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虚拟矿山的理念与应用

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2018-02-01
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摘要 : 虚拟矿山概念最早由中国工程院于润沧院士提出。在“大智移云”、VR/AR、空间定位、无人驾驶等信息技术的快速发展和普及的今天,虚拟矿山理论将得到进一步发展,技术实施条件也已经成熟。虚拟矿山是实体矿山通过三维建模、各层级传感器动态感知和运行历史记录等时空动态数据以及业务流程的虚拟仿真过程在数字虚拟空间的映射,它忠实地反映了矿山业务全生命周期发展过程。虚拟矿山技术初步应用于企业级矿山三维协同设计管理、安全生产进度管控、矿山远程监控和诊断服务和采矿设备虚拟研制等。

一、引言:“虚拟不虚”之哲学思辨

虚拟不虚。中文“虚拟”一词译自英文Virtual,而Virtual原意有“实质性的”含义。请看百度对“虚拟”的解释——“虚拟是指不符合或不一定符合事实的虚拟的情况,凭想象编造的事物,由高科技术实现的仿实物或伪实物的技术”。这个中文解释实在是错得离谱,误人不浅。与望文生义的解释和理解恰恰相反,信息技术中常出现的“虚拟”,其实是指对表面现象背后真实本质的抽象认识,是一种更高层次的“真实”。从这个意义上讲,所有行业的业务应用IT系统都是虚拟的,是对繁琐业务现象进行分析从而提炼出背后的业务规律而加以程式化。Maptek,3D激光扫描仪,三维激光扫描仪采空区测量,溜井测量,滑坡监测预警,地形测,矿山VR,天河道云

另外,眼见不一定为“实”。两千多年前,古希腊哲学家柏拉图试图解释真实世界(Reality)和现象世界(Phenomena)的区别。柏拉图认为,普通人看到的都是现象世界,只看到了真实世界的影像;真实世界才是世界的本质。柏拉图提出著名的洞穴比喻(Allegory of the Cave):在洞穴中的普通人只看到了映在洞穴墙壁上的影像,却把它当成是这个世界的本质所在;而哲学家们能够转身看到真正的世界的样子,看到了真实世界本身,而不再只是现象世界(影像)。

90年代在计算机领域发展起来的虚拟现实(Virtual Reality)技术,用于创建更靠近“真实”世界的虚拟世界(Virtual World);它是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的仿真(“仿真”一词译自 Simulation;笔者认为这个译词也很有误导性)。虚拟现实技术发展到今日,已经成为仿真技术与计算机图形学、数据分析、人工智能、传感器、物联网和云计算等多种信息技术的集成和融合。

在中文语境中,人们往往会把“虚拟现实”误解为“虚构的”体验。为了消除这个误解,著名科学家钱学森曾经把Virtual Reality译为“灵境技术”,但这个译词并没有流行起来,可见流行的不一定是正确的。

虚拟现实是对人的感知系统的加深、加宽、延伸甚至创造,它给人们带来非常可靠的、比较真实的、绝不是“虚构的”感知经验,它比人的自然感官所能直接感觉到的表面现象更加靠近“真实世界”,可以更加有力地揭示事物的实质和规律。虚拟现实可以看做是人类用来感知世界、认识世界更高级的技术手段,其作用可以与历史上极大地提高了人类感知能力的望远镜、显微镜、雷达等革命性技术进步相媲美。

试问:人们用肉眼看到的月亮表面,比用望远镜观察到的月亮表面,哪一个更能反映月亮的真实情况?大家总不会认为望远镜揭示的东西是虚构的吧?

