數(shù)字孿生已經(jīng)發(fā)展成為各行業(yè)關(guān)注的戰(zhàn)略科技。2021年全球?qū)?huì)有超過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(huì)提高10%。尤其是2020年這場(chǎng)席卷全球的新冠病毒，從積極方面說更是對(duì)采礦作業(yè)數(shù)字化無人化提出了更為迫切的要求。數(shù)字孿生是礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型快速有效的使能技術(shù)（Enabling technology）；基于數(shù)字孿生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)，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。
01數(shù)字孿生與數(shù)字化轉(zhuǎn)型
數(shù)字孿生（Digital Twins）當(dāng)前已成為各界關(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(shì)之一。預(yù)計(jì)到2021年年底全球?qū)?huì)有超過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(huì)提高10%。
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(guó)防和礦業(yè)等，并且會(huì)在越來越多的行業(yè)領(lǐng)域發(fā)力。及早評(píng)估和采用數(shù)字孿生的企業(yè)，將獲得巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；而不重視數(shù)字孿生應(yīng)用的企業(yè)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)失很多發(fā)展機(jī)遇。
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。這是一個(gè)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(dòng)物界例如獅子、老虎和家貓等都有貓科動(dòng)物的一般共性，但同時(shí)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(shí)，人們首先注意到的是那些通用技術(shù)應(yīng)用的有效性。設(shè)備設(shè)施智能化管理是數(shù)字孿生在一般工業(yè)領(lǐng)域的普遍技術(shù)應(yīng)用。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等智能化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生提供了與工業(yè)設(shè)備設(shè)施實(shí)體對(duì)象之間的交互式智能平臺(tái)，通過數(shù)字化手段對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真、監(jiān)測(cè)、分析和控制，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化、方案規(guī)劃和系統(tǒng)優(yōu)化。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(shì)，可以更容易地跨越時(shí)空對(duì)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(yíng)長(zhǎng)期效益最大化，幫助用戶在與同行競(jìng)爭(zhēng)中取得戰(zhàn)略性優(yōu)勢(shì)。
2020年這場(chǎng)席卷全球的新冠病毒給各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來極大的危害，對(duì)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(duì)采礦作業(yè)數(shù)字化和遙控自動(dòng)化提出了更為迫切的要求。而這些方面正是數(shù)字孿生技術(shù)的用武之地。
02、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(cè)量，輸出量可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，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)，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(yíng)成本。
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(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)，以及相關(guān)的智能分析功能。礦山實(shí)體對(duì)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(shí)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控平臺(tái)，用戶能夠在遠(yuǎn)離礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制中心或辦公室在線測(cè)量獲取礦山三維地理信息，分析設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)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。
建立基于數(shù)字孿生的礦山設(shè)備設(shè)施智能管理系統(tǒng)，利用數(shù)字孿生技術(shù)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(dòng)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(jià)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(duì)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(gè)集中的虛擬現(xiàn)實(shí)模型中，有助于避免數(shù)據(jù)錯(cuò)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(shí)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(shí)優(yōu)化礦山設(shè)備設(shè)施、系統(tǒng)和流程的運(yùn)營(yíng)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(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作提供了自動(dòng)化智能化溝通平臺(tái)，促進(jìn)各方的有效合作。基于三維現(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，就像是有了礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的的實(shí)時(shí)渲染版本，可以便于對(duì)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(shí)的生產(chǎn)決策和即時(shí)管控。
3.人工智能和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺(tái)。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(chǎng)景仿真平臺(tái)，可以提供不同的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和場(chǎng)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(yíng)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(tái)則是經(jīng)濟(jì)合理的解決方案。先從相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)性。然后逐漸將成熟經(jīng)驗(yàn)推向全價(jià)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(tái)，可以查詢?cè)O(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(yíng)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(shí)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(shí)間，從而提高設(shè)備使用效率。
5.全生命周期管理。在時(shí)間維度，數(shù)字孿生利用可視化手段對(duì)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(yíng)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(yíng)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(chǔ)所有的核心要素和動(dòng)態(tài)信息，以真實(shí)與虛擬之間互動(dòng)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。
03、數(shù)字孿生礦山的創(chuàng)建方法
數(shù)字孿生礦山的建立，始于獲取礦山地形地貌建模和設(shè)備設(shè)施建模。
使用三維激光掃描儀、無人機(jī)載激光雷達(dá)、攝影測(cè)量等三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段，創(chuàng)建包括礦山現(xiàn)實(shí)模型，包括設(shè)備設(shè)施和地形地貌等。
利用三維模型編輯軟件，對(duì)礦山設(shè)備設(shè)施進(jìn)行處理并確定其地理定位（移動(dòng)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(hào)、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(cè)等。由此形成數(shù)字孿生礦山的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)。
設(shè)備實(shí)時(shí)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(tái)，用戶就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)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(duì)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(dòng)化智能化分析；最終達(dá)到改善生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)決策、提高生產(chǎn)績(jī)效的目的。
04、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)字孿生礦山的最終目標(biāo)是整個(gè)礦山價(jià)值鏈的優(yōu)化。利用礦山的歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的地質(zhì)條件對(duì)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。在這里，鞍鋼礦業(yè)公司實(shí)施的“五品聯(lián)動(dòng)”理論和模式值得借鑒，即將地質(zhì)、采礦、配礦、選礦、冶煉五大工程環(huán)節(jié)集成為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌管理；“五品聯(lián)動(dòng)”與數(shù)字孿生礦山價(jià)值鏈綜合優(yōu)化相比，二者實(shí)際上是使用不同的方法解決同樣的問題。
礦業(yè)資源和市場(chǎng)需求的一個(gè)最大特點(diǎn)就是不確定性。礦山企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(shí)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(yíng)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(chǎng)的不確定性方面，數(shù)字孿生將會(huì)發(fā)揮前所未有的強(qiáng)大技術(shù)推動(dòng)作用。
當(dāng)把數(shù)字孿生應(yīng)用于整個(gè)礦山價(jià)值鏈時(shí)，礦山設(shè)備設(shè)施智能管控系統(tǒng)只是其中一個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)；由于礦產(chǎn)資源的信息具有明顯的不確定性，會(huì)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(gè)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。
我們希望，數(shù)字孿生在礦業(yè)領(lǐng)域的受重視程度和前進(jìn)的步子將會(huì)超越數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)源地工業(yè)制造領(lǐng)域。這個(gè)希望同時(shí)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)。
