當(dāng)前，世界正處于百年未有之大變局，各行各業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求十分迫切。作為能使行業(yè)釋放巨大發(fā)展動能的關(guān)鍵因素，數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的共識。對于采礦業(yè)來說，為了走好科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路，也必須推動數(shù)字化與信息化進程。在此背景下，數(shù)字化礦山的理念應(yīng)運而生。

數(shù)字化礦山的含義及發(fā)展方向

數(shù)字化礦山這一概念由來已久，它的含義究竟是什么？包括哪些內(nèi)容？礦山企業(yè)應(yīng)該如何朝著數(shù)字化方向發(fā)展，以實現(xiàn)我國礦業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化管理水平與國際先進管理水平的接軌？

早在十幾年前，中國工程院院士、中國恩菲工程技術(shù)有限公司（以下簡稱“中國恩菲”）高級顧問專家于潤滄就提出，數(shù)字化礦山的概念可以表述為由初級到高級的3個層次：礦山數(shù)字化信息管理系統(tǒng)、反映真實礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的虛擬礦山、無人礦井的遠程操控操作和自動化采礦（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、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)營管理及經(jīng)濟活動分析信息系統(tǒng)。

數(shù)字化虛擬礦山在上述信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加實時動態(tài)響應(yīng)和更廣泛的集成，運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術(shù)對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象進行數(shù)字化再現(xiàn)，為礦山實現(xiàn)科學(xué)管理目標提供了非常便捷的手段。

遠程遙控和自動化采礦在上述數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進一步增加設(shè)備自動化和智能化、地下通信及實時自動定位和導(dǎo)航技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山生產(chǎn)過程的遠程遙控操作和自動化采礦，使礦山生產(chǎn)實現(xiàn)數(shù)字化和辦公室化。

于潤滄院士認為，數(shù)字化礦山能極大地提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本；能適應(yīng)日益增多的深井開采，使礦工遠離高地溫、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，實現(xiàn)采礦辦公室化。數(shù)字化礦山的終極目標是實現(xiàn)礦山安全、高效、經(jīng)濟地開采。而礦業(yè)發(fā)展的終極目標應(yīng)當(dāng)是既能滿足人類對礦產(chǎn)資源的需求，也能適應(yīng)生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)的承載能力，實現(xiàn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標。因此，數(shù)字化礦山具有極其重要的意義、強烈的吸引力和廣闊的創(chuàng)新空間。

在此背景下，中國恩菲積極推動數(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、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)劃管理更高效、表現(xiàn)手法更豐富、信息量更大、分析能力和準確性更好，從而提高礦山生產(chǎn)和管理的時效性、有效性、資源優(yōu)化配置水平及綜合實力，促進礦山的可持續(xù)發(fā)展，達到提高整體效益、市場競爭力和適應(yīng)能力的目的。

數(shù)字孿生的起源與數(shù)字孿生礦山

為有效推進數(shù)字化礦山建設(shè)，中國恩菲依托中國礦業(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，通過實時連接、映射、分析和交互來刻畫、仿真、預(yù)測、優(yōu)化和控制物理世界，使物理系統(tǒng)的全要素、全過程、全價值鏈達到最大限度的優(yōu)化。同時，數(shù)字孿生與各產(chǎn)業(yè)的深化融合能夠有力推動各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)變革的強大助力。中國恩菲通過數(shù)字孿生技術(shù)，不斷加快推進礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并探索建立了礦山智能管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對礦山設(shè)備進行實時監(jiān)控，便于技術(shù)人員和專家為礦山提供更好的遠程服務(wù)，還能對采集的數(shù)據(jù)進行智能分析，優(yōu)化礦山運營，保證礦山生產(chǎn)高效、安全地進行。

我國是工業(yè)大國，數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用具有非常廣闊的空間，也得到了相關(guān)政策的大力支持。今年以來，國家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部、國資委等部門相繼出臺相關(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)濟發(fā)展和國企數(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“實物模型”到數(shù)字化展示的“數(shù)字化模型”再到物理對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)字孿生可以追溯至美國密歇根大學(xué)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)品等價的虛擬數(shù)字表達（a virtual，digital equivalent to a physical product）”的概念。雖然這個概念在當(dāng)時并沒有被稱為數(shù)字孿生，但卻具備了其基本組成要素，因此可以被認為是數(shù)字孿生的雛形。2010 年，數(shù)字孿生才由美國國家航空航天局（NASA）首次書面提出并進一步發(fā)展。NASA 在《Modeling，simulation，information technology & processing roadmap》中詳細說明了航天器數(shù)字孿生的定義和功能。2011年，美國空軍研究實驗室（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)斗機機體（Airframe）的維護問題。2012年，NASA和AFRL合作提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體范例，以滿足未來飛行器高負載、輕質(zhì)量以及能在極端環(huán)境下服役更長時間的需求。