二、虚拟矿山的起源与进化

      1数字化矿山三层次之“虚拟矿山”

早在2009年,我国著名的矿业专家、中国工程院院士于润沧就提出将数字化矿山分为三个层次的设想:第一个层次是矿山数字化信息管理系统,这是初级阶段;第二个层次就是“虚拟矿山”,是把实际矿山以及和它相关的现象整合起来,以数字的形式表现出来,从而了解整个矿山动态的运作和发展情况;第三个层次是远程遥控和自动化采矿的阶段。

我国目前大部分矿山尤其是一些中小型矿山的数字化建设仍处于初级阶段。长期发展目标是远程遥控和自动化采矿。虚拟矿山不仅是数字化矿山发展不可省略的阶段,而且也是将来远程遥控和自动化采矿必不可少的信息化管理基础。因此,加强虚拟矿山的理论研究和技术应用是一件承上启下、刻不容缓的任务。

2. 虚拟矿山并不“虚”

虚拟矿山绝不是虚构出来的矿山,而是在数字空间对矿山业务进行全方位整合分析,更能反映矿山复杂多变的表层现象背后的本质规律。通过研究虚拟矿山,可以了解和掌握矿山规划设计、建造和生产过程的业务规律,可以帮助人们在矿山全生命周期高度全面动态地认识矿山业务,从而更好地服务于矿山规划设计、建造和生产运营。

3数字化矿山发展困境:“矿业孤岛”上的“孤军奋战”

诚然,由于地质条件复杂、生产体系庞大、采掘环境多变等特点,矿山企业生产和经营信息化管理确实具有不同于其他行业的特殊性。但是,在目前矿山信息化应用水平整体落后于其他工业领域的客观情况下,更需要透过现象看到本质,多多关注、研究和吸收矿业信息化与一般工业信息化的普遍规律和共性技术。如果过多地强调或把自己的眼光局限于矿业的行业特殊性,则容易一叶障目,是人为地制造信息化浪潮中的“矿业孤岛”,更遑论实现矿山数字化弯道超车。

数字化矿山发展至今,面临严重的困境,传统的内生发展模式已经失效。与以前的机器化、电气化工业革命时代相比,信息时代的一个显著特征是新技术创造、应用和推广速度大大加快了。新的信息技术应用从产品成型到被用户普遍接受,一般需时大约七年左右;再到全面推广应用也不会超过另一个七年。但是这个“七年金律”遇到数字化矿山就明显不灵了。

我国的数字化矿山发展,最早可以追溯到上个世纪八十年代一些矿业前辈的矿山系统工程研究和推广工作;即使是以1999年召开的首届国际数字地球大会提出数字矿山(Digital Mine)算起,至今也已有近二十年的发展历史可以不夸张地说,我国矿山企业至今未完成数字矿山软件的初步普及使用,大部分中小型矿山未走出数字化矿山发展初级阶段。当然没有人会否认数字化矿山是必然发展趋势,但是如果这个趋势在起步二十年甚至三十年之后仍然没有被业界普遍接受和理解,那么是不是就可以推断,某些关键环节有问题?笔者认为,其中最大的问题之一就是信息化浪潮下的“矿业孤岛”现象的存在。如果过多地强调矿山特殊性,忽视了信息技术共性,那么矿山不能有效地利用其它行业的数字化发展成果和经验,同时又使得IT专家望矿山而生畏、不得其门而入。在其他信息化发展较好的行业,例如高端制造、数字城市等,会经常看到业界专家和来自国内外的IT专家齐心协力,并肩战斗;而在矿业界类似的情况很难见到,例如在全国各地每年的数字化矿山研讨会上,基本上都是矿业专家在唱主角。将来数字化矿山的成熟应用和推广,肯定离不开矿业专家和IT专家的协同作战。

4虚拟矿山将是“多兵种”协同作战

当前,以大数据、智能化、移动互联网、云计算等信息技术(统称“大智移云”技术)已经成为新一轮科技和产业革命的代表性技术,深刻影响和改变了工业领域的发展现状和计划。之所以把大数据、智能化、移动互联网、云计算等信息技术统称为“大智移云”,是因为他们之间并非彼此孤立而是相互关联、相辅相成、相互促进的。移动互联网是大数据、物联网、云计算从概念走向现实的基础;移动互联网、物联网的结合又使大数据的产生与收集成为可能;而大数据处理离不开远远超过本地计算机运算能力的云计算的支撑;大数据的深入分析和挖掘反过来助推移动互联的发展,使软硬件更加智能化。可以说,中国的“智能制造2025”、美国的“工业互联网”、德国的“工业4.0”均是“大智移云”在某种程度上的融合。

