孟 丹，劉建業(yè)，楊 博，張孝平，施海亭，鄭建隆，邱 佳

(1.天河道云(北京)科技有限公司，北京 100176；2.加拿大北方先進(jìn)礦業(yè)技術(shù)中心，加拿大 多倫多M4Y 0E9)

一場數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮正在席卷全球，改變著時代面貌，助推各行各業(yè)轉(zhuǎn)型升級，也為企業(yè)帶來了前所未有的新機(jī)遇。最近，我國國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》[1]，其中把企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提高到企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎、構(gòu)筑國際競爭新優(yōu)勢的有效路徑以及構(gòu)建創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展格局的有力抓手等戰(zhàn)略認(rèn)識高度；尤其是明確指出：要充分發(fā)掘數(shù)字孿生通用技術(shù)能力，要求加速突破數(shù)字孿生等國際先進(jìn)技術(shù)，打造安全、可控的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)體系。

目前數(shù)字孿生(Digital Twin)已成為各界關(guān)注重點(diǎn)，成為眾多具體行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的標(biāo)配技術(shù)。全球權(quán)威信息技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)Gartner將數(shù)字孿生技術(shù)列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。預(yù)計(jì)到2021年年底全球?qū)谐^50%的大型工業(yè)企業(yè)使用數(shù)字孿生技術(shù)，預(yù)期生產(chǎn)效率將會提高10%[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于很多行業(yè)，例如工業(yè)制造、石油天然氣、智慧城市、國防和礦業(yè)等，并且會在越來越多的行業(yè)領(lǐng)域發(fā)力。及早評估和采用數(shù)字孿生的企業(yè)，將獲得巨大的競爭優(yōu)勢；而不重視數(shù)字孿生應(yīng)用的企業(yè)，將會錯失很多發(fā)展機(jī)遇[3-8]。

廣義的數(shù)字孿生，是指現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字化表示[4]。這是一個關(guān)于數(shù)字孿生的一般定義。不同應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字孿生又有各自的進(jìn)一步具象化延伸；恰似動物界例如獅子、老虎和家貓等都有貓科動物的一般共性，但同時又各自有自己的特點(diǎn)和習(xí)性。

當(dāng)數(shù)字孿生應(yīng)用到工業(yè)制造、智慧城市、數(shù)字礦山等不同領(lǐng)域時，人們首先注意到的是那些通用技術(shù)應(yīng)用的有效性，例如設(shè)備設(shè)施數(shù)字化管理就是數(shù)字孿生在一般工業(yè)領(lǐng)域的普遍技術(shù)應(yīng)用。利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，數(shù)字孿生提供了與工業(yè)設(shè)備設(shè)施實(shí)體對象之間的交互式智能平臺，通過數(shù)字化手段對實(shí)體對象進(jìn)行動態(tài)仿真、監(jiān)測、分析和控制，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程自動化、方案規(guī)劃和系統(tǒng)優(yōu)化[9]。數(shù)字孿生在歷史數(shù)據(jù)管理和快速智能化分析方面具有顯著優(yōu)勢，可以更容易地跨越時空對全業(yè)務(wù)流程和全生命周期各階段進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營長期效益最大化，幫助用戶在與同行競爭中取得戰(zhàn)略性優(yōu)勢。

目前，礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型正處于“百花齊放、百家爭鳴”繁榮發(fā)展階段，還沒有比較成熟的、具有普遍推廣意義的礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型標(biāo)準(zhǔn)和建成案例，各礦業(yè)機(jī)構(gòu)均在進(jìn)行積極的探索和試驗(yàn)[10-11]。按照“解決發(fā)展瓶頸、實(shí)施長遠(yuǎn)布局”的建設(shè)原則，我們在學(xué)習(xí)和吸收國內(nèi)外先進(jìn)行業(yè)和先進(jìn)礦山企業(yè)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生通用能力，充分結(jié)合礦山實(shí)際情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新信息技術(shù)[12](統(tǒng)稱“大智物移云”新技術(shù))以及三維激光掃描和傾斜攝影等實(shí)景復(fù)制[13-14]、三維模型輕量化、虛擬現(xiàn)實(shí)[15]等礦山建模技術(shù)，開展數(shù)字孿生礦山理論和技術(shù)研究以及應(yīng)用。

2020年初開始的這場席卷全球的新冠病毒給各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來極大的危害，對礦業(yè)的影響后果正在不斷地顯現(xiàn)。從積極方面看，新冠病毒的泛濫對采礦作業(yè)數(shù)字化和遙控自動化提出了更為迫切的要求[16]。而這些方面正是數(shù)字孿生技術(shù)的用武之地。

本文介紹了數(shù)字孿生的基本概念及其礦山應(yīng)用特點(diǎn)，并結(jié)合已經(jīng)完成的幾個項(xiàng)目實(shí)例說明數(shù)字孿生在礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的作用。

