数字孪生矿山之四：演进路径

导读：数字孪生矿山联合实验室于2021年编写了《数字孪生矿山白皮书》，分析了数字孪生矿山关键核心技术，设计了可视化的虚拟矿山、实时同步的动态矿山和互操作的孪生矿山三阶段的演进路径，展望了华电力拓数字生态建设愿景。

通过建立物理矿山和数字矿山交互的技术体系，能够根据实际需要不断完善，构建一个可以演进的数字孪生矿山。驱动数字孪生矿山不断演进的基础是数字孪生基础设施，这如同交通体系的道路，随着道路不断升级，为更先进的交通工具提供更好的条件。

随着矿山资源的数字孪生化[1]发展，促使当初只能看的虚拟矿山演化为可以更新状态的动态矿山，如果建立了安全可靠的远程控制，就能实现互操作的孪生矿山了。

1.1 可视化的虚拟矿山

矿山行业在过去十多年实现了设备和流程的管理，大大提高了管理的效率和效果，然而对于矿山现场的管理仍然做不到实时或预测性管理，主要原因之一是管理者无法知晓生产现场的实际情况，决策周期较长，这是最近几年为什么矿山企业在引入数字孪生体的时候，最看重的功能就是可视化。

可视化一直是矿山行业追求的目标之一，本白皮书前面提及的澳大利亚玻璃地球，就是把矿山地质环境可视化作为目标的，因为这能加快勘探的速度，同时还能把大数据分析技术引入到各种地质环境的分析中去，大大提高勘探的效率。

图表 5 虚拟矿山的可视化效果大屏上的显示

当时的计算机技术还不够先进，主要表现为：一是建模仿真的能力比较差，对于地质环境的数字化缺乏大规模的手段；二是地质环境建模的精度不够，无法通过分析获得有价值的结果，导致矿山企业不愿意投资和应用；三是当时还缺乏云计算和人工智能，存储能力和计算能力都不够，无法实现全局和全生命周期的分析。

随着云计算、大数据和深度学习等新型技术的出现和成熟，虚拟矿山的难点已经逐一消解，建立虚拟矿山已经是可以实现的目标。据数字孪生矿山联合实验室观察，一些大型的矿山企业，纷纷建立了大屏，把生产现场的信息搬到大屏上显示，这使得管理者能够随时“看到”矿井的情况，提升了决策的质量和效果。

结合到视频监控等应用，虚拟矿山可以帮助管理者直观的看到现场，如果辅以人工智能分析技术，通过监控器提供的实时图片，在无人的情况下发现异常现象，并及时报警，让工作人员达到现场处理异常情况，避免疲劳等问题带来的隐患，大大提高矿山安全运行的能力。

1.2 实时同步的动态矿山

按照工业4.0研究院设计的数字孪生化水平来判定，实时同步的动态矿山在可视化基础上，利用物联网等技术，实现数据融合，展现有延迟或实时的数据，从而更为全面的反映物理矿山的实际情况，包括地质情况和装备系统的状态，这有助于管理者及时采取相应的措施，避免事故发生，并调整采矿的计划和进度。

这个阶段的数字孪生矿山建设重点应为数据融合，加强数据采集，丰富数字孪生模型的精度，为进一步分析和利用这些模型提供前提。由于数据更为丰富，可以在尺度和时间两个维度上深化，一方面能够实现更大尺度的分析，另一方面能够对历史数据进行分析，实现对未来运行状况的预测，满足提前预知矿山地质环境和设备系统的情况，做出更好的决策。

表格 4 数字孪生化5个等级及特点[2]

实时同步的动态矿山核心是数据，但在矿山环境下实现数据应用并不容易，因为动态变化的地质环境意味着初期只有“小数据”，这要引入新的知识和方法，例如，数字地质学就是研究其中规律的。

图表 6 澳大利亚Data61参与DARPA地下挑战赛

澳大利亚CSIRO下属Data61就在力图解决这个问题，它参与了DARPA组织的地下挑战赛，其中一个阶段的赛事就在一个废弃煤矿举办的，通过参与这样的挑战赛，积累了煤矿数据模型分析方法，Data61就能更好服务于煤矿行业数字化转型需要。

更重要的是，通过DARPA提供的数字孪生煤矿平台，不少参赛团队开发了自动化系统，这些系统具有较强的适应能力，能够对矿山的环境进行感知，并且能够根据预设任务，自主的完成相关搜索。这样的能力能够帮助参赛团队建立一套自动系统，适应一无所知的某个地下矿井，正是传统的煤矿勘探开采必然要经历的过程。

实时同步的动态矿山在矿山企业数字化转型过程中具有重要意义，这意味着实现了基本的可视化和物联网系统，能够获得矿山地质环境和设备系统的各种变化数据，从而为管理者和现场工作人员提供良好的决策支撑，实现一定程度智能化。

1.3 互操作的孪生矿山

随着矿山的数字孪生基础设施不断完善，数字孪生地质和数字孪生设备的实现越来越成熟，这为数字孪生矿山操作系统建设提供了绝佳的条件，它能够支撑实现实时的地质环境和设备监控，即满足工业级的互操作需要，这是数字孪生矿山努力的目标，它的实现，意味着少人化或无人化的矿山基本实现了，只需要部分管理和操作人员在办公室做相关操作即可。

实现互操作的孪生矿山难点比较突出，即需要满足工业级的控制水平，这不是传统的IT能够实现的，它意味着以下几点：

• 地质环境和设备系统实现了较高水平的数字孪生化，达到了安全正常生产所需要的数据精度，数字孪生矿山跟实际物理世界的矿山有较好的相似度。

• 数字孪生矿山操作系统的可靠性得到验证，不仅能够实现数字系统之间的数据机制，还可以有效传达相关控制指令，并可以根据现场反馈的情况自主判断决策，调整相关控制动作。

• 通过长期运行，基于数字孪生矿山操作系统，建立了专业化分工的开发生态，能够满足各种场景需要的数字孪生体创新应用，简单讲，这些应用应该满足“即插即用”（Plug & Play）。

数字孪生矿山联合实验室研究认为，矿山行业数字化转型是一个长期过程，不太可能在短期内达到互操作的孪生矿山阶段，根据目前数字孪生体技术演进的进度，受制于设备系统的研发创新能力，较高程度的自动化系统的研发需要较长期的打磨，预计在2030年能初步达到互操作的数字孪生矿山阶段。

[1] 来自《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书。

[2] 按照工业4.0研究院的划分，数字孪生化（Digital Twinning）分为5级，分别为DTL1-5，表示几何模型、数据描述、数据融合、动态孪生和自主孪生五个层次。

* 系列文章，未完待续。

附：数字孪生矿山白皮书

链接：http://www.innovation4.cn/library/r56681