数字孪生矿山之一：数字矿山起源

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。

在20世纪末，在互联网逐步深入人心的背景下，人们期盼相关技术能应用到实体经济领域，由此掀起了一股数字经济浪潮。1998年，美国商务部发布了《即将出现的数字经济》，同年美国副总统阿尔·戈尔在加利福尼亚科学中心的演讲中提出“数字地球”(Digital Earth)的概念，迅速引起了全世界的关注，各个国家纷纷借此筹建了各种研究组织和开展了相关行动计划。

我国当时及时跟进了数字地球进展，中国科学院于1999年举办了首届国际数字地球大会，包含20多个主题，其中就有“数字矿山”（Digital Mine）。2006年，中科院联合国际同行设立国际数字地球学会，同年成立了中国国家委员会，迄今设立了数字减灾、数字遗产、数字山地、数字农业、成像光谱对地观测、微波对地观测、激光雷达、虚拟地理环境、空间信息产业化等9个专业委员会，其中数字山地跟矿山有一定关联。

由于矿山行业属于劳动密集型工作，研发投入一直比较少，当时我国主要以降低生产经营成本为目标，并未把高质量发展作为重点，相关研究机构并未针对矿山行业开展针对性研究。相比之下，发达工业强国矿山行业进入精细化发展阶段，特别是一些矿产资源发达的国家积极引入新技术。

图表 1 澳大利亚玻璃地球三维可视化Web应用

澳大利亚CSIRO矿产资源开发与煤炭行业专委会启动了“玻璃地球”研究项目，在2000-2003年提供持续的资助，当时要解决的一个关键技术就是“三维可视化”（ Three-Dimensional Visualization），他们认为提高安全防护的关键之一是可视化，同时在可视化应用过程中，还有助于发现传统技术发现不了的矿山资源。

图表 2 煤矿开采过程中的虚拟建模应用

三维可视化工作由矿山地理科学组和计算地理科学组负责，按照资料介绍，这样的工作具有以下好处：

• 可以利用有效的信息通信降低勘探和开发中的风险；

• 加强对复杂地理系统的理解；

• 更快和更有效利用计算资源；

• 实现不同软件系统之间的互操作能力。

为矿山勘探和开采只是提供三维可视化图景，除了能够直观的展现矿山的结构之外，价值并不大，当时澳大利亚玻璃地球项目组认识到这一点后，加强了数值计算仿真的能力建设，以求更为精准的实现数字矿山应用。相关报告显示，玻璃地球项目基本达成预定目标，并且孵化了数字矿山创新技术，为澳大利亚本土企业参与全球数字矿山方案提供奠定了基础。

2010年左右的时候，ImageNet在图像识别上的突破给深度学习方法带来了新的突破，开启了人工智能新的发展阶段。在此期间，数字孪生体、大数据等从出现到逐步被接受，逐步形成了新一代数字技术的核心地位，考虑在矿山领域引入这些技术，成为研究机构新的机会。

图表 3 CSIRO启动的六大未来科学平台

澳大利亚CSIRO在2016年延续玻璃地球相关工作，启动了“深度地球成像”未来科学平台，开展矿山及能源等的建模仿真、知识集成、不确定降低和大规模计算等研究工作，并引入了数字孪生体技术，在开展了一段时间研究之后，CSIRO和下属Data61联合发布了《空间驱动的数字孪生体框架》，称数字孪生地质为澳大利亚新一代数字基础设施，是推动其矿山行业迈向新发展阶段的重要途径。

随着全球能源革命的到来，对碳排放提出了新的要求，这直接影响到矿山行业的发展，特别是煤矿工业的发展，一方面要求提高燃烧效率，另一方面要求勘探开采更安全、更环保，这必须引入新型技术来达到这样的目标。全球产业基金及工业软件巨头闻声而动，过去10年开展了系列并购活动，显示了新一代数字技术在满足矿山行业数字化转型具有巨大潜力。

时至今日，传统的数字矿山等概念不足以体现新一代数字技术应用的趋势，矿山行业亟需引入更大尺度和更精细的三维可视化模型，这正是数字孪生体等技术可以满足的需求，加上人工智能和数据科学的融合，能够推动矿山行业向真正的智能化方向转变，实现少人甚至于无人的勘探开采作业，达到安全高效的运行目标。

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附：数字孪生矿山白皮书

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