系统将原人工控制生产经营系统，经过优化、融合现代企业经营管理思想，具有技术先进性、成熟性、创新性与科学性，基于网络环境的安全可靠、开放实时的满足机械制造业务和管理需求的生产经营管理信息系统。通过程序控制做到各个环节依次做对。
系统支持异地办公，提高了可用性，实现先进的管理理念与信息技术的完美结合，可以推广到其他同类型其他企业中应用，具有很好的社会价值。
参考文献
［1］杨钢．零缺陷大道．北京大学出版社
［2］庞辽军，李慧贤，王力，王育民．基于Java的VRML网络通信功能的实现．计算机工程学会，2007，33（11）．—47—49
［3］董志良，白翠玲，索扬．通信基础设施投资基本理论研究．中国市场，2007（27）．—112—113
［4］鞠晓伟，赵树宽．信息与通信产业技术选择对其技术生态环境的作用分析．现代情报，2007，27（7）．—5—7
作者简介：
刘生龙，男，1967年出生。1990年6月毕业于沈阳高等专科学院，2003年攻读北京科技大学硕士研究生，获硕士学位，高级铸造工程师。酒钢（集团）机械制造公司经理。通讯地址：甘肃省嘉峪关市酒钢冶金厂区；邮编：735100；电话：0937—6714728、13993785966；E－mail：liushenglong@．jiugang．com。
朱有璋，男，1972年出生。1995年7月毕业于兰州理工大学计算机系，酒钢（集团）机械制造公司计算机工程师，国家注册网络安全高级工程师。通讯地址：甘肃省嘉峪关市酒钢冶金厂区；邮编：735100；电话：13830198855；E－mail：zhuyouzhang@jiugang．com。
虚拟现实技术在金川矿区设计优化与生产管理中的应用研究
张卓成 郭慧高 张海军 高直 梁艇栋
（金川集团有限公司 金昌 737100）
摘要：针对矿山开采设计大多采用二维图形表示三维地质情况及巷道工程，其很不直观，给工程施工造成极大困难，且需花费大量时间和精力去建立和构想矿产资源赋存及地质构造空间概念的状况，金川二矿区开展了虚拟现实技术在矿山设计优化与生产管理中的开发应用与研究。通过利用计算机虚拟现实技术，构建了二矿区虚拟现实系统的8个模块，在真三维环境下，采用人机交互方式实现了矿山规划、开拓、采准、回采设计优化，实现了矿山充填、通风、运输、提升等生产系统的可视化动态模拟，真实地反映了井下动态实际场景，直观准确地反映了地质构造、矿产资源赋存等地质状况，能够比较准确的安排生产计划、实时调度监控等工作，并可以安全评价和危险评估，在矿山具有广阔的应用前景。
关键词：金川矿区 虚拟现实技术 设计优化 生产管理 三维仿真 可视化动态模拟
引言
一般来说，矿山工程建设投资大、工期长、工艺系统多、地质条件复杂，其不可预见性强，这些特点决定了矿山规划和设计的重要性和复杂性。根据矿体的赋存情况、地质条件以及现有的技术条件进行合理的开采设计是矿山建设和生产中非常关键的环节，如果规划设计不合理，可能会严重影响矿山生产后的经济效益，甚至引发安全事故。所以，采用先进的方法和技术来辅助相关人员进行矿山生产规划和设计是非常必要的。传统的矿山开采设计是在纸质图上进行或者用AutoCAD等软件进行计算机辅助设计，都是用二维图形表示三维的地质现象和复杂的井下开拓采准巷道的分布情况，很不直观，只有从事矿山技术工作多年经验丰富的工程技术人员才能完成；而且需要花费大量时间和精力去建立和构想矿产资源赋存情况及地质构造的空间概念；再者，设计的井筒和巷道也是用二维图形表示的，给施工人员准确理解其空间关系和正确施工造成了一定的困难。
我国最大的现代化充填开采矿山——金川集团公司二矿区利用计算机虚拟现实技术，实现了设计人员在真三维环境下，采用人机交互方式进行矿山规划、矿山开拓、采准、回采设计，达到了充填、通风、运输、提升等生产系统的可视化动态模拟，从而提高矿山工程设计的科学性及合理性。这对矿山回采工作面的设计优化、方案论证、决策支持和事故分析处理具有十分重要的意义。
1虚拟现实技术概况
