中國(guó)恩菲與國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心聯(lián)合建設(shè)的中國(guó)礦業(yè)信息化協(xié)同創(chuàng)新北京市工程研究中心

當(dāng)前，世界正處于百年未有之大變局，在變局和危機(jī)中，各行各業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求十分迫切。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)已經(jīng)成為釋放巨大發(fā)展動(dòng)能的關(guān)鍵因素，也成為了各國(guó)關(guān)于未來全球發(fā)展的共識(shí)。對(duì)于采礦業(yè)來說，要走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路，數(shù)字化、信息化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。在此背景下，“數(shù)字化礦山”的理念應(yīng)運(yùn)而生。

“數(shù)字化礦山”的含義及發(fā)展方向

“數(shù)字化礦山”的概念由來已久，其真正的含義是什么？它又包括了哪些內(nèi)容？礦山企業(yè)該如何朝著真正的數(shù)字化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)礦業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化管理與國(guó)際先進(jìn)管理方式的接軌？

早在十幾年前，中國(guó)工程院院士、中國(guó)恩菲高級(jí)顧問專家于潤(rùn)滄就提出，對(duì)數(shù)字化礦山的概念可以表述為由初級(jí)到高級(jí)的三個(gè)層次：礦山數(shù)字化信息管理系統(tǒng)、反映真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的虛擬礦山、無人礦井的遠(yuǎn)程操控操作和自動(dòng)化采礦（Mine Automation，Telemining，Robotic mining）。

礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：礦區(qū)地表及礦床模型三維可視化信息系統(tǒng)，礦山工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及巖石力學(xué)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、顯示與探采工程分布集成系統(tǒng)，礦山規(guī)劃與開采方案決策優(yōu)化系統(tǒng)，礦山主要設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息系統(tǒng)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，礦山環(huán)境變化及災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)，礦山經(jīng)營(yíng)管理及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)分析信息系統(tǒng)。

數(shù)字化虛擬礦山是在上述信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更廣泛的集成，運(yùn)用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術(shù)使真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)數(shù)字化再現(xiàn)，為礦山實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理提供非常便捷的手段。

遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦：在上述數(shù)字化的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備自動(dòng)化、智能化，地下通信及實(shí)時(shí)自動(dòng)定位和導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程遙控操作和自動(dòng)化采礦，從單個(gè)工序到整體礦山，使礦山生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、辦公室化。

于潤(rùn)滄院士認(rèn)為，數(shù)字化礦山能極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本；能適應(yīng)日益增多的深井開采的條件，使礦工遠(yuǎn)離高地溫、巖爆威脅等惡劣操作環(huán)境，徹底改善礦工的安全和健康狀況，實(shí)現(xiàn)采礦辦公室化。數(shù)字化礦山的終極目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。而礦業(yè)發(fā)展的終極目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是既能滿足人類對(duì)礦產(chǎn)資源的需求，也能適應(yīng)生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)的承載能力，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。因此，數(shù)字化礦山具有極其重要的意義和強(qiáng)烈的吸引力，同時(shí)也具有廣闊的創(chuàng)新空間。

在此背景下，中國(guó)恩菲積極推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷提升數(shù)字化管理水平，綜合考慮生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，致力于使礦山規(guī)劃管理具有更高的效率、更豐富的表現(xiàn)手法、更多的信息量、更高的分析能力和準(zhǔn)確性，從而提高礦山生產(chǎn)和管理的時(shí)效性、有效性、資源優(yōu)化配置水平及綜合實(shí)力，促進(jìn)礦山的可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到提高整體效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)能力的目的。

數(shù)字孿生的起源與數(shù)字孿生礦山

為有效推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)，中國(guó)恩菲依托中國(guó)礦業(yè)信息化協(xié)同創(chuàng)新北京市工程研究中心，積極探索數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生是以多維模型和融合數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，通過實(shí)時(shí)連接、映射、分析、交互來刻畫、仿真、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制物理世界，使物理系統(tǒng)的全要素、全過程、全價(jià)值鏈達(dá)到最大限度的優(yōu)化。同時(shí)，數(shù)字孿生與各產(chǎn)業(yè)的深化融合能夠有力推動(dòng)各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為產(chǎn)業(yè)變革的強(qiáng)大助力。中國(guó)恩菲通過數(shù)字孿生技術(shù)，不斷加快推進(jìn)礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并探索建立礦山智能管控系統(tǒng)，對(duì)礦山設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于技術(shù)人員和專家為礦山提供更好的遠(yuǎn)程服務(wù)，同時(shí)對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，優(yōu)化礦山運(yùn)營(yíng)，保證礦山生產(chǎn)高效、安全地進(jìn)行。

