VR和AR及MR技术在矿山工程中的应用研究

朱瑞军，李少辉，王 磊

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心，北京 100038)

1 前言

随着互联网、计算机图形处理技术和人工智能技术的发展，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)、增强现实(Augmented Reality，简称AR)、混合现实(Mixed Reality，简称MR)技术在社会活动中的应用越来越广泛[1]，已经成为新一代信息通信技术的关键领域，具有应用空间大、产业潜力大、技术跨度大等特点。作为一个具有较长历史，但实际新兴的产业，VR、AR及MR技术与产业的发展路径尚未完全定型。从关键技术上看，以近眼显示、渲染处理、感知交互、网络传输、内容制作为主的技术体系正在形成，且我国在相关产业上与国际一流水平的差距不大。

VR技术在许多工程领域已得到广泛应用，在矿山工程方面的应用虽然相对较晚但也取得了很多成果，目前，虚拟现实技术在矿业的应用主要体现在模拟地质构造、矿井开采模拟和设计优化、爆破工艺、培训教学、事故调查研究等方面[2～4]。

2 国内外VR和AR及MR产业发展现状及政策支持

近年来，全球VR/AR投资规模持续增长。2016年，全球VR/AR市场规模为39亿美元，其中VR收入27亿美元，AR收入12亿美元。2017年全球VR/AR的投资总额受AR迅速发展的带动达到29亿美元，同比增长11.9%。到2021年，全球VR/AR市场规模将达到1 080亿美元，而移动AR将成为增长的主要动力，届时AR市场规模将达到830亿美元[5]。各国政府将虚拟现实产业发展上升到国家高度，很早就出台了各种政策支持相关产业发展，国外虚拟现实发展的相关政策见表1。

近年来，我国政府及相关部门也先后出台了多项政策来促进虚拟现实相关技术发展和产业应用，主要内容见表2。

表1 国外虚拟现实发展的相关政策支持

表2 国内虚拟现实发展的相关政策支持

3 VR和AR及MR技术特点对比

VR技术利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境。AR技术通过计算机系统将生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，以直接获得整体效果。MR技术是在VR和AR基础上发展的混合技术，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。MR眼镜目前市面上最热门的当属微软的HoloLens眼镜，它把全息对象置于现实世界之中和真实对象之上。全息对象可被固定于特定物理位置，或在全息视野中跟随用户。全息对象像真实对象一样可看可听。即使不在视野内，也可通过环绕立体声感知全息对象的空间位置[6]。VR、AR、MR不同的技术特点决定了其具有不同的应用场景，其技术特点对比见表3。

表3 VR和AR及MR技术特点对比

4 VR和AR及MR技术在矿山工程中的应用

结合VR、AR、MR的技术特点、应用现状和发展趋势，以及矿山工程建设中的多种实际需求，分析其在矿山工程中的应用场景。

4.1 VR技术应用

(1)系统展示。基于矿山虚拟现实仿真系统，为矿山技术人员、各级主管部门、业主等提供一个逼真的、交互式的矿山三维动态场景，将矿山各系统及新装备、新技术等进行三维可视化展示，提高企业宣传效果。某矿山充填站的虚拟现实模型如图1所示。

图1 某矿山充填站虚拟现实模型

(2)远程可视化监控。在矿山虚拟现实仿真系统的基础上，融合安全监测监控、井下人员定位、自动化系统以及各类生产动态等多个监测监控系统，建成矿井一体化信息平台，让各类监测监控数据发挥最大作用，保证矿山的安全高效开采，同时为矿山调度指挥提供智能化决策支持。

(3)设计优化。应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境。这样在矿山设计或研究阶段，设计人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数，结合数值仿真，选择设备及确定生产模式，从基建到闭坑的全过程实时监控，发现问题进行实时修正。

(4)技术培训。做好矿山工作人员的基础知识和基本技能的培训，是解决安全生产问题的重要举措。基于虚拟现实的方法，对矿山人员进行模拟培训具有逼真、有效、经济、快速的特点和重要的实用价值，包括熟悉系统布置、设备操作训练，安全技能培训，灾害模拟，自助逃生模拟等，具有安全性高、交互性强以及可重复演练的特点，适合在井下作业的相关知识和操作技能的培训中使用。

