选矿厂设计作为矿物加工工程中的重要组成部分，是矿山建设中极其重要的环节，也是选矿科研成果与生产之间联系的桥梁，可为矿山建设项目提供合理的决策与科学依据。选矿厂设计工作的质量对项目建设的前期投资、设计规模和指标以及后期所取得的经济效益和社会效益均起着关键作用（陈佳，2014）。

传统的选矿厂设计依靠人工计算和手工尺规绘图，存在人为误差概率较大、设计周期较长、图纸修改困难和现场返工几率大等问题。自20世纪80年代以来，计算机与网络技术的飞速发展，为传统工程设计的发展提供了新的方向和手段，计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术在二维设计领域的应用迅速普及。选矿研究人员针对选矿厂设计过程的特点，开展了流程计算、设备选型计算、二维和三维图形绘制以及专家系统技术应用等研究工作。这在一定程度上提高了选矿厂设计的效率和质量，但仍存在设计过程模块化、设计经验处理不成熟、车间设备配置无法自主化、工艺厂房和设备无法可视化以及沉浸感不强等问题。

近年来，虚拟现实技术的发展受到了国内外科技工作者的高度关注，虚拟现实技术逐步在教学和工程等领域得到应用。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性及想象性强的特征，可大幅提高设计过程的可视化程度和沉浸感。此外，虚拟技术平台还具备三维工厂建模、可视化设计、作业过程模拟和虚拟漫游等多种功能，是提高生产设计过程的有效手段（Debevec et al.，2020）。在虚拟现实技术的辅助下，通过融合设计过程数字化与集成化进行选矿厂设计，可以解决传统二维设计方法存在的多专业协同设计困难、计算与绘图难以有效结合以及可视化设计过程不强等问题，可在一定程度上解决现阶段计算机辅助设计中存在的不足，成为今后选矿厂计算机辅助设计发展的主导方向。

近几年，虚拟现实技术在矿业领域中的应用取得了较好的成果，同时在选矿厂设计中也展现出巨大的潜力。本文对现有计算机辅助设计在选矿厂设计中应用的内容及方法进行了分类、总结和归纳。同时结合虚拟现实技术特点，对该技术应用在选矿厂设计过程中所要面临的关键问题，提出了可行性解决途径，可为后续虚拟现实技术在选矿厂设计领域的研究提供思路和借鉴。

随着计算机辅助设计技术的发展和普及，我国选矿工作者和相关设计院所开始重视CAD软件在选矿厂工艺设计中的应用。除了单纯使用CAD进行图纸绘制外，研究人员也结合设计需求进行了CAD软件的二次开发。20世纪80 年代末至90 年代初，我国选矿行业开始了计算机辅助设计应用软件的研究（肖春莲，1996）。利用计算机对数据和图形进行处理，不仅可以缩短设计周期，提高设计准确性，而且能够使工程师专注于设计过程中所遇到的创新方案和疑难问题，从而提高设计工作的整体质量（王毓华等，2012）。

选矿厂设计过程包含大量的数据计算工作，如工艺流程指标计算和设备选型计算等。借助计算机技术，完成选矿厂设计过程的数据计算，有助于提高计算效率，减少计算错误，是选矿厂计算机辅助设计应用的初始阶段。

工艺流程计算软件主要包括破碎、磨矿、选别流程计算和矿浆流程计算软件。由于选矿工艺流程的多样性，解决工艺流程计算软件的实用性和通用性是关键，其中最重要的是解决工艺流程结构的表达。

选矿工艺流程结构的表达可概括为单元模块、关联矩阵以及单元模块与关联矩阵联合三大类。

采用单元模块表达时，对于破碎和磨矿流程，可按照流程基本功能，划分为一段开路单元、一段带预选筛分或分级单元、一段带检查分级单元、一段带预先及检查分级单元以及一段带预先分级和检查分级单元5个基本流程单元，如图1（王毓华等，1995a）所示。对于浮选流程，则可以划分为粗选、精选、扫选和中矿集中点模块（王毓华等，2012）。

