虛擬仿真技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用探討

王文田，關(guān)長亮,劉啟超，蔡國良，孫秀麗，單 峰

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118002)

虛擬仿真技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用探討

王文田，關(guān)長亮,劉啟超，蔡國良，孫秀麗，單 峰

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118002)

在安全礦山建設(shè)中，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在虛擬環(huán)境中的模擬實(shí)訓(xùn)、防災(zāi)避難的應(yīng)急處置等，可以大幅降低在真實(shí)環(huán)境中操作錯誤所帶來的事故風(fēng)險。通過仿真技術(shù)可以對礦山前期建廠的選址、設(shè)備選型和調(diào)試以及生產(chǎn)中的一系列過程進(jìn)行模擬仿真，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)。

智慧礦山； 安全礦山； 高效節(jié)能； 虛擬仿真

1 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自出現(xiàn)以來就受到全球的矚目，其強(qiáng)有力地向世人展現(xiàn)了無比寬廣的應(yīng)用前景。美國作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR技術(shù))的誕生地，關(guān)于VR的發(fā)展和研究一直處于世界研究和發(fā)展的前沿。目前，發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家對該領(lǐng)域的研究已經(jīng)達(dá)到一定程度。后臺軟件、用戶界面、感知以及與之相關(guān)的硬件產(chǎn)品研究是目前美國在該領(lǐng)域的主要研究方向。我國VR技術(shù)和一些發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距，但是近年來我國對該技術(shù)高度重視，建立了一批虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)和研究基地。

近幾年，冶金礦山行業(yè)在大環(huán)境困難的情況下，如何安全、高效地生產(chǎn)成為需要面對的主要問題。虛擬仿真技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用，如在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)訓(xùn)、防災(zāi)避難的應(yīng)急處置等，可以大幅降低在真實(shí)環(huán)境中操作的錯誤所帶來的事故風(fēng)險。在礦山領(lǐng)域的模擬仿真即是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)等手段將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳入虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中，通過實(shí)時交互、人機(jī)界面、智能分析等實(shí)現(xiàn)對礦山作業(yè)的每個工作流程以及工作單元實(shí)時的、歷史的模擬和分析。真正的使智慧礦山做到安全、高效、清潔、數(shù)字化信息化的礦山。

2 項(xiàng)目建設(shè)背景與意義

高效礦山、清潔礦山、礦山的數(shù)字化、信息化建設(shè)依托于工業(yè)仿真軟件技術(shù)，將實(shí)體礦山中的各個模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)整合到一個虛擬的體系中，在這個體系中模擬實(shí)現(xiàn)礦山作業(yè)中的每一項(xiàng)工作和流程，并與之實(shí)現(xiàn)各種交互。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云計算技術(shù)、無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等智能化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使得工業(yè)軟件對工業(yè)元素描述更精確、軟件與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用結(jié)合更緊密更細(xì)致，虛擬仿真成為工業(yè)軟件未來發(fā)展的重點(diǎn)。

隨著數(shù)字化的發(fā)展給礦山行業(yè)帶了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，就是對現(xiàn)有企業(yè)尤其是高新技術(shù)企業(yè)的一次改革，要從智能制造、網(wǎng)絡(luò)通訊、新型材料、航空航天、電子、醫(yī)療、能源與環(huán)境等一系列項(xiàng)目加大力度，培養(yǎng)出一大批新興主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。加快經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，同時兼顧網(wǎng)絡(luò)安全、環(huán)境保護(hù)、資源利用等安全有序的發(fā)展[1]。

