井巷工程三维可视化：打造立体化施工管控

井巷工程可视化仿真主要是指巷道空间位置工程、相互关系及分布情况等的三维仿真，主要的研究方向可以分为以CAD技术为核心的仿真技术和以虚拟现实技术为核心的仿真技术[99]。

采矿工程CAD技术的发展较早，几乎与计算机图形处理技术同步发展，早在20世纪80年代初，就出现了一些功能比较齐全的采矿CAD系统，如D.Hartly[100]等研制的地下采矿设计软件，建立了采矿工程图形库，根据需要组合这些图形完成设计工作，并给出设计结果的立体图和投影图。澳大利亚MINCOM公司开发的Minescape[101]，是一个基于三维CAD的采矿辅助设计软件系统，它提供了地质钻孔信息处理、地质模型建立、新旧矿井设计、现场设计与管理、生产进度计划模拟，支持采矿设计与生产管理。但该软件是基于UNIX系统，它的应用在我国受到一定的限制。法国的ENSG公司开发的GOCAD系统[102]，可建立由点数据组成的图形数据库，由这些数据可生成复杂地质特征（如断层、褶皱）的三维立体模型，并完成储量计算、作业计划、开拓布置等功能。从历届APCOM会议资料报道来看，国外研制和开发了10多个关于地质储量计算和矿床开采辅助设计方面的商品化软件[103]，如MINEX3D、Surpac、Mintec、Geostat System等。

我国CAD研究时间上较为滞后，尤其是地下矿的研究应用较少。从20世纪80年代中期开始，我国在地质、测量、采矿等各专业方面开发了一些以解决具体专业问题为主的CAD软件，并投入了实际应用。许德明[104]等专门针对无底柱分段崩落法进行了计算机辅助设计系统的研制，该系统主要由3部分组成：一是地测图件处理；二是阶段平面开拓设计；三是矿块结构与回采设计。汪家琪等[105]针对煤矿生产建设的需要研制了井巷三维立体图自动绘制系统。鞍山冶金设计研究院的陈光富[106]用Quick Basic语言编制了井巷工程透视投影图软件，包括原始数据输入、三维模型建立和消隐三部分。许新启等[107]结合AutoCAD 2000，采用其嵌入的Visual Basic进行二次开发，形成矿山井巷工程绘图软件。邢玉忠[108]基于AutoCAD进行了矿井通风系统立体图软件的开发，该软件绘出的立体图具有立体感强、绘图速度快、易于修改等特点，其绘图所用数据皆来自于巷道原始参数，为进一步实现由矿井采掘工程平面图及矿井通风系统图到矿井通风立体图的自动转化打下了基础。中南工业大学开发出了DM&MCAD软件系统[109，110]。它完成了由地质钻孔资料、地形图开始到辅助设计的微机化，能绘制各种地质平面图、剖面图和采矿工程图，可在微机上实现采矿设计。苏州非金属矿工业设计研究院在AutoCAD基础上开发了一套井巷工程计算机辅助设计软件系统SCAD，它主要用于设计各种平巷、竖井、斜井、天井、溜井、各种车场等，能绘制井巷施工图。此外，侯运炳[90]采用三维设计方法，利用几何造型技术，建立了新城金矿采矿工程巷道基本部件的三维集合模型库，由基本部件几何模型拼接采场的采矿工程结构，并构造标准采矿方法参数几何模型和采场组合模型优选采矿工程布置方案。

综合所查阅的相关文献资料，采矿CAD辅助设计中井巷工程的三维可视化部分多数建立在第三方软件之上，如AutoCAD等。另外，其系统性和集成性不强，研制的软件系统只针对某个侧面的具体问题而开发，一般只解决局部问题。(www.xing528.com)

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，又称为灵境技术，是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术[111，112]。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，提供给用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。它同时具有沉浸性、交互性和构想性，使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。沉浸性是指用户对虚拟世界中的真实感，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中；交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作性；构想性是指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。

在矿业领域，国外的VR技术研究起步较早，出现了一些2.5维的矿山VR系统[113，117]，如美国宾夕法尼亚大学开发出VR矿工培训系统、德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG、英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（AIMS）开发研制的房柱式开采模拟VR-MINE系统等。在国内，近些年，山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作，基于GIS技术研制出数字化矿井系统，实现了基于地质测量的基础数据生产图形的一体化管理[118]；北京科技大学进行了巷道的三维绘制技术研究[119]，中南大学对地下矿山开拓运输VR仿真系统进行了研究[120]，以及山东工商学院[121]研究了基于VR仿真技术的矿山安全培训系统的设计与实现。