从数字孪生角度看数字化矿山三个层次(下)

　　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。

　　数码化是数字化的基础

　　01数码化Digitization与数字化Digitalization

　　中国人常用的“数字化”一词，其实是对应英语Digitization(数码化)和Digitalization(数字化)甚至是Digital transformation(数字转型)等多种情况。中文语境下基本不区分“数码化”和“数字化”之间的差别。如果很学究式地细品，我们就会发现数码化和数字化之间的差异还是很明显的，有时候若不加以区分会造成理解上的混乱，造成不必要的误解和争论。“数码化”和“数字化”是两个概念性术语，它们密切相关，又常常在大量的文献中替换使用。

　　IT事不决问Gartner。我们先看看Gartner是怎么定义数码化的：

　　数码化Digitization是从模拟形式向数字形式转化的过程。也就是说Digitization不改变事物本身，而是改变事物的存在或存储形式、使之能够被计算机处理。举例来说，将纸质文件扫描为电子文件、将相片存储为电子格式、将经营数据存储为电子数据等都属于Digitization;全国各地城建管理部门轰轰烈烈的“城建档案数字化工程”，就是典型的数码化，把城建部门过去管理的各种纸质文件、设计图纸等扫描下来变成数码文件，然后再做好异地备份，这样就会防止城建档案的混放或丢失。

　　再看看Gartner是如何定义数字化的：

　　数字化Digitalization是通过数字技术改变商业模式，提供新的营收点与价值创造机会。也就是说，Digitalization就是要通过各种技术手段收集企业日常运营和创新所需的数据;通过数字化手段挖掘数据的价值，从而可以发现企业运营中可以改善的地方，甚至开发新的业务模式。

　　由此可见，从发展阶段来看，数码化是数字化的基础和初级阶段。从集合关系来看，数码化是数字化内容的一个子集。

　　02数字化矿山的初级阶段：数码化

　　下面从矿山设计的角度，看数码化阶段有哪些特征。

　　长期以来，矿山设计是以可视化表示的形式来进行的。笔者在上世纪八十年代初刚到恩菲采矿室(那时称北京有色设计总院)参加工作时，计算机应用仍未普及，工程师们每天都是趴图板干活，用铅笔、直尺、三角尺、滑尺、圆规、量角器等工具进行二维设计;并且有一套关于线型、符号的表示标准，通过各种平面图和剖面图表示地质、采矿、设备等专业的功能。

　　大概在八十年代后期和九十年代初期，矿山设计进入计算机画图阶段，开始大量使用 CAD(计算机辅助设计)程序。工程师在微机屏幕上画出矿山设计图。设计图纸以电子方式存储，可以轻松、快速地进行修改、复制、存储和查询。

　　由于计算机工具的普及，设计团队各专业的工程师都可以独立做好自己的专业设计图，并添加各种专业图标信息。设计人员需要通过经验保证专业标准得到维护，并通过人工检查的方式来保证自己的专业设计与团队其他专业的设计不发生冲突。各专业设计图汇总起来，并且被归纳复制到总体设计中，这就需要一个文档级信息管理系统，把所有相关的的设计文档管理起来，文档元数据(例如专业、设计人、设计日期、设计版本等)被记入信息管理系统，便于其他人日后查询参考。

　　所有这些矿山设计工作，虽然引入了计算机应用，仍未摆脱过去趴图板的工作流程，只不过是用CAD把工程师从繁重的趴图板、用文档信息管理把有关人员去设计档案室人工查询等人工劳作中解放出来。我们称之为矿山设计数码化阶段。在这个阶段，即使有些年纪大的老同志以眼神不济为由，不愿意再花时间学习计算机制图和计算机信息系统文档查询技巧，但是他们仍可以根据自己多年的趴图板设计经验，权威性地指导年轻工程师圆满地完成矿山设计任务。这说明矿山设计数码化与过去的“趴图板”的基本设计思想和工作流程并没有发生实质性的变化。那么可以判断这个设计机构应该仍然处于数码化阶段。

　　需要特别强调一下，技术发展阶段的初级性质，并不意味着技术价值低。例如，我们可以说人的初级需求是吃饭，而文学欣赏是人的高级需求。但是这并不意味着水稻专家袁隆平的工作价值就比文艺工作者的工作价值更低，对社会的贡献更小。

