礦山數(shù)字孿生智能化是采礦工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，是面向采礦工業(yè)互聯(lián)互通及智能化應(yīng)用，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用，將在礦產(chǎn)開采、視頻監(jiān)控、人機交互等方面提供更加實時、智能、高效的服務(wù)。推進礦山建設(shè)與管理數(shù)字化、智能化內(nèi)涵式發(fā)展,通過研究礦山精準探測與數(shù)字礦山精確建模技術(shù)，構(gòu)建礦山可視化物理模型、可驗證的仿真模型、可表示的邏輯模型、可計算的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)物理礦山實體與數(shù)字礦山孿生體之間的虛實映射、實時交互。

在智能礦山系統(tǒng)中，礦山數(shù)據(jù)模型是實現(xiàn)礦山?jīng)Q策學(xué)習(xí)自我優(yōu)化的關(guān)鍵，同時也是數(shù)字四胞胎描述智能的另一種實現(xiàn)方式．在物理世界中的決策系統(tǒng)可以根據(jù)以往發(fā)生的事件而做出決策，即“吃一塹，長一智”，但在平行礦山數(shù)據(jù)模型構(gòu)建技術(shù)的幫助下，可以對以往的事故進行多次學(xué)習(xí)，即“吃一塹，長多智”，實現(xiàn)智慧礦山操作系統(tǒng)的快速成長．人機交互協(xié)同是礦山智能開采中的典型應(yīng)用場景，通過人機交互可以實現(xiàn)遠程控制、實時監(jiān)測、精確定位與健康預(yù)測，提高礦山全息感知、可視化運維水平和智能生產(chǎn)效率。

將“數(shù)字孿生+5G”與AI技術(shù)相結(jié)合，聚焦智慧礦山建設(shè)目標(biāo)，以智慧礦山系統(tǒng)建設(shè)、優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)為核心，基于礦山信息物理空間的數(shù)字孿生和深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建全域感知、邊緣計算、數(shù)據(jù)驅(qū)動和輔助決策的智慧礦山平臺基于數(shù)據(jù)融合的企業(yè)數(shù)字孿生礦山需要通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和感知，充分融合礦山行業(yè)工藝技術(shù)和生產(chǎn)管理知識，建立大數(shù)據(jù)和人工智能計算與服務(wù)中心,結(jié)合邊云協(xié)同計算與控制，建立礦山基于組織架構(gòu)的數(shù)字孿生礦山，并能更新實時狀態(tài),建立礦山可視化物理模型、可驗證的仿真模型、可表示的邏輯模型、可計算的數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)物理礦山實體與數(shù)字礦山孿生體之間的虛實映射、實時交互,部署相應(yīng)的生產(chǎn)管控系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)字資源的整合。

1.數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

感知層：感知層主要包括物理實體中搭載先進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類新型基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要包括保證運算準確性的高精度的數(shù)據(jù)采集、保證交互實時性的高速率數(shù)據(jù)傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數(shù)據(jù)管理。

運算層：運算層是數(shù)字孿生體的核心，其充分借助各項先進關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)對下層數(shù)據(jù)的利用，以及對上層功能的支撐。

功能層：功能層是數(shù)字變生體的直接價值體現(xiàn)，實現(xiàn)系統(tǒng)認知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預(yù)測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認知，數(shù)字孿生體能夠真實描述及呈現(xiàn)物理實體的狀態(tài)，它是實現(xiàn)數(shù)字孿生體其它高級和智能化功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析可實現(xiàn)數(shù)字孿生體的狀態(tài)監(jiān)測功能，發(fā)揮對物理實體的早期預(yù)警作用。故障診斷，通過分析物理實體的運行狀態(tài)，了解現(xiàn)象背后的原因。預(yù)測推演，是利用仿真技術(shù)來預(yù)見物理實體未來的狀態(tài)演變，從而指導(dǎo)當(dāng)前的運行決策。

