矿山数字孪生智能化是采矿工业高质量发展的核心技术支撑，是面向采矿工业互联互通及智能化应用，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用，将在矿产开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。推进矿山建设与管理数字化、智能化内涵式发展,通过研究矿山精准探测与数字矿山精确建模技术，构建矿山可视化物理模型、可验证的仿真模型、可表示的逻辑模型、可计算的数据模型，实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射、实时交互。

在智能矿山系统中，矿山数据模型是实现矿山决策学习自我优化的关键，同时也是数字四胞胎描述智能的另一种实现方式．在物理世界中的决策系统可以根据以往发生的事件而做出决策，即“吃一堑，长一智”，但在平行矿山数据模型构建技术的帮助下，可以对以往的事故进行多次学习，即“吃一堑，长多智”，实现智慧矿山操作系统的快速成长．人机交互协同是矿山智能开采中的典型应用场景，通过人机交互可以实现远程控制、实时监测、精确定位与健康预测，提高矿山全息感知、可视化运维水平和智能生产效率。

将“数字孪生+5G”与AI技术相结合，聚焦智慧矿山建设目标，以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心，基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法构建全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台基于数据融合的企业数字孪生矿山需要通过现场数据的采集和感知，充分融合矿山行业工艺技术和生产管理知识，建立大数据和人工智能计算与服务中心,结合边云协同计算与控制，建立矿山基于组织架构的数字孪生矿山，并能更新实时状态,建立矿山可视化物理模型、可验证的仿真模型、可表示的逻辑模型、可计算的数据模型,实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射、实时交互,部署相应的生产管控系统,实现数字资源的整合。

1.数字孪生系统架构

感知层：感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。

数据层：数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理。

运算层：运算层是数字孪生体的核心，其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用，以及对上层功能的支撑。

功能层：功能层是数字变生体的直接价值体现，实现系统认知、系统分析、故障诊断、预测推演功能，从而起到辅助决策作用。系统认知，数字孪生体能够真实描述及呈现物理实体的状态，它是实现数字孪生体其它高级和智能化功能的基础。系统分析可实现数字孪生体的状态监测功能，发挥对物理实体的早期预警作用。故障诊断，通过分析物理实体的运行状态，了解现象背后的原因。预测推演，是利用仿真技术来预见物理实体未来的状态演变，从而指导当前的运行决策。

应用层：应用层是面向各类场景的数字孪生体的最终价值体现，具体表现为不同行业的各种产品，能够明显推动各行各业的数字化转型。

2.数字孪生系统的典型特征

等价映射：数字孪生体是对物理实体的等价描述，是对物理实体进行数字化而松建的模型数字孪生体的变化能够真实反映现实世界中的物理实体的变化。数字孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，起到“数化”、“保真”效果。

实时交互：基于实时传感等多元数据的获取，孪生体可全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。“实时”体现数字孪生体所处状态是物理实体状态的实时虚拟映射;“交互”体现数字孪生体与物理实体间存在数据及指令互动。

共生演进：“共生”体现在数字孪生体与物理实体同步构建，在全生面周期中相互依存，孪生体随着孪生对象的生长而不断演变。共智体现在三个层面:孪生体与孪生对象间共享智慧(包括:数据、算法)、孪生体内部各种孪生模型间共享智慧、不同生命周期阶段的孪生体间共享智慧。

预测优化：根据物理实体的各项真实数据，通过数字孪生体进行仿真，实现对物理实体未来状态的预测，预先知晓未来状态能够辅助用户做出更合理的决策。根据物理实体的实时运行状态，通过数字孪生体进行监测，实现对系统不稳定状态的预测，预先觉察即将可能发生的不稳定状态，使用户更从容地处理该问题。

建立数字孪生体的最终目的，是通过描述物理实体集合内在机理，分析规律、洞察趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭坏。根据数字孪生的典型特征，可以得出数字孪生的体系架构。