虚拟矿山技术要充分借鉴其他工业领域例如高端制造业的信息化发展经验,同时虚拟矿山技术的定义和内涵也会随着新的信息技术的不断出现而进化和发展。在前期数字化矿山基础上,充分借鉴世界科技强国在国防科技领域以及高端制造领域大力研发和推广使用的建模与仿真技术,利用“大智移云”技术以及虚拟现实、自动定位和导航、无人驾驶等其他最新信息技术,矿业专家与信息化专家一道共同发展虚拟矿山新理念和新的应用技术,创新矿山管理模式和技术手段,最终实现数字化矿山跨越式发展。

虚拟矿山研究应该借鉴军事建模和仿真技术以及在此基础上发展起来的虚拟制造技术。一般而言,虚拟世界针对物理世界建立相对应的虚拟模型,并以仿真分析验证的方式分析物理世界中的人员、物体和事件在真实环境下的行为,并通过云端计算指导规划设计、运营指挥、设备设施远程监控等。其中用到的建模与仿真(Modeling and Simulation)技术最早起源于军事仿真技术,美国国防部甚至有专门的建模与仿真办公室来领导协调相关军方用户与企业之间的业务联系;建模与仿真技术曾经对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力发挥了很大的作用,其成熟技术后来逐步推广到工业领域形成虚拟制造技术,将先进的仿真技术与网络技术相结合,由真实装备和计算机仿真系统综合仿真系统组成“虚拟智能工厂”,用计算机网络把设备设施系统和分散在不同地点的产品研制者和产品用户联系在一起,让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的产品,让研制者能提前了解产品使用情况各方共同研究,及时发现和解决问题这样不仅加快了产品的研制进度,还保证了产品质量。只要运用得当,建模和仿真技术也同样会在虚拟矿山研究和应用中发挥作用。

三、试论虚拟矿山的内涵和定义

随着控制、感知、互联网、大数据、人工智能、云计算等信息技术加速突破,尤其是随着物联网技术的发展,物理世界的参数通过传感器反馈到数字空间,在虚拟世界里完成仿真验证和动态调整已经成为可能。所谓虚拟矿山,就是利用上述信息技术,通过对实体矿山里的人员、物体和事件等要素进行数字化,在网络虚拟空间再造一个与之对应的“虚拟矿山”,形成物理维度上的实体矿山和信息维度上的虚拟矿山同生共存、虚实交融的映射关系;通过数字化方式为物理对象创建虚拟模型,来模拟其在实体矿山环境中的行为;通过便捷的人机交互方式对矿山信息进行查询和分析,对采矿设备和仪器进行远程控制和操作;通过在实体世界以及数字虚拟空间中记录、仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹,实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。

虚拟矿山既可以理解为实体矿山在虚拟空间的映射状态,也可以视为数字化建设的复杂综合技术支撑体系,它支持并推进矿山规划设计、建设、生产管理,确保矿山安全、有序地运行。通过构建矿山实体物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的系统,在网络空间再造一个与之匹配、对应的虚拟矿山,实现矿山全要素数字化和虚拟化、矿山状态实时化和可视化、矿山生产管理决策协同化和智能化。

笔者试着这样定义虚拟矿山:虚拟矿山是充分利用矿山资源、设备设施和环境的三维建模以及各层级传感器动态感知和运行历史记录时空动态数据集成多学科(包括地测采、信息技术以及其他相关学科)和业务流程虚拟仿真过程;它是实体矿山到数字虚拟空间的映射,反映了矿山业务全生命周期发展过程。

四、虚拟矿山的技术特性

虚拟矿山具备以下技术特性: 

1. 双向映射

虚拟矿山与实体矿山是双向忠实映射的,是对实体矿山高度真实的数字化建模和仿真。利用“大智移云”、虚拟现实、增强现实等技术,通过勘探资料、设计图纸以及现场三维激光扫描数据,对矿山地质、矿产资源、巷道工程、采场及工作面、设备设施、人员进行全面三维建模,在矿山现场各个层面布设传感器,对矿山运行状态进行充分感知、动态监测,通过不断积累实体矿山的实时数据,真实地记录了实体矿山的进化过程。同时,实体矿山忠实地执行虚拟矿山定义的生产过程,严格按照虚拟矿山定义的生产过程以及仿真和优化结果安排生产,使生产过程不断得到优化。虚拟矿山与实体矿山并行存在,形影相随,共同进化。

