中國恩菲：數字孿生技術賦能礦山數字化轉型
2021年09月10日 8:36 7655次瀏覽 來源： 中國有色金屬報 分類： 重點新聞
中國恩菲與國家超級計算天津中心聯合建設的中國礦業信息化協同創新北京市工程研究中心
當前，世界正處于百年未有之大變局，在變局和危機中，各行各業轉型升級的需求十分迫切。數字化轉型和智能化升級已經成為釋放巨大發展動能的關鍵因素，也成為了各國關于未來全球發展的共識。對于采礦業來說，要走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化道路，數字化、信息化是其發展的必然趨勢。在此背景下，“數字化礦山”的理念應運而生。
“數字化礦山”的含義及發展方向
“數字化礦山”的概念由來已久，其真正的含義是什么？它又包括了哪些內容？礦山企業該如何朝著真正的數字化方向發展，以實現我國礦業企業現代化管理與國際先進管理方式的接軌？
早在十幾年前，中國工程院院士、中國恩菲高級顧問專家于潤滄就提出，對數字化礦山的概念可以表述為由初級到高級的三個層次：礦山數字化信息管理系統、反映真實礦山整體及相關現象的虛擬礦山、無人礦井的遠程操控操作和自動化采礦（Mine Automation，Telemining，Robotic mining）。
礦山數字化信息系統包括以下子系統：礦區地表及礦床模型三維可視化信息系統，礦山工程地質、水文地質及巖石力學數據采集、處理、傳輸、存儲、顯示與探采工程分布集成系統，礦山規劃與開采方案決策優化系統，礦山主要設備運轉狀態信息系統，生產環節監控與調度系統，礦山環境變化及災害預警信息系統，礦山經營管理及經濟活動分析信息系統。
數字化虛擬礦山是在上述信息系統的基礎上，增加實時動態響應和更廣泛的集成，運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術使真實礦山整體及其相關現象實現數字化再現，為礦山實現科學管理提供非常便捷的手段。
遠程遙控和自動化采礦：在上述數字化的基礎上，增加設備自動化、智能化，地下通信及實時自動定位和導航技術，實現礦山生產過程的遠程遙控操作和自動化采礦，從單個工序到整體礦山，使礦山生產實現數字化、辦公室化。
于潤滄院士認為，數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的條件，使礦工遠離高地溫、巖爆威脅等惡劣操作環境，徹底改善礦工的安全和健康狀況，實現采礦辦公室化。數字化礦山的終極目標是為了實現礦山真正安全、高效、經濟開采。而礦業發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、環境系統的承載能力，達到可持續發展的目標。因此，數字化礦山具有極其重要的意義和強烈的吸引力，同時也具有廣闊的創新空間。
在此背景下，中國恩菲積極推動數字化轉型，不斷提升數字化管理水平，綜合考慮生產、經營、管理、環境、資源、安全和效益等各種因素，致力于使礦山規劃管理具有更高的效率、更豐富的表現手法、更多的信息量、更高的分析能力和準確性，從而提高礦山生產和管理的時效性、有效性、資源優化配置水平及綜合實力，促進礦山的可持續發展，達到提高整體效益、市場競爭力和適應能力的目的。
數字孿生的起源與數字孿生礦山
為有效推進數字化礦山建設，中國恩菲依托中國礦業信息化協同創新北京市工程研究中心，積極探索數字孿生技術。數字孿生是以多維模型和融合數據為驅動，通過實時連接、映射、分析、交互來刻畫、仿真、預測、優化和控制物理世界，使物理系統的全要素、全過程、全價值鏈達到最大限度的優化。同時，數字孿生與各產業的深化融合能夠有力推動各產業數字化、網絡化、智能化發展進程，成為產業變革的強大助力。中國恩菲通過數字孿生技術，不斷加快推進礦山數字化轉型，并探索建立礦山智能管控系統，對礦山設備進行實時監控，便于技術人員和專家為礦山提供更好的遠程服務，同時對采集到數據進行智能分析，優化礦山運營，保證礦山生產高效、安全地進行。
中國是工業大國，數字孿生的研究和應用有非常廣闊的空間，也得到了相關政策的大力支持。今年以來，國家發改委、工業和信息化部、國資委等部門相繼出臺相關文件，部署發展數字孿生技術，發揮其在培育新經濟發展、國企數字化轉型等領域的積極作用。
在數字孿生技術中，模型是核心要素，而從模型到數字孿生經歷了物理的“實物模型”到數字化展示的“數字化模型”再到物理對象與虛擬模型交互共生的數字孿生的技術發展過程。數字孿生可追溯至美國密歇根大學的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稱為數字孿生，但卻具備了數字孿生的基本組成要素，因此可以被認為是數字孿生的雛形。2010 年，“數字孿生”才由美國國家航空航天局（NASA）首次書面提出并得到了進一步發展。NASA 在《Modeling, simulation, information technology & processing roadmap》中詳細說明了對于航天器數字孿生的定義和功能。與此同時，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字孿生，AFRL希望利用數字孿生來解決戰斗機機體（Airframe）的維護問題。2012年，NASA和AFRL合作共同提出了未來飛行器的數字孿生體范例，以應對面對未來飛行器高負載、輕質量以及極端環境下服役更長時間的需求。
2017年以來，數字孿生的研究和應用越來越熱，并開始在很多生產生活場景中得以應用。在制造領域，通用電氣公司利用數字孿生技術，對飛機發動機進行實時監控、故障檢測和預測性維護，防患于未然；法國達索系統公司基于數字孿生開展對汽車研發的模擬仿真，為寶馬、特斯拉、豐田等優化產品設計，顯著縮短研發周期，大大降低了傳統物理測試方式的成本。雖然數字孿生得到了業界廣泛關注和研究，但數字孿生在概念和內涵上卻并沒有一個統一的定義。隨著數字孿生研究和實踐的不斷推進，人們賦予了數字孿生的各種定義。
