1、数字孪生矿山白皮书围绕安全高效推进矿山行业数字化转型数字孪生矿山联合实验室北京华电力拓新能源科技有限公司工业 4 4.0.0 研究院共同发布2021 年 11 月 30 日数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年II摘 要矿山行业的数字化可以追溯到 1999 年，当时举办的首届国际数字地球大会提出了“数字矿山”（Digital Mine）的概念，由此掀起了长达 20 年的数字化探索，期间出现了虚拟矿山、无人矿山和智能化矿山等概念。随着数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术的引入，数字矿山开始向“数字孪生矿山”（Digital Twin Mine）演进。为了推动矿山

2、行业数字化转型， 北京华电力拓新能源科技有限公司 （简称 “华电力拓”）联合工业 4.0 研究院，共同建立“数字孪生矿山联合实验室” （DTML，Digital Twin Mine Laboratory），基于实地调研和标杆分析成果，撰写和发布数字孪生矿山白皮书（简称“白皮书”），分析了数字孪生矿山关键核心技术和演进策略，设计了华电力拓数字生态。按照本白皮书定义， “数字孪生矿山是矿山企业基于数字孪生体的数字化转型方法，通过地质、地表和设备的数字孪生化，让处于安全环境的人进入数字孪生矿山闭环中，逐步达到可视化、实时同步和互操作的运行水平，实现矿山行业少人化或无人化的经营目标。”基于开放标准的数

3、字孪生矿山架构体系， 本白皮书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个阶段的数字孪生矿山演进路径， 体现了数字孪生体技术在全局和全生命周期可持续改进的核心价值。针对矿山行业突出的安全和效率的痛点， 本白皮书提出引入新一代人工智能，既包括深度学习的人体姿态识别提高安全监控水平，还强调利用云边协同能力，建立基于数字孪生基础设施的大数据分析能力，充分释放矿山人工智能的潜力。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年III华电力拓作为国有企业华电煤业集团有限公司的全资子公司， 把承担国家数字孪生创新计划作为己任， 力求突破我国数字化转型的关键核心技术， 通过数字孪生

4、矿山联合实验室的建设，不但能够为矿山行业探索出一条数字化转型道路，还能加速数字孪生体技术的成熟，为我国数字孪生体产业发展做出应有之贡献。本白皮书的撰写和发布， 体现了华电力拓敢想敢干的作风， 勇于承担我国数字化转型过程中的难点和痛点， 与工业 4.0 研究院共同探索数字孪生矿山的建设，充分发挥华电力拓场景和工业 4.0 研究院技术上的优势， 践行我国社会主义市场经济新发展理念，为我国开拓新发展格局做出贡献。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年IV关键词数字矿山、数字孪生矿山、虚拟矿山、动态矿山、孪生矿山、数字孪生+、数字孪生基础设施、智能化矿山、数字孪生操作系统、数字经济、数

5、字化转型、数字生态KeywordsDigital Mine， Digital Twin Mine, Virtual Mine， Dynamic Mine, Twin Mine，Digital Twin+, Digital Twin Infrastructure, Intelligent Mine, DigitalTwin Operating System，Digital Economy, Digital Transformation, DigitalEcosystem数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年V数字孪生矿山联合实验室在第四次工业革命肇始之际， 矿山行业面临挑战和机遇

6、， 通过引入数字孪生体、 人工智能、 数据科学和物联网等新一代数字技术， 促使 “数字孪生矿山” （DTM，Digital Twin Mine）成为矿山行业数字化转型的抓手，提高矿山企业安全高效的水平。作为华电煤业集团有限公司下属全资子公司， 北京华电力拓新能源科技有限公司把握新发展阶段，深入贯彻新发展理念，加快构建新发展格局，与工业 4.0研究院达成战略合作协议，共同建设数字孪生矿山联合实验室（以下简称“实验室”）。以突破新一代数字技术关键核心技术为己任， 实验室将通过试点矿山的数字化建设，开发数字孪生矿山操作系统，探索和攻克数字孪生矿山关键技术应用，力求成为我国数字孪生矿山应用的典范， 并