关联矩阵表达法是工艺流程计算中采用最为普遍的方法，其表达方式多种多样。如：可将选别流程中f（f=1，2，…，n）个选别作业和k（k=1，2，…，n）个最终产物均看作一个独立的选矿过程，再将每个独立选矿过程组合形成一个（f+k）×（f+k）阶流程关系矩阵，使各产物的产率和回收率同时得到表达（喻圻拾，1997）。

单元模块与关联矩阵表达，即“单元”与“矩阵”相结合。如：对于破碎流程，可按照破碎、单层筛分、双层筛分、混合、分离和储存进行单元划分，再对每个单元构造子矩阵，通过对子矩阵进行组合形成破碎流程的系统矩阵，从而完整地对破碎流程进行表达（李启文等，1986）。

在流程计算过程中，对于数据运算的处理，单金属计算一般采用列主元高斯消去法，多金属计算则采用最小二乘法（孙永峰等，2016）。在此基础上，可结合MS Access技术（孙永峰等，2005），超文本技术、ActiveX控件技术和DHTML技术等（王毓华等，2002）进一步优化流程计算过程。

由于选矿工艺设备种类繁多，设备选择计算公式差异较大，因此，设备选择计算软件的开发主要针对各类不同功能的设备进行程序编制。已开发软件主要有破碎设备、筛分设备、磨矿设备、浮选设备、脱水设备及砂泵、渣浆泵、带式输送机、矿仓堆等辅助设备及设施的计算选型（邓朝安，1991）。尽管设备选型计算过程存在较大差异，但需要解决的关键共性问题可归纳为图形数据处理、表格数据处理和经验计算公式处理3个方面。

图形数据即指各种经验曲线，如粒度特性曲线和清水性能曲线等。由于曲线本身无法直接参与计算机的运算，可采用数值拟合分析各种经验曲线，并建立相应的数学模型（即模型公式化）（庞学诗等，2011）。此外，还可以从经验曲线中提取相关数据，建立数据库，以便程序运行时调用（田爱民等，2004）。对于设备选型计算过程中的各种表格数据，也可以进行数值拟合分析，建立相应的数学模型（即数据公式化）（王毓华等，1995b），还可以将表格数据以数组形式编入程序，或建立相应的数据库，供程序计算时检索和调用（周斌等，2016）。设备选型经验公式的处理则相对较为简单，采用计算机语言编程即可。

工艺流程及设备计算程序虽然解决了数值计算的问题，但不能解决工艺流程和设备选择过程中所涉及的设计规范及设计经验的应用问题。专家系统技术为解决这些问题提供了帮助。

专家系统通常由用户界面、知识库、推理机和数据库组成，其结构应为分布式、多库协同结构，知识表达应为多层表达模式。在专家系统中，用户界面用于人机信息的交流和学习。知识库来源于设计专家、技术资料与生产实践经验的整合，是规则的集合，也是系统最为核心的部分。推理机可在用户提出的要求与数据计算的基础上，运用知识库的经验进行推理并得出解决方案，如图2所示（王毓华等，1995c）。数据库则是用于判断和容纳知识库规则所产生的结论的地方。研究人员采用Turbo prolog语言相继开发了碎磨流程方案选择专家系统（陈荩等，1994）和磨矿工艺设计软件专家系统，如图3所示（王毓华，1998）。由图3可知，采用专家系统可有效解决设计规范和设计经验的计算机应用。

综上所述，选矿工艺流程计算软件，根据工艺流程特征，采用单元模块、关联矩阵以及单元模块与关联矩阵联合，不仅可以简化工艺流程算法，而且在一定程度上增加了流程计算软件的实用性。选矿工艺设备选择计算软件，则通过对所涉及的图形数据、表格数据及经验公式等进行模型化处理，有效解决了各种复杂数据计算机处理问题。借助专家系统技术，进一步解决了设计规范和经验应用的问题。这些研究工作为选矿厂计算机辅助设计的应用和发展奠定了良好的基础。