自2017年以來，數(shù)字孿生得到了越來越多的關(guān)注和研究，并在很多生產(chǎn)生活場景中實現(xiàn)了應(yīng)用。在制造領(lǐng)域，通用電氣公司利用數(shù)字孿生技術(shù)，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控、故障檢測和預(yù)測性維護，防患于未然；法國達索系統(tǒng)公司基于數(shù)字孿生開展對汽車研發(fā)的模擬仿真，為寶馬、特斯拉、豐田等優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，顯著縮短了研發(fā)周期，大大降低了傳統(tǒng)物理測試方式的成本。然而，數(shù)字孿生的概念和內(nèi)涵卻不統(tǒng)一。隨著數(shù)字孿生研究和實踐的不斷推進，人們對其賦予了各種定義。

數(shù)字孿生發(fā)端于航空航天等先進制造業(yè)領(lǐng)域，已產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。礦業(yè)與先進制造業(yè)有諸多相通之處，因此許多先進制造業(yè)通用的數(shù)字化技術(shù)和實踐經(jīng)驗可以直接移植到礦業(yè)中來。同時，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)濟效益的遞減性及由礦山作業(yè)場所的移動性而帶來的開采條件的復(fù)雜性等，因此，在開展數(shù)字孿生在礦業(yè)中的應(yīng)用時，又必須顧及礦山行業(yè)的自身特點、作業(yè)環(huán)境和價值鏈特點。

簡單地說，數(shù)字孿生礦山是對實體礦山設(shè)備設(shè)施的實時三維映射以及對地質(zhì)資源和巖土工程環(huán)境的即時數(shù)據(jù)三維表示，也是一個開放的、互聯(lián)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境，其中包含了實體對象的屬性信息及其相關(guān)的智能分析功能以及地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的及時采集、分析和使用。礦山實體對象與其數(shù)字化三維表達之間能夠進行實時或即時的數(shù)據(jù)更新，實現(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，中國恩菲與招金礦業(yè)股份有限公司聯(lián)合建立了由于潤滄院士牽頭的“招金礦業(yè)院士工作站”，旨在針對行業(yè)重點、難點問題開展技術(shù)研發(fā)工作，更好地推動自動化和智能化礦山建設(shè)。

該院士工作站積極推進瑞海金礦的數(shù)字化和智能化建設(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)對礦山建設(shè)的全生命周期進行平臺化管理，從三維設(shè)計階段開始，形成規(guī)范的設(shè)備、圖紙庫，通過唯一標識進行全流程屬性追蹤；從設(shè)計階段建立數(shù)字孿生平臺，定義智慧礦山數(shù)據(jù)組織方式；并實現(xiàn)設(shè)計施工、運維階段的數(shù)據(jù)貫通。平臺的功能包括數(shù)字探礦、MIM設(shè)計、智慧工地、智能采礦和智能選礦五個模塊，實現(xiàn)了地表設(shè)施、礦體、開拓運輸系統(tǒng)的數(shù)字化與工藝流程的動態(tài)直觀展示。

（二）江華稀土智慧環(huán)境管理平臺

“江華稀土智慧環(huán)境管理平臺”由中國恩菲推出，以“全面感知、標準引領(lǐng)、平臺支撐、智慧應(yīng)用”為設(shè)計理念，采用無人機航測、三維實景建模、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”。該平臺現(xiàn)已在五礦稀土江華有限公司投入使用，實現(xiàn)了環(huán)境預(yù)警和環(huán)境事件處置功能，能夠從數(shù)據(jù)中感知環(huán)境、監(jiān)控污染、預(yù)警和管控風(fēng)險，以更加精細、高效和動態(tài)的方式實現(xiàn)了環(huán)境管理的數(shù)字化、智慧化，有效提高了礦山生態(tài)環(huán)境科學(xué)監(jiān)管能力。

數(shù)字孿生技術(shù)將是未來智能系統(tǒng)的重要組成部分，是推動決策與控制一體化的重要數(shù)字媒介，也是中國恩菲的重點研發(fā)方向。未來，數(shù)字孿生將從以一個產(chǎn)品、一臺設(shè)備、一條生產(chǎn)線等為對象的孿生發(fā)展到更為復(fù)雜的以整個企業(yè)組織為對象的孿生，從而為工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營提供智能決策輔助，最終實現(xiàn)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)化的目標。同時，對數(shù)字孿生的深入研究和應(yīng)用還將有助于企業(yè)更好地參與國內(nèi)國際雙循環(huán)。