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从数字孪生角度看数字化矿山三个层次(上)

从数字孪生角度看数字化矿山三个层次(上)

  • 分类:道云视角
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  • 来源:
  • 发布时间:2022-09-29
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【概要描述】重温于润沧院士十多年前提出的“数字化矿山三个层次”概念,重新从数字孪生角度加以观察和解读,笔者认为“数字化矿山三个层次”应该分别对应于数码化、矿山信息模型MIM和数字孪生矿山。在数字化转型已经成为企业运营的重要战略、数字孪生成为企业标配技术的今天,“数字化矿山三个层次”仍然可以发挥矿山数字化转型路线图的作用。

从数字孪生角度看数字化矿山三个层次(上)

【概要描述】重温于润沧院士十多年前提出的“数字化矿山三个层次”概念,重新从数字孪生角度加以观察和解读,笔者认为“数字化矿山三个层次”应该分别对应于数码化、矿山信息模型MIM和数字孪生矿山。在数字化转型已经成为企业运营的重要战略、数字孪生成为企业标配技术的今天,“数字化矿山三个层次”仍然可以发挥矿山数字化转型路线图的作用。

  • 分类:道云视角
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  摘要

  重温于润沧院士十多年前提出的“数字化矿山三个层次”概念,重新从数字孪生角度加以观察和解读,笔者认为“数字化矿山三个层次”应该分别对应于数码化、矿山信息模型MIM和数字孪生矿山。在数字化转型已经成为企业运营的重要战略、数字孪生成为企业标配技术的今天,“数字化矿山三个层次”仍然可以发挥矿山数字化转型路线图的作用。

  

 

  再不数字孪生就Out了!

  全球权威信息技术咨询机构Gartner将数字孪生技术列为十大战略科技发展趋势之一。预计到2021年年底全球将会有超过50%的大型企业使用数字孪生技术,预期生产效率将会提高10%。

  正所谓英雄所见略同。最近我国的国务院国资委也罕见地为尚不为大众所熟知的数字孪生背书。国资委在最近发布的《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》中提出,在推进企业数字化转型工作的进程中,要充分发掘数字孪生通用技术能力的作用,要求“加速突破……数字孪生等前沿技术,打造国际先进、安全可控的数字化转型技术体系。”

  由此可见,无论是在中国还是在世界其他技术先进国家,数字孪生已经成为众多企业数字化转型的标配技术。

  早在十多年前,中国工程院于润沧院士对数字化矿山总结为由初级到高级的三个层次(业界称为“数字化矿山三个层次”): 矿山数字化信息系统(第一层次)、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山(第二层次)、远程遥控自动化采矿(第三层次)。

  在信息技术以摩尔定律的发展速度突飞猛进的时代,十多年的时间足足可以见证几代新技术的蝶变。本文试图从数字技术演化新阶段数字孪生的角度,重新审视和解读“数字化矿山三个层次”。

  数字孪生是个什么鬼?

  众所周知,Needless to say,各国语言之间的互译无法做到直接一一对应。汉语里的“叔叔、伯伯、姑父、舅舅”,在英语里一律称之为Uncle。这种现象用数学术语来描述就是两个集合之间的“多对一映射”(Many to one mapping), 相当于对于一个函数关系输入不同的变量而输出量保持不变。例如,对于公交车上不找零的自动投币机,乘客别管是投入一元钢镚还是一张大面值纸币,跳出来的都是同样一张车票。另外,英语人士看中国的《红楼梦》,发现姨妈、姨娘、姑妈、舅母、婶婶、伯母……这些亲属关系竟然Many to one mapping映射成一个英文概念Aunt,老外也会一下子就懵圈了。

  笔者多年前在国内读研究生时,上过一门号称“天书”的课程。讲课教授刚从美国某著名大学进修回国,他要求学生使用英文原版教材。他解释道:“我没出国前,经常和同行们为了某些问题争论不休,谁也说服不了谁。我去美国进修见到这门学科的世界权威教授,心想这次一定要好好请教名家,解决以前和同事有争议的问题。谁知读了英文原版教材以后,原来的疑惑都不存在了。原来我们的争论都是中文翻译带来的歧义造成的。”

