中国恩菲:数字孪生技术赋能矿山数字化转型

2021年09月13日 9:43 6292次浏览 来源: 中国日博娱乐报   分类: 铜资讯   作者:

导读: 早在十几年前,中国工程院院士、中国恩菲工程技术有限公司高级顾问专家于润沧就提出,数字化矿山的概念可以表述为由初级到高级的3个层次:矿山数字化信息管理系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程操控操作和自动化采矿。

当前,世界正处于百年未有之大变局,各行各业转型升级的需求十分迫切。作为能使行业释放巨大发展动能的关键因素,数字化转型和智能化升级已经成为世界各国发展的共识。对于采矿业来说,为了走好科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路,也必须推动数字化与信息化进程。在此背景下,数字化矿山的理念应运而生。

数字化矿山的含义及发展方向

数字化矿山这一概念由来已久,它的含义究竟是什么?包括哪些内容?矿山企业应该如何朝着数字化方向发展,以实现我国矿业企业现代化管理水平与国际先进管理水平的接轨?

早在十几年前,中国工程院院士、中国恩菲工程技术有限公司(以下简称“中国恩菲”)高级顾问专家于润沧就提出,数字化矿山的概念可以表述为由初级到高级的3个层次:矿山数字化信息管理系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程操控操作和自动化采矿(Mine Automation,Telemining,Robotic Mining)。

矿山数字化信息系统包括以下子系统:矿区地表及矿床模型三维可视化信息系统,矿山工程地质、水文地质及岩石力学数据采集、处理、传输、存储、显示与探采工程分布集成系统,矿山规划与开采方案决策优化系统,矿山主要设备运转状态信息系统,生产环节监控与调度系统,矿山环境变化及灾害预警信息系统,矿山经营管理及经济活动分析信息系统。

数字化虚拟矿山在上述信息系统的基础上,增加实时动态响应和更广泛的集成,运用多媒体、模拟、仿真、虚拟技术对真实矿山整体及其相关现象进行数字化再现,为矿山实现科学管理目标提供了非常便捷的手段。

远程遥控和自动化采矿在上述数字化的基础上,进一步增加设备自动化和智能化、地下通信及实时自动定位和导航技术,能够实现矿山生产过程的远程遥控操作和自动化采矿,使矿山生产实现数字化和办公室化。

于润沧院士认为,数字化矿山能极大地提高劳动生产率,降低生产成本;能适应日益增多的深井开采,使矿工远离高地温、岩爆威胁等恶劣操作环境,彻底改善矿工的安全和健康状况,实现采矿办公室化。数字化矿山的终极目标是实现矿山安全、高效、经济地开采。而矿业发展的终极目标应当是既能满足人类对矿产资源的需求,也能适应生态和环境系统的承载能力,实现行业可持续发展目标。因此,数字化矿山具有极其重要的意义、强烈的吸引力和广阔的创新空间。

在此背景下,中国恩菲积极推动数字化转型,不断提升数字化管理水平,综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素,致力于使矿山规划管理更高效、表现手法更丰富、信息量更大、分析能力和准确性更好,从而提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平及综合实力,促进矿山的可持续发展,达到提高整体效益、市场竞争力和适应能力的目的。

数字孪生的起源与数字孪生矿山

为有效推进数字化矿山建设,中国恩菲依托中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心,积极探索数字孪生技术。数字孪生是以多维模型和融合数据为驱动,通过实时连接、映射、分析和交互来刻画、仿真、预测、优化和控制物理世界,使物理系统的全要素、全过程、全价值链达到最大限度的优化。同时,数字孪生与各产业的深化融合能够有力推动各产业数字化、网络化和智能化发展,成为产业变革的强大助力。中国恩菲通过数字孪生技术,不断加快推进矿山数字化转型,并探索建立了矿山智能管控系统,该系统对矿山设备进行实时监控,便于技术人员和专家为矿山提供更好的远程服务,还能对采集的数据进行智能分析,优化矿山运营,保证矿山生产高效、安全地进行。

我国是工业大国,数字孪生的研究和应用具有非常广阔的空间,也得到了相关政策的大力支持。今年以来,国家发改委、工业和信息化部、国资委等部门相继出台相关文件,部署发展数字孪生技术,发挥其在培育新经济发展和国企数字化转型等领域的积极作用。