1 數(shù)字孿生的礦山應(yīng)用

1.1 數(shù)字孿生概念的提出

各種新興信息技術(shù)共同作用，在持續(xù)催生新興產(chǎn)業(yè)的同時，不斷激發(fā)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展活力，助推各行各業(yè)轉(zhuǎn)型升級。實(shí)體世界(Physical World，有人稱之為“物理世界”)和與之對應(yīng)的數(shù)字世界(Digital World，或稱Virtual World即虛擬世界)正在形成兩大體系平行發(fā)展，并且相互作用；數(shù)字世界是為了服務(wù)實(shí)體世界而被人們所創(chuàng)建出來，實(shí)體世界通過與數(shù)字世界相互作用而被優(yōu)化從而變得高效有序。在這種背景下，數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字孿生(Digital Twin)的概念最早于2003年由美國密歇根大學(xué)Grieves教授提出[3]。后來，數(shù)字孿生概念被美國國家航空航天局(NASA)阿波羅航天項(xiàng)目借鑒并拓展[5]。NASA在此項(xiàng)目中制造了兩個完全一樣的空間飛行器：地面上的飛行器被稱為孿生體(Twin)，它可以用來仿真太空中的空間飛行器的工作狀態(tài)。此外，在飛行器做飛行準(zhǔn)備期間，孿生的飛行器被用于仿真訓(xùn)練；在執(zhí)行太空飛行任務(wù)期間，孿生飛行器則在太空模擬環(huán)境中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，精確地反映和預(yù)測太空中空間飛行器的工作狀態(tài)，從而協(xié)助太空中的航天員遇到緊急情況時做出正確決策。

孿生體必須實(shí)時反映實(shí)體的真實(shí)運(yùn)行情況，其特點(diǎn)是：

1)孿生體與其所要反映的實(shí)體在外形(幾何形狀和尺寸)、內(nèi)容(指產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及其宏觀和微觀物理性質(zhì))以及屬性(指產(chǎn)品功能和性能)等方面基本一樣；

2)通過虛擬仿真等方式來映射或反映實(shí)體的運(yùn)行環(huán)境和狀態(tài)。

特別指出，在上述NASA阿波羅航天項(xiàng)目中使用的孿生體，還是半實(shí)物的形式，并不是完全數(shù)字化形式。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，才使得完全數(shù)字化的虛擬孿生體成為可能。

數(shù)字孿生具有三個要素：

1)數(shù)字模型：采用虛擬仿真的數(shù)字化表達(dá)方式，建立一個與實(shí)體在外形、內(nèi)容和屬性基本一樣的數(shù)字模型；

2)空間關(guān)聯(lián)：通過物聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)字空間和實(shí)體空間之間的關(guān)聯(lián)，二者之間可以進(jìn)行全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)交互；

3)實(shí)時監(jiān)測：一方面實(shí)體空間的動態(tài)更新數(shù)據(jù)要實(shí)時地在數(shù)字孿生體系反映出來；另一方面，數(shù)字孿生基于實(shí)測感知大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策，進(jìn)而反饋到實(shí)體空間，實(shí)現(xiàn)對實(shí)體對象的控制。

2011年之后，數(shù)字孿生迎來了新的發(fā)展契機(jī)。當(dāng)前，隨著“大智物移云”新技術(shù)應(yīng)用普及，高性能計(jì)算、分布式邊緣計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能優(yōu)化算法的推廣應(yīng)用，企業(yè)動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集、快速分析與交互，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字空間和實(shí)體空間的實(shí)時關(guān)聯(lián)與互動，從而促進(jìn)了數(shù)字孿生概念在企業(yè)的普及和應(yīng)用。

1.2 數(shù)字孿生礦山的技術(shù)特性

礦業(yè)與加工制造業(yè)相比，二者的新技術(shù)應(yīng)用有諸多相通之處，許多數(shù)字化技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以直接移植到礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)；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)場所的移動性帶來開采條件的復(fù)雜性等，因此礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)又必須顧及礦山行業(yè)自身特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律。

數(shù)字孿生通用能力應(yīng)用于礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，具備以下技術(shù)特性：

1)雙向映射

數(shù)字孿生礦山與實(shí)體礦山是雙向忠實(shí)映射的，數(shù)字孿生礦山是對實(shí)體礦山高度真實(shí)的數(shù)字化建模和仿真。利用“大智物移云”、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，通過勘探資料、設(shè)計(jì)圖紙以及現(xiàn)場三維激光掃描數(shù)據(jù)，對礦山地質(zhì)、礦產(chǎn)資源、巷道工程、采場及工作面、設(shè)備設(shè)施、人員進(jìn)行全面三維建模，在礦山現(xiàn)場各個層面布設(shè)傳感器，對礦山運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充分感知、動態(tài)監(jiān)測，在數(shù)字虛擬空間記錄實(shí)體礦山的演化過程。同時，實(shí)體礦山忠實(shí)地執(zhí)行數(shù)字孿生礦山定義的生產(chǎn)過程，嚴(yán)格按照數(shù)字孿生礦山定義的生產(chǎn)過程以及仿真和優(yōu)化結(jié)果安排生產(chǎn)，使生產(chǎn)過程不斷得到優(yōu)化。數(shù)字孿生礦山與實(shí)體礦山并行存在，形影相隨，共同進(jìn)化。