7、通过数字生态， 赋能我国矿山行业高质量发展。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年VI编著单位简要介绍北京华电力拓新能源科技有限公司作为华电煤业集团有限公司全资子公司，北京华电力拓能源科技有限公司（以下简称“华电力拓”）成立于 2015 年 11 月，注册资本 5000 万元。华电力拓注重储备专业人才， 建立专业服务于煤矿智能化、 绿色矿山、 安全生产的队伍，进行集中管理和维护，以降低煤矿生产维护成本，提高专业化程度。目前专注数字化煤矿建设，包括绿色开采、5G 通讯、煤矿设备控制、自动化、传感等解决方案提供。工业 4 4.0.0 研究院作为面向第四次工业革命的独立研究机构， 工

8、业 4.0 研究院以 DARPA 和兰德智库为标杆对象， 建立了基于通用目的技术的颠覆性创新体系， 提出了包含人工智能、数据科学、数字孪生体和物联网等的新一代数字技术，并发起了全球第一家数字孪生体联盟。长期参与国家发改委、工信部等部委政策编制和建议；帮助歌尔股份、欣旺达、国投招商等知名企业实现数字化转型。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年VII目 录引言 打造安全高效的数字孪生矿山.1 11 1数字化驱动下的矿山.4 41.1“数字矿山”起源及发展.41.2“十四五”时期的数字孪生矿山.82 2数字孪生矿山概念及体系.13133 3数字孪生矿山演进策略.17173.1可视化

9、的虚拟矿山.183.2实时同步的动态矿山.203.3互操作的孪生矿山.224 4数字孪生矿山基础设施.24244.1地质、地表及设备数字孪生化.244.2建设单一数据源的基础设施.305 5数字孪生矿山关键技术.35355.1数字孪生矿山操作系统.355.2先进传感器和物联网.385.3机器人及无人矿车.425.4数字孪生矿山开源社区.456 6AIAI 释放数字孪生矿山价值.48486.1基于开放架构的人工智能.486.2引入深度学习监控安全生产.527 7建设华电力拓数字生态.55557.1数字孪生矿山联合实验室.557.2虚实结合的创新模式.577.3揭榜挂帅激发内外创新活力.59附录

10、1 1 关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知.6161数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年VIII附录 2 2 煤炭工业“十四五”安全高效煤矿建设指导意见.6868图表 1 澳大利亚玻璃地球三维可视化 Web 应用.5图表 2 煤矿开采过程中的虚拟建模应用.6图表 3 CSIRO 启动的六大未来科学平台.7图表 4 数字孪生矿山参考架构.14图表 5 虚拟矿山的可视化效果大屏上的显示.19图表 6 澳大利亚 Data61 参与 DARPA 地下挑战赛.21图表 7 地质相关系统数字孪生基础设施.31图表 8 数字孪生矿山操作系统架构.37图表 9 无人驾驶的运行原理和数据

11、机制.44图表 10 基于开源社区的数字孪生城市.46图表 11 智能煤矿分类分级评价指标体系.49图表 12 基于 OpenPose 的人体姿态识别.53图表 13 华电力拓数字孪生矿山联合实验室筹备会.56图表 14 DARPA 地下挑战赛虚拟赛道.58表格 1 全球数字矿山部分解决方案厂商情况.9表格 2 数字孪生矿山参考架构层级特点.14表格 3 数字孪生矿山的演进路径.17表格 4 数字孪生化 5 个等级及特点.20表格 5 地质、地表和机电模型数字孪生化.25表格 6 基于动态数据更新的数字孪生地质体系.27表格 7 基于国家标准的矿山数据类型.32表格 8 先进传感器和物联网技术

12、特点及应用.39表格 9 矿山机器人分类及产品举例.43表格 10 开采环境生产系统相互影响关系.50表格 11 虚实结合的数字孪生矿山创新模式.58数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年1引言 打造安全高效的数字孪生矿山在中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要 （简称“十四五”规划）中，对构建现代能源体系提出了“清洁低碳、安全高效”的要求。2021 年 11 月 24 日，中国煤炭工业协会发布煤炭工业“十四五”安全高效煤矿建设指导意见（征求意见稿）（简称“指导意见”），对煤炭行业在“十四五”时期的发展提出了基本要求。安全高效是矿山行业发展

13、的基础， 加快推动安全高效矿山建设， 是深入贯彻国家能源安全新战略的重要举措。 正如中国煤炭工业协会指导意见所讲， 我国科技支撑煤炭行业发展的作用仍然不足， 一是企业自主创新动力不足， 二是核心技术创新有待突破，三是高端装备依然存在短板。对于以上问题的解决办法，还是应围绕“三新”做文章，即：准确把握新发展阶段，深入贯彻新发展理念，加快构建新发展格局。 “十四五”规划明确指出，“充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深入融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，壮大经济发展新引领。”矿山行业是一个传统的领域，我国矿山占全球的比例较高，规模较大，以煤炭工业的情况来看，