工程图纸绘制是选矿厂设计中的另一项重要工作。在工艺流程及设备选型计算软件开发的基础上，选矿工作者对选矿厂设计工程图的计算机绘制进行了大量研究。其中，工程图的计算机绘制方法主要包括静态图形库法和参数化绘图法。

静态图形库法，即借助AutoCAD的图块建立功能，建立各种类型及规格的选矿工艺设备图库，在图形绘制过程中，根据实际需要进行图形的插入和调用（关志超等，1995）。该方法虽然简化了绘图过程，但存在图库创建工作量大、图形修改和编辑困难及绘图效率较低等缺点。为提高静态图库的利用效率，可以借助CAD平台、编程语言及其他技术对图形库实行更为高效的管理和使用。例如：采用VB语言和对象链接嵌入技术（OLE）对CAD进行二次开发设计，在绘图过程中，增强对选矿设备图的查找、比较、调用和调整功能（李冬莲等，2005）。

参数化绘图法，即通过计算机语言（例如FORTRAN语言、Autolisp语言、DCL 语言等高级语言）编制参数化绘图程序，在AutoCAD环境下运行实现参数化绘图（陈荩等，1996a）。

选矿厂设计涉及的工程图形包括工艺流程图、设备联系图、标准定型设备、非标准设备、建筑结构和常用制图符号等。每一类图形的特点不同，其绘制过程应有不同的方法和要求。

（1）对破碎、磨矿和浮选等工艺流程，可以只根据流程结构的不同特点进行单元绘制。如破碎与磨矿流程，可根据入料、出料和返回路径的不同，进行单元流程分类，借助计算机程序对单元流程按工艺要求进行组合得到所需破碎或磨矿流程（王毓华等，1995d）。浮选流程结构，则可采用“二叉树”原理进行描述，如图4所示（王毓华等，1995a）。

（2）对标准定型设备，通常进行图元集的构建，对各设备的主要尺寸进行“参数化”设定，再通过“尺寸约束法”进行其他尺寸与坐标点的计算，从而实现参数化绘图，如图5所示（王毓华等，1996a）。

（3）对非标准设备和建筑结构类，绘图程序需根据中间计算结果（即动态数据库）进行绘制（王毓华等，1996b）。

（4）对常用制图符号类，其灵活性更大，可通过进行标注尺寸子程序设计及AutoCAD接口进行尺寸标注的自动绘制（周龙廷，1989）。

选矿工艺设备配置设计过程也存在设计规范和经验的处理问题。基于专家系统技术，可以将不同车间设备配置的设计规范和经验进行归纳总结和分类，并建立知识库。推理机根据用户需求和原始条件进行逻辑推理，得到最佳设备配置方案，再采用参数化绘图或静态图库调用等方式，完成设备配置图的绘制。基于专家系统技术，研究人员相继开发了破碎厂房工艺设计专家系统（张法荣，1992）、磨浮厂房工艺设计专家系统（王毓华，1996）和选矿工艺设备配置图智能CAD系统（陈荩等，1996b）。

在设备配置设计过程中，通过将工艺设备及其安装空间、各种通道等定义成“标准”的立方体“组件”，再根据工艺要求对车间内各“标准组件”进行组合，进而确定工艺厂房的几何尺寸。在满足厂房建筑模数要求和空间最小化的约束条件下，对各“标准组件”的位置及大小进行优化调整，可实现设备配置的计算机自动设计（王毓华等，1997）。

综上所述，选矿厂工艺流程及设备配置图计算机辅助设计，经历了从静态图形库向参数化绘图的突破，而基于高级程序语言对CAD系统的二次开发，大幅度提高了工程图形绘制的效率。在此基础上，运用专家系统技术及“标准组件”算法，在一定程度上解决了设计规范应用及工艺设备自动配置的问题，使选矿厂工程图纸绘制逐步走向智能化。

实践表明，二维图形计算机辅助设计依旧摆脱不了工程师利用说明书和二维平面图、断面图、三视图进行设计思想传达的传统设计方式，存在可视化程度低、信息传达抽象且局限的缺点，不仅会限制设计质量与速度的提升，而且容易造成信息传达错误。