2)實(shí)時交互

數(shù)字孿生礦山與實(shí)體礦山是實(shí)時交互的。生產(chǎn)現(xiàn)場的所有數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳送給數(shù)字孿生礦山。數(shù)字孿生礦山對生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化分析做出決策，對礦山生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行指揮調(diào)度，由此實(shí)現(xiàn)實(shí)體礦山與數(shù)字孿生礦山之間的實(shí)時交互。

礦山設(shè)備設(shè)施一經(jīng)運(yùn)行、各類工程一經(jīng)變動即有數(shù)據(jù)記錄，人員進(jìn)礦即有信息反饋。在礦山現(xiàn)場可通過移動互聯(lián)網(wǎng)客戶端觀察各類數(shù)據(jù)的歷史記錄，在礦山虛擬空間可搜索各類信息；礦山設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)、生產(chǎn)以及人員活動，不僅存在于實(shí)體空間，而且在虛擬空間得到記錄和分析擴(kuò)充，真正做到信息可見、軌跡可循、狀態(tài)可查、虛擬協(xié)同、實(shí)時交互，共同定義礦山未來發(fā)展新模式。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動

數(shù)字孿生礦山以實(shí)體礦山的模型數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)自身的運(yùn)行以及虛實(shí)之間的交互，不斷地完善和優(yōu)化生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃。

首先，數(shù)字孿生礦山接收礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并生成初始的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃，并在數(shù)字孿生礦山環(huán)境中進(jìn)行仿真、分析和優(yōu)化，生成最優(yōu)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃，通過指揮控制中心將計(jì)劃以生產(chǎn)過程運(yùn)行指令的形式下達(dá)至生產(chǎn)現(xiàn)場。

在生產(chǎn)過程中，在現(xiàn)場實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，數(shù)字孿生礦山通過實(shí)時的仿真分析及關(guān)聯(lián)、預(yù)測及調(diào)控等，采用以技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃不斷完善和優(yōu)化，使礦山生產(chǎn)能夠高效進(jìn)行。

1.3 數(shù)字孿生礦山的建模方法

目前關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用價值有很多論述，但是對于數(shù)字孿生與地質(zhì)資源和巖土工程環(huán)境之間的關(guān)系及相互作用卻很少提及。我們嘗試使用三維激光掃描儀、無人機(jī)載激光雷達(dá)、攝影測量等三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段，創(chuàng)建數(shù)字孿生礦山的三維模型，其中包括設(shè)備設(shè)施和開采地質(zhì)環(huán)境、隨著開采推進(jìn)而變化的采礦工作面巖土工程環(huán)境和礦山地形地貌等[13]。

利用三維模型編輯軟件，對礦山設(shè)備設(shè)施模型進(jìn)行處理并確定其地理定位(移動設(shè)備則單獨(dú)處理)；細(xì)化出設(shè)備設(shè)施組成部件至最小管理單位零部件，并附加所有與之相關(guān)的屬性信息，例如零件ID、制造廠家、型號、出廠及安裝日期、服務(wù)信息、維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)、用戶手冊等。由此形成數(shù)字孿生礦山設(shè)備設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)。

設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)諸如轉(zhuǎn)速、溫度、流量、耗油、耗電等通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)字孿生協(xié)同管理平臺，用戶就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備設(shè)施實(shí)時運(yùn)行狀況，分布在不同區(qū)域的各專業(yè)技術(shù)人員和外部咨詢顧問對生產(chǎn)中出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行診斷；通過數(shù)字孿生與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在線自動化智能化分析；最終達(dá)到改善生產(chǎn)運(yùn)營決策、提高生產(chǎn)績效的目的。

1.4 數(shù)字孿生礦山設(shè)備設(shè)施智能管理

數(shù)字孿生發(fā)端于工業(yè)制造領(lǐng)域，已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的方案可以快速方便地應(yīng)用于礦山生產(chǎn)管理。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備設(shè)施智能管控，其輸入量與業(yè)務(wù)過程均可以用科學(xué)和工程規(guī)律和設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確定義和測量，輸出量可以準(zhǔn)確預(yù)測，在其他工業(yè)領(lǐng)域有比較成熟的技術(shù)案例可以借用。本著“先局部后全面、先設(shè)備設(shè)施后地質(zhì)資源、先拿來后創(chuàng)造”的原則，我們首先把在工業(yè)制造領(lǐng)域已經(jīng)有成熟利用的數(shù)字孿生技術(shù)[17-18]，應(yīng)用于礦山設(shè)備設(shè)施的智能管理，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)運(yùn)營成本。