14、 中国人民大学国际能源战略研究中心发布的 能源企业全球竞争力报告（2018）1显示，在世界煤炭企业前 30 强中，中国企业占据了 20个， 排名第二的美国上榜企业数量为 4 个。 中国企业在数量上远远超过其他国家，1该报告在 2019 年发布，是最新版的报告，相关数据是目前最新的数据。由于新冠疫情影响，2019 年版报告未发布。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年2但在效率方面低于平均水平， 在所有入榜的中国企业中， 仅有两家企业的效率得分高于上榜企业平均水平，这反映了中国企业低效运营的普遍特征。据数字孪生矿山联合实验室调研， 国内大部分矿山企业在研发上的投入较低，对于新一代

15、数字技术的引入较为谨慎。按照能源企业全球竞争力报告（2018） 对研发维度子指标来看，世界煤炭总榜 500 强的研发强度为 0.98%，部分原因是煤炭工业产、运、销、用体系相对成熟，同时也反映了部分企业研发动力不足的问题。随着第四次工业革命的到来， 传统矿山行业迎来了新的发展机会， 各个国家纷纷投入资源，加快数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术的引入，提升矿产资源发现、开掘和经营等方面的创新能力，保证实现安全高效的经营目标。2016 年，澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO，Commonwealth Scientificand Industrial Research Org

16、anization）延续 20 年前的“玻璃地球”2相关工作，启动了“深度地球成像”（Deep Earth Imaging）未来科学平台，针对矿山、能源和水资源开展研究工作，主题包括建模仿真、知识集成、不确定性降低和大规模计算等四个主题。2021 年 2 月，CSIRO 和下属 Data61 联合发布了空间驱动的数字孪生体框架，要求建立矿山的数字孪生体。数字孪生体作为第四次工业革命的通用目的技术， 在矿山行业数字化转型中具有重要的价值。部分领先的传统矿山企业 20 年前就引入了建模仿真和虚拟现实等技术，以更好呈现矿山复杂的生产环境，但囿于当时的技术成本高、计算能力较弱等原因，应用效果并不明显，

17、考虑到成本效益，这些技术并未广泛接受和2这是 1998 年美国前总统戈尔提出“数字地球”之后出现的各种数字地球项目，玻璃地球为澳大利亚提出的一个研究项目，涉及到建立数值模型和虚拟现实模型。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年3部署。随着新一代数字技术的出现，特别是数字孪生体技术具有开放架构，跟机器学习、 云计算和大数据等较容易集成， 为解决矿山生产运行的安全挑战提供了新工具，同时结合到现代化管理方法，形成了精准的数字管理体系。数字孪生体作为诞生近 10 年时间的新型技术，在国防和航空航天领域已有较为广泛的应用， 但在矿山领域的应用不过一两年时间， 缺乏成熟的解决方案和典型示范

18、，亟需相关机构攻克一些关键技术，以实现数字孪生体产业化应用，这对推动我国数字孪生创新计划落地实施意义重大。通过引入“数字孪生矿山”概念体系，聚焦“数字化”发展主线，主攻数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术应用，加强跟矿山领域的数字化转型结合起来， 瞄准矿山行业安全高效的痛点， 探索我国传统实体产业的数字孪生体应用场景， 磨砺我国自主技术的创新能力， 打造适合我国数字经济发展的数字生态。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年41 1 数字化驱动下的矿山1.11.1“ “数字矿山数字矿山” ”起源及发展起源及发展在 20 世纪末，在互联网逐步深入人心的背景下，人们

19、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

20、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。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年5图表 1 澳大利亚玻璃地球三维可视化 Web 应用澳大利亚 CSIRO3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

21、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。3请参考引言中的介绍。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年6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

22、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。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年72010 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

23、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

24、须引入新型技术来达到这样的目标。全球产业基金数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年8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。1.21.2“ “十四五十四五” ”时期的数字孪生矿山时期的数字孪生矿山数字孪生体作为第四次