中國(guó)是工業(yè)大國(guó)，數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用有非常廣闊的空間，也得到了相關(guān)政策的大力支持。今年以來，國(guó)家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部、國(guó)資委等部門相繼出臺(tái)相關(guān)文件，部署發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，發(fā)揮其在培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)企數(shù)字化轉(zhuǎn)型等領(lǐng)域的積極作用。

在數(shù)字孿生技術(shù)中，模型是核心要素，而從模型到數(shù)字孿生經(jīng)歷了物理的“實(shí)物模型”到數(shù)字化展示的“數(shù)字化模型”再到物理對(duì)象與虛擬模型交互共生的數(shù)字孿生的技術(shù)發(fā)展過程。數(shù)字孿生可追溯至美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授于2002年在其產(chǎn)品生命周期管理（product lifecycle management, PLM）課程上提出的“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字表達(dá)”（a virtual, digital equivalent to a physical product）的概念。雖然這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)并沒有稱為數(shù)字孿生，但卻具備了數(shù)字孿生的基本組成要素，因此可以被認(rèn)為是數(shù)字孿生的雛形。2010 年，“數(shù)字孿生”才由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）首次書面提出并得到了進(jìn)一步發(fā)展。NASA 在《Modeling, simulation, information technology & processing roadmap》中詳細(xì)說明了對(duì)于航天器數(shù)字孿生的定義和功能。與此同時(shí)，2011年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory, AFRL）在一次演講中也明確提到了數(shù)字孿生，AFRL希望利用數(shù)字孿生來解決戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體（Airframe）的維護(hù)問題。2012年，NASA和AFRL合作共同提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體范例，以應(yīng)對(duì)面對(duì)未來飛行器高負(fù)載、輕質(zhì)量以及極端環(huán)境下服役更長(zhǎng)時(shí)間的需求。

2017年以來，數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用越來越熱，并開始在很多生產(chǎn)生活場(chǎng)景中得以應(yīng)用。在制造領(lǐng)域，通用電氣公司利用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，防患于未然；法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司基于數(shù)字孿生開展對(duì)汽車研發(fā)的模擬仿真，為寶馬、特斯拉、豐田等優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，顯著縮短研發(fā)周期，大大降低了傳統(tǒng)物理測(cè)試方式的成本。雖然數(shù)字孿生得到了業(yè)界廣泛關(guān)注和研究，但數(shù)字孿生在概念和內(nèi)涵上卻并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。隨著數(shù)字孿生研究和實(shí)踐的不斷推進(jìn)，人們賦予了數(shù)字孿生的各種定義。

數(shù)字孿生發(fā)端于航空航天等先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域，已產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案可以方便地應(yīng)用于礦山生產(chǎn)管理。礦業(yè)與其他行業(yè)例如先進(jìn)制造業(yè)有諸多相通之處，因此許多先進(jìn)制造業(yè)通用數(shù)字化技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以直接移植到礦業(yè)中去；另一方面，礦業(yè)又有其特殊性，主要表現(xiàn)為礦山資源不可再生性、礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的遞減性、礦山作業(yè)場(chǎng)所的移動(dòng)性帶來開采條件的復(fù)雜性等，因此數(shù)字孿生在礦業(yè)的應(yīng)用又必須顧及礦山行業(yè)自身特點(diǎn)、作業(yè)環(huán)境和價(jià)值鏈特點(diǎn)。

簡(jiǎn)單地說，數(shù)字孿生礦山是對(duì)實(shí)體礦山設(shè)備設(shè)施的實(shí)時(shí)三維映射以及對(duì)地質(zhì)資源和巖土工程環(huán)境的即時(shí)數(shù)據(jù)三維表示，同時(shí)也是一個(gè)開放的、互聯(lián)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境，包含了實(shí)體對(duì)象的屬性信息，例如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、潤(rùn)滑油、耗電量等設(shè)備參數(shù)及與其相關(guān)的智能分析功能，以及地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的及時(shí)采集、分析和使用。礦山實(shí)體對(duì)象與其數(shù)字化三維表達(dá)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)或即時(shí)的數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)在線的礦山生產(chǎn)信息和反饋控制信息的雙向流通。

數(shù)字孿生在智能礦山中的典型應(yīng)用

（一）瑞海金礦數(shù)字孿生系統(tǒng)

2016年，中國(guó)恩菲與招金礦業(yè)聯(lián)合建立了由中國(guó)工程院院士、中國(guó)恩菲高級(jí)顧問專家于潤(rùn)滄牽頭的“招金礦業(yè)院士工作站”，旨在針對(duì)行業(yè)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題開展技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)自動(dòng)化、智能化礦山建設(shè)更好發(fā)展。