在数字孪生技术中,模型是核心要素,而从模型到数字孪生经历了物理的“实物模型”到数字化展示的“数字化模型”再到物理对象与虚拟模型交互共生的数字孪生的技术发展过程。数字孪生可以追溯至美国密歇根大学Michael Grieves教授于2002年在其产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)课程上提出的“与物理产品等价的虚拟数字表达(a virtual,digital equivalent to a physical product)”的概念。虽然这个概念在当时并没有被称为数字孪生,但却具备了其基本组成要素,因此可以被认为是数字孪生的雏形。2010 年,数字孪生才由美国国家航空航天局(NASA)首次书面提出并进一步发展。NASA 在《Modeling,simulation,information technology & processing roadmap》中详细说明了航天器数字孪生的定义和功能。2011年,美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)在一次演讲中也明确提到了数字孪生,AFRL希望利用数字孪生来解决战斗机机体(Airframe)的维护问题。2012年,NASA和AFRL合作提出了未来飞行器的数字孪生体范例,以满足未来飞行器高负载、轻质量以及能在极端环境下服役更长时间的需求。

自2017年以来,数字孪生得到了越来越多的关注和研究,并在很多生产生活场景中实现了应用。在制造领域,通用电气公司利用数字孪生技术,对飞机发动机进行实时监控、故障检测和预测性维护,防患于未然;法国达索系统公司基于数字孪生开展对汽车研发的模拟仿真,为宝马、特斯拉、丰田等优化产品设计,显著缩短了研发周期,大大降低了传统物理测试方式的成本。然而,数字孪生的概念和内涵却不统一。随着数字孪生研究和实践的不断推进,人们对其赋予了各种定义。

数字孪生发端于航空航天等先进制造业领域,已产生了显著的经济效益。矿业与先进制造业有诸多相通之处,因此许多先进制造业通用的数字化技术和实践经验可以直接移植到矿业中来。同时,矿业又有其特殊性,主要表现为矿山资源不可再生性、矿山企业经济效益的递减性及由矿山作业场所的移动性而带来的开采条件的复杂性等,因此,在开展数字孪生在矿业中的应用时,又必须顾及矿山行业的自身特点、作业环境和价值链特点。

简单地说,数字孪生矿山是对实体矿山设备设施的实时三维映射以及对地质资源和岩土工程环境的即时数据三维表示,也是一个开放的、互联的业务数据环境,其中包含了实体对象的属性信息及其相关的智能分析功能以及地质环境数据的及时采集、分析和使用。矿山实体对象与其数字化三维表达之间能够进行实时或即时的数据更新,实现在线的矿山生产信息和反馈控制信息的双向流通。

数字孪生在智能矿山中的典型应用

(一)瑞海金矿数字孪生系统

2016年,中国恩菲与招金矿业股份有限公司联合建立了由于润沧院士牵头的“招金矿业院士工作站”,旨在针对行业重点、难点问题开展技术研发工作,更好地推动自动化和智能化矿山建设。

该院士工作站积极推进瑞海金矿的数字化和智能化建设,研发了瑞海金矿数字孪生系统。瑞海金矿数字孪生系统对矿山建设的全生命周期进行平台化管理,从三维设计阶段开始,形成规范的设备、图纸库,通过唯一标识进行全流程属性追踪;从设计阶段建立数字孪生平台,定义智慧矿山数据组织方式;并实现设计施工、运维阶段的数据贯通。平台的功能包括数字探矿、MIM设计、智慧工地、智能采矿和智能选矿五个模块,实现了地表设施、矿体、开拓运输系统的数字化与工艺流程的动态直观展示。

(二)江华稀土智慧环境管理平台

“江华稀土智慧环境管理平台”由中国恩菲推出,以“全面感知、标准引领、平台支撑、智慧应用”为设计理念,采用无人机航测、三维实景建模、GIS系统、数据挖掘等技术方法,通过整合集成矿区自然地理环境、主要生产和环保设施、主要环境监测数据、污染防控措施等信息,构建环保“一张图”。该平台现已在五矿稀土江华有限公司投入使用,实现了环境预警和环境事件处置功能,能够从数据中感知环境、监控污染、预警和管控风险,以更加精细、高效和动态的方式实现了环境管理的数字化、智慧化,有效提高了矿山生态环境科学监管能力。

数字孪生技术将是未来智能系统的重要组成部分,是推动决策与控制一体化的重要数字媒介,也是中国恩菲的重点研发方向。未来,数字孪生将从以一个产品、一台设备、一条生产线等为对象的孪生发展到更为复杂的以整个企业组织为对象的孪生,从而为工业企业的生产经营提供智能决策辅助,最终实现从企业内部的协同走向产业链上下游的协同和优化的目标。同时,对数字孪生的深入研究和应用还将有助于企业更好地参与国内国际双循环。

责任编辑:付宇

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