数字孪生已经发展成为各行业关注的战略科技。2021年全球将会有超过50%的大型工业企业使用数字孪生技术，预期生产效率将会提高10%。尤其是2020年这场席卷全球的新冠病毒，从积极方面说更是对采矿作业数字化无人化提出了更为迫切的要求。数字孪生是矿山数字化转型快速有效的使能技术（Enabling technology）；基于数字孪生建立矿山智能管控系统，对矿山设备进行实时监控，便于技术人员和专家为矿山提供更好的远程服务，对采集到数据进行智能分析，优化矿山运营，保证矿山生产高效、安全地进行。

01 数字孪生与数字化转型

数字孪生（Digital Twins）当前已成为各界关注重点，成为众多具体行业数字化转型的标配技术。全球权威信息技术咨询机构Gartner将数字孪生技术列为十大战略科技发展趋势之一。预计到2021年年底全球将会有超过50%的大型工业企业使用数字孪生技术，预期生产效率将会提高10%。

数字孪生技术可以应用于很多行业，例如工业制造、石油天然气、智慧城市、国防和矿业等，并且会在越来越多的行业领域发力。及早评估和采用数字孪生的企业，将获得巨大的竞争优势；而不重视数字孪生应用的企业，将会发现错失很多发展机遇。

广义的数字孪生，是指现实世界的实体或系统的数字化表示。这是一个关于数字孪生的一般定义。不同应用领域的数字孪生又有各自的进一步具象化延伸；恰似动物界例如狮子、老虎和家猫等都有猫科动物的一般共性，但同时又各自有自己的特点和习性。

当数字孪生应用到工业制造、智慧城市、数字矿山等不同领域时，人们首先注意到的是那些通用技术应用的有效性。设备设施智能化管理是数字孪生在一般工业领域的普遍技术应用。伴随着物联网、人工智能和虚拟现实等智能化技术的发展，数字孪生提供了与工业设备设施实体对象之间的交互式智能平台，通过数字化手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制，以实现业务流程自动化、方案规划和系统优化。数字孪生在历史数据管理和快速智能化分析方面具有显著优势，可以更容易地跨越时空对全业务流程和全生命周期各阶段进行优化，实现企业经营长期效益最大化，帮助用户在与同行竞争中取得战略性优势。

2020年这场席卷全球的新冠病毒给各国经济发展带来极大的危害，对矿业的影响后果正在不断地显现。从积极方面看，新冠病毒的泛滥对采矿作业数字化和遥控自动化提出了更为迫切的要求。而这些方面正是数字孪生技术的用武之地。

02 数字孪生矿山设备设施智能管理

数字孪生发端于工业制造领域，已经产生了显著的经济效益。其经过实践验证的方案可以快速方便地应用于矿山生产管理。

数字孪生技术应用于工业设备设施智能管控，其输入量与业务过程均可以用科学和工程规律和设备进行准确定义和测量，输出量可以准确预测，在其他工业领域有比较成熟的技术案例可以借用。本着“先局部后全面、先设备设施后地质资源、先拿来后创造”的原则，我们首先把在工业制造领域已经有成熟利用的数字孪生技术，应用于矿山设备设施的智能管理，提高生产效率，降低生产运营成本。

简单地说，数字孪生矿山是对实体矿山设备设施以及地质资源和岩土工程环境的数字化三维表示，同时也是一个开放的、互联的业务数据环境，包含了实体对象的属性信息，例如温度、转速、压力、润滑油、耗电量等设备参数，以及相关的智能分析功能。矿山实体对象与其数字化三维表达之间同步进行数据更新，实现实时在线的矿山生产信息和反馈控制信息的双向流通。通过数字孪生交互式智能管控平台，用户能够在远离矿山生产现场的控制中心或办公室在线测量获取矿山三维地理信息，分析设备和系统的实时数据，对设备运行情况进行评估，制定设备维护计划，优化生产作业流程和进度计划。

建立基于数字孪生的矿山设备设施智能管理系统，利用数字孪生技术建立矿山设备设施的数字化模型，并基于数据驱动进行智能化生产决策，可以在以下方面创造显著的价值：

1. 数据集中管理。在数据维度，数字孪生便于对设备设施数据进行采集、检查、处理、分发和共享；通过将多源异构数据融合到一个集中的虚拟现实模型中，有助于避免数据错误和重复，保证数据的单一来源性，增加数据的时效性，帮助发现缺乏数据监控的业务环节，将注意力引导到出现问题的业务环节。帮助实时优化矿山设备设施、系统和流程的运营维护，从而大幅提高生产效率。

2. 跨区域跨专业协同作业。在空间维度，数字孪生为不同地理位置的各个专业团队之间的协作提供了自动化智能化沟通平台，促进各方的有效合作。基于三维现实场景数据、规划设计数据和设备设施实时运行数据，就像是有了矿山生产现场的的实时渲染版本，可以便于对矿山生产进行智能化协同管理，快速进行各种方案分析比较，并进行及时的生产决策和即时管控。