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），是一种计算机图形技术，它能够以三维显示模拟现实世界，工程技术人员可以通过它在虚拟环境中模拟各种活动。它与通常图像显示不同，它要求显示的图像要随观察者眼睛位置变化而变化，而且图像要实时（30帧／s）。虚拟现实技术常分为三类：①全沉浸（与真实环境没有任何接触）；②部分沉浸（如投影仪等）；③桌面虚拟环境（基于桌面计算机系统）。数字矿山主要运用的是桌面虚拟环境。可以模拟采矿掘进、巷道中的物化条件，还可以动态显示矿体的三维形态，为地质工作者进行研究提供方便。用虚拟现实技术仿真和分析现实世界的各种真实现象，能以三维动态可视化的形式反映现实世界的全貌。随着VR技术的不断发展与成熟，开发应用的领域越来越广泛，尤其是在矿山设计优化、安全生产与救灾、安全技术培训、矿产资源利用、环境保护、安全评价和危险评估等方面都有广阔的应用前景。
2 VR技术在金川矿山开发应用的基础
金川二矿区是金川集团公司的主要矿石原料供应基地，是国内最大的充填法开采矿山，年产矿石量突破360万吨。目前，金川二矿区采用机械化盘区下向水平分层进路胶结充填采矿法回采，回采作业中段有1150中段、1000中段和850中段三个采矿中段。
金川镍矿具有资源丰富、矿大井深、岩石破碎、多中段作业、生产人员多、作业分散、设备设施多、分布面广、自然条件恶劣、工艺系统及作业环境十分复杂等不确定因素较多的特点。在金川镍矿过去二十多年的建设与生产中，由于行业的特殊性和不可预见因素，给矿山安全生产带来了较多的困扰。因此，金川集团公司十分注重科技投入，尤其重视计算机应用技术在矿山规划设计与生产管理中的开发应用及引进消化。从2000年开始，普及应用了AutoCAD辅助设计，进行盘区分层回采设计、分段采准工程设计及矿山资源开采规划，大大提高了设计效率和设计的准确性。于2007年利用AutoCAD－3D技术和三维矿图数字化技术。完成了二矿区矿山工程三维模型。
另外，2002年，金川集团有限公司引进了澳大利亚SMG（Surpac Mine Group Pty Ltd．）公司Surpac软件，并且在集团公司下属四个矿山单位及镍钴研究院矿山分院进行了推广应用。Surpac软件广泛应用于资源估算、矿山计划、生产的各个阶段乃至矿山闭坑后的现场修复的整个矿山循环过程中。作为一套完整而且全面的软件系统，极大地改进了从测量工程师、采矿工程师、地质师到生产管理过程中的技术信息交流。
3创建矿山虚拟系统的实施步骤
3．1需要的设备及软件
结合矿山目前的硬件、装备设施，大部分矿山具备创建桌面非沉浸性虚拟现实系统的条件。根据创建桌面非沉浸性虚拟现实系统的需要，必须设备有计算机、数码相机、全站仪、投影仪等硬件设备，必要配备的软件要有AutoCAD、Surpac、3ds max．Vega、Adobe Photoshop、avi非线性视频编辑程序等。
3．2专业技术人员配备
虚拟现实系统是一个非常复杂的系统工程，涉及的内容和专业很多。
3．3实施步骤
根据建立桌面非沉浸性虚拟现实系统的需要，考虑投资较大及投入使用时间、并结合矿山生产实际情况，创建矿山虚拟系统的基本思路和程序。
3．4模块优化
实现矿山开采虚拟现实系统的核心是模块的功能实现和结构优化。因此，在开发的前期，必须对系统模块进行认真的分析组织，为更好地实现各个模块的功能奠定基础。
针对二矿区地下开采系统的结构和特点，采用树状层级结构方式进行优化模块结构，使得各个模块按照所要实现的功能特性进行了有效的组织，建立了8个一级模块，每个一级模块又由两个二级模块构成。而且同级模块相互独立，高级模块可以调用低级模块，从而能够减少系统开发的时间，使模块功能得到优化配置，方便实时系统进行操作和调用。
4虚拟现实技术应用及模拟仿真
由于文章篇幅的关系，且考虑选择典型，本文仅介绍盘区回采虚拟设计及回采模拟来说明应用虚拟现实技术情况及模拟仿真系统的实现。
4．1盘区回采虚拟设计
