礦山勘探開采是一個系統(tǒng)工程，對采掘工作面的地質條件進行數(shù)字孿生化是實現(xiàn)少人化或無人化開采的基礎和前提。傳統(tǒng)的地質探測技術以三維地震技術為主，輔助引入地質動態(tài)解釋等技術，然而這樣的方式并不能保障礦山自動化運行，其主要瓶頸在于構建的數(shù)字地質精度不夠，這使得引入數(shù)字孿生體技術成為一種必要的選擇。
為了彌補傳統(tǒng)地震勘探開采過程中采掘工作面情況變化的挑戰(zhàn)，采用地質動態(tài)解釋技術，而不是數(shù)學建模方式，能夠大大減輕計算量，使得該技術方法具有一定的可行性。隨著數(shù)字孿生體、人工智能、數(shù)據(jù)科學和物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術的發(fā)展，發(fā)揮數(shù)字孿生體開放架構特點，能夠高效的實現(xiàn)三維地質動態(tài)建模，這是我國“十四五”時期智能化礦山發(fā)展的重要方向。
結合到工業(yè)4.0研究院對數(shù)字孿生化水平定義，應用數(shù)字孿生基礎設施思路，在礦山行業(yè)數(shù)字化轉型中引入數(shù)字孿生體技術，力求以低成本的方式，圍繞安全高效目標打造數(shù)字孿生礦山。特別通過對地質模型進行分類和分精度建設，實現(xiàn)可持續(xù)改進的動態(tài)更新，推進礦山數(shù)字孿生化進程，采用“基礎設施化”的手段，在地理信息系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)數(shù)字孿生礦山基礎設施，真正起到驅動礦山企業(yè)數(shù)字化轉型之目的。
地質、地表及設備數(shù)字孿生化
一般情況下，礦山模型分為地質模型、地表模型、機電模型和其他模型等四大類，正如前文所講，建立礦山模型是實現(xiàn)少人化或無人化勘探開采的基本條件，特別是地質模型存在動態(tài)變化的情況，涉及到開采人員的安全以及開采目的的實現(xiàn)，要求一定的精度和實時性，這需要引入新型技術來實現(xiàn)地質模型動態(tài)建模的目標。
通過引入工業(yè)4.0研究院數(shù)字孿生化水平，對礦山四大類模型進行分級描述，為開展相關關鍵技術研發(fā)奠定基礎。需要指出的是，數(shù)字孿生化跟傳統(tǒng)的地質模型更新有一定的差別，前者是建立在開放架構之下的，后者不一定采用開放架構來實現(xiàn)，這對統(tǒng)一數(shù)據(jù)源有可能造成障礙，不利于礦山企業(yè)數(shù)字化轉型工作的開展。
地質模型包含礦井、采區(qū)、回采工作面、斷層、采空區(qū)、積水區(qū)、陷落柱和巷道等的數(shù)字孿生模型；地表模型包含地形、建筑物、構筑物、管線、交通設施、植被和水體等數(shù)字孿生模型；機電模型包含綜采設備、掘進設備、提升設備、運輸設備和通風設備等數(shù)字孿生模型。這三類模型數(shù)字孿生化的特點不盡相同，隨著開采過程中的采掘工作面推進，地質模型變化最為突出；除了露天礦山一些地形會有變化，其他建筑物、構筑物、交通設施等變化頻度較??；礦山所用各種機電設備通常不會發(fā)生動態(tài)變化，它只會跟其他設備或地質產生交互。
不管是哪類模型，第1級數(shù)字孿生化都是必要的，即建立幾何模型，這是數(shù)據(jù)機制要求的第一個層面，它是建立物理世界和數(shù)字空間交互的基礎和單一數(shù)據(jù)源。除了地質模型在開采過程中會發(fā)生變化，需要根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)更新和補充原有勘探獲得的數(shù)字孿生模型，以體現(xiàn)采掘工作面的變化，其他兩類模型通常不會發(fā)生高頻和大的變化，這使得我們在建設數(shù)字孿生礦山的時候，應該把技術攻堅力量放到地質模型及數(shù)字孿生化上來。
按照5級數(shù)字孿生化水平的定義，空間定位、材質數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)應歸到第2-3級上，這個階段采集的數(shù)據(jù)可以提升描述地質的精度。據(jù)相關報道稱，澳大利亞經(jīng)過長期研發(fā)，已經(jīng)做到采掘工作面地質建模精度達到5厘米，這使得自動化作業(yè)成為可能。常規(guī)采掘工作面地質建模方法通常能夠達到1-10米級精度，遠遠達不到全自動化作業(yè)的程度，因此，突破地質建模精度是無人化礦山的前提條件。通過數(shù)字孿生化第2-3級的工作，在地質基礎數(shù)據(jù)模型融入材質和屬性數(shù)據(jù)，能夠大大改善數(shù)據(jù)精度挑戰(zhàn)，簡單講，采取綜合數(shù)據(jù)融合治理的方式迫在眉睫。
表格6基于動態(tài)數(shù)據(jù)更新的數(shù)字孿生地質體系[1]
當解決了采掘工作面數(shù)據(jù)融合的問題，數(shù)字孿生化進入第4級，這個階段比較強調人在環(huán)路（Workers in Loop）的優(yōu)化。眾所周知，在生產現(xiàn)場最不確定的因素是人，因為人很容易受到難以預料的因素影響，從而無法控制和管理，但隨著一些先進人工智能技術的引入，把人的行為數(shù)據(jù)加入到數(shù)字孿生礦山體系中來，例如，基于人體姿態(tài)的識別技術，能夠提升礦山工作的安全保障能力。