2. 实时交互

虚拟矿山与实体矿山是实时交互的。生产现场的所有数据被实时感知并传送给虚拟矿山。虚拟矿山根据实时数据对生产现场的运行状态进行仿真优化分析,并对实体矿山进行实时调控。通过实体矿山与虚拟矿山的实时交互,二者能够及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应。

矿山设备设施一经运行、各类工程一经变动即有数据记录,人员进矿即有信息反馈。在矿山现场可通过移动互联网客户端观察各类数据的历史记录,在矿山虚拟空间可搜索各类信息;矿山设计规划、建设、生产以及人员活动,不仅存在于实体空间,而且在虚拟空间得到记录和分析扩充,真正做到信息可见,轨迹可循,状态可查,虚拟协同,实时交互,共同定义矿山未来发展新模式。

3. 数据驱动

虚拟矿山以实体矿山的模型数据和感知数据为基础,通过数据驱动实现自身的运行以及虚实之间的交互,不断地完善和优化生产进度计划。

首先,虚拟矿山接收矿山生产现场的实时状态数据,对矿山安全生产要素配置进行优化,并生成初始的生产进度计划。随后,初始的生产进度计划交给虚拟矿山进行仿真和验证,反复地调整、优化生产进度计划直至最优。

虚拟矿山生成最优生产进度计划后,通过指挥控制中心将计划以生产过程运行指令的形式下达至生产现场。矿山生产现场的各要素在指令数据的驱动下,将各自的参数调整到适合的状态并开始作业。在作业过程中,通过虚拟矿山实时地监控矿山作业现场的运行状态,并将状态数据经过快速处理后反馈至虚拟矿山。在虚拟矿山反馈数据的驱动下,生产现场及时反应,优化生产进度过程。

在生产进度计划进行初期阶段,虚拟矿山不断接收来自矿山生产现场的生产计划数据,在生产计划数据的驱动下仿真并优化整个生产过程,实现对资源的最优利用。在生产过程中,在现场实时运行数据的驱动下,虚拟矿山通过实时的仿真分析及关联、预测及调控等,采用以技术经济指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术,使生产进度计划不断完善和优化,使矿山生产能够高效进行。

4. 全面集成

虚拟矿山技术所指的全面集成主要体现在全要素、全流程、全业务集成与融合。

1) 矿山全要素的集成与融合

通过“大智移云”等信息手段,矿山生产现场人员设备设施矿体、岩土和通风环境等各种生产要素被全面接入虚拟矿山,实现了虚拟矿山全要素之间的的互联互通和数据共享。通过对生产要素的集成和融合,可以实现对各要素合理的配置和优化组合,保证矿山生产的顺利进行。

2) 矿山全流程的集成与融合

矿山生产过程中,虚拟矿山实时监控生产过程的所有环节。通过关联、组合等虚拟操作实体矿山的实时生产状态数据在一定准则下被加以自动分析、综合,从而及时挖掘出潜在的规律规则,最大化地发挥了矿山的性能和优势。

3) 矿山全业务的集成与融合

虚拟矿山与实体矿山之间通过数据交互形成了一个整体,矿山生产中的各种业务(工程地质、水文地质、岩石力学等方面的数据采集分析,设备运转状态监控,环境变化和安全监测,矿山的规划、开采计划分析与优化,矿山的经营管理和经济活动分析,矿石和物料提升运输、配给跟踪,通风、能耗分析与管理等)被有效集成,实现数据共享,消除信息孤岛,从而在整体上提高了矿山的效率。