　　数码化是数字化的基础条件和初级阶段。从“数字化”这个含义较广的名词中单独抽取出“数码化”那部分含义，对于我们下一步关于“数字化矿山三层次”讨论是很有帮助的。

　　MIM是数字化矿山的当前阶段

　　01“后数码化”的困境

　　笔者在这里要借用“后工业化”中的“后”这个字，来表达目前数字化矿山发展的处境。

　　众所周知，经济学家把工业化社会分为前工业化、工业化和后工业化三个阶段。后工业化社会的经济标志是由工农业生产占主导的经济变为服务经济，其技术特征则是后工业化社会对“知识技术”的需求。

　　目前基于CAD的传统二维设计模式仍是矿山设计的主流(包括初步设计、施工图设计、生产设计等)。虽说CAD大大提高了设计效率，把矿山设计带到了一个更高的技术层面，但是随着其他行业如制造业三维设计、尤其是建筑业BIM技术的诞生以及时间的推移，矿山传统设计的弊端渐渐显露，已经到了非改变不可的地步。笔者称这个变革过渡期为“后数码化”阶段。

　　首先让我们对“后数码化”阶段有一个清醒认识。在传统设计模式之下，即便是很有经验的设计人员，对于矿山现场的地质、地形地貌以及矿山生产全流程、尤其是全生命期都难以有全面的认知与感知，尤其是一些规模大、地质条件和开采条件复杂(高地压、深部以及高寒地区的矿山开采)、涉及利益相关方众多、环境保护要求高、生命周期跨度长的复杂项目，更是要求设计人员反复考察现场，认真勘测，多方收集数据，由资深工程师仔细审查把关，才能够制定出妥善的开采方案。传统的二维设计缺乏必要的直观性、信息透明度和共享性等，难免在设计过程中产生错误。很多设计决策错误甚至等到施工建设阶段、投产阶段才能发现，造成了不必要的返工浪费甚至是整个项目的废弃。

　　另外，传统设计对于复杂矿山项目的空间跨度和时间演化表示能力有限。人脑的空间识别和记忆能力极为有限。心理学家发现，人脑一次只能记住三、四件信息，并且人的即时记忆信息只能保存二、三十秒。在面对数以千百张剖面、透视、平面等图纸时，人脑的总体综合处理能力就显得无能为力，难免会延长设计周期，降低工作效率，出现设计错误。再加上二维设计所包含的功能图形符号非常专业，需要有很强的专业知识才能阅读理解，这些对于缺乏相关专业知识的其他专业人员以及业主方来说是一件非常头疼的事情。利益相关方(Stake holders)对于项目的理解、评估与决策，就缺乏量化与直观的依据。

　　目前正处于“后数码化”时代，急需数字化矿山的进一步升级，能够把设计图纸上的虚拟矿山与实体矿山进行直观的一比一映射，把相关的现象能够数字化地综合集成与继承起来，通过三维参数化设计、敏捷规划、集成业务、基于专业规则的管理，了解整个矿山各项业务、各阶段的运作和演化，实现矿山业务的互联互通、集成运营、整体价值链优化等目标。通过对矿山信息进行全面整合与分析，可以得到一个量化的判断依据;各参与方可以通过这这个具体依据去制定符合自身需要的规划与决策。形象地说，矿山要像制造业和建筑业那样设计和运营。

　　而矿业信息模型MIM就能帮助实现上述目标。

　　02 “后数码化”困境的出路：MIM化

　　2016年中国恩菲与国家超级计算天津中心联合筹建中国矿业信息化创新中心的筹备期间的研讨会上，中国工程院于润沧院士提出矿山信息模型MIM(Mining Information Modeling)的概念。

　　MIM是以三维数字技术为基础，集成了矿山工程项目各种相关信息的工程数据模型，可实现矿山全生命周期动态变化过程的数字化表达。通过连接矿山生命期不同阶段的数据、过程和资源，对矿山进行完整描述。

　　中国矿业信息协同创新北京市工程研究中心专家委员会第一次会议

　　MIM的提出，借鉴了建筑业为提升信息化水平而推广应用建筑信息模型BIM的经验，旨在改善矿山勘察设计和建设可视化程度以及各专业的沟通协调性，提高矿山安全生产效率，促进矿山全生命周期各阶段信息传递和共享。

　　继“数码化”之后，数字化矿山下一步发展就会进入“MIM阶段”。

　　现代汉语有很多表达方式来源于日语。例如数字化、信息化，以及更早年代的革命化、现代化等，其中的“化”字，就是来自于日语中的接尾词“化”。“某某化”就是表示趋向于“某某”的变化过程。“化”字的引入，使我们的日常表达方便了许多。顺便说一句，“数字化”的英语对应词Digitalization在英语国家并不流行。对于英语人士来说，他们知道这个词的存在，但很少使用。如果中国人在国外按照在国内的习惯大量使用Informatization(信息化)、Digitalization(数字化)，肯定会让老外一脸懵逼。在我们原来的习惯中应该使用数字化的地方，就直接使用Digital好了。