簡單地說，數(shù)字孿生礦山是對實(shí)體礦山設(shè)備設(shè)施以及地質(zhì)資源和巖土工程環(huán)境的數(shù)字化三維表示，同時也是一個開放的、互聯(lián)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境，包含了實(shí)體對象的屬性信息，例如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、潤滑油、耗電量等設(shè)備參數(shù)，以及相關(guān)的智能分析功能。礦山實(shí)體對象與其數(shù)字化三維表達(dá)之間同步進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線的礦山生產(chǎn)信息和反饋控制信息的雙向流通。通過數(shù)字孿生交互式智能管理，用戶能夠在遠(yuǎn)離礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的控制中心或辦公室在線測量獲取礦山三維地理信息，分析設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)，對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行評估，制定設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)流程和進(jìn)度計(jì)劃。

利用數(shù)字孿生建立礦山設(shè)備設(shè)施的數(shù)字化模型，并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行智能化生產(chǎn)決策，可以在以下方面創(chuàng)造顯著的價值：

1)數(shù)據(jù)集中管理

在數(shù)據(jù)維度，數(shù)字孿生便于對設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、檢查、處理、分發(fā)和共享；通過將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合到一個集中的虛擬現(xiàn)實(shí)模型中，有助于避免數(shù)據(jù)錯誤和重復(fù)，保證數(shù)據(jù)的單一來源性，增加數(shù)據(jù)的時效性，幫助發(fā)現(xiàn)缺乏數(shù)據(jù)監(jiān)控的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，將注意力引導(dǎo)到出現(xiàn)問題的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。幫助實(shí)時優(yōu)化礦山設(shè)備設(shè)施、系統(tǒng)和流程的運(yùn)營維護(hù)，從而大幅提高生產(chǎn)效率。

2)跨區(qū)域跨專業(yè)協(xié)同作業(yè)

在空間維度，數(shù)字孿生為不同地理位置的各個專業(yè)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作提供了自動化智能化溝通平臺，促進(jìn)各方的有效合作?；谌S現(xiàn)實(shí)場景數(shù)據(jù)、規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)備設(shè)施實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，就像是有了礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時渲染版本，可以便于對礦山生產(chǎn)進(jìn)行智能化協(xié)同管理，快速進(jìn)行各種方案分析比較，并進(jìn)行及時的生產(chǎn)決策和即時管控。

3)人工智能和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺

數(shù)字孿生為礦山應(yīng)用人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)提供了完善的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和場景仿真平臺，可以對不同的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和場景進(jìn)行不同方案的仿真推演，在不影響實(shí)際生產(chǎn)和人員安全的條件下，找到更好的解決方案。礦山運(yùn)營歷史大數(shù)據(jù)分析需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，而云計(jì)算平臺則是經(jīng)濟(jì)合理的解決方案。先從相對簡單的仿真分析模型開始，模型中使用的數(shù)據(jù)越多，就越接近現(xiàn)實(shí)，因此將越具有可靠的預(yù)測性。然后逐漸將成熟經(jīng)驗(yàn)推向全價值鏈應(yīng)用。

4)設(shè)備設(shè)施預(yù)防性維修

通過數(shù)字孿生交互式智能化協(xié)同管理平臺，可以查詢設(shè)備設(shè)施的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，并且以全景沉浸方式進(jìn)行各專業(yè)角色的協(xié)同作業(yè)，幫助建立完善的設(shè)備設(shè)施運(yùn)營計(jì)劃，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和管理。各專業(yè)角色所使用的數(shù)據(jù)都是來自于實(shí)體系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的實(shí)時數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理。尤其是能夠及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，并進(jìn)行預(yù)防性維修，可以大大降低設(shè)備故障成本和停機(jī)時間，從而提高設(shè)備使用效率。

5)全生命周期管理

在時間維度，數(shù)字孿生利用可視化手段對礦山生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行全生命期管理，有效地跟蹤設(shè)備設(shè)施運(yùn)營狀況變化，提供智能化分析工具，以優(yōu)化設(shè)備設(shè)施的使用和維護(hù)，使其始終處于最佳運(yùn)營狀態(tài)。利用傳統(tǒng)的技術(shù)手段很難在資產(chǎn)的全生命周期中進(jìn)行信息管理。數(shù)字孿生是實(shí)體設(shè)備設(shè)施、業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)的虛擬副本，通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以處理和存儲所有的核心要素和動態(tài)信息，以真實(shí)與虛擬之間互動的方式反映資產(chǎn)全生命周期的變化和信息更新，因而可以容易地在資產(chǎn)全生命周期管理中發(fā)揮獨(dú)特的作用。

2 數(shù)字孿生礦山建設(shè)實(shí)例

作者自2016年開始數(shù)字孿生礦山的理論研究和技術(shù)研發(fā)工作，期間完成了諸多實(shí)際的數(shù)字孿生礦山建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目以數(shù)字孿生為礦業(yè)數(shù)字化業(yè)務(wù)協(xié)同管理的底層支撐，各專業(yè)、各部門在同一平臺上進(jìn)行工作，數(shù)據(jù)實(shí)時共享、跨階段調(diào)用，大大降低了溝通損耗，提高礦山運(yùn)營管理的質(zhì)量和效率；同時，數(shù)字孿生礦山將地質(zhì)模型、工程設(shè)計(jì)、礦山運(yùn)營、邊坡監(jiān)測等統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的同步統(tǒng)一存儲、三維模型輕量化處理和云端調(diào)用。