25、工业革命的通用目的技术，自 2009 年提出之后发展了十多年， 它在国防和航空航天领域的杰出表现， 吸引了各大企业纷纷采用该技术来推动数字化转型。 由于实体经济企业涉及到物理场景和设备， 数字孪生体横跨物理世界和数字空间， 其开放架构能够融合人工智能和大数据等新型技术， 具有广泛的应用前景，被称为推动国民经济持续增长的动能之一。我国非常重视新型技术在推动企业高质量发展中的作用， 国家发改委和中央网信办于 2020 年 4 月发布了 关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案，提出了“数字孪生创新计划”4；国资委在 8 月份发布了关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知，多处强调数字孪

26、生体技术的应用。从全球领先的数字矿山解决方案提供商来看， 布局和引入数字孪生体技术已成为共识，最近几年产业基金和工业软件企业纷纷布局数字孪生矿山解决方案，例如加拿大产业基金 Vela Software、瑞典海克斯康和法国达索系统等，它们长4工业 4.0 研究院参与了国家发改委的数字孪生体专题研究，并支撑起草了“数字孪生创新计划“。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年9期侵淫工业软件多年， 对其发展趋势有深刻理解， 在矿山软件开始往数字孪生化转变的时候， 悄然在市场上寻找猎物， 把一些具有特色的数字矿山软件收入囊中。表格 1 全球数字矿山部分解决方案厂商情况编号企业国家方案近期

27、动态说明1达索系统法国地质与矿山规划软件利用数字孪生体升级机遇，不断开展并购活动提出矿业数字化2BentleySystems美国提供 MineCycle矿山解决方案包，包含多个功能模块无主要提供矿山规划管理软件3海克斯康瑞典通过 HexagonMining 提供地质与矿山解决方案先后收购 LeicaGeosystemsMining、SAFEmine、Guardvant、Blast MovementTechnologies2015 年专门设立HexagonMining 事业部， 主攻数字矿山4Maptek澳大利亚Vulcan 三维矿业软件据称在大型矿山软件中占有率为第一在 3D 建模领域较为领先

28、5RPMGlobal澳大利亚提供矿山建模仿真、 规划和管理等无具有咨询能力数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年10软件服务6Minemax澳大利亚提供 Scheduler和 Tempo 等矿山解决方案2020 年被 VelaSoftware 收购VelaSoftware 是一家加拿大公司， 专门收购工业软件7Datamine英国全生命周期的矿山解决方案加强跟传感器公司等的战略联合发展无8Minesight美国MineSight 3D 解决方案已经被 Hexagon收购了已经被收购9Surpac澳大利亚提升矿业效益和生产效率Gemcom 曾收购了该公司，后来跟着 Gemcom

29、被达索收购了已经被收购10Gemcom加拿大地质建模和仿真公司2012 年 5 月 14日，被达索收购了已经被收购正如本白皮书在数字矿山起源中所讲，20 年前开启的数字矿山，虽然开始利用计算机辅助设计和显示能力， 但大部分停留在国家研究实验室中， 即便在一些矿山得到应用， 也未形成体系性的解决方案， 对矿山管理者和工人的价值不突数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年11出，经过五六年的探索之后，缺少了政府相关资源及资金支持，相关项目通常落得销声匿迹的结果。早在 20 年前，我国针对矿山领域也开展了三维建模仿真的研究，部分技术还进行了产业转化， 但由于行业需求不明显， 全国矿山领

30、域的信息化工作还未完成，把工业软件应用到生产现场不是矿山行业急迫的需求，这使得这些“先进技术”没有用武之地，商业模式也无法建立起来。中国人民大学国际能源战略研究中心最近几年发布的 能源企业全球竞争力报告，相关数据显示我国能源企业（包括煤矿企业）规模已经是全球第一，目前处于提高经营绩效的关键阶段， 率先引入新一代数字技术成为推动这些企业引领行业发展的必然选择。随着数字孪生体关键技术的突破， 更低成本更好效果的数字孪生矿山解决方案应运而生， 虽然传统三维建模仿真在数字孪生矿山解决方案中比较重要， 但市场上存在大量的开源项目， 能大幅降低研发数字孪生矿山软件的难度和成本。 在这次数字孪生矿山发展机遇

31、中， 传统工业软件巨头并不占先发优势， 它们庞大的官僚体系反而成为拖累，我国企业通过采纳新发展理念，跨越传统解决方案，直接面向下一代数字孪生矿山需求开展研发工作， 能够在第四次工业革命浪潮中脱颖而出。对于全球产业基金和工业软件巨头布局和抢夺数字孪生矿山解决方案市场的举动，我国相关部门及企业应主动作为，特别是经营矿山的国有企业，应借助这一轮数字化转型浪潮带来的机遇， 利用自己的矿山开展探索。 大部分国有企业设有技术服务子公司，应提供先进技术的应用场景，磨砺解决方案服务能力，帮助其技术子公司成长为数字经济的龙头企业。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年12数字孪生矿山白皮书数字孪