　　很多理解上的困难可以容易地“化”之。例如，国内流行多年的畅销书《数字化生存》的原版英文名称是Being Digital，如果是按照字面硬生生地翻译成《数字的生存》，保准你听了生一头雾水。再比如，经常有同事问我：数字孪生究竟是指实体及其虚拟这一对“孪生”(复数)，还是指虚拟方“小弟弟”(单数)?为什么数字孪生即是实体、也是过程的数字化表示?我献出一个秘诀：如果你在大部分“数字孪生”后面加上接尾词“化”，即“数字孪生化”，保证你原来的大部分疑惑就烟消云散了。

　　笔者尤其注意到，国外企业最近几年流行的Digital transformation，其实是直接对应我们中国人一直习惯使用的“数字化”。若较真起来，“转型”与“化”的意思几乎相当;Digital transformation翻译成中文，若是很学究地较真起来，要么是“数字化”，要么是“数字转型”，而翻译成“数字化转型”则属于同义重复。

　　入乡随俗，到哪山唱哪歌。我们可以约定俗成地把Digital transformation对应于“数字化转型”。当然也可以把数字化矿山发展过程的目前MIM阶段称为“MIM化”。将来随着数字化转型业务的深入化、复杂化，迟早会造出新词“数字孪生化”。让我们拭目以待吧。

　　#“数字化矿山三个层次”再认识#

　　01重温“数字化矿山三个层次”

　　十多年前，我国著名的矿业专家于润沧院士根据国内外矿山企业对数字化矿山建设的不同战略和不同学者对数字矿山概念的表达, 总结出“数字化矿山三个层次”，对数字化矿山表述为由初级到高级的三个层次(见2008年第3期《科学新闻》):

　　第一个层次就是矿山数字化信息系统或者叫作矿山数字化信息管理系统。这是初级阶段。

　　第二个层次(注：原文为阶段)是虚拟矿山，虚拟矿山的意思就是说，把真实矿山的整体以及和它相关的现象都能够继承起来，数字化表现出来，这样就可以了解整个矿山动态的运作和发展情况。

　　第三个层次(注：原文为阶段)就是远程遥控和自动化采矿阶段。就是说我坐在办公室里就可以操纵很远的地方，比方说几十公里以外的井下设备的运转。”

　　于润沧院士论述原文

　　后来，于院士又进一步对数字化矿山三个层次(或阶段)进行总结：“总体来讲,数字化矿山就是矿山地面和井下的、人类从事矿产资源开采的各种动态、静态的信息都能够数字化，而且用计算机网络来管理，同时利用空间技术、自动定位和导航技术实现远程遥控和自动化采矿。” (参见2012年第10期《科技成果管理与研究》访谈《数字化矿山推进矿业可持续发展——访中国工程院院士于润沧》)。

　　自从于润沧院士提出“数字化矿山三个层次”，十多年的时间过去了。在这十年当中，全球新一轮科技革命无论是形式和内容都为数字化矿山带来巨大影响。大数据、云计算、移动互联网、物联网、遥感探测、虚拟现实/增强现实、数字孪生等新技术与矿业技术交叉融合，使矿业发展新动能日益强劲，为矿山数字化转型、实现创新发展带来了革命性机遇。今天我们再回过头来研究“数字化矿山三个层次”，应该重新认识其包含的形式和内容，以及不同的数字技术发展阶段。

　　02“数字化矿山三个层次”再认识

　　有了以上关于数码化、MIM化以及数字孪生矿山的讨论为基础，我们就可以重新认识“数字化矿山三个层次”：

　　第一个层次：数码化矿山

　　这是初级层次，也是其他高级层次的基础。其本质是将过去的纸质数据或者模拟数据转换为数码格式(Digit format)，帮助企业更方便地建立信息管理系统，管理文档、增强文档安全性等。数码化资料需要人脑的介入去理解和分析，而当前的信息管理系统本身缺乏分析数据的能力。

　　从人的角度来看，这一层次属于数字化辅助过程，类似于八十年代普及的CAD画图(计算机辅助设计)，所有的设计分析优化都是设计人员在大脑中完成的，最后用计算机软件方便地画出设计图纸，而图纸以电子方式存储，可以轻松快速地进行更改、修改或复制。

　　第二个层次：MIM化矿山

　　其本质是三维虚拟矿山加业务属性信息，就是把真实矿山的整体以及和它相关的现象都能够继承起来，把矿山业务各专业以及矿山生命期不同阶段的数据、过程和资源进行统一完整地用数字化形式表现出来，这样就可以了解整个矿山动态的运作和发展情况。