院士工作站積極推進(jìn)瑞海金礦數(shù)字化、智能化建設(shè)，研發(fā)了瑞海金礦數(shù)字孿生系統(tǒng)。瑞海金礦數(shù)字孿生系統(tǒng)將礦山建設(shè)的全生命周期進(jìn)行平臺(tái)化管理，從三維設(shè)計(jì)開始，形成規(guī)范的設(shè)備、圖紙庫(kù)，通過唯一的標(biāo)識(shí)進(jìn)行全流程屬性追蹤；從設(shè)計(jì)階段建立數(shù)字孿生平臺(tái)，定義智慧礦山數(shù)據(jù)組織方式，到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工、運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)貫通。平臺(tái)的功能包括數(shù)字探礦、MIM設(shè)計(jì)、智慧工地、智能采礦和智能選礦五個(gè)模塊。實(shí)現(xiàn)地表設(shè)施、礦體、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)工藝流程的動(dòng)態(tài)直觀展示。

（二）江華稀土智慧環(huán)境管理平臺(tái)

中國(guó)恩菲推出的江華稀土智慧環(huán)境管理平臺(tái)以“全面感知、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、平臺(tái)支撐、智慧應(yīng)用”為設(shè)計(jì)理念，采用無人機(jī)航測(cè)、三維實(shí)景建模、GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)方法，通過整合集成礦區(qū)自然地理環(huán)境、主要生產(chǎn)和環(huán)保設(shè)施、主要環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染防控措施等信息，構(gòu)建環(huán)保“一張圖”。該平臺(tái)現(xiàn)已在五礦稀土江華有限公司投入使用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境預(yù)警和環(huán)境事件處置功能，從數(shù)據(jù)中感知環(huán)境、監(jiān)控污染、預(yù)警和管控風(fēng)險(xiǎn)，以更加精細(xì)、高效和動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境管理的數(shù)字化、智慧化，有效提高礦山生態(tài)環(huán)境科學(xué)監(jiān)管能力。

小結(jié)

數(shù)字孿生技術(shù)將是未來智能系統(tǒng)的重要組成部分，是推動(dòng)決策與控制一體化的重要數(shù)字媒介，也是中國(guó)恩菲未來重點(diǎn)的研發(fā)方向。未來，數(shù)字孿生的發(fā)展將從一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一條生產(chǎn)線等的孿生演進(jìn)到更為復(fù)雜的以整個(gè)企業(yè)組織為對(duì)象的孿生，從而為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供智能決策輔助，最終從企業(yè)內(nèi)部的協(xié)同走向產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同和優(yōu)化。對(duì)數(shù)字孿生的深入研究和應(yīng)用將有助于企業(yè)更好地參與到國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)經(jīng)濟(jì)循環(huán)當(dāng)中去。

參考文獻(xiàn)：

[1]李琪.數(shù)字化礦山礦業(yè)發(fā)展的未來趨勢(shì)-訪著名礦山工程設(shè)計(jì)專家中國(guó)工程院院士于潤(rùn)滄[J].科技創(chuàng)新與品牌,2008,(011):14-17.

[2]陶飛, 張賀，戚慶林，等. 數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2021, 27(01): 1-15.

[3] 陶飛, 張萌, 程江峰, 等. 數(shù)字孿生車間——一種未來車間運(yùn)行新模式[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2017, 23(1): 1-9

[4]陶飛, 劉蔚然, 張萌, 等. 數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2019, 25(1): 1-18

[5] 陶飛, 張賀, 戚慶林, 等. 數(shù)字孿生十問: 分析與思考[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 26(1): 1-17.

[6] 我為“十四五”建言丨中國(guó)工程院院士趙沁平:發(fā)展數(shù)字孿生互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 支撐虛擬現(xiàn)實(shí) 深度應(yīng)用.

Available from:

https://mp.weixin.qq.com/s/h785pKqCMqqw_NyINCqijg

[7] 李 培 根 . 淺 說 數(shù) 字 孿 生 .

Available from:

http://www.360doc.com/content/20/0811/15/15624612_929661656.shtml

[8]Tao, Fei, Qi Qinglin. Make more digital twins. Nature, 2019, 573: 490-491.

[9]Grieves M, Vickers J. Digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems[M]. Transdisciplinary perspectives on complex systems. SpringeR, Cham, 2017: 85-113.

[10]Grieves M. Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication[J]. White papeR, 2014, 1: 1-7.

[11]Qi Q, Tao F, Zuo Y, et al. Digital twin service towards smart manufacturing[J]. Procedia Cirp, 2018, 72: 237-242.

[12]Gartner. Top 10 Strategic Technology Trends for 2019 [EB/OL].https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2 019/

[13]Qi Q, Tao F, Hu T, et al. Enabling technologies and tools for digital twin[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2021, 58: 3-21