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摘要 ：近年来，数字孪生技术发展迅速，被广泛用于 工业生产，可在虚拟空间中模拟事物的真实形态，在矿业 数字化转型中具有较高的应用价值。本文将介绍数字孪生 技术相关概念，并结合矿业数字化转型发展需要，探究将 数字孪生技术用于矿业数字化转型的方式。同时，深入发 掘数字孪生技术的应用价值，提升矿业信息化建设水平， 加快发展速度。
数字孪生技术受到各行业的重视，已成为推动不同行 业数字化转型的主要动力， 合理应用数字孪生技术为行业 创造更多发展机遇。因此，矿业在数字化转型中也应重视 数字孪生技术的应用，学习技术相关概念，借鉴国内外矿 业应用该技术的成功案例，明确矿山数字化转型需要，积 极探索在矿山发展中应用该技术的方式。
1 数字孪生技术介绍
1.1 技术原理
数字孪生也被称为双胞胎或数字化映射，技术应用过 程中充分利用物理模型、传感器等数据，并借鉴多学科领 域的仿真过程，在虚拟空间中模拟物理实体的全生命周 期。为简化数字孪生技术原理的理解难度，有关学者提出 数字孪生体概念，孪生体的外形、内容、属性等与被模拟 的物理实体基本一致，为物理实体的虚拟建模，可反映物 理实体的真实运行环境与状态， 通过孪生体研究可对物理 实体进行仿真分析与优化。数字孪生是虚拟技术、过程与 方法，而数字孪生体是技术应用产生的模型，该技术被认 为是实现 CPS 的最佳技术， 达到物理世界与信息世界交融 的目标。
1.2 标准体系
第一，基础共性标准，包括术语标准、技术架构与适 用准则，规范矿业应用该技术的方式。第二，关键技术标 准，研究人员需按照该标准研发与实施数字孪生关键技 术，保证技术在矿业数字化转型中发挥应有作用。第三， 数字孪生工具与平台选择标准， 技术应用工具与平台的功 能、性能等指标应满足技术应用条件。第四，测评标准， 规范研究人员测试与评价数字孪生体系的方式。第五，安全标准，检测数字孪生技术的应用系统安全性，要求操作 人员按照规范要求使用系统，以免系统信息安全受到威 胁。第六，行业应用标准，结合矿业的生产特点，以其他 标准为基础制定适用于矿业转型的技术应用规范。
1.3 数字孪生矿山技术特性
矿业不同于加工制造业，矿山资源不可再生，且矿业 的经济效益逐年递减， 因此将该技术用于矿业数字化转型 过程中， 需结合矿业发展规律分析数字孪生矿山的技术特 性。第一，矿山模型与实体矿山间可双向映射，工作人员 在矿山布置传感器采集数据用于模型优化， 可根据虚拟模 型优化矿山的生产流程。第二，数据实时交互，矿山实地 采集的数据快速传送至数字孪生矿山， 处理并分析数据后 将结果反馈至矿山工作人员，信息传输速度较快。第三， 数字孪生矿山的运行方式为数字驱动，运行速度快，有助 于提升矿山生产工作的效率。
1.4 数字孪生三要素
为提升数字孪生技术的应用效果，相关人员需明确该 技术的组成要素。第一，数字模型，数字孪生的主要组成 部分，后续研究工作的开展基础，将该技术用于矿业数字 化转型可构建与矿山实体相差无几的虚拟模型， 借助该模 型能够了解矿山的实际情况，以便制定生产优化方案。第 二，空间关联，虚拟世界与现实世界信息交互通道，实现 数据信息的共享，优化虚拟模型的构建效果，深入发掘数 据的潜在价值。第三，实时检测，该技术应用过程中信息 传播速度快，信息的时效性得以保证，得出数据处理与分 析结果具有较高的参考价值。
2 数字孪生在矿业数字化转型中运用方式
2.1 明确数字孪生矿山建模方法
数字孪生矿山建模是应用数字孪生技术的关键步骤， 熟练掌握建模方法可减小模型与矿山实体间的差距， 提升 数字孪生技术的应用效果。首先，建模人员需合理选择数 据采集方式，借助扫描仪、激光雷达法、摄影等技术采集 矿山数据，结合矿山的地质环境，设置检验数据质量的标 准，确保采集数据能够真实反映矿山的地质环境、地形地 貌，构建数字孪生矿山的模型。其次，将构建的数字孪生矿山模型导入模型编辑器， 借助编辑器对已建成数字孪生 矿山模型进行优化，扩展模型中包含的信息，并将矿山设 备信息存入模型。最后，在矿山中设置设备运行数据采集 装置，随时监测设备的运行情况，更新数字孪生矿山模型 中信息。
2.2 设备故障预测