虛擬仿真技術(shù)將是21世紀(jì)信息技術(shù)的代表，主要是以計算機(jī)技術(shù)為代表并包含但不局限于以下技術(shù)：計算機(jī)圖像處理技術(shù)、計算機(jī)建模技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)仿真學(xué)、無線通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、集成電路技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)等多種高新技術(shù)集成[2～3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂、教育、藝術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)處于研發(fā)應(yīng)用階段，而在工業(yè)制造領(lǐng)域在近幾年才開始探索。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)支持高速運(yùn)算分析并具有強(qiáng)大的物理引擎，可以真實(shí)地模擬重力、阻尼、摩擦因數(shù)、剛體動力學(xué)、牛頓運(yùn)動定律等動力學(xué)特性，并可以進(jìn)行碰撞替代體的高速運(yùn)算分析以及多種動力學(xué)交互。這項(xiàng)技術(shù)的突破使得工業(yè)仿真領(lǐng)域的交互方式成為現(xiàn)實(shí)，模擬仿真技術(shù)可以生動形象地將顯示工作虛擬化、仿真化，從而為工業(yè)仿真領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步和發(fā)展。在智慧礦山中，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的核心問題是大幅提升生產(chǎn)力和安全生產(chǎn)，創(chuàng)造潛在的經(jīng)濟(jì)價值，還可以通過在虛擬環(huán)境中的模擬實(shí)訓(xùn)，大幅降低在真實(shí)環(huán)境中操作的錯誤，從而提高安全水平以及應(yīng)對安全事故的應(yīng)急處置能力。

3 建模軟件及模型建立

虛擬仿真離不開虛擬現(xiàn)實(shí)物體的建模，常用的3D建模軟件有3D Studio Max、solidworkss、Autodesk Maya、Pro/E、UG等。其中3D Studio Max和solidworks是相對容易掌握的軟件；在3D建模中很常用； Pro/E也很常用，其生成的零件可以直接編程，裝配受力分析等接口好； UG是一款功能相對比較全的3D建模軟件，集成受力分析、編程等一系列功能，要求掌握的起點(diǎn)也較高。

3D Studio Max具有豐富的造型工具、材質(zhì)設(shè)置及3D動畫設(shè)計工具，可簡稱為3d Max或3ds MAX，該軟件是由Discreet公司開發(fā)的(后被Autodesk公司合并)。該軟件前身3D Studio系列軟件是基于DOS操作系統(tǒng)的。3DMAX可將其他專業(yè)的工具軟件例如CAD等制圖軟件的圖形導(dǎo)入其中，其主要支持DWG、DXF等格式的文件, 該軟件可以對物體進(jìn)行燈光、材質(zhì)等渲染,且技術(shù)門檻要求較低，因此該軟件應(yīng)用較為廣泛。該軟件在Discreet 3Ds max 7后，正式更名為Autodesk 3ds Max，最新版本是3ds max 2017。

3d Max最大的弱點(diǎn)是幾乎無法交互性,用戶無法對自己建造的模型進(jìn)行操作，一切都只能是按照一定動畫形式做展現(xiàn)，這一致命的弱點(diǎn)約束了該軟件在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中更深遠(yuǎn)的應(yīng)用和發(fā)展[4～5]。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及軟件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)即可以方便使人們對所構(gòu)造的“虛擬世界”進(jìn)行模擬真實(shí)環(huán)境的侵染式交互式操作、分析、控制等。其主要手段是通過計算機(jī)將自然現(xiàn)實(shí)的場景模擬成虛擬環(huán)境下的場景，該虛擬場景幾乎可以取代真實(shí)場景的一切功能，虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)實(shí)力也正是體現(xiàn)于此。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)具備具有多媒體信息的交互性、侵染性和感知性等特點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出逼真的礦山工程環(huán)境對優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計具有重要的實(shí)用價值。為了給用戶創(chuàng)建能使其感到身臨其境和沉浸其中的環(huán)境，必要的條件是根據(jù)需要能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中逼真地顯示出客觀世界中的一切對象，不僅要求所顯示的對象模型在外形上與真實(shí)對象酷似，而且要求在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面十分逼真，圖1即為三維交互軟件設(shè)計的功能組成圖。

數(shù)字樣機(jī)展示、大規(guī)模裝配、異構(gòu)CAD裝配、虛擬拆裝、虛擬維修、人機(jī)工效分析、協(xié)同設(shè)計、CAE后處理可視化、更多工業(yè)客戶需求,由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，目前關(guān)于這方面的軟件發(fā)展很快，其中常用的軟件有MuLtiGen Greator、Vega、OpenGI以及我國圖靈公司的VRMAP、適普公司的IMAGIS等[6]。