(5)实验教学。开发虚拟矿山教学平台，可使得学生通过井下漫游、虚拟操作矿山设备等，直观地观察到矿山的三维布局和各种采矿作业过程，进行虚拟采矿试验，系统可对学生的操作进行自动评价。虚拟教学具有直观性、高效率的特点，可提高教学质量和安全性。

(6)事故模拟与分析。利用虚拟现实仿真系统可以快速、有效地在计算机上再现各种事故发生的过程，用户可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程，找出事故原因，可用于培训、分析事故原因、制定救援预案等矿山安全生产管理工作。

4.2 AR和MR技术应用

未来AR技术与MR技术的界限将越来越模糊，趋于融合，其应用场景多为重合。在矿山工程领域，其可能的应用场景如下所述。

(1)远程技术指导。利用混合现实头显设备Microsoft HoloLens，将3D模型、实时数据等与物理实景相融合，并可将图像分享给其他用户，可用于辅助三维设计、远程技术指导等。

(2)技术培训与安全培训。在矿山领域，有大量的工人需要操作类培训，传统的培训方式效果有限，企业花费高昂的培训费用，但培训一直存在学习者无法做到即学即用、耗费教导人员的时间精力等痛点。如果工人佩戴AR/MR眼镜或使用移动设备，由系统指导所有的标准步骤，使学习场景与工作场景无限接近直至重叠，直接解决“学时不能用，用时不能学”的问题，极大提高培训的用户体验，且可实现多人之间的交互，共同学习，相互指导，大大提高学习的便利性。

(3)设备巡检与安全检查。可以将AR/MR系统与设备巡检和安全检查信息系统相结合，在查看被检设备时，可叠加该设备的安全状态信息和需要检查的数据信息，方便操作，提高工作效率和质量。通过佩戴HoloLens，维修工人可以解放双手，通过手势识别技术操作虚拟系统画面，获取维修的任务信息、配件信息、维修历史等相关信息来辅助现场维修，在遇到疑难问题时更可以启动远程专家系统进行在线共同诊断，将现场维修工人所在的现场情况实时在线分享给远程专家，为迅速解决疑难问题提供有效的途径和手段。

(4)辅助操作。对井下环境进行现实增强，通过注册技术，即虚拟物体和真实环境的对齐，将设备使用方法、注意事项、运行状态、历史数据等信息叠加到设备实体上，提高作业效率和安全性，可用于设备装配、设备维修等。

(5)图纸信息增强。可将三维模型、设计方案等信息叠加到二维图纸上，用户通过手机扫描图纸即可查看，如图2所示，可将运输方案的动态信息叠加到常规的中段运输平面图上。

图2 某地下矿山中段运输AR模型

(6)设备导航。基于AR/MR系统，并结合生产计划数据管理系统，铲运机、运输卡车的驾驶员在开车时可以看到导航数据、目的地信息、行驶速度、限速提示、岔口信息、人员及其他设备位置信息等，方便操作，提高行驶安全性。

(7)业务管理。目前的流程管理和现场管理大多停留在表单记录的模式，AR/MR眼镜可以实时记录工人的操作，用于现场维修记录、流程管控和故障原因追踪，这些数据还用于现场的操作习惯分析、绩效考评、行为预测等，承载业务管理的功能。

5 结语

(1)目前VR、AR、MR技术及设备产品在矿山工程中的应用仍以探索体验为主，尚未成为生产力工具，随着技术本身和相关设备的发展，其在矿山工程中必将得到更广泛的应用，发挥更大的作用。

(2)VR、AR、MR技术应用应与云计算、大数据、人工智能等信息技术相结合，加强感知交互功能，将成为数字矿山、虚拟矿山、智能矿山体系建设的重要组成部分。

(3)由于自身技术特点，今后AR和MR的定义更加模糊，二者更接近。在矿山工程中，AR、MR技术相较于VR技术，应用前景更为广阔，更具商业潜力。

(4)应构建虚拟矿山公共服务平台，为VR、AR、MR技术在矿山工程中的应用提供技术支持和平台服务，提高应用开发效率，扩大应用推广范围。