32、生矿山联合实验室，2021 年132 2 数字孪生矿山概念及体系数字孪生体作为数据驱动体系的单一数据源， 成为国防和航空航天领域数字化转型中最突出的价值，美国国防部把数字孪生体称之为“可信源”5，展现了“数字孪生+”在各行业应用的基本共识。全球各行各业积极引入数字孪生体技术，通过“数字孪生+”在基础设施层面实现数据统一，避免将来的 IT 系统和平台烟囱化（指不能互联互通），具有重要的战略意义。全球矿山行业正在悄然兴起新的数字革命， 国内矿山企业鲜有关注到数字孪生体的价值， 主动引入到矿山领域更是稀少。 华电力拓和工业 4.0 研究院在 2021年上半年确定共建“数字孪生矿山联合实验室”，把探索

33、数字孪生矿山关键核心技术作为实验室运行的重点。数字孪生矿山联合实验室经过调研和分析， 对全球领先的数字矿山解决方案进行了梳理， 召开了多次数字孪生矿山研讨会， 跟国内外数字孪生体技术供应商做了交流探讨，确定了数字孪生矿山的定义和内涵。数字孪生矿山的定义如下：数字孪生矿山是矿山企业基于数字孪生体的数字化转型方法， 通过地质、 地表和设备的数字孪生化， 让处于安全环境的人进入数字孪生矿山闭环中， 逐步达到可视化、 实时同步和互操作的运行水平， 实现矿山行业少人化或无人化的经营目标。5在美国国防部数字工程体系中，数字孪生体作为可信源（ASoT，Authoritative Source of Trut

34、h），能够避免各个系统私有标准的出现，能够从源头上避免未来的集成壁垒。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年14图表 4 数字孪生矿山参考架构跟其他以高度集成为目的的技术不同， 数字孪生体具有开放架构， 能够有效实现数据交换、流动和分享的目的。在矿山领域引入数字孪生体，因为它能够有效容纳人工智能、 大数据和物联网等技术， 为矿山企业数字化转型提供有效的支撑。基于工业 4.0 研究院数字孪生体工程原则， 数字孪生矿山实验室设计了四层的“数字孪生矿山参考架构”，包括地质环境、地表设施和设备系统数字孪生化形成的数字孪生基础设施，以及数字孪生矿山操作系统、生产工作人员在环（Worker

35、s in Loop）和数字孪生体应用。表格 2 数字孪生矿山参考架构层级特点编号架构层级技术特点说明1数字孪生体应用根据应用场景要求，获取相关数据，设计相关应用数字孪生矿山创新应用2生产工作人员在生产工作人员进入数字孪生数字孪生矿山运行数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年15环矿山体系中，通过数字装备开展安全生产的关键3数字孪生矿山操作系统对数字孪生地质和数字孪生装备等资源进行管理和控制数字孪生矿山体系中的核心4数字孪生基础设施实现地质环境、地表设施和装备系统的数字孪生化数字孪生矿山体系的基础类似美国国防部可信源的作用， 数字孪生基础设施成为地质环境、 地表设施和设备系统数据

36、的源头，通过把它基础设施化，能够加强其专业化运行，不断提高各种数据精度， 便于其他系统获取可信的数据， 实现数据驱动的矿山运行体系。数字孪生基础设施的各种资源要正常运行， 需要数字孪生矿山操作系统来调度和管理， 这类似个人电脑或手机上的操作系统， 它是数字孪生矿山高效运行的核心，诸如能耗情况、设备管理效率和工作安全等功能，都是数字孪生矿山操作系统的核心模块， 可以根据研发的进度无缝升级， 展现了数字孪生体不断改进的优势。在达到数字孪生矿山较高水平的时候， 人仍然是不可或缺的， 为了保障矿山勘探开采的安全，他们可以通过远程监控的方式，这能大大降低生产的风险，同时还具有更高的创新空间。不仅如此，