圖1 三維交互軟件設(shè)計功能組成圖

5 虛擬仿真在選礦中的應(yīng)用探討

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)流程需建立方便、直觀的監(jiān)控，通過三維可視化技術(shù)展示選礦工藝中生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)流程的監(jiān)控，因此需開發(fā)一套選礦全流程演示軟件。軟件可由用戶定制建立一套選礦全流程三維場景，并通過外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對有關(guān)設(shè)備、儀表進(jìn)行顯示和驅(qū)動，從而方便用戶在生產(chǎn)過程中對選礦全流程的監(jiān)控。

選礦工藝三維模擬與仿真系統(tǒng)平臺對選礦廠真實(shí)生產(chǎn)場景進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)，使用戶通過良好的人機(jī)界面可以獲得真實(shí)的感受，同時結(jié)合選礦自動化控制仿真系統(tǒng)(控制仿真由其他軟件實(shí)現(xiàn)，“平臺”只是通過數(shù)據(jù)通信形象地展示控制量的變化)，使用戶可以更加形象地認(rèn)識和理解選礦自動化控制的功能。

系統(tǒng)平臺重點(diǎn)分為“3D生產(chǎn)工藝流程展示”、“3D圖形與外部數(shù)據(jù)交互展示”兩大主要功能。系統(tǒng)登陸后顯示主界面，并設(shè)置交互菜單，主畫面為虛擬選礦廠三維整體布局展示并帶有工作場景畫面，可以鳥瞰視角查看設(shè)備，也可通過控制鼠標(biāo)與鍵盤以第一人稱視角在廠房中瀏覽，另外主要設(shè)備還能與外部自動化控制系統(tǒng)對接，生產(chǎn)過程量圖形能跟隨外部數(shù)據(jù)的變化而改變形狀。同時，通過模擬仿真系統(tǒng)對選礦現(xiàn)場操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，這樣可以有效地減少現(xiàn)場實(shí)地培訓(xùn)不必要的損耗，例如設(shè)備的頻繁開啟、電能、鋼耗等不必要的浪費(fèi)，還可以直觀地達(dá)到培訓(xùn)效果。另外，選礦廠可以通過模擬仿真平臺在建廠初期對設(shè)備的選型、位置的擺放以及在運(yùn)行調(diào)試過程中對部分控制參數(shù)校驗(yàn)和修正，如可實(shí)現(xiàn)對分級環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備旋流器控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，圖2為模擬仿真的操作面板，圖3為模擬仿真的效果展示。通過調(diào)節(jié)圖2中旋流器的輸入?yún)?shù)如給礦壓力、濃度等，明顯可以看到圖3中旋流器的粒度變化。該方法可以省去大量現(xiàn)場調(diào)試過程以及不必要的礦漿損耗和設(shè)備磨損。

圖2 旋流器模擬仿真面板圖

圖3 旋流器模擬仿真效果圖

6 結(jié)語

筆者僅對模擬仿真在選礦廠的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討，運(yùn)用3D虛擬仿真技術(shù)結(jié)合專家控制系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造一個工業(yè)仿真互聯(lián)網(wǎng)平臺是研究的關(guān)鍵。在后續(xù)研究中對虛擬仿真技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)用主要有以下兩部分，一是在虛擬環(huán)境中的模擬實(shí)訓(xùn)、防災(zāi)避難的應(yīng)急處置等，可以大幅降低在真實(shí)環(huán)境中操作的錯誤所帶來的事故風(fēng)險；二是建立工業(yè)仿真平臺，將實(shí)體礦山中的各個模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)整合到一個虛擬的體系中，在這個體系中模擬實(shí)現(xiàn)礦山作業(yè)中的每一項(xiàng)工作和流程，并與之實(shí)現(xiàn)各種交互。

[1] 朱仁華.迎接全新的數(shù)據(jù)時代[J].浙商,2015,(7).

[2] 張瑞新.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山安全工程中的研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報,1999，(1):70-73.

[3] 管恩吉，郭忠林，吳世劍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程，2009，(1):56-61.

[4] [美]S.Ellion.P.Miller著,張若青,古梅譯.3DMAXSTUDIO技術(shù)精粹[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

[5] 張凱選，閆 野，魏 來.CAD下三維建模研究[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)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，河南鄧州人，高級工程師，從事工程技術(shù)研發(fā)設(shè)計工作。