数字孪生矿山之六：操作系统

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。

按照工业4.0研究院所提工业系统软硬件二八定律倒置[1]趋势，矿山行业数字化应用程度将越来越深入，需要管理的地质、地表和设备越来越复杂，涉及到大量的动态数据，正如《现代操作系统》一书作者塔嫰鲍姆[2]所讲，复杂计算机系统需要通过操作系统为用户提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，数字孪生矿山的应用也有类似需求。

虽然矿山跟计算机都是物理系统，但计算机系统是人造的静态系统，它的功能主要是计算，矿山涉及到勘探开采，采掘工作面会随着工作推进发生变化，需要更新工作的物理基础——地质信息，为此，我们引入了数字孪生矿山基础设施的概念，在此基础上，借鉴计算机操作系统的方法，构建一套数字孪生矿山操作系统，简化我们实现数字孪生矿山建设的复杂性。

市场上不少产品自称为“操作系统”，但大部分并未按照开放标准构建，藏有不少私有的标准协议，其他企业或开发团队无法在其上进一步开发，不具有个人电脑意义上的操作系统特征。个人电脑领域的操作系统之所以取得巨大的成功，很大程度是因为其开放架构，遵循了工业开放标准。一些工业领域曾经想借鉴个人电脑的成功模式，但迄今为止没有成功的案例。早在20世纪90年代，美国空军研究实验室尝试在工业控制系统中引入个人电脑的开放架构，提出了下一代控制器（NGC，Next Generation Controller）方案[3]，还形成了系列产品和解决方案，但没有太多供应商参与，这个事情最后不了了之。由此可见，在工业领域引入个人电脑的开放架构，具有不小的挑战。

图表 8 数字孪生矿山操作系统架构

计算机技术经过30多年的演变，摩尔定律已经使得它呈现多样化的技术种类，包括数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术，这为工业操作系统研发提供了可能。数字孪生矿山联合实验室遵循开放标准的架构体系要求，借鉴国际标准组织ISO发布的数字孪生体相关标准，设计了适合矿山领域需要的数字孪生矿山操作系统。

在数字孪生矿山基础设施之上，需要对各种计算资源进行管理，包括I/O服务、数据管理、模型服务、通信/GIS和平台服务，它们形成了操作系统内核。

数字孪生矿山操作系统内核功能如下：

• I/O服务是为了实现即插即用的外部系统接入，在保证核心系统不受影响的前提下，能够让满足一定标准的外部设备接入，扩展数字孪生矿山操作系统的服务能力；

• 数据管理模块涉及到数据的存储、提取和完整性保证的功能，这些数据来自先进传感器和物联网，通常分为结构性数据和非结构性数据两种；

• 模型服务模块实现地质、地表和设备等数字孪生模型的进一步管理和应用，避免应用程序直接跟数字孪生矿山基础设施交互；

• 通信/GIS模块主要提供通信服务和GIS空间定位服务，满足数字孪生矿山运行中所需要的通信和空间定位要求，它们需要通信和GIS设备提供信息；

• 平台服务包含数字线程（Digital Thread）调度，实现不同精度的数字孪生模型请求，满足单一数据源的应用。

在数字孪生矿山操作系统内核基础上，需要建立服务API，以便各种应用场景的适配。服务API是对操作系统内核能力的调度，应用程序通常不应该直接读取操作系统内核，以免影响其运行效率和安全性。在服务API之上，能够根据地质勘探、规划设计、矿山生产、加工处理和市场营销等矿山运行价值链需要，构建一些标准应用场景模块，实现快速适配和交付的目的。

数字孪生矿山联合实验室设计的操作系统，跟行业企业所见的应用体系不同，它是基于数字孪生矿山基础设施构建的，简单讲，通过数字孪生矿山模型的基础设施化，数字孪生矿山操作系统实现了跟数字孪生模型分离的目的，避免了数字孪生矿山模型过于复杂和动态变化的挑战，有助于数字孪生矿山模型的建设、管理和更新，推动数字孪生矿山操作系统的版本管理。

[1] 工业4.0研究院院长胡权提出，随着数字孪生体时代的到来，物理世界软硬件二八定律（即软件占比20%，硬件占比80%）将发生改变，逐步向八二比例演进，达到软件占比80%，硬件占比20%，到那个时候，数字孪生体更为重要和关键。

[2] 他联合博斯写了知名的《现代操作系统》（Modern Operating Systems）一书，对操作系统存在的意义做了很好的阐述。

[3]相关的课题为《面向开放体系架构标准的下一代控制器特性》（Next Generation Controller Specification for an Open Systems Architecture Standard），项目结果发布时间为1994年。

* 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