37、空闲出来的人员除了掌握数字管理能力， 部分人员还可以学习数字开发技术，结合到运行场景需要，开发各种各样的应用。通过基于数字孪生体开放架构的数据驱动应用， 矿山运行将达到较高的自动化水平， 能够实现生产现场少人化或无人化，成为安全高效、高质量发展的矿山企业。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年16数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年173 3 数字孪生矿山演进策略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

38、进的交通工具提供更好的条件。随着对矿山资源的数字孪生化6，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。表格 3 数字孪生矿山的演进路径数字孪生矿山第一阶段第二阶段第三阶段虚拟矿山动态矿山孪生矿山实现（预测）2023 年2025 年2030 年主要特征可视化实时同步互操作基础设施地质环境和设备系统实现第 1 级数字孪生化地质环境和设备系统实现第 2-3 级数字孪生化地质环境和设备系统实现第 4-5 级数字孪生化操作系统能够对数字孪生地质和数字孪生设备进行管理能够对数字孪生地质更新，实现对数字孪生设备的优化能够对数字孪生地质实

39、时同步，实现对数字孪生设备的6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。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年18管理调配和（远程）操作创新应用勘 探 开 采 的 可 视化、预测性维护能够实现亚实时或实时的安全控制，对设备实时监控并执行关键指令能够实现实时的地质 环 境 和 设 备 监控，满足资源调配和控制的需要3.13.1可视化的虚拟矿山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

40、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事情， 决策周期较长， 这也是为什么最近几年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， 大大提高了勘探的效率。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年19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

41、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， 能够在无人的

42、情况下及时发现异常现象，并及时报警，让工作人员达到现场处理异常情况，这可以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。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年203.23.2实时同步的动态矿山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

43、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7DTL 等级特点精度简要介绍DTL1几何模型形似，不一而足分为部件、子系统、系统和系统之系统多个层次的几何模型DTL2数据描述传统仿真领域包括材料、物理等数据描述，涉及到多物理、多学科特点，还有降阶模型技术等DTL3数据融合神似，限于静态主要涉及到多尺度场景的数据融合，例如 GIS 和 BIM 技术的融合7来自

44、数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术一书。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年21DTL4动态孪生神似，除了静态，还具有动态特征指 建 造 （ as-built ） 、 运 行（as-operated）特征等DTL5自主孪生难分真假指根据各种环境变化需要， 可自行进行 DTL1-4 的过程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

45、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， 通过参与这样的数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年22挑战赛，积累了煤矿数据模型分析方法，Data61 就可以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， 这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

46、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。3.33.3互操作的孪生矿山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

47、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：数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年23 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）

48、。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 年能初步达到数字孪生矿山的阶段。数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年244 4 数字孪生矿山基础设施矿山勘探开采是一个系统工程， 对采掘工作面的地质条件进行数字孪生化是实现少人化或无人化开采的基础和前提。 传统的地质探测技术以三维地震技术为主， 辅助引入一些地质动态解释等技术， 然而这样的方式并不能保障自动化矿山运行， 其主要瓶颈在于构建

49、的数字地质精度不够， 这使得引入数字孪生体技术成为一种必要的选择。为了弥补传统地震勘探开采过程中采掘工作面情况变化的挑战， 采用地质动态解释技术，而不是数学建模方式，能够大大减轻计算量，使得该技术方法具有一定的可行性。随着数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术的发展，发挥数字孪生体开放架构特点，能够高效的实现三维地质动态建模，这是我国“十四五”时期智能化矿山发展的重要方向。结合到工业 4.0 研究院对数字孪生化水平定义， 并应用数字孪生基础设施思路，在矿山行业数字化转型中引入数字孪生体技术，力求以低成本的方式，围绕安全高效目标打造数字孪生矿山。特别通过对地质模型进行分类和分精度

50、建设，实现可持续改进的动态更新，推进矿山数字孪生化进程，采用“基础设施化”的手段， 在地理信息系统基础上实现数字孪生矿山基础设施， 真正起到驱动矿山企业数字化转型之目的。4.14.1地质、地表及设备数字孪生化地质、地表及设备数字孪生化一般情况下，矿山模型可以分为地质模型、地表模型、机电模型和其他模型等四大类， 正如前文所讲， 建立矿山模型是实现少人化或无人化勘探开采的基本数字孪生矿山白皮书数字孪生矿山联合实验室，2021 年25条件， 特别是地质模型存在动态变化的情况， 涉及到开采人员的安全以及开采目的的实现， 要求一定的精度和实时性， 这需要引入新型技术来实现地质模型动态建模的目标。通过引入