全要素、全流程、全业务的集成与融合为虚拟矿山的运行提供了全面的数据支持与高质量的信息服务。

五、虚拟矿山的关键技术

虚拟矿山关键技术依据其主要系统组成,可主要分为大类:矿山感知技术,建模、仿真及验证技术,数据构建及管理技术,虚拟现实和增强现实应用技术。

1. 矿山感知技术

主要包括:矿山数据获取技术,异构多源多模态数据融合与封装技术,多源异构传感器协同测量及优化布局技术,异构多源数据通讯与发布技术;实时运行监测与优化控制技术等。

建设物联网规范,并建立动态耦合的网络化协同管控机制,实现物联网和传感网的融合,将传统各自独立的监测控制系统进行关联和集成。通过对矿山的人员(人员定位、无线通信)、设备(综合自动化)、环境(安全监控、矿压监控等)全面感知,并通过高速网络实现全面覆盖,实现对矿山的全面感知。整个矿山物联网从传统的被动接受数据,转变为主动智能化协同监测和监控。

2、虚拟矿山建模、仿真与验证技术

主要包括:虚拟矿山多维模型构建技术,如“要素—行为—规则”多维多尺度建模与仿真技术;虚拟矿山多维模型评估与验证;虚拟矿山运行机理及演化规律;虚拟矿山多维模型关联关系与映射机制等。笔者从已有的军事建模和仿真和虚拟制造技术中借鉴了一些技术术语。

1)虚拟矿山多维模型构建

为实现矿山多维模型融合,必须构建几何、物理、行为、规则等多维度的矿山模型,从几何形状、物理属性、行为响应及规律规则等多方面对矿山进行数字化建模。

2)虚拟矿山多维模型评估与验证

矿山多维模型确定后,必须保证模型的有效性和正确性,即基于VV&A(Verification, Validation & Accreditation)对所构建的多维模型进行验证,包括对模型演绎过程中的输入/输出准确度的验证、仿真置信度的验证、灵敏度与仿真精度的验证等。其他领域在这方面的研究成果很多,可以多多借鉴。

3)虚拟矿山多维模型关联关系与映射机制

为实现多维模型的融合,必须研究并分析各维模型间的关联与映射关系。其中,几何模型与物理模型是对矿山异构要素的描述;行为模型是在此基础上加入驱动及扰动因素,使各要素具备行为特征、响应机制以及进行复杂行为的能力;规则模型是对实体矿山及其模型在几何、物理、行为多个层面上反映的规律规则进行描述,并将其映射到相应的模型上,使各模型具备评估、演化、推理等能力。通过建立各层模型间的关联关系,从结构和功能两方面进行集成与融合,形成虚拟矿山综合模型,并以统一的三维表现形式支持该模型的可视化呈现与仿真运行。

4)虚拟矿山多维模型一致性理论与方法

为使虚拟矿山模型与实体矿山及其复杂生产活动保持映射和同步,必须保证几何、物理、行为、规则等各维模型与其所描述的实际对象的一致性,以及同一实际对象对应的不同维度模型的一致性。

3虚拟矿山数据构建及管理技术

主要包括:多类型、多时间尺度、多粒度数据规划与清洗技术,可解释、可操作、可溯源异构数据融合技术,数据结构化集群存储技术,虚实融合与数据协同技术,虚实双向映射技术,矿山大数据技术等。

4.虚拟现实和增强现实应用技术

虚拟现实技术可以为用户创造另一个世界,使其沉浸在虚拟世界;而增强现实(Augmented  Reality)技术则是把计算机带入到用户的真实世界中,实现技术“以人为本”。在中国国家制造强国建设战略咨询委员会发布的《中国制造2025》重点领域技术路线图就将增强现实AR技术列为智能制造核心信息设备领域的关键技术之一,其核心内容主要研究三维空间RFID注册定位技术、工业物联网信息三维空间、搜索、显示与交互技术。智能制造核心信息设备是指制造过程各个环节实现信息获取、实时通信和动态交互及决策分析和控制的关键基础设备。可见,增强现实技术已成为了中国企业智能制造转型过程中的一项关键技术之一。

