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當前，世界正處于百年未有之大變局，各行各業(yè)轉型升級的需求十分迫切。作為能使行業(yè)釋放巨大發(fā)展動能的關鍵因素，數(shù)字化轉型和智能化升級已經成為世界各國發(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？包括哪些內容？礦山企業(yè)應該如何朝著數(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、水文地質及巖石力學數(shù)據采集、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)，礦山主要設備運轉狀態(tài)信息系統(tǒng)，生產環(huán)節(jié)監(jiān)控與調度系統(tǒng)，礦山環(huán)境變化及災害預警信息系統(tǒng)，礦山經營管理及經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)的基礎上，增加實時動態(tài)響應和更廣泛的集成，運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術對真實礦山整體及其相關現(xiàn)象進行數(shù)字化再現(xiàn)，為礦山實現(xiàn)科學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)字化的基礎上，進一步增加設備自動化和智能化、地下通信及實時自動定位和導航技術，能夠實現(xiàn)礦山生產過程的遠程遙控操作和自動化采礦，使礦山生產實現(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率，降低生產成本；能適應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、經濟地開采。而礦業(yè)發(fā)展的終極目標應當是既能滿足人類對礦產資源的需求，也能適應生態(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)字化轉型，不斷提升數(shù)字化管理水平，綜合考慮生產、經營、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，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。數(shù)字孿生是以多維模型和融合數(shù)據為驅動，通過實時連接、映射、分析和交互來刻畫、仿真、預測、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)字孿生與各產業(yè)的深化融合能夠有力推動各產業(yè)數(shù)字化、網絡化和智能化發(fā)展，成為產業(yè)變革的強大助力。中國恩菲通過數(shù)字孿生技術，不斷加快推進礦山數(shù)字化轉型，并探索建立了礦山智能管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對礦山設備進行實時監(jiān)控，便于技術人員和專家為礦山提供更好的遠程服務，還能對采集的數(shù)據進行智能分析，優(yōu)化礦山運營，保證礦山生產高效、安全地進行。

我國是工業(yè)大國，數(shù)字孿生的研究和應用具有非常廣闊的空間，也得到了相關政策的大力支持。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文件，部署發(fā)展數(shù)字孿生技術，發(fā)揮其在培育新經濟發(fā)展和國企數(shù)字化轉型等領域的積極作用。

在數(shù)字孿生技術中，模型是核心要素，而從模型到數(shù)字孿生經歷了物理的“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)字孿生的技術發(fā)展過程。數(shù)字孿生可以追溯至美國密歇根大學Michael Grieves教授于2002年在其產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）課程上提出的“與物理產品等價的虛擬數(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注和研究，并在很多生產生活場景中實現(xiàn)了應用。在制造領域，通用電氣公司利用數(shù)字孿生技術，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控、故障檢測和預測性維護，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)化產品設計，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)領域，已產生了顯著的經濟效益。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)字化技術和實踐經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雜性等，因此，在開展數(shù)字孿生在礦業(yè)中的應用時，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備設施的實時三維映射以及對地質資源和巖土工程環(huán)境的即時數(shù)據三維表示，也是一個開放的、互聯(lián)的業(yè)務數(shù)據環(huán)境，其中包含了實體對象的屬性信息及其相關的智能分析功能以及地質環(huán)境數(shù)據的及時采集、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)據更新，實現(xiàn)在線的礦山生產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、難點問題開展技術研發(fā)工作，更好地推動自動化和智能化礦山建設。

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，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)對礦山建設的全生命周期進行平臺化管理，從三維設計階段開始，形成規(guī)范的設備、圖紙庫，通過唯一標識進行全流程屬性追蹤；從設計階段建立數(shù)字孿生平臺，定義智慧礦山數(shù)據組織方式；并實現(xiàn)設計施工、運維階段的數(shù)據貫通。平臺的功能包括數(shù)字探礦、MIM設計、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、平臺支撐、智慧應用”為設計理念，采用無人機航測、三維實景建模、GIS系統(tǒng)、數(shù)據挖掘等技術方法，通過整合集成礦區(qū)自然地理環(huán)境、主要生產和環(huán)保設施、主要環(huán)境監(jiān)測數(shù)據、污染防控措施等信息，構建環(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)境預警和環(huán)境事件處置功能，能夠從數(shù)據中感知環(huán)境、監(jiān)控污染、預警和管控風險，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)境科學監(jiān)管能力。

數(shù)字孿生技術將是未來智能系統(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品、一臺設備、一條生產線等為對象的孿生發(fā)展到更為復雜的以整個企業(yè)組織為對象的孿生，從而為工業(yè)企業(yè)的生產經營提供智能決策輔助，最終實現(xiàn)從企業(yè)內部的協(xié)同走向產業(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用還將有助于企業(yè)更好地參與國內國際雙循環(huán)。