  01数字孪生起源

  各种新兴信息技术共同作用,在持续催生新兴产业的同时,不断激发传统产业的发展活力,助推各行各业转型升级。实体世界(Physical World)和与之对应的数字世界(Digital World,或称Virtual World即虚拟世界)正在形成两大体系平行发展,并且相互作用;数字世界是为了服务实体世界而被人们所创建出来,实体世界通过与数字世界相互作用而被优化从而变得高效有序。在这种背景下,数字孪生的概念应运而生。

  信息技术很多专业术语都是直接从外语尤其是英语中翻译而来。英中互译有时会出现“多对一”或“一对多”的现象,是产生歧义和争论的原因之一。国内关于数字化问题的争论,相当一部分是由术语翻译造成的理解歧义造成的,并不是真正的技术分歧。

  国内有很多专家把Physical World翻译为“物理世界”。 笔者不禁要问:难道还有“化学世界”、“生物世界”不成?举个反例,大家就能看出这类翻译的荒谬:Physical Education能够翻译成“物理教育”吗?原来它就是国内的“体育课”。实际上,Physical对应于中文“物理的”、“实体的”、“体力的”等多重含义,应该根据不同的原英文语境给出不同的中文翻译。在这里,Physical World应译为“实体世界”。 再比如,专家们把Cyber-Physical Systems翻译成“赛博物理系统”,乍听起来像是物理学的某个研究专题,其实它是指“信息-实体系统”。

  数字孪生并不新鲜,它是数字技术经过数码化、虚拟化等演化过程以后达到的最新阶段。只不过以前没有这样命名,而是发展到了一定阶段,人们意识到应该给这个数字化新阶段起一个更确切的名字,于是“数字孪生”这个术语便应用而生。

  简单地说,数字孪生是指现实世界的实体或系统的数字化或虚拟化表示(Gartner的定义)。数字孪生的概念最早于2003年由美国密歇根大学Grieves教授提出。2010年美国国家航空航天局NASA在阿波罗航天项目中进行验证数字孪生的应用。从此数字孪生进入各行业,走向全世界。

  数字孪生被当做颠覆性创新技术。但笔者更倾向于把数字孪生当成是一种数字化世界观和数字化能力。数字孪生概念的起源并不神秘,它脱胎于虚拟仿真,基于“大智移云”技术普及应用,才得以进一步发展,并推广到全世界各行业。数字孪生开始广泛应用于企业数字化转型,还是2011年以后的事。随着大数据、人工智能、物联网、移动互联网、云计算等新信息技术(统称“大智物移云”新技术)的快速普及与应用,大规模计算、高性能计算、分布式边缘计算等计算机科学技术的快速发展,以及机器学习、深度学习等智能优化算法的不断涌现,使得工业系统动态数据的实时采集、可靠与快速传输、存储、分析、决策、预测等成为可能,为虚拟空间和实体空间的实时关联与互动提供了重要的技术支撑,从而促进了数字孪生概念在各个行业企业的普及和应用。

  笔者曾经和过去一起做虚拟仿真业务的同事开玩笑:“对于我们多年搞虚拟仿真的人来说,抢在Grieves教授的前面率先提出数字孪生的概念,真的不是什么难事,It’s not Rocket Science;我们都是忍着不率先罢了。”笔者经常看到有些专家引经据典地考证,数字孪生的概念究竟是谁最先提出的。实际上,和纯粹的科学发现不同,创新技术概念是谁最先提出的并不重要。关键问题是:在各种前置技术条件成熟的情况下提出——天时也,并且还要有公信力影响力的机构进行验证——地利也,概念提出者最好是业内权威人士——人和也。在缺乏物联网技术支持的应用场景的过去年代,没有美国航天局那样权威机构的技术实力和行业影响力,更重要的是如果没有适当规模的验证项目,那么即使有人率先提出数字孪生的概念,也不会产生任何行业影响力,不会有追随者,也会被社会所忽视,更不用谈具备国际影响力而普及推广开来。