虚拟现实和增强现实技术如何在数字化矿山中进行有效应用,是一个有趣的话题,值得另开篇幅讨论。在此不再赘述。

六、虚拟矿山的应用举例

虚拟矿山技术可以广泛应用于矿山业务,本文仅举出其中几例:企业级矿山三维协同设计管理、安全生产进度管控、矿山远程监控和诊断服务、矿山虚拟汇报展示、矿山安全生产培训、应急救援实施和演习以及矿山设备设施生产管理、矿山远程遥控和自动化采矿设备虚拟研制等。

1. 矿山三维设计协同管理

这里所说的矿山三维设计协同管理,不仅指勘察设计阶段,而且包括建设阶段和生产阶段等各阶段各专业的三维协同管理。当前的矿山规划设计,缺乏各专业之间以及设计方与其他各参与方之间的交互,缺乏设计阶段与实际建造或生产过程中的人流、物流、资金流的交互,也缺乏对新技术引入带来的影响分析。有经验的设计师仅仅依靠自己的长期工作经验完成这个复杂的分析过程,而新入行的工程师则完全缺乏相关经验,需要依靠长时间的积累才能缓慢成长。

利用虚拟矿山,各专业可以在同一个三维可视化平台上快速假设分析和虚拟规划;任何专业工程师在设计阶段就能准确“看到”本专业和其他各专业的相互配合(例如地质、测量、采矿)以及将来矿山生产运行阶段的情况;在规划设计前期和建设早期了解矿山运行情况,了解闭坑及复垦规划影响,避免在不切实际的规划设计上浪费时间,防止在验证阶段重新进行设计,以更少的成本、更快的速度,推动采矿新技术应用提早规划应用。更重要的是,矿山资深工程师的经验以三维可视的呈现方式呈现出来,供其他工程师学习,便于其他专业以及业主等其他相关方观摩讨论,并在知识仓库中记录保存下来,供将来的矿山设计借鉴复用。真正做到“经验数字化,设计虚拟化;过去可追溯,未来可预期。”

2. 企业级矿山智能生产管控

所谓企业级矿山智能生产管控,就是将矿山企业资源计划管理系统ERP直接连接虚拟矿山,实现矿山各个生产环节和局部环境感知和控制子系统与企业决策信息的业务集成和融合,提高管理效率从这个意义上说,虚拟矿山是分别连接现场感知控制信息与企业决策信息的中间联络层和执行层。

矿山企业资源计划管理系统ERP是指建立在信息技术基础上以系统化的先进管理思想为企业决策层及和各管理层提供决策支持的管理系统,负责生产计划的制定、库存控制和财务管理。ERP的正确运行离不开矿山现场生产数据以及反映原材料供应、生产任务执行情况等的各类数据。

虚拟矿山采用以技术经济指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术,具有以下功能:生产计划和优化、数据统计与分析、物料控制与管理、生产成本控制与管理、地测采信息管理、安全管理、设备设施管理等。

虚拟矿山与实体矿山之间实时交互,及时提供来自生产现场的状态信息和生产原始数据、并加以分析处理,传递给ERP系统。同时,虚拟矿山能将生产目标信息、质量指标信息以及生产调度指令,自动地转化为过程控制设定值,对生产设备进行控制虚拟矿山能够完成信息的综合应用,实现经营决策、生产过程管理和过程控制的管理控制一体化,即矿山生产智能管控,从而达到提高管理效率、增加企业效益的目的

3. 矿山远程监控和诊断服务

我国矿山很多处于偏远、高寒地区。尤其是随着开采年限增长,很多矿山步入深部开采阶段。而很多一流的矿业科研单位和高校位于远离矿山现场的城市。即使位于城市的矿业机构,也面临项目地点分散、人手不足、内外各专业各参与方相互沟通协调困难的局面,更何况有经验的工程技术人员年龄偏大,现场出差困难;另外即使身处矿山,也存在生产现场调查取证难的障碍。

如今利用虚拟矿山技术,将矿山现场的实际状态,经采集和汇集处理,以可视化的形式在统一的数据共享协作云平台上进行实时展现,为设计部门、业主单位、项目部、各级承包商提供对安全质量、劳务、环境、工程进度等方面关键信息的即时感知能力、及时决策能力和有效沟通能力,进而帮助识别安全风险,控制实施成本,保质保量按时交付。