本文將重點(diǎn)介紹數(shù)字孿生礦山在有效利用礦產(chǎn)資源、生產(chǎn)質(zhì)量動態(tài)控制、安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控和環(huán)境保護(hù)等方面的應(yīng)用。

2.1 數(shù)字孿生礦山建設(shè)目的

1)有效利用礦產(chǎn)資源

為實(shí)現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展，需要對礦山資源進(jìn)行精細(xì)化管理。通過建立數(shù)字孿生礦山三維地質(zhì)模型，摸清家底，提高礦山資源綜合利用率，加強(qiáng)對不同品位礦石的合理搭配，進(jìn)行有效的綜合利用資源規(guī)劃，通過規(guī)范開采，科學(xué)搭配，多方式利用，最大程度地利用礦產(chǎn)資源。

2)生產(chǎn)質(zhì)量動態(tài)控制

礦石品位質(zhì)量監(jiān)控是礦山生產(chǎn)的重點(diǎn)。目前生產(chǎn)作業(yè)車輛以人為調(diào)度為主，質(zhì)量波動較大，效率低下。對生產(chǎn)質(zhì)量的動態(tài)控制需要采用智能化手段，通過數(shù)字孿生礦山三維可視化智能管控平臺進(jìn)行礦石運(yùn)輸調(diào)度和配礦，結(jié)合在線分析儀(或?qū)崟r取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù))和計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，科學(xué)調(diào)整車輛運(yùn)輸比例，將高低品位礦石合理配礦進(jìn)入生產(chǎn)線。

3)加強(qiáng)安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控和環(huán)境保護(hù)

安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控和環(huán)境保護(hù)是礦山生產(chǎn)的頭等大事。礦山采場生產(chǎn)過程需要視頻實(shí)時監(jiān)控，礦山邊坡需要安全監(jiān)測與預(yù)警，礦山采場按照國家安全規(guī)程的要求要定期進(jìn)行安全檢查及隱患排查，采場揚(yáng)塵、風(fēng)速、雨量等環(huán)境指標(biāo)需要實(shí)時監(jiān)測，保證開采過程綠色可持續(xù)。通過數(shù)字孿生搭建的可視化礦山監(jiān)測監(jiān)控和環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)，為礦山安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

4)礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合分析

數(shù)字孿生幫助礦山安全生產(chǎn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中管控和顯示，同時整合生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、隱患排查治理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、計(jì)量管理數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的可視化、精細(xì)化、合理化，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時化、遠(yuǎn)程化，數(shù)據(jù)的高度集成化和智能化。

2.2 數(shù)字孿生礦山建設(shè)內(nèi)容

2.2.1 數(shù)字孿生礦山三維可視化系統(tǒng)

數(shù)字孿生礦山建設(shè)以礦山安全、環(huán)保、生產(chǎn)管理為目標(biāo)，以礦山生產(chǎn)和安環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用三維地質(zhì)建模、三維GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)、地表傾斜攝影、三維激光掃描、360°實(shí)景復(fù)制等技術(shù)手段，將礦山地表、地下工程和礦體、采礦設(shè)備和設(shè)施、生產(chǎn)作業(yè)和環(huán)境、安全與環(huán)境監(jiān)測等礦山要素進(jìn)行數(shù)字孿生礦山三維數(shù)字化建模以及實(shí)時三維可視化，解決礦山信息化建設(shè)過程中基礎(chǔ)信息不足、信息孤島和可視化等方面的問題，加強(qiáng)信息融合(見圖1)。

圖1 數(shù)字孿生礦山三維模型及實(shí)時可視化Fig.1 3D models and real-time visualization of digital twin mine

數(shù)字孿生礦山三維可視化實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的生產(chǎn)仿真與模擬、生產(chǎn)階段的監(jiān)測與管控、技改階段的生產(chǎn)回放與過程分析、災(zāi)變發(fā)生時的可視化應(yīng)急指揮等礦山關(guān)鍵業(yè)務(wù)過程支持，為礦山生產(chǎn)與決策提供重要的過程數(shù)據(jù)，同時需進(jìn)行信息集成管理，對各子系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、透明化管理、實(shí)時分析、集中監(jiān)控、集中發(fā)布、智能管控，實(shí)現(xiàn)對礦山開發(fā)與運(yùn)行的科學(xué)預(yù)測、規(guī)劃、控制和決策指揮(見圖2和圖3)。提高礦山企業(yè)的運(yùn)作效率、安全生產(chǎn)水平，增強(qiáng)礦山企業(yè)的競爭力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖3 數(shù)字孿生礦山選礦廠數(shù)據(jù)分析優(yōu)化Fig.3 Data analytics and visualization of milling process in digital twin mine

