2020年初，国家八部委联合签署颁布了《关于煤矿智能化发展的指导意见》，煤矿智能化正式列入国家重点发展战略。文件提出“以数字化、网络化、智能化为方向，加快工业互联网和新一代通信技术、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等现代信息技术在煤炭工业领域的推广应用”。
VR（虚拟现实）技术作为煤矿生产数字化、网络化、智能化的关键技术之一,现阶段正向着虚拟现实监测与规划融合设计等方向大步迈进，为智能化建设的透明化和可视化提供技术支撑。井下5G等技术试验和推广也更加使VR技术进入了发展的快车道。
除了VR技术外，AR（增强现实）技术作为“后互联网时代”一项革命性的认知工具，目前，已经成为促进智能制造各方面变革、工业产业升级的关键技术之一，并已在智能制造生产系统中进行了应用。因此，进行数据+视频+VR/AR/MR(混合现实)等新应用领域深度融合，形成一个全方位透明化的监控体系，为数字孪生综采工作面的建设提供技术基础。
笔者深度剖析VR与AR技术的发展动态，对该技术为何未在智能化工作面建设过程中应用的原因及问题进行分析，试图引出新的思考和探索，以及对未来发展趋势的方向性进行判断。
1 数字孪生智采工作面概述
数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景，包括物理工作面、数字工作面和数据信息交互等3个部分，还包括模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。
“VR+AI”的融合是数字孪生技术的关键，因此在煤炭行业中的综采数字化、智能化的关键问题，如智能监测、故障检测与预测、设备选型与规划等，可很好地用数字孪生理论去指导和应用，进一步为无人化智能化数字化开采提供理论与技术支撑。
综采生产系统的数字化模型及实时运行数据驱动的虚拟综采工作面生产系统，可以以一种全景式的、透明化的监控形式将综采生产系统的运行状态实时呈现出来。然而，仅利用VR技术是不够的，需要借鉴信息物理系统和数字孪生智能制造系统，解决诸如相关预测、规划、智能决策等一系列的关键科学问题，在顶层设计中做好设计，支撑数字孪生综采工作面生产系统的建设。
2 综采生产系统仿真
2.1 单机建模与虚拟仿真
当前，单机装备智能化虚拟仿真水平已经较为成熟，利用三维精细化建模技术可以得到虚拟模型。
虚拟采煤机可实现虚拟牵引、调高、截割等动作，虚拟刮板输送机可以完成刮板输送机弯曲、推移、与底板铺设、虚拟运煤等动作，虚拟液压支架可实现移架、推移刮板输送机、升（降）柱、伸收护帮板等动作；并通过各种虚拟传感器实时获得煤机装备的姿态信息，并接入实时传感信息，实现实时数据驱动运行。
2.2 煤层建模与实时映射
智能化工作面建设过程中，需要保证地质模型的质量，通过钻孔、煤层揭露等信息以及随探等数据，或通过装备运行前几个循环的大数据分析构建动态地质模型，再通过虚拟现实技术进行可视化建模，或者与仿真装备模型进行协同联动设计，为智能化建设提供研究环境与空间支持。
2.3 装备协同仿真与规划
将装备与煤层结合，对装备截割、推进路径规划进行高仿真度仿真，并能输出其关键的信息数据，用于分析。
建立虚拟煤层与虚拟综采工作面“三机”间的耦合关系，实现“装备+煤层”的快速布局仿真并进行虚拟规划与无人综采装备体系建模与仿真协同智能演进，并建立装备与煤层耦合运行工作空间评价方法。
3 综采生产系统实时虚实映射
3.1 虚实映射交互通道
根据物理生产系统（如样机模型等实际生产系统）建立与其具有映射关系的虚拟生产系统，这2个系统简称为虚实系统，分别对虚实系统的数据、算法、规则等进行服务化接口封装，设计虚实系统各组件的信息动态加载交互与状态协同演进方法，设计虚实系统信号响应、关联关系及数据特征的融合分析机制，实现虚实系统运行过程的“精准映射、信息对偶、智能交互、协同演进”。
3.2 虚实映射实时性与准确性
5G 等技术的逐步应用为信息交互提供技术支撑，但传感器安装与感知元件方面还需继续增强，虚拟监测系统必须在现有电液控系统和较为成熟的配置方案上增加最小数量的传感器,进而达到 VR 监测的目的。为满足全景监测的要求，在煤机装备上确定传感器安装位置的关键点，实现煤机装备的姿态监测，实时采集综采装备的在线运行数据。