4. 虚拟汇报展示与沟通交流

虚拟矿山还有一个重要的对外交流和沟通功能,其重要性常常被专业技术人士所忽视。虚拟矿山为各级主管部门、投资人、当地社区领袖以及其他相关人士提供一个全面的、虚实融合的矿山规划和运营动态场景,用于设计验证、设计评审方案汇报、改扩建申报、环境影响分析、矿山发展前景预测、闭坑复垦规划等,消除主管部门和社会各界人士对矿山的误解,促进社区和谐,保证矿山建设和生产的顺利进行。此外,设计规划阶段的虚拟矿山还可以用来作为仿真训练平台,在矿山投产之前对相关管理人员和作业人员提前进行培训,大大缩短投产后的达产时间。

5. 未来采矿设备虚拟研制

首先举一个设备虚拟研制的经典案例。美国波音公司设计的777飞机是世界上第一款采用虚拟制造技术的产品,由5000名工程师用300万个原件,花了5年的时间创造出来(缩短了3年),已成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。波音787飞机项目可谓是目前数字化技术应用的经典项目之一,从研发设计到生产及生产保障,均全程采用三维模型和数字仿真技术。其下线仪式上并没有出现真正的飞机,而是以虚拟的方式标志着787的成功研制。

将来的采矿设备向着大型化、智能化和无人化方向发展。在设备没有研发出来之前,就可以通过虚拟矿山进行模拟作业,利用矿山云平台将矿山现场环境展现给分散在各地的设备研发人员,完成虚拟设计和虚拟试验。

6. 矿山全生命周期和安全预警预报

基于虚拟矿山进行矿山全生命周期分析,尽早发现矿山规划设计的不合理之处、矛盾冲突、潜在危险等,及早在设计阶段进行修改;发现矿山生产的安全隐患,及早进行预警预报,并提供合理可行的解决方案;以未来视角对矿山原有发展轨迹和运行状态进行干预,进而指引和优化实体矿山的规划设计、建设、生产管理和闭坑或复垦等全生命周期过程。

7. 矿山安全紧急救援和虚拟演习

矿山安全与紧急救援一直受到国家相关部门的高度重视。矿山灾害,特别是动力型灾害,其事故突发性特别强。由于事故发生后没有及时利用科学先进的抢险救灾技术、装备与手段进行抢险救灾,错过了最佳救援时机。

所以利用有效的虚拟现实技术对于矿山救援是有很大帮助的。

虚拟矿山由于和实体矿山的实时交互,在矿山救援中可以更为直观、迅速地判断事故区域的危险性,在不危及人身安全的前提下进行有效、快速的救援,从而极大限度的提高了矿山救援工作的安全性、科学性和有效性。同时,矿山安全管理者可以定期将虚拟矿山系统设定安全演习状态,建立各种灾害事故想定脚本,对紧急救援人员进行实时培训,提高相关人员的备战能力。

七、结语

当初于润沧院士提出虚拟矿山这个概念时,并没有引起业界足够重视。这一方面是受当时对信息技术的认识程度所限;另一方面那时的信息技术条件并不成熟,虚拟矿山技术的应用可靠性不容易保证,并且实施起来的技术成本和财务成本会很高。如今信息技术的高速发展,为深入研究虚拟矿山理论提供了便利,同时也基本具备了构建虚拟矿山系统平台的技术条件和社会环境。

虚拟矿山将会是快速发展的信息技术与矿业技术融合创新的试验场。虽然虚拟矿山技术条件基本成熟,但实现方案并不简单,要想取得业界的认同也不是一蹴而就的事。笔者希望能抛砖引玉,引起业界对于虚拟矿山的思考和重视,共同推动数字化矿山的发展。与其坐而论道,不如起而行之。希望感兴趣的矿山企业、科研单位和高校,大家共同研究和实施虚拟矿山技术,尤其是可以从几个成熟应用点开始,例如矿山三维设计协同管理、企业级矿山智能生产管控、矿山远程监控和诊断服务、矿山虚拟汇报展示、安全紧急救援和虚拟演习等。

理论总是灰色的,而实践之树常青。以此结束对虚拟矿山的讨论。


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