2.2.2 數(shù)字礦山系統(tǒng)

地質(zhì)模型(包括地質(zhì)資源、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)信息)為礦山設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供必要的自然環(huán)境信息。地質(zhì)建模信息來自于直接和間接勘察，并借助于非直接觀測數(shù)據(jù)的“融合”解譯。巖石力學(xué)模型包括巖性、結(jié)構(gòu)、巖體特征和水文地質(zhì)等信息，可以與地質(zhì)資源模型相結(jié)合，幫助優(yōu)化礦山設(shè)計(jì)。巖石力學(xué)模型建立于一系列直接勘察數(shù)據(jù)(鉆探和爆破鉆孔、巖芯、物探等來源的數(shù)據(jù))和間接勘察數(shù)據(jù)(鉆孔之間地球物理計(jì)算)，不確定性的隨機(jī)模擬，以及這些勘察數(shù)據(jù)和其他來源數(shù)據(jù)的插值、解譯和預(yù)測。從礦山建設(shè)開始的那一刻，地質(zhì)模型就在不斷測試和驗(yàn)證。

數(shù)字孿生礦山的數(shù)字礦山系統(tǒng)，是使用礦山地質(zhì)軟件創(chuàng)建礦區(qū)礦體模型、品位模型、地質(zhì)構(gòu)造模型以及其他地質(zhì)模型。

露天采礦模塊在相當(dāng)程度上類似于CAD輔助設(shè)計(jì)功能，主要是依據(jù)露天地表模型，結(jié)合礦體賦存模型，進(jìn)行露天采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃與和采礦作業(yè)仿真的數(shù)字化工具集成平臺。

2.2.3 數(shù)字孿生礦山測繪數(shù)據(jù)云服務(wù)系統(tǒng)

礦山測繪對礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全管理、閉坑復(fù)墾等起著決定性作用。測繪數(shù)據(jù)是智能礦山建設(shè)的基礎(chǔ)。但是傳統(tǒng)測繪一直存在誤差大、效率低等困難，根本無法滿足礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)迅速發(fā)展的業(yè)務(wù)需要。無人機(jī)航測技術(shù)尤其是傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了多角度獲取測繪區(qū)域信息的目的，顯著提高了測繪精度和速度，因此很快在礦山測量中得到應(yīng)用[13-14]。

無人機(jī)航測等先進(jìn)測繪技術(shù)應(yīng)用于礦山測量，礦山需要有與之配套的數(shù)據(jù)處理設(shè)施、應(yīng)用軟件和技術(shù)人才，而這些專業(yè)軟件的購置成本、使用難度、后期維護(hù)成本都很高，計(jì)算設(shè)備設(shè)施更新速度很快，而且相關(guān)技術(shù)人才很難被礦山招聘。這些都是先進(jìn)測繪技術(shù)應(yīng)用于礦山測量所遇到的瓶頸。不解決這些問題，對于先進(jìn)測繪技術(shù)應(yīng)用，礦山只能望洋興嘆。

云計(jì)算技術(shù)可以解決這些困難。云計(jì)算就是通過大量云端資源進(jìn)行計(jì)算，即“資源共享”，為用戶提供開放性的高性能、高效率服務(wù)，完全滿足礦山測繪數(shù)據(jù)云服務(wù)的要求[19-20]。

數(shù)字孿生礦山集成了先進(jìn)的礦山測繪數(shù)據(jù)云端存儲、數(shù)據(jù)生產(chǎn)、工程應(yīng)用以及人工智能分析等功能[19]。數(shù)字孿生礦山測繪數(shù)據(jù)云服務(wù)內(nèi)容包括：

1)云端在線處理、查看礦山測繪數(shù)據(jù)和成果

礦山的所有測繪測量數(shù)據(jù)包括航測數(shù)據(jù)(含傾斜攝影數(shù)據(jù))、三維激光掃描數(shù)據(jù)、工程設(shè)計(jì)CAD數(shù)據(jù)等，都能在云端進(jìn)行存儲、處理、管理、查看和分發(fā)。正射影像圖、坡面圖、DSM、三維模型都可以實(shí)現(xiàn)全自動處理。并可以導(dǎo)出點(diǎn)云成果(.las)、DOM成果(.tiff)、地形圖(.dwg)，供各類軟件分析查看(見圖4)。

圖4 數(shù)字孿生礦山云端在線查看礦山現(xiàn)場二維和三維數(shù)據(jù)Fig.4 Cloud on-line view of 2D/3D data of mine

2)爆堆體積以及剝采工程量計(jì)算

可查看每一個爆堆、料堆、臺階推進(jìn)工作量、剝采工作量的體積、占地面積和重量。根據(jù)此信息，可計(jì)算儲量、安排生產(chǎn)調(diào)度和配礦計(jì)劃。