3.智慧矿山实景三维动态监控系统功能

（1）转型布局规划

我国矿山行业尚处于数字化转型的初期阶段，在总体布局、标准制定、技术能力、产业政策等方面相较于水利、交通、电力等行业相对滞后。

作为云计算、XR、大数据、物联网、5G等核心技术载体，数字孪生可充分发挥纽带作用，将业务应用与各项技术有机融合。

比如，在典型的露天矿、井工矿两大应用场景中，数字孪生技术可将开采区、加工区、廊道区、储存区、运输区五大细分应用场景进行还原，并与矿山业务系统相融合，搭建流程贯通、业务融合、场景监控等多维智控一体的数字化矿山管理平台。 该管理平台，可搭建完整的智慧矿山顶层架构，打造转型蓝图规划“一张图”，帮助矿企以体系化、系统化的思维和视角，从顶层设计层面出发，加快信息化、数字化、智能化建设。 

（2）提升设备效率，加速矿山无人化

当前，我国矿山装备尤其是核心装备自动化程度低，信息化系统建设普遍相对滞后，专业型人才流失严重。再加上，早期建设缺乏整体规划，导致系统功能单一、各个系统之间数据不互通、业务综合利用率低。

基于矿山数字化转型关键业务场景，数字孪生技术可以完成对于设备的实时监控、人员的远程指导、故障的提前定位、多系统的复合管理，将核心装备的应用效率开发到最大化，加速推动矿山无人化。

（3）业务整合

传统的矿山信息化系统烟囱式部署，跨组织协同存在壁垒。一方面，出于历史原因，大多数矿山IT建设缺乏归一管理，面对需求迥异且开发时间不一的内容时，往往多系统并行；另一方面，矿山领域涉及到地质水文、采选设计及生产、矿井环境监测等复杂多变的信息内容，各系统之间的数据相互独立，在应用层面存在天然的隔离。

基于核心产品数字孪生开发的应用，可实现多业态模块的有机融合，连通多业务系统数据，真正实现数据从采矿到运输的流通，以及对于沉寂数据的高效利用。

（4）协同管理

在开发模式上，将业务的开发变成简单的“拖、拉、拽”交互形式，同时满足各个业务模块的协同开发。

除了协同管理外，不少用户备受数据源融合困扰。系统提供数据融合功能，支持来自物理实体、虚拟模型、人工建模、现场勘测、AI重建等多种数据源。 

（5）仿真推演

基于仿真数据，系统还可进行如偏坡监测、电子围栏、微震仿真、应力变化等相应的仿真推演，并以插件形式提供给客户，满足于矿山领域的多样化需求。

（6）数字资产

传统矿企资源管理体系存在资源、资产估算“不精确”以及信息交换“低效率”等问题。而数字资产，是未来企业的核心价值。

融合矿山开采资源管理全过程所用到的系统，包括生产勘探、地质圈定、采矿设计、计划管理、工程实施、质量验收等环节，通过数字化建模生产勘探成果、地质圈定资料、采矿设计参数、采场出矿数据、采场资源核销、资源储量核实报告等形成矿山特有的数字资产，为矿企构建一个数据资产管理平台，方便各个环节设备、人员等资源盘点、利用。 

（7）管理模式升级

矿山的管理水平关乎着整个企业的发展和未来。长期以来矿山企业生产管理粗放，原因有二：一是矿山开采存在复杂性、多变性、困难性、高危性等特性；二是矿山先进技术更新和信息化技术应用较其它行业相对滞后。

“小到一粒石子，大到一座矿山”，都能在数字世界中能够找到对应分身。这些数字分身，不仅同步感知实现世界、实时反馈虚拟世界决策规划，还能反向引导真实世界，由此推动矿山在审批-勘探-规划-采掘-传送-检测-加工-运输等各环节实现精细化管理。 

• 规划阶段：可实现对矿山开采的可视化规划，便于工程师进行最佳开采设计和资源高效利用。

• 采掘作业阶段：实时监测作业质量和进度，异常状况自动及时报警，提供强有力的安全保障。

• 传送、检测阶段：通过数字孪生平台对设备进行远程监控和诊断，保障生产过程的安全性。

• 加工阶段：将物料流转、加工过程全部数字化，精确控制并优化生产过程，从而提高加工效率和产品质量。

• 运输阶段：全面感知并实时监控车辆、道路等，了解装车进度，优化畅通运输流程，提升运输效率。