以数字孪生技术为基础构建设备故障预测系统是矿 业应用数字孪生技术的有效方式， 通过数据实时监测设备 故障，并在模型中标明设备故障位置，提升矿业设备管理 的智能化程度。首先，技术人员需了解矿业设备常出现的 故障类型，总结以往工作经验，分析不同类型设备故障的 特征，模拟设备出现故障的原因，为系统搭建提供参考资 料。其次，设计故障预测系统的功能结构，优化系统的预 测性能，确保该系统的预测能力符合矿业运营需要，能够 及时发现设备故障，分析设备故障原因，降低设备故障维 修难度。最后，重视设备故障预测系统更新，提高系统运 行效率。各项数据表明以数字孪生技术为基础的设备故障 预测系统作用显著，使设备管理模式更加智能化，数字化 转型速度提升。
2.3 三维可视化系统
为达到数字孪生矿山的建设目标，矿业工作人员应用 数字孪生技术建立三维可视化系统至关重要，功能完善的 三维可视化系统有助于解决传统矿业信息化建设中存在 的问题，增强搭建系统可用信息数据量，搭建系统时需注 意以下问题。第一，明确矿业建立三维可视化系统的目标， 以保证矿业安全、环保生产为基础，识别系统中需存储的 数据信息，构建存储功能强大的数据库，并研究可用于数 据采集的技术，如三维地质建模、虚拟现实、三维 GIS等， 全面且详细的采集矿山相关数据，消除信息不足对信息化 建设的不良影响。第二，了解矿业业务流程，分析业务特 点，在系统构建过程中与系统使用人员保持联系，按照矿 业工作人员的真实工作需要，完成三维可视化系统的设计 与构建，系统功能可满足矿业生产的全部需求。某矿业建 设三维可视化系统，并使用该系统分析选矿厂的数据，信 息技术取代人力完成数据处理与分析，在矿业运营过程中 发挥指导作用，矿业的运营效率显著提升，发生安全事故 的可能性下降， 企业在行业中的竞争力增强。
2.4 数字矿山系统
数字矿山系统即用于构建数字孪生矿山模型的系统， 该系统的建立可充分体现数字孪生技术在矿业数字化转 型中的优势，该系统的功能如下所述。第一，用于展现矿 山水文与地质条件的地质模型， 为工作人员提供准确的矿 山环境信息，以便优化矿业开采与运营模式，构建该模型所需数据来源和勘测结果的结合。第二，展现矿山岩石性 质、结构等信息的岩石力学模型，建立该模型使用的数据 为勘测结果的进一步分析与处理， 为矿山工作人员高质量 完成工作提供更多参考意见。该系统运行原理与 CAD 软 件的辅助设计功能类似， 矿业工作人员以系统建立数字孪 生矿山模型为基础，完成矿业开采与生产模式设计，提高 设计结果的可行性。某矿业依托数字孪生技术搭建数字矿 山系统，工作人员调整矿业运营模式时，在系统建立模型 上模拟实施设计方案，检验设计方案的合理性，确认该设 计方案符合矿业日常运营要求后， 将设计方案用于实际工 作开展，实现矿业数字化转型发展。可见该系统用于矿业 数字化转型的价值，其他矿业也应借鉴其经验，构建满足 矿业转型发展的数字矿山系统。
2.5 测绘数据云服务
2.5.1 数据查看与处理
测绘是矿业运营的关键环节，将数字孪生技术用于测 绘工作开展能降低测绘难度，提升测绘结果的准确性，为 此矿业应建立测绘数据云服务系统， 利用数字孪生技术处 理数据， 辅助测绘人员完成测绘工作并深入发掘测绘数据 的应用价值。该系统将采集测绘信息上传至云端保存，矿 业使用的其他系统从云平台获取数据，结合系统运行需 要，对数据进行处理，深入发掘测绘数据的潜在价值。测 绘数据云服务系统存储数据包括激光扫描数据、工程设计 数据等，工作人员使用该平台从云端获取数据后，可根据 工作需要选择查看数据信息的方式， 为矿业工作人员开展 工作提供便利条件。某矿业搭建的测绘数据云服务系统为 工作人员提供两种查看测绘数据的形式， 矿山二维模型与 三维模型， 工作人员结合自身工作需要自主选择获取测绘 信息的方式，且能够查看测绘数据的处理结果，测绘数据 在矿业日常运营中发挥重要作用， 矿业数字化转型成功。
2.5.2 运输道路、边坡与挡墙安全分析
运输道路、边坡与挡墙相关信息采集是测绘工作的重 点，测绘数据云服务平台具备分析此类数据的能力，检验 矿山现有运输道路、边坡与挡墙的安全性，使用信息技术 完成对矿山运营环境的监测。运输道路安全性是平台分析 重点， 系统中数字孪生技术的应用使平台可从数据库中自 动提取运输道路相关数据， 包括道路边界、宽度、坡度等， 并对相关数据进行处理与分析， 判断运输道路是否存在安 全隐患，依据分析结果确定运输道路是否需要维护，并向 工作人员发出警告，引起工作人员的重视，以免发生安全 事故。测绘数据云服务平台分析边坡与挡墙的安全性依据 其几何形状， 在数据库中提取并分析边坡与挡墙的几何信 息，识别矿山的边坡与挡墙中存在的异常。某矿业依托数字孪生技术实现矿山运输道路安全性分析， 并设置多种警 示标识用于区别不同类型的道路安全隐患， 降低发现矿山 道路安全隐患的难度， 工作人员可快速采取措施消除道路 安全隐患，该矿业运营过程中出现安全事故的概率下降， 数字化转型效果良好， 达到保护矿业安全生产的目标。