3)運(yùn)輸?shù)缆肪C合分析優(yōu)化

可自動提取礦山運(yùn)輸?shù)缆愤吔纭挾?、坡度、等級，自動鑒別狹窄路面、危險坡度、不平整路面、排水不良路面。通過綜合分析，判斷出是否需要對道路進(jìn)行維護(hù)，對危險地段進(jìn)行警告提示，確保安全，提高生產(chǎn)效率。同時還可以監(jiān)控排水系統(tǒng)。

4)邊坡與擋墻安全分析

查看邊坡坡頂、坡底以及坡度。自動識別道路擋墻的高度、寬度和坡度。根據(jù)幾何信息自動識別危險隱患。

5)數(shù)字孿生礦山與云端協(xié)同作業(yè)

根據(jù)礦山的三維測量數(shù)據(jù)，在云端實(shí)景復(fù)制生成數(shù)字孿生礦山三維實(shí)景，可以進(jìn)行三維漫游，并且將能夠結(jié)合現(xiàn)場的各類傳感器來進(jìn)行綜合檢測。相關(guān)業(yè)務(wù)人員使用PC、智能手機(jī)等，可以隨時隨地登錄云端。進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，分享各種與礦山現(xiàn)場有關(guān)的信息，對現(xiàn)場的各類情況快速做出注釋、批示并能上傳各種資料附件，來快速的做出準(zhǔn)確決策，讓一切業(yè)務(wù)都能夠可追溯，有效地管理礦山安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)(見圖5)。

圖5 數(shù)字孿生礦山和云端在線邊坡安全分析Fig.5 Digital twin mine and cloud collaborative operation

2.2.4 車輛調(diào)度

數(shù)字孿生礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)包括生產(chǎn)配礦、生產(chǎn)計(jì)劃、執(zhí)行調(diào)度、統(tǒng)計(jì)分析等模塊(見圖6)。

圖6 數(shù)字孿生礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)界面Fig.6 Fleet dispatch system in digital twin mine

需要采場配礦的礦山，在數(shù)字孿生礦山場景里以爆堆的位置信息、體積信息、質(zhì)量品位信息為依據(jù)，設(shè)置配礦目標(biāo)，系統(tǒng)自動計(jì)算配礦，生成配礦計(jì)劃(見圖7)。

圖7 數(shù)字孿生礦山生產(chǎn)配礦系統(tǒng)界面Fig.7 Ore blending system in digital twin mine

結(jié)合礦山現(xiàn)有設(shè)備的產(chǎn)能及基礎(chǔ)信息自動或手動完成日生產(chǎn)計(jì)劃，系統(tǒng)自動推送給相關(guān)執(zhí)行人員，通過手機(jī)APP接收生產(chǎn)任務(wù)指令。

任務(wù)執(zhí)行過程中，系統(tǒng)實(shí)時查看車輛的位置、狀態(tài)、速度等信息，當(dāng)生產(chǎn)線礦石質(zhì)量異常時，系統(tǒng)自動接收、計(jì)算、優(yōu)化調(diào)度車輛，保障供礦質(zhì)量的穩(wěn)定。

通過系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)車輛軌跡回放、車輛異常預(yù)警、安全運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析、車載計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析等。

數(shù)字孿生礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)由通信網(wǎng)絡(luò)、車載定位終端、Web端、移動端及管理中心五部分組成。

2.2.5 環(huán)境監(jiān)測

數(shù)字孿生礦山環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)由在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息監(jiān)控管理平臺共四部分組成。數(shù)字孿生礦山集成了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，通過監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、遠(yuǎn)程、自動監(jiān)控顆粒物濃度；數(shù)據(jù)通過采用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以在智能移動平臺、桌面PC機(jī)等多終端訪問；監(jiān)控平臺還具有多種統(tǒng)計(jì)和高濃度報(bào)警功能。滿足礦山作業(yè)環(huán)保統(tǒng)計(jì)的要求，為礦產(chǎn)開發(fā)的污染控制、污染治理、生態(tài)保護(hù)提供環(huán)境信息支持和管理決策依據(jù)。

2.2.6 邊坡監(jiān)測

隨著露天礦山開采工作的進(jìn)行，露天邊坡越來越高，加之爆破工作的影響，邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性將越來越差，會有發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能，將嚴(yán)重影響礦山日常生產(chǎn)，對露天邊坡的監(jiān)測，將實(shí)測數(shù)值傳輸?shù)綌?shù)字孿生礦山，技術(shù)人員可以實(shí)時了解邊坡變形情況，并進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對礦山生產(chǎn)保駕護(hù)航。

數(shù)字孿生礦山監(jiān)測云平臺以物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、北斗+等技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合種類豐富的傳感器，向用戶提供及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對礦山邊坡不同部位裂縫、巖土體移動與坍塌，地下和地面沉降位移，以及氣象等外部環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)測礦山邊坡失穩(wěn)的可能性和礦山邊坡的危險性，為防治礦山邊坡及礦山邊坡變形提供可靠依據(jù)。