3.3 精准监测与监控
将VR监控引入综采常规监测监控方式，并将VR+数据+视频有机融合，可以构建一个完整的立体监控体系，实时透明化呈现综采装备运行状态。基于高精度数字化感知元件和封装技术，实现动态运行条件下的部分装备原本较难测量的关键位姿信息的准确稳定可靠采集，为单机及协同配套运行的精准监测与控制提供底层数字化支撑。
4 虚拟现实技术在煤矿智能化人才培养的应用
4.1 提高操作人员技术水平
井下一线操作工人文化程度低，对综采智能化等技术认识较为肤浅，在安装和使用智能化设备过程中存在严重的抵制思想。在很多煤矿井下综采工作面安装了智能化设备过后，正是由于井下操作工人的维护不当，或没有按照操作安全规程正常使用，会造成相关设备损毁严重等问题，严重限制了智能化改造的技术应用与实现。究其原因，除工人思想问题外，面临的最大挑战是缺乏正确操作和维护相关智能化设备的知识。
将半实物仿真技术与虚拟现实技术相结合，通过构建和井下集控中心、操作面板和操作界面完全一样的半实物操作界面，为井下操作人员和管理人员提供了一个高仿真度的虚拟操作环境，利用输入设备面板进行模拟施工操作，这种互动式受训环境有助于提高培训的效果。
借由虚拟系统可重复受训的特性，可省去增建、改建培训场地等昂贵的费用支出，配合融入式的虚拟化场景，受训者可选择主动式的学习方式，通过对项目内容重复操作来达到熟练操作的效果。
4.2 人才培养
未来的后备人才是支撑智能化持续发展的重要源泉，针对“专本硕博”等各个阶段的后备人才的培养至关重要。近年来，我国兴起国家级仿真试验教学试验项目的申报，在智能化领域的相关项目超过10个，以及以山东科技大学煤矿工作面采煤机虚拟仿真试验项目为代表的等3个虚拟仿真项目获批国家级虚拟仿真试验教学示范项目，这些项目可构建非常形象生动的虚拟场景，让学生脱离原来理论性的传统授课模式。
4.3 企业产品开发设计与产品推广
在产品开发与设计过程中，应该加大培训力度，将更多的虚拟现实技术融入到设计的每个阶段，全面助力设计过程。通过BIM+VR/AR的人机交互设备，更加形象深动地展现综采装备场景，更好地助力煤机装备产品宣传。
4.4 科普技术普及
智能化需要传统煤炭、煤机企业与新一代信息技术的高新企业科研院所等单位进行联合攻关，但由于井下的危险性和特殊性，使相关技术人员对综采智能化等技术了解有限，如何准确展示智能化采煤系统的构成与亟待突破核心关键技术，成为了难题。
通过构建一个涵盖现有智能化综采工作面关键技术与构架的虚拟系统，将装备的自主感知、决策与控制以及地质保障等技术的概念全部以一种形象生动地方式进行展示，对智能化采煤的关键技术、装备与发展方向进行科普，形象直观地呈现出虚拟采煤过程，并对可能突破的关键技术进行划分，吸引各行业先进技术融入到智能化综采工作面的建设中去。
5 AR技术在智能化综采工作面中的应用
目前，关于将AR理论应用在智慧矿山建设上的理念还很少，但AR技术在制造业中已经实现了初步应用，所以将AR技术引进智慧矿山的建设中是未来的趋势。当前主要应用包括：①复杂机械的虚拟拆装以及维修指导，如基于混合现实的矿用设备维修指导系统[26]，基于AR的矿用设备维护培训系统等。②地形可视化，如彭延军等开发了在iPad上运行的AR应用程序，使用户能够对钻孔数据实现可视化。③虚拟仿真，如西澳大学等机构的学者运用AR和MR进行模拟，提高对矿山运营知识的了解。
采用全息投影技术对矿井综采工作面实时运行状况进行监测控制，并在此基础上使用AR设备进行井下人工巡检及远程干预。
6 展 望
1）进一步增强数字孪生等先进理念与智能化综采工作面建设顶层设计的融合程度，突出VR/AR技术的支撑作用。
2）进一步强化VR技术在智能化培训和未来智能化人才培养过程中的应用，为智能化行业的全员技术提升和后备人才储备提高智力支撑。
3）进一步提升VR技术在智能化工作面流程中的支撑和引领作用，实现全生命周期的流程设计。
4）进一步推进虚实融合能力，融合可以融合的相关信息（视频图像、激光扫描等），构建真实智能化综采工作面的实时虚拟镜像。
5）进一步开拓AR技术在相关领域的应用，加强其在综采工作面远程巡检中的研发力度。