應(yīng)用層：應(yīng)用層是面向各類場景的數(shù)字孿生體的最終價值體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品，能夠明顯推動各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2.數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征

等價映射：數(shù)字孿生體是對物理實體的等價描述，是對物理實體進行數(shù)字化而松建的模型數(shù)字孿生體的變化能夠真實反映現(xiàn)實世界中的物理實體的變化。數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互，起到“數(shù)化”、“保真”效果。

實時交互：基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等?！皩崟r”體現(xiàn)數(shù)字孿生體所處狀態(tài)是物理實體狀態(tài)的實時虛擬映射;“交互”體現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實體間存在數(shù)據(jù)及指令互動。

共生演進：“共生”體現(xiàn)在數(shù)字孿生體與物理實體同步構(gòu)建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著孿生對象的生長而不斷演變。共智體現(xiàn)在三個層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數(shù)據(jù)、算法)、孿生體內(nèi)部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。

預(yù)測優(yōu)化：根據(jù)物理實體的各項真實數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生體進行仿真，實現(xiàn)對物理實體未來狀態(tài)的預(yù)測，預(yù)先知曉未來狀態(tài)能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據(jù)物理實體的實時運行狀態(tài)，通過數(shù)字孿生體進行監(jiān)測，實現(xiàn)對系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預(yù)測，預(yù)先覺察即將可能發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，使用戶更從容地處理該問題。

建立數(shù)字孿生體的最終目的，是通過描述物理實體集合內(nèi)在機理，分析規(guī)律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實現(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據(jù)數(shù)字孿生的典型特征，可以得出數(shù)字孿生的體系架構(gòu)。

3.智慧礦山實景三維動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）轉(zhuǎn)型布局規(guī)劃

我國礦山行業(yè)尚處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的初期階段，在總體布局、標(biāo)準制定、技術(shù)能力、產(chǎn)業(yè)政策等方面相較于水利、交通、電力等行業(yè)相對滯后。

作為云計算、XR、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等核心技術(shù)載體，數(shù)字孿生可充分發(fā)揮紐帶作用，將業(yè)務(wù)應(yīng)用與各項技術(shù)有機融合。

比如，在典型的露天礦、井工礦兩大應(yīng)用場景中，數(shù)字孿生技術(shù)可將開采區(qū)、加工區(qū)、廊道區(qū)、儲存區(qū)、運輸區(qū)五大細分應(yīng)用場景進行還原，并與礦山業(yè)務(wù)系統(tǒng)相融合，搭建流程貫通、業(yè)務(wù)融合、場景監(jiān)控等多維智控一體的數(shù)字化礦山管理平臺。 該管理平臺，可搭建完整的智慧礦山頂層架構(gòu)，打造轉(zhuǎn)型藍圖規(guī)劃“一張圖”，幫助礦企以體系化、系統(tǒng)化的思維和視角，從頂層設(shè)計層面出發(fā)，加快信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè)。 

（2）提升設(shè)備效率，加速礦山無人化

當(dāng)前，我國礦山裝備尤其是核心裝備自動化程度低，信息化系統(tǒng)建設(shè)普遍相對滯后，專業(yè)型人才流失嚴重。再加上，早期建設(shè)缺乏整體規(guī)劃，導(dǎo)致系統(tǒng)功能單一、各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不互通、業(yè)務(wù)綜合利用率低。

基于礦山數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景，數(shù)字孿生技術(shù)可以完成對于設(shè)備的實時監(jiān)控、人員的遠程指導(dǎo)、故障的提前定位、多系統(tǒng)的復(fù)合管理，將核心裝備的應(yīng)用效率開發(fā)到最大化，加速推動礦山無人化。