3. 人工智能和数据分析应用平台。数字孪生为矿山应用人工智能（AI）和机器学习（ML）提供了完善的数据分析应用和场景仿真平台，可以提供不同的实现目标和场景进行不同方案的仿真推演，在不影响实际生产和人员安全的条件下，找到更好的解决方案。矿山运营历史大数据分析需要强大的计算能力，而云计算平台则是经济合理的解决方案。先从相对简单的仿真分析模型开始，模型中使用的数据越多，就越接近现实，因此将越具有可靠的预测性。然后逐渐将成熟经验推向全价值链应用。

4. 设备设施预防性维修。通过数字孪生交互式智能化协同管理平台，可以查询设备设施的内部运行状态，并且以全景沉浸方式进行各专业角色的协同作业，帮助建立完善的设备设施运营计划，进行预防性维护和管理。各专业角色所使用的数据都是来自于实体系统的、准确的实时数据，由数据中心统一管理。尤其是能够及早发现设备故障隐患，并进行预防性维修，可以大大降低设备故障成本和停机时间，从而提高设备使用效率。

5. 全生命周期管理。在时间维度，数字孪生利用可视化手段对矿山生产设备设施进行全生命期管理，有效地跟踪设备设施运营状况变化，提供智能化分析工具，以优化设备设施的使用和维护，使其始终处于最佳运营状态。利用传统的技术手段很难在资产的全生命周期中进行信息管理。数字孪生是实体设备设施、业务流程和系统的虚拟副本，通过物联网数据可以处理和存储所有的核心要素和动态信息，以真实与虚拟之间互动的方式反映资产全生命周期的变化和信息更新，因而可以容易地在资产全生命周期管理中发挥独特的作用。

03 数字孪生矿山的创建方法

数字孪生矿山的建立，始于获取矿山地形地貌建模和设备设施建模。

使用三维激光扫描仪、无人机载激光雷达、摄影测量等三维空间数据采集技术手段，创建包括矿山现实模型，包括设备设施和地形地貌等。

利用三维模型编辑软件，对矿山设备设施进行处理并确定其地理定位（移动设备则单独处理）；细化出设备设施组成部件至最小管理单位零部件，并附加所有与之相关的属性信息，例如零件ID、制造厂家、型号、出厂及安装日期、服务信息、维护保养数据、用户手册等。由此形成数字孪生矿山的基础模型数据。

设备实时运行数据诸如转速、温度、流量、耗油、耗电等通过物联网传输到数字孪生协同管理平台，用户就可以远程监控设备设施实时运行状况，分布在不同区域的各专业技术人员和外部咨询顾问对生产中出现的疑难问题进行诊断；通过数字孪生与人工智能和机器学习相结合，实现在线自动化智能化分析；最终达到改善生产运营决策、提高生产绩效的目的。

04 数字孪生矿山的未来

数字孪生是一项重要的未来技术。数字孪生矿山的最终目标是整个矿山价值链的优化。利用矿山的历史和当前数据，针对不同的地质条件对勘探、回采、破碎、配矿、选矿等流程环节进行综合优化。在这里，鞍钢矿业公司实施的“五品联动”理论和模式值得借鉴，即将地质、采矿、配矿、选矿、冶炼五大工程环节集成为一个整体系统进行统筹管理；“五品联动”与数字孪生矿山价值链综合优化相比，二者实际上是使用不同的方法解决同样的问题。

矿业资源和市场需求的一个最大特点就是不确定性。矿山企业经营好坏，首先取决于地质矿产资源赋存条件和勘探能力。随着靠近地表、开采条件好、品位高矿体越采越少，矿山开采逐步走向深部，品位较低，开采困难，提升运输复杂，同时安全环保的要求也越来越高。矿山企业承受着提高效率和降低成本的双重压力。而运营优化是数字孪生的强项。在提高效率、降低成本和处理资源与市场的不确定性方面，数字孪生将会发挥前所未有的强大技术推动作用。

当把数字孪生应用于整个矿山价值链时，矿山设备设施智能管控系统只是其中一个应用子系统；由于矿产资源的信息具有明显的不确定性，会随着回采过程以及勘探数据的不断积累，促使地质矿产资源模型必须不断更新；矿山岩土工程也是一个需要解决信息不确定性的学科。目前，不确定性的数字孪生优化技术仍在积极探讨和实践中，将另辟专题专门讨论这方面的问题。

我们希望，数字孪生在矿业领域的受重视程度和前进的步子将会超越数字孪生技术发源地工业制造领域。这个希望同时也是乐观的预判。我们的责任就是把美好希望变成现实。

作者介绍

孟丹：天河道云（北京）科技有限公司首席科学家兼副总经理，中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心专家，加拿大北方先进矿业技术中心执行主任兼首席咨询顾问。（本文来自天河矿业云）

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