  02数字孪生三要素

  笔者总结出数字孪生具有三个要素:

  虚拟模型

  采用虚拟仿真的表达方式建立一个与实体在外表、内容和性质一致同步的数字模型。该要素是数字孪生的基础,但这一步基本还没走出虚拟仿真的范畴。

  虚实映射

  通过物联网等通讯手段建立虚拟空间和实体空间的关联,是虚实之间进行信息交流的纽带,彼此之间可以进行全要素、全生命周期的数据映射。虚实之间的映射技术手段既包括物联网(5G网络)实时数据通讯,也包括非实时数据建模,例如空间数据采集(包括地质勘探、三维激光扫描、无人机等)、基于三维激光扫描和倾斜摄影的实景建模以及虚拟现实/增强现实等技术。

  实时互动

  一方面实体动态数据要实时反映在数字孪生体系中,另一方面,数字孪生基于感知的大数据进行分析决策,从而智能地控制实体。

  数字化时代的远程遥控,实际上是人的感知能力借助数字孪生的延伸。实际上,远程遥控作业人员是对数字孪生的直接操作,越来越感觉不到对远程实体设备的操作。数字化时代的采矿作业越来越像是办公室工作(于院士语)。

  女性的细致入微的心理特点倒是更适合这项办公室采矿工作。将来的“数字孪生矿山”采场也许是一个更适合女性白领的职场。

  

 

  03数字孪生矿山

  数字孪生发端于航空航天等先进制造业领域,已经产生了显著的经济效益。其经过实践验证的解决方案可以快速方便地应用于矿山生产管理。矿业与其他行业例如先进制造业有诸多相通之处,因此许多先进制造业通用数字化技术和实践经验可以直接移植到矿业中去;另一方面,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、矿山作业场所的移动性带来开采条件的复杂性等,因此数字孪生在矿业的应用又必须顾及矿山行业自身特点、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,同时也是一个开放的、互联的业务数据环境,包含了实体对象的属性信息,例如温度、转速、压力、润滑油、耗电量等设备参数及与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。

  “以往的哲学家只是解释世界,而问题在于改造世界。”(马克思碑文)。与其相似的,以往人们理解的数字化矿山,只是收集、处理分析生产现场的信息作为生产指挥调度人员进行安全生产科学决策的依据;而数字孪生却可以作为作业人员远程控制现场设备的媒介。由于数字孪生虚拟与实体之间的数据流动是双向的,不但是生产现场数据通过数字孪生呈现给管理人员帮助决策指挥,而且有赖于物联网技术发展,远程操控变得越来越实时可靠,作业人员可以通过数字孪生直接实时交互地操作远程设备,向生产现场下达指令。于是,遥控操作、自动化矿山、无人矿山,就成了数字孪生的用武之地。

  人类感觉不到空气的存在,鱼类感受不到水的存在,因为空气和水就是TA们日常生活环境必不可分的一部分。自从新冠病毒爆发后,各类“互联网远程会议”也变成了白领人不可或缺的办公环境的一部分,人们逐渐失去了远程会议交流的“远程”隔阂感,天涯若比邻。

  乐观地预测,远程遥控(Remote operations)这个词本身,将来也有可能会从矿业词典里消失!随着数字孪生矿山普及应用,远在天边或深入地球深部的生产现场都宛如近在咫尺, 一切生产作业哪里还有远程和亲临之分?前几年出现的力拓采矿作业中心设在离皮尔巴拉矿区几千里之外的西澳首府帕斯市,引起矿业界一片惊叹!现在看来,力拓只不过是比其他矿业公司早走了一步而已。

  

 

  位于西澳帕斯的力拓远程采矿中心

  作者简介:孟丹,天河道云(北京)科技有限公司首席科学家兼副总经理,中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心专家,加拿大北方先进矿业技术中心执行主任兼首席咨询顾问。

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