金川二矿区采用机械化盘区下向水平分层进路胶结充填采矿法回采。采矿作业是以盘区为单元划分作业区域，既一个盘区为一个独立的作业单元。盘区走向长100m，宽（垂直矿体厚度）120m。分层高4．0m，进路规格（宽X高）＝5．0m×4．0m。整个回采工艺包括凿岩爆破、出矿、通风，充填等主要工序。盘区回采虚拟设计主要包括静态的虚拟环境（如矿体、进路、分层道、回风井等）和动态的可交互的虚拟实体（如凿岩台车、铲运机、作业人员、利用粒子系统创建的风流及充填砂浆流体等）。
4．2盘区回采模拟仿真系统实现方法
要实现一个逼真的三维矿井生产仿真系统，首先需要对矿井中用到的设备、设施及场景、人物角色等进行三维建模，要想使模型逼真程度较高，就要对建立的三维模型进行贴图和渲染。为了完成交互动作和实时渲染，以及仿真系统的整合，要进行交互设计。
目前，在仿真系统设计中，普遍采用的技术方案有三维建模、模型渲染、交互动作设计和系统整合几个关键步骤。三维建模选用的开发工具有3DS Max、Maya、VRML语言等，渲染模型主要是通过以上工具给模型加入贴图以及灯光光线，来增加模型的逼真程度，交互动作设计和系统整合采用的有VC＋＋编程调用OpenGL、DirectX等进行。或者采用VRML语言直接开发，也可以利用开发工具引擎来进行，实际这些引擎也是利用上面语言编写而成。经过认真技术分析，金川二矿区采用3DS Max、Maya进行建模和渲染，利用Virtools进行实时渲染、交互动作设计和系统整合。目前，盘区回采模拟仿真系统运行效果良好。
5功能及应用效果
采用虚拟现实技术，分系统建立了8个模块，完善了模块的功能，并分别设置了模拟参数，通过模拟仿真，取得良好的效果，真实地反映了井下动态实际场景，实现了以下功能。
（1）通过可视化动态模拟仿真，使得所有希望深入了解二矿区井下作业环境的人员犹如一种身临其境的视觉感知效果，使得人们在短时间内就能对整个生产系统产生一个整体性的认识。
（2）通过优化设计模块模拟，实现了矿山设计优化的准确性、合理性。在矿山工程设计方案的讨论中，帮助工程技术人员准确详实地阐述方案的设计思路，使参与方案论证的专家及工程技术人员能够正确理解、合理选择，很快做出科学决策；通过工程技术人员虚拟优化设计，实现了对设计的现实生产模拟，通过设置动态漫游方式，实现了从各个角度观察、发现设计中存在的问题和缺陷，可对生产进行实时监控；实现了施工过程的提前模拟，通过虚拟现实的手段，能够提前发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题，从而预先拟定最合理的施工方案。
（3）通过安全生产系统模拟，进行了安全生产与救灾模拟及安全技术培训。对事故调查分析，可以通过快速、有效地在显示器或者大屏幕上再现各种事故发生的过程，帮助了专家和领导从各种角度去观察、分析事故发生的过程，可以找出事故发生的真正原因，从而防止其他与此类似或者潜在的事故再发生；采用VR系统场景漫游技术，模拟井下突发事故的安全逃逸路线，对职工进行安全教育和培训，提高了职工的安全意识。
（4）通过对矿产资源、通风系统、充填系统、平面运输、提升系统、盘区回采模块的模拟，使模块生成了动态实际场景，并在调度室进行演播，实现了调度管理人员对当前生产进度、系统运行情况、矿山规划等的评估、实时调度监控，可以决策生产计划，进行矿山规划设计与生产管理；实现了对矿区工人和技术人员上岗前的教育培训，使每个职工在较短时间内熟悉生产系统的各个环境，提高了作业人员技能和工作效率，提高了矿山员工的安全防范意识：动态模拟了850中段未来电机车运输状态、机车配置数量、信号指挥及850中段投产以后的矿石运输系统；实现了对充填砂浆制备过程的动态模拟，能够模拟砂浆在管道中的流动状态；实现了对通风系统的动态模拟，可以模拟井下风流方向、机站位置、运行状态，并进行风量调节与控制，进而调整井下通风系统；动态模拟了破碎站、皮带输送、主井提升等运行过程及状态；可以静态模拟地质构造、断层位置及产状、矿体产状及分布、地表地貌、地表构筑物和建筑物的外部特征及形状，为矿产资源远景开采、规划及环境保护提供了准确、直观的地质资料。
6结束语