（3）業(yè)務(wù)整合

傳統(tǒng)的礦山信息化系統(tǒng)煙囪式部署，跨組織協(xié)同存在壁壘。一方面，出于歷史原因，大多數(shù)礦山IT建設(shè)缺乏歸一管理，面對需求迥異且開發(fā)時間不一的內(nèi)容時，往往多系統(tǒng)并行；另一方面，礦山領(lǐng)域涉及到地質(zhì)水文、采選設(shè)計及生產(chǎn)、礦井環(huán)境監(jiān)測等復(fù)雜多變的信息內(nèi)容，各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互獨立，在應(yīng)用層面存在天然的隔離。

基于核心產(chǎn)品數(shù)字孿生開發(fā)的應(yīng)用，可實現(xiàn)多業(yè)態(tài)模塊的有機融合，連通多業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采礦到運輸?shù)牧魍?，以及對于沉寂?shù)據(jù)的高效利用。

（4）協(xié)同管理

在開發(fā)模式上，將業(yè)務(wù)的開發(fā)變成簡單的“拖、拉、拽”交互形式，同時滿足各個業(yè)務(wù)模塊的協(xié)同開發(fā)。

除了協(xié)同管理外，不少用戶備受數(shù)據(jù)源融合困擾。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)融合功能，支持來自物理實體、虛擬模型、人工建模、現(xiàn)場勘測、AI重建等多種數(shù)據(jù)源。 

（5）仿真推演

基于仿真數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還可進行如偏坡監(jiān)測、電子圍欄、微震仿真、應(yīng)力變化等相應(yīng)的仿真推演，并以插件形式提供給客戶，滿足于礦山領(lǐng)域的多樣化需求。

（6）數(shù)字資產(chǎn)

傳統(tǒng)礦企資源管理體系存在資源、資產(chǎn)估算“不精確”以及信息交換“低效率”等問題。而數(shù)字資產(chǎn)，是未來企業(yè)的核心價值。

融合礦山開采資源管理全過程所用到的系統(tǒng)，包括生產(chǎn)勘探、地質(zhì)圈定、采礦設(shè)計、計劃管理、工程實施、質(zhì)量驗收等環(huán)節(jié)，通過數(shù)字化建模生產(chǎn)勘探成果、地質(zhì)圈定資料、采礦設(shè)計參數(shù)、采場出礦數(shù)據(jù)、采場資源核銷、資源儲量核實報告等形成礦山特有的數(shù)字資產(chǎn)，為礦企構(gòu)建一個數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺，方便各個環(huán)節(jié)設(shè)備、人員等資源盤點、利用。 

（7）管理模式升級

礦山的管理水平關(guān)乎著整個企業(yè)的發(fā)展和未來。長期以來礦山企業(yè)生產(chǎn)管理粗放，原因有二：一是礦山開采存在復(fù)雜性、多變性、困難性、高危性等特性；二是礦山先進技術(shù)更新和信息化技術(shù)應(yīng)用較其它行業(yè)相對滯后。

“小到一粒石子，大到一座礦山”，都能在數(shù)字世界中能夠找到對應(yīng)分身。這些數(shù)字分身，不僅同步感知實現(xiàn)世界、實時反饋虛擬世界決策規(guī)劃，還能反向引導(dǎo)真實世界，由此推動礦山在審批-勘探-規(guī)劃-采掘-傳送-檢測-加工-運輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)實現(xiàn)精細化管理。 

• 規(guī)劃階段：可實現(xiàn)對礦山開采的可視化規(guī)劃，便于工程師進行最佳開采設(shè)計和資源高效利用。

• 采掘作業(yè)階段：實時監(jiān)測作業(yè)質(zhì)量和進度，異常狀況自動及時報警，提供強有力的安全保障。

• 傳送、檢測階段：通過數(shù)字孿生平臺對設(shè)備進行遠程監(jiān)控和診斷，保障生產(chǎn)過程的安全性。

• 加工階段：將物料流轉(zhuǎn)、加工過程全部數(shù)字化，精確控制并優(yōu)化生產(chǎn)過程，從而提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

• 運輸階段：全面感知并實時監(jiān)控車輛、道路等，了解裝車進度，優(yōu)化暢通運輸流程，提升運輸效率。