當?shù)V山各個要素都實現(xiàn)了數(shù)字化，則能考慮進入數(shù)字孿生化第5級，這個階段各個子系統(tǒng)實現(xiàn)自主運行，需要人干預和管理的場景逐漸減少，這將實現(xiàn)人們一直追求的無人勘探開采。毫無疑問，通過數(shù)字孿生化逐步解決了地質模型精度問題，為少人化或無人化礦山提供了必要的條件。
建設單一數(shù)據(jù)源的基礎設施
一直以來，礦山行業(yè)推動數(shù)字化轉型工作的時候，都比較強調“一張圖”的價值，其含義主要是要求把數(shù)據(jù)建立在地理信息系統(tǒng)之上。因為礦山是一個物理系統(tǒng)，它們具有空間上的分布，不管是地質或地表模型的分布，還是機電模型的安防，其正常和安全運行都跟空間位置有非常重要的關系，因此，建立基于地理信息系統(tǒng)基礎上的礦山系統(tǒng)，具有實際應用價值。
然而僅僅如此，并不能保證各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、流動和分享（即數(shù)據(jù)機制），因為各個子系統(tǒng)之間的交互，需要一套既能保障開放又有保證安全的體系。數(shù)字孿生體技術本質上是一套開放架構，它通過建立簡單的物理世界和數(shù)字空間交互體系，滿足各自的獨立性同時，又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化（Data Automation），這是實現(xiàn)智能化礦山的基本條件。
圖表7地質相關系統(tǒng)數(shù)字孿生基礎設施[2]
礦山各種數(shù)據(jù)具有“時態(tài)”特征。在礦山勘探階段，主要是應用地震勘探等技術獲得礦產在地質上的分布狀況，隨后進入開采階段，安全生產管理關注的重點是巷道掘進、工作面開采、環(huán)境監(jiān)測、煤層的賦存狀態(tài)等內容，為了適應這樣的變化，通常應更新原有數(shù)字孿生礦山平臺上的各種數(shù)據(jù)。
根據(jù)工業(yè)4.0研究院分析，在地質模型實現(xiàn)了數(shù)字孿生化之后，應把這些基礎數(shù)據(jù)作為基礎設施來運行，有助于在礦山整個生命周期實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和利用，這通常是通過建設數(shù)字孿生礦山基礎設施來完成的。
數(shù)字孿生礦山基礎設施的基本內容是各種數(shù)據(jù)模型，跟時下時髦的數(shù)據(jù)中臺不同，數(shù)字孿生礦山基礎設施強調兩個方面：數(shù)字孿生模型和基礎設施化。這兩個方面具有以下特征：
數(shù)據(jù)中臺比較強調各種數(shù)據(jù)的集中保存和管理，數(shù)字孿生礦山基礎設施從數(shù)字孿生模型的角度關注數(shù)據(jù)精度，正如前文所講地質模型、地表模型和機電模型的數(shù)字孿生化；
對于基礎設施化，體現(xiàn)了這些數(shù)字孿生模型服務于整個礦山，而不僅僅是某個平臺或系統(tǒng)，這樣有助于數(shù)據(jù)的共享共用，雖然一些平臺也建立管理數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫，但它們跟特定平臺和系統(tǒng)的耦合度很高，不利于未來新平臺和系統(tǒng)的建設，通過平臺和模型的“分離”，方便新建平臺或系統(tǒng)，提高了數(shù)字孿生模型的應用率，實現(xiàn)了相關數(shù)據(jù)的唯一性。
表格7基于國家標準的礦山數(shù)據(jù)類型[3]
在《中國煤礦智能化發(fā)展報告（2020）》中，參考國家相關標準指導思想、制定原則、分類編碼規(guī)則、完整性和可擴展性要求等內容的基礎上，結合到我國煤礦的實際情況，提出了空間數(shù)據(jù)規(guī)范框架，可以作為數(shù)字孿生礦山基礎設施建設時的數(shù)據(jù)分類參考。
按照書中所講，煤礦空間數(shù)據(jù)標準包含分類標準、編碼標準、分層標準及要素數(shù)據(jù)詞典等。煤炭數(shù)據(jù)類型分為大類、種類、小類、子類和要素類五個層次，其中大類根據(jù)數(shù)據(jù)的來源，即根據(jù)煤礦各專業(yè)部門產生的煤礦數(shù)據(jù)分為六大類，具體請參考以上表格。
在建設數(shù)字孿生礦山基礎設施的時候，由于是基于物理世界的地形、地表和機電設備建立的數(shù)字孿生模型來存儲數(shù)據(jù)，將大大簡化使用者的復雜性。通過把以上列舉的六大類數(shù)據(jù)附著在各種模型上，專家建立一套物與物、物與人及人與人之間的交互機制，屏蔽了各種技術細節(jié)，幫助運行管理人員降低復雜度。
數(shù)字孿生礦山基礎設施除了可以降低運行管理的復雜度，還可以促使新應用場景的研發(fā)更為簡單，實現(xiàn)“輕量化”的開發(fā)過程，甚至一些普通工程師也可以根據(jù)現(xiàn)場管理需要應用一些規(guī)則，通過配置建立新的數(shù)字孿生應用場景，迅速滿足生產運行的需要。
[1]本表格內容來自CSIRO研究成果，工業(yè)4.0研究院翻譯。
[2]本圖來自山東省地質調研院、武漢中地數(shù)碼科技有限公司和上海英賽智勘數(shù)據(jù)科技有限公司聯(lián)合提供的資料。
[3]參考的國家標準為《基礎地理信息要素分類分類與代碼》，結合到礦山勘探開采相關專業(yè)部門產生的數(shù)據(jù)進行劃分。