2.5.3 云端协同作业
测绘数据云服务平台的构建实现数字孪生矿山与云 端协同作业， 矿业工作人员查看测绘数据的方式不再受到 约束，随时登陆该云平台，通过数字孪生矿山模型了解矿 山的真实情况。PC、智能手机、电脑等都可作为云平台的 运行设备，工作人员使用此类设备随时随地进入云平台， 获取矿山最新测绘数据，指导矿业运营工作的开展。除此 之外，工作人员还能够在数字孪生矿山中增加注释，上传 文件资料至测绘数据云服务平台， 以便其他工作人员对矿 业生产现场的工作模式做出调整， 提升矿业生产模式的合 理性，保证矿业生产工作可安全进行。云端系统作业功能 的实现使矿业的运营模式发生改变， 先进信息技术的数据 处理与存储优势被充分展现， 矿山运营所需信息存储于云 平台，矿业内部信息的交互由云平台完成，信息传输速度 提升。某矿业借助测绘数据云服务平台实现云端协作，详 细记录信息在系统中传递与变更情况， 不仅保证了测绘数 据的安全，还能够追溯矿业业务情况，提升各环节工作人 员的安全意识， 保证矿山安全生产环境不被破坏。
2.6 车辆调度
车辆调度是矿山运营的重要工作内容，将数字孪生技 术用于矿业数字化转型后，应创新矿业车辆调度方式。完 整的车辆调度系统需包括生产配矿、生产计划、执行调度 与统计分析等功能模块， 工作人员了解矿业运营对车辆的 调度需求，分别设计不同功能模块的功能结构。以生产配 矿模块为例， 该模块的顺利运行需要数字孪生矿山中爆堆 位置信息、体积信息等为基础，通过分析相关信息确定生 产配矿目标，并制定配矿计划，将生成的计划发送至配矿 工作人员，按照配矿计划调度车辆。同时，数字孪生技术 为基础建立车辆调度系统还可记录车辆运行轨迹， 及时发 现车辆存在的安全隐患，并制定消除安全隐患的措施。以 某矿业建设的车辆调度系统为例， 系统可视化平台中显示 日期、爆堆编号、体积、比重、供矿品位与当日供矿量等， 工作人员可在系统中设置配矿目标， 并借助数字孪生技术 得出配矿结果，比对实际配矿与配矿目标间的差距，及时 调整生产配矿方式，系统被用于车辆调度后，该矿业车辆 调度方案合理性提升。
2.7 环境监测
应用数字孪生技术推动矿业数字化转型时，应重视环 境监测方式的创新，借助数字孪生技术降低监测难度，提 升监测结果的准确性，用于环境监测的系统由监测、数据 采集与处理等多个模块组成， 具有采集多种环境信息的能 力。良好的环境是矿业可持续发展的基础，加强环境监测 有助于矿业工作人员了解周边环境的污染情况， 探析造成 环境污染的原因， 用于监测矿山环境的系统应汇集数字孪 生、云计算、大数据等多种技术的优势，采集矿山各区域 的环境信息，并统计数据信息分析环境指标的变化趋势， 工作人员通过终端平台掌握矿山的环境状况， 采取合理措 施治理矿山污染，保护矿业的发展环境。某矿业利用数字 孪生技术监测环境， 根据环境指标的变化趋势预测环境污 染，并采取有效措施控制矿业生产对环境的不良影响，矿 山环境较为稳定， 为矿业长期发展创造基础条件。
2.8 边坡监测
受矿业开采方式的影响，矿山中边坡高度逐渐增加， 边坡的稳定性受到影响，不利于矿业发展。因此，在矿业 数字化转型过程中， 相关人员可应用数字孪生技术加强边 坡监测。具体应用该技术时需使用多种类型的传感器，将 传感器设置在矿坑边坡，监测边坡的变化情况，并对监测 结果进行处理，预测边坡失稳，并向工作人员发出预警， 使监测人员对矿山边坡的稳定性有更为正确的认知， 制定 加固边坡的方案，以免矿业生产过程中发生安全事故。某 矿业采用三维激光扫描的方式监测边坡情况， 并将采集数 据传送至监测系统，以点云形式展示数据。同时，运用数 字孪生技术建立模型，全面监测矿山边坡的稳定性，当矿 山稳定性下降时及时向相关人员发出警告， 工作人员快速 采取有效措施加固边坡，作业环境安全性提升。矿业数字 化转型过程中，工作人员应重视生产安全问题，应用数字 孪生技术加强边坡监测，保证生产人员的人身安全，充分 发挥数字孪生技术在矿业发展中的作用。
3 结语
综上所述，数字化转型是矿业发展的必然结果，数字 孪生技术先进且适用范围广， 更符合矿业数字化转型发展 需要，降低转型难度。矿业相关人员应关注技术最新研究 成果，学习数字孪生技术并掌握技术应用能力，根据矿业 转型需要，不断调整应用数字孪生技术的方式，优化技术应用效果， 推动矿业数字化转型， 提高矿业生产效率。
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