三維激光掃描是非接觸式測量，可以重復(fù)快速采集邊坡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見圖8)，上傳到數(shù)字孿生礦山監(jiān)測云平臺，分析邊坡位移量和速度，實(shí)現(xiàn)邊坡的全面監(jiān)測(見圖9)。三維激光掃描儀可以長期定點(diǎn)監(jiān)測，也可以采用車載方式對多個邊坡輪流進(jìn)行監(jiān)測。

圖8 部署在礦山現(xiàn)場的三維激光掃描邊坡監(jiān)測(圖示Maptek XR3掃描儀)Fig.8 Site deployment of slope monitoring with 3D laser scanner (illustrated with Maptek XR3 scanner)

圖9 數(shù)字孿生礦山遠(yuǎn)程三維激光掃描邊坡位移分析(圖示Maptek Sentry多功能邊坡位移監(jiān)測分析預(yù)警成果)Fig.9 Remote slope stability analysis in digital twin mine (illustrated with Maptek Sentry)

3 數(shù)字孿生礦山的未來

數(shù)字孿生是一項(xiàng)重要的未來技術(shù)。數(shù)字孿生礦山的目標(biāo)是整個礦山價值鏈的優(yōu)化，利用礦山的歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)，針對不同的地質(zhì)條件對勘探、回采、破碎、配礦、選礦等流程環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

礦業(yè)資源和市場需求的一個最大特點(diǎn)就是不確定性。礦山企業(yè)經(jīng)營好壞，首先取決于地質(zhì)礦產(chǎn)資源賦存條件和勘探能力。隨著靠近地表、開采條件好、品位高礦體越采越少，礦山開采逐步走向深部，品位較低，開采困難，提升運(yùn)輸復(fù)雜，同時安全環(huán)保的要求也越來越高。礦山企業(yè)承受著提高效率和降低成本的雙重壓力。而運(yùn)營優(yōu)化是數(shù)字孿生的強(qiáng)項(xiàng)。在提高效率、降低成本和處理資源與市場的不確定性方面，數(shù)字孿生將會發(fā)揮前所未有的強(qiáng)大技術(shù)推動作用。

由于礦產(chǎn)資源的信息具有明顯的不確定性，會隨著回采過程以及勘探數(shù)據(jù)的不斷積累，促使地質(zhì)礦產(chǎn)資源模型必須不斷更新；礦山巖土工程也是一個需要解決信息不確定性的學(xué)科。目前，不確定性的數(shù)字孿生優(yōu)化技術(shù)仍在積極探討和實(shí)踐中，將另辟專題專門討論這方面的問題。

雖然數(shù)字孿生得到了制造業(yè)的重視，并在數(shù)字化轉(zhuǎn)型業(yè)務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究和探索，但數(shù)字孿生在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在許多不足，尤其是數(shù)字孿生礦山更是缺乏系統(tǒng)的理論、方法及技術(shù)支撐。我們希望，數(shù)字孿生在礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的受重視程度和前進(jìn)的步子，將會超越數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)源地工業(yè)制造領(lǐng)域。這個希望同時也是樂觀的預(yù)判。我們的責(zé)任就是把美好希望變成現(xiàn)實(shí)。

4 結(jié)語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在成為企業(yè)的重要戰(zhàn)略，而數(shù)字孿生則成為全新焦點(diǎn)。本文通過介紹數(shù)字孿生礦山的來源、基礎(chǔ)知識和應(yīng)用，提供了一套礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型落地的可行方法。隨著越來越多的礦山企業(yè)認(rèn)識到數(shù)字孿生在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的重要性，將會進(jìn)一步推動數(shù)字孿生礦山的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。

數(shù)字孿生給礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。以礦山生產(chǎn)的安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展為發(fā)展目標(biāo)，利用最新信息技術(shù)和礦業(yè)工程專業(yè)技術(shù)，打造高度智能化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、云端服務(wù)的數(shù)字孿生礦山，是礦業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型理論研究和實(shí)踐的前進(jìn)目標(biāo)。目前離理想的數(shù)字孿生礦山還有相當(dāng)大的差距，與先進(jìn)制造業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用程度相比差距很大，這就需要廣大礦業(yè)從業(yè)人員的共同努力和循序推進(jìn)。

作者研發(fā)的數(shù)字孿生礦山實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，充分吸收了國內(nèi)外專家的研究成果，借鑒其他行業(yè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生在礦山的落地應(yīng)用，基本可以滿足礦山安全生產(chǎn)日常業(yè)務(wù)需求，包括數(shù)字礦山、礦山測繪云服務(wù)、生產(chǎn)配礦、車輛定位調(diào)度、視頻監(jiān)控、邊坡監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、無人值守計(jì)量系統(tǒng)、安全檢查與隱患治理系統(tǒng)等，幫助礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)了各部門與各系統(tǒng)之間的信息共享、礦山安全生產(chǎn)的三維可視化管控、以及礦山測繪業(yè)務(wù)的云端在線操作。