三维图形设计能够更直观且清晰地反映工程设计结果。然而，从二维图形设计到三维图形设计，不仅仅是软件、模型和数据的进步，还有设计流程和模式的变革。三维图形设计除了将二维图纸转化为三维模型进行外观展示外，还增添了各专业的三维协同设计，使选矿设计结果更加精确和合理，设计成果无碰撞情况，材料统计更精确，可以减少施工过程中的现场设计变更，有效避免因设计原因而引起的返工，如图6所示（于云龙，2018；陈荣香等，2020）。

目前常用的三维计算机辅助设计软件有AutoCAD、SolidWorks、Bentley、3ds Max、Project Wise、Pheot3D和SketchUp等。这些软件可支持工程图自动关联、三维模型参数变化自动调整、协同工作、碰撞检查以及模型预览与出图等功能。基于这些软件进行二次开发，则能更好地满足选矿厂设计的要求。例如：在现有SolidWorks软件模型数据库的基础上进行二次开发，可以建立较全面的主厂房模型数据库、管件模型数据库及选矿设备模型数据库（宋平平，2018）。

由此可见，为了更加直观且清晰地表达选矿厂工艺设备配置设计结果，采用三维图形设计也是选矿厂计算机辅助设计的重要应用方向之一。

选矿厂设计是一项复杂且细致的工作，看似简单的设计步骤背后都有着不同的设计规范，在设计过程中需综合考虑所涉及的各种问题才能保证设计的合理性。工程师除了要对各种参数、指标、修正系数进行经验判断与决策外，还要依据自身经验对设计过程中出现的各种特殊情况进行判断和分析。因此，将选矿厂设计规范、专家和学者的经验与知识相结合，赋予计算机自我学习、推理、联想和判断等功能，才能最大限度地辅助工程师进行工程设计的构思和优化。

纵观选矿厂计算机辅助设计研究的发展进程，软件的开发已从传统单一功能发展到多功能集成。传统单一功能软件可以通过模块化解决选矿厂设计过程中的流程设计、设备计算、二维和三维图形绘制以及工程图纸生成等。虽然模块化大大简化了设计过程，提高了设计效率，但终究只解放了工程师的手，并没有解放工程师的脑。尽管学者们开展了专家系统在选矿厂设计中应用的一系列研究，证明专家系统在选矿工艺流程计算及选矿厂设备配置设计中的运用是可行的，然而在此后近20年的时间里，受选矿厂设计过程复杂性的限制，专家系统在选矿厂设计中的研究工作几乎停滞不前，转而向选矿厂智能化控制、选矿设备的人工智能模拟仿真以及设备智能化管理等方面发展。

虽然选矿厂计算机辅助设计已经从二维向三维模式转变，但是仍然存在可视化局限、沉浸感不强等实际问题。计算机虚拟现实技术的出现，大幅提升了沉浸感、人机交互性与想象创造力。因此，将虚拟现实技术应用于选矿厂设计，有望使选矿厂设计过程更加智能化，设计结果的可视化程度更强，是选矿厂计算机辅助设计未来的重要发展趋势。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一门新兴的综合性信息技术，融合了计算机图形技术、多媒体技术、网络技术、人机交互技术、传感器技术、立体显示技术和仿真技术等多种科学技术。借助特殊的输入与输出设备，可使用户沉浸在一个由计算机生成，且能给用户提供多种感官反馈，同时又能以自然方式与之交互的虚拟世界（Zhang，2020）。

Burdea et al.（2003）将虚拟现实的重要特征归纳为“3I”，即Immersion（沉浸性）、Interaction（交互性）和Imagination（想象性）。沉浸性，即用户沉浸到虚拟世界之中，虚拟世界可为用户提供视觉、听觉和触觉等感官模拟以满足用户的感官需求，使用户获得身临其境的感受。交互性是指通过鼠标键盘或特定传感器，与虚拟环境的任何物体进行可操作的控制和自然的交互。想象性也指创造性，其虚拟环境可以是真实现象的重现，也可以是设计者自身思维想象的展现，而在环境中用户通过交互后得到的信息反馈，是系统通过逻辑分析或判断推理对未来发生的想象结果进行的展示。