數字孿生發端于航空航天等先進制造業領域，已產生了顯著的經濟效益。其經過實踐驗證的解決方案可以方便地應用于礦山生產管理。礦業與其他行業例如先進制造業有諸多相通之處，因此許多先進制造業通用數字化技術和實踐經驗可以直接移植到礦業中去；另一方面，礦業又有其特殊性，主要表現為礦山資源不可再生性、礦山企業經濟效益的遞減性、礦山作業場所的移動性帶來開采條件的復雜性等，因此數字孿生在礦業的應用又必須顧及礦山行業自身特點、作業環境和價值鏈特點。
簡單地說，數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境的即時數據三維表示，同時也是一個開放的、互聯的業務數據環境，包含了實體對象的屬性信息，例如溫度、轉速、壓力、潤滑油、耗電量等設備參數及與其相關的智能分析功能，以及地質環境數據的及時采集、分析和使用。礦山實體對象與其數字化三維表達之間進行實時或即時的數據更新，實現在線的礦山生產信息和反饋控制信息的雙向流通。
數字孿生在智能礦山中的典型應用
（一）瑞海金礦數字孿生系統
2016年，中國恩菲與招金礦業聯合建立了由中國工程院院士、中國恩菲高級顧問專家于潤滄牽頭的“招金礦業院士工作站”，旨在針對行業重點、難點問題開展技術研發，推動自動化、智能化礦山建設更好發展。
院士工作站積極推進瑞海金礦數字化、智能化建設，研發了瑞海金礦數字孿生系統。瑞海金礦數字孿生系統將礦山建設的全生命周期進行平臺化管理，從三維設計開始，形成規范的設備、圖紙庫，通過唯一的標識進行全流程屬性追蹤；從設計階段建立數字孿生平臺，定義智慧礦山數據組織方式，到實現設計施工、運維階段的數據貫通。平臺的功能包括數字探礦、MIM設計、智慧工地、智能采礦和智能選礦五個模塊。實現地表設施、礦體、開拓運輸系統的數字化，實現工藝流程的動態直觀展示。
（二）江華稀土智慧環境管理平臺
中國恩菲推出的江華稀土智慧環境管理平臺以“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、數據挖掘等技術方法，通過整合集成礦區自然地理環境、主要生產和環保設施、主要環境監測數據、污染防控措施等信息，構建環保“一張圖”。該平臺現已在五礦稀土江華有限公司投入使用，實現環境預警和環境事件處置功能，從數據中感知環境、監控污染、預警和管控風險，以更加精細、高效和動態的方式實現環境管理的數字化、智慧化，有效提高礦山生態環境科學監管能力。
小結
數字孿生技術將是未來智能系統的重要組成部分，是推動決策與控制一體化的重要數字媒介，也是中國恩菲未來重點的研發方向。未來，數字孿生的發展將從一個產品、一臺設備、一條生產線等的孿生演進到更為復雜的以整個企業組織為對象的孿生，從而為工業企業生產經營提供智能決策輔助，最終從企業內部的協同走向產業鏈上下游的協同和優化。對數字孿生的深入研究和應用將有助于企業更好地參與到國內國際兩個經濟循環當中去。
參考文獻：
[1]李琪.數字化礦山礦業發展的未來趨勢-訪著名礦山工程設計專家中國工程院院士于潤滄[J].科技創新與品牌,2008,(011):14-17.
[2]陶飛, 張賀，戚慶林，等. 數字孿生模型構建理論及應用[J]. 計算機集成制造系統, 2021, 27(01): 1-15.
[3] 陶飛, 張萌, 程江峰, 等. 數字孿生車間——一種未來車間運行新模式[J]. 計算機集成制造系統, 2017, 23(1): 1-9
[4]陶飛, 劉蔚然, 張萌, 等. 數字孿生五維模型及十大領域應用[J]. 計算機集成制造系統, 2019, 25(1): 1-18
[5] 陶飛, 張賀, 戚慶林, 等. 數字孿生十問: 分析與思考[J]. 計算機集成制造系統, 26(1): 1-17.
[6] 我為“十四五”建言丨中國工程院院士趙沁平:發展數字孿生互聯網絡 支撐虛擬現實 深度應用.
Available from:
https://mp.weixin.qq.com/s/h785pKqCMqqw_NyINCqijg
[7] 李 培 根 . 淺 說 數 字 孿 生 .
Available from:
http://www.360doc.com/content/20/0811/15/15624612_929661656.shtml
[8]Tao, Fei, Qi Qinglin. Make more digital twins. Nature, 2019, 573: 490-491.
[9]Grieves M, Vickers J. Digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems[M]. Transdisciplinary perspectives on complex systems. SpringeR, Cham, 2017: 85-113.
[10]Grieves M. Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication[J]. White papeR, 2014, 1: 1-7.
[11]Qi Q, Tao F, Zuo Y, et al. Digital twin service towards smart manufacturing[J]. Procedia Cirp, 2018, 72: 237-242.
[12]Gartner. Top 10 Strategic Technology Trends for 2019 [EB/OL].https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2 019/
[13]Qi Q, Tao F, Hu T, et al. Enabling technologies and tools for digital twin[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2021, 58: 3-21
責任編輯：孟慶科
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