　　如果用一个术语来代表的话，建议将第二层次称之为MIM阶段，或“MIM化”。

　　第三个层次：数字孪生化矿山

　　其应用形式之一就是远程遥控和自动化采矿。当作业人员坐在办公室里就可以操纵远处矿山(例如人员难以进入的高寒地区矿山或深部矿山)的设备运转时，他/她实际上就不是在和远处真实的设备直接打交道了，而是和这些真实设备的数字孪生之间进行互动。所以数字化矿山的第三层次，实际上就是 “数字孪生矿山”，或称“数字孪生化”。

　　自动化智能化只是数字化转型的局部任务，其实更重要的是业务运营方面流程型组织(Process-oriented Organization) 改变。对于许多企业来说，其数字化转型主要是指数字化对业务流程的改造。因此，Gartner的数字化定义实际上是将数字化技术与组织的因素联系在一起的。

　　03数字孪生矿山与MIM的分界

　　既然MIM脱胎于建筑行业的BIM，同样具有类似于BIM的应用边界。MIM 适用于矿山规划设计和建设的三维可视化以及各专业的沟通协调性。对于现场生产设备的远程操作控制，以及对生产现场实时数据的处理及智能分析，则负担显得有些超重。好的理论一定是应用对象适当、应用边界清晰，绝不是包罗万象、包治百病。建筑界有一段时间把BIM当成建筑业信息化的灵丹妙药，这样会导致BIM应用失焦、BIM发展泡沫化。

　　依赖于物联网对生产现场实时数据的处理及智能分析，以及依赖于5G等网络技术现场采矿设备进行远程操作，则是数字孪生的应用强项和适用范围。简单地说，MIM帮助规划设计人员和决策者创建一个在一段时间内有节制相对稳定的全生命周期数字矿山模型;而数字孪生矿山由实时数据驱动，是一个会呼吸的、活的、实时数据驱动的数字化矿山，更适合矿山安全生产运营。MIM与数码化一样，与物联网一道成为数字孪生矿山基础数据来源之一。

　　用汽车行业作比较，MIM帮助设计人员设计出一款总体布局合理、符合人机功效、满足用户要求、性价比合理的汽车;而数字孪生则通过车载传感器采集车辆本身及周边环境的数据并作出分析判断，帮助用户更加安全有效地驾驶汽车。

　　MIM的应用重点是创建协作设计和建造过程，以三维可视化的形式表达矿山模型和功能。与数字孪生不同的是，这种信息模型的强项是针对设计建造中的矿山进行修改和调整，而不是生产阶段的依赖感知数据与矿山生产现场进行实时互动。

　　总之，MIM是一种随着时间的推移不断发展的模型，以在矿山全生命期的每个阶段提供更多价值。MIM 是数字孪生矿山的关键数据来源之一。

　　数字化转型在改变着社会的方方面面。获得数字化技能现在已成为个人、行业和地区国家成功的先决条件。放眼未来，数字孪生的下一个演变过程将是“后数字化”，即数字化资产超越实体资产，整个企业组织实现“数字孪生化”，人员、企业组织和业务过程将成为重要的数据源，为数字孪生提供更多关于企业的背景信息。从外界观察，人们能看到一个企业的数字孪生。对于一个数字孪生矿山，不但是采矿作业人员的作业对象是数字孪生化的采矿现场设备、地质资源和岩土工程环境，而且外部业主和矿山企业管理层只需在数字孪生层次上经营整个矿山业务。因此，在数字孪生时代，经营一个矿山企业和经营一个飞机制造厂就没有什么差别。

　　结 语

　　放在数字孪生角度进行审视，于院士十多年前提出的“数字化矿山三个层次”仍然能够为当前的矿山数字化转型提供路线图的作用。很多矿山企业非常希望能够加快自身的数字化转型进程，但困惑大家的问题是：自己已经处于数字化矿山的哪个层次?下一步应该从哪里下手?无疑地，“数字化矿山三个层次”就能在相当程度上回答这个问题。

　　诚然，目前绝大多数矿山，即便是数字化转型先进行列的国际矿业巨头，离实现真正的数字孪生矿山尚有很长一段距离。但是，矿业利益相关方参照“数字化矿山三个层次”路线图，能够认清自己身处数字化矿山的哪个层次，将来需要朝哪个方向努力，则会“知彼知己，百战不殆”，则能牢牢地掌握主动权，少走弯路，高效且低成本地实现矿山数字化转型目标。

　　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。