鸟瞰视角查看设备，也可通过控制鼠标与键盘以第一人称视角在厂房中浏览，另外主要设备还能与外部自动化控制系统对接，生产过程量图形能跟随外部数据的变化而改变形状。同时，通过模拟仿真系统对选矿现场操作人员进行培训，这样可以有效地减少现场实地培训不必要的损耗，例如设备的频繁开启、电能、钢耗等不必要的浪费，还可以直观地达到培训效果。另外，选矿厂可以通过模拟仿真平台在建厂初期对设备的选型、位置的摆放以及在运行调试过程中对部分控制参数校验和修正，如可实现对分级环节中的重要设备旋流器控制参数的调节，图2为模拟仿真的操作面板，图3为模拟仿真的效果展示。通过调节图2中旋流器的输入参数如给矿压力、浓度等，明显可以看到图3中旋流器的粒度变化。该方法可以省去大量现场调试过程以及不必要的矿浆损耗和设备磨损。

图2 旋流器模拟仿真面板图

图3 旋流器模拟仿真效果图

6 结语

笔者仅对模拟仿真在选矿厂的应用进行了初步探讨，运用3D虚拟仿真技术结合专家控制系统通过互联网技术，打造一个工业仿真互联网平台是研究的关键。在后续研究中对虚拟仿真技术在智慧矿山建设中的应用主要有以下两部分，一是在虚拟环境中的模拟实训、防灾避难的应急处置等，可以大幅降低在真实环境中操作的错误所带来的事故风险；二是建立工业仿真平台，将实体矿山中的各个模块转化成数据整合到一个虚拟的体系中，在这个体系中模拟实现矿山作业中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互。

[1] 朱仁華.迎接全新的数据时代[J].浙商,2015,(7).

[2] 张瑞新.虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展[J].煤炭学报,1999，(1):70-73.

[3] 管恩吉，郭忠林，吴世剑.虚拟现实技术在矿山系统中的应用[J].矿业工程，2009，(1):56-61.

[4] [美]S.Ellion.P.Miller著,张若青,古梅译.3DMAXSTUDIO技术精粹[M].北京:清华大学出版社,1997.

[5] 张凯选，闫 野，魏 来.CAD下三维建模研究[J].计算机系统应用,2012,21(2):192-195.

[6] Liu W W，DU Jiang.Autostereoscopic display realized in 3DMAX[J].Journal of Hefei University of Technology,2008,31(4):585-579.

Application of virtual simulation technology in intelligent mine construction

Using virtual simulation technique in the simulation training, emergency handling of disaster prevention and evacuation in virtual environment can greatly reduce the accident risk caused by mistake in actual operation. Through using the virtual technique, the mine site and equipment selection, production commissioning and production process all can be simulated, then realizes the efficient energy-saving production.

intelligent mine; safe mine; high efficiency and energy saving; virtual simulation

TD672

B

2017-07-04

王文田(1974-)，男，河南邓州人，高级工程师，从事工程技术研发设计工作。