现代VR技术的逐渐兴起，为人机交互方式带来了新的可能，也为智能化工程应用和工程建设全过程可视化提供了新的技术途径（胡鹏飞等，2014）。

目前，VR技术在矿业工程领域的应用偏重于采矿设计与管理。主要包括：矿山系统设计、采矿施工工艺、矿山爆破工程、矿山管理、矿山培训、矿山安全与特殊采矿工程应用等（张欢，2016）。VR技术在采矿领域的成功应用，在一定程度上促进了VR技术在矿物加工领域的应用。

近年来，一些研究人员对VR技术在矿物加工领域的应用进行了探索性研究，并取得了一定的成果，如表1所示。此外，太原理工大学建成了煤矿井下采选充一体化虚拟仿真系统实验室，辽宁科技大学建成了破碎与筛分虚拟仿真实验室，中南大学建成了复杂铁矿资源加工虚拟仿真实验室。

由此可知，目前VR技术在矿物加工领域的应用，主要集中在对选矿单元过程与选矿厂部分车间进行模拟仿真。这种方式可以很好地用于教学，但无法达到工业设计的要求。在选矿厂设计方面，运用虚拟现实技术的相关研究较为少见。中南大学郑高华等（2021）基于Unreal Engine4引擎平台，开展了基于虚拟现实技术的磨矿分级工艺自主设计研究。结合3ds Max建模软件，初步实现了磨矿车间设备配置的可视化设计，结果如图8所示（郑高华，2021），表明将虚拟现实技术应用于选矿厂设计是可行和有效的。

基于虚拟现实技术和选矿厂设计特点，总结了将虚拟现实技术应用于选矿厂设计中所面临的关键问题，并提出了相应的解决途径。

（1）设计平台问题。系统设计平台应该具备自主开发功能，且能够兼容部分程序设计语言和三维模型，为设计者提供良好且简单的开发环境。Unreal Engine 4是一个较为成熟的虚拟现实开发类平台，具有独特的可视化蓝图和C++双编程系统机制，兼顾编程的灵活性与底层设计的准确性（Chu et al.，2021）。可视化蓝图机制降低了编程设计门槛，开发者不需具备很强的计算机语言基础，也可以通过自拟函数、宏和自定义事件等方法，转变传统选矿厂设计模式，实现计算机自主设计。此外，通过Unreal Engine 4标准应用程序接口，可使额外构建的插件与系统兼容（Qiu et al.，2016）。

（2）增强用户沉浸感。VR技术的出现，为增强选矿厂设计沉浸感带来了契机。选矿厂VR设计应具备使用户身临其境地获得选矿厂设计三维可视化视觉效果和立体化听觉效果，以及能够进行选矿厂漫游和动作捕捉交互等功能（Fan et al.，2020）。虚拟现实设计引擎均能带来沉浸感，从Unity 3D到Unreal Engine 4视觉效果得到了巨大进步，带来了实时逼真渲染以及电影级的后期处理效果（葛小丁，2019）。从传统选矿厂设计到桌面式VR选矿厂设计，再到头盔式显示器VR选矿厂设计，有效地实现选矿厂设计沉浸感的逐步增强。

（3）深化人机交互。选矿厂VR设计应具备简洁的用户界面和友好的数据交互方式。用户界面既是用户操纵系统的工具，也是系统向用户展示其功能的窗口。用户通过界面上的提示进行原矿性质选择和原始数据输入等操作，为系统提供初始资料。同时，用户在选矿厂VR设计过程中也能够对数据做出合理修改并得到有效反馈，从而以人机协同的方式更好地完成选矿厂设计。UMG编辑器是Unreal Engine 4引擎内置的UI编辑器，可通过添加Button、Text和Spin Box等控件创建简洁的用户界面。同时控件数据可与后台变量和函数等绑定，在进行选矿厂VR设计时，用户可以对设计参数进行合理修改，且在修改后能够得到及时反馈，增强了人机交互深度。

（4）模型构建问题。三维建模软件种类较多，但选矿厂VR设计在选用软件时必须兼顾虚拟现实开发平台。同时，由于选矿设备种类繁多，在选矿厂VR设计过程中，如何高效且便捷地构建三维模型，是另一个值得深思的问题。将虚拟现实技术平台与建模软件联合使用，需考虑多种平台文件接口兼容情况，如Unity 3D或Unreal Engine 4引擎本身不支持模型构建，需通过Maya、3ds Max等建模软件将模型通过fbx、obj等格式导出后，再导入引擎当中进行使用。或通过插件，将建立好的模型导入到虚拟现实平台，例如，Unreal Engine4引擎的DataSmith插件，可兼容3ds Max、Cinema 4D、Revit、SketchUp Pro、IFC、Rhino 3D、Solidworks、CATIA、VRED、DELTAGEN及其他CAD/CAID等建模平台。此外，针对选矿厂设备模型较多的问题，可参考二维“参数化”模型构建方法，在VR开发平台中进行编程，对每类设备的几何形状特征进行分析，构建出设备几何形状与特征参数之间的数学模型，再通过输入设备特征参数，生成特定型号规格的三维模型设备。

（5）选矿厂设计规范的应用。选矿厂VR设计需遵循相关设计规范，同时，由于工艺流程、设备选择以及设备配置等方案具有不确定性，所以要在三维环境下解决设计规范的问题，最终实现设备的合理配置。结合虚拟现实开发引擎特点，建立相应的三维选矿厂设计规范，并依据规范进行设备配置是有效的解决方法。在设计时，可以灵活利用程序语言编写函数和逻辑结构，将传统的设备配置方案转变为基于计算机高级语言的人工智能算法，并不断校验设备配置方案的准确性。

（6）虚拟检测问题。相对于传统图纸，选矿厂VR设计的可视化程度得到大幅提升。用户不仅可以身临其境地漫游在所构建的三维可视化选矿厂中，而且能够借助相应技术对选矿厂厂房、设备和管道的碰撞，干矿和矿浆的流动等进行虚拟检测与模拟，提前了解未来选矿厂的“实际状况”，将设计过程中出现的问题进行可视化展示，从而起到在早期对选矿生产及流程进行虚拟评估、确认与改进的作用（Bellalouna，2020）。目前，部分三维软件可支持对各梁、柱、管道与设备之间碰撞的自动检查，并标明碰撞位置。在虚拟现实开发平台，也有支持碰撞体的设置与碰撞响应事件编写模块。在模拟矿浆流动方面，可借助Unreal Engine 4粒子系统（Zheng，2021），对实际矿物进行模拟，用于还原真实的选矿厂。

（1）提高选矿厂设计效率和质量一直是选矿工作者追求的目标，计算机辅助设计技术为实现这一目标提供了有力支撑。选矿厂计算机辅助设计经历了工艺流程和设备选型计算、二维图形和三维图形绘制等发展阶段。研究成果简化了设计过程，在一定程度上提高了设计效率和质量。但是，传统计算机辅助设计技术仍存在设计过程模块化、软件之间数据共享困难，软件的集成性不够，设计规范和经验处理不成熟，设备配置自主化和可视化程度低，以及沉浸感缺乏等问题亟待解决。

（2）虚拟现实技术在许多工程领域得到了广泛应用，但在选矿厂计算机辅助设计领域的研究才刚刚起步。虚拟现实技术在选矿厂计算机辅助设计中的运用，不仅能提升设计过程的沉浸感和可视化程度，而且能增强人机交互性及设计人员的想象创造力，有效解决了选矿厂设计过程的智能化和可视化难题。

（3）伴随着计算机软件和硬件、网络和通信技术的快速发展，虚拟现实技术的应用将是选矿厂计算机辅助设计未来的重要发展方向，将为矿物加工工程领域的发展带来新一轮的变革。