摘要：數(shù)字孿生技術(shù)是一種將物理實(shí)體與其數(shù)字副本相結(jié)合的技術(shù)，通過傳感器收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的實(shí)時(shí)監(jiān)控和模擬分析。該技術(shù)不僅可以提高勘探效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源優(yōu)化配置，推動(dòng)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；诖?，分析數(shù)字孿生技術(shù)的概念及其在礦業(yè)資源勘探中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；礦業(yè)資源勘探；資源優(yōu)化

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-03

Innovative Application of Digital Twin Technology in Mining Resource Exploration

LIU Xiaohua

（Guangxi Natural Resources Remote Sensing Institute， Nanning 530000， China）

Abstract： Digital twin technology is a technique that combines physical entities with their digital replicas， collecting data through sensors to achieve real-time monitoring and simulation analysis of physical entities. This technology can not only improve exploration efficiency， but also achieve optimized resource allocation and promote sustainable development of the mining industry. Based on this， analyze the concept of digital twin technology and its specific application in mining resource exploration.

Keywords： digital twin technology; exploration of mining resources; resource optimization

在礦產(chǎn)資源勘探領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用正逐漸成為提高勘探效率和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了勘探的效率，還為礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和方法[1-2]。數(shù)字孿生技術(shù)的核心在于通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)狀態(tài)同步、歷史數(shù)據(jù)積累和多物理量、多尺度、多概率的仿真分析，為礦業(yè)資源勘探提供一個(gè)精確的數(shù)字映射。這種映射可以對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，預(yù)測礦產(chǎn)資源的分布，從而優(yōu)化勘探策略，降低勘探成本，提高資源利用率。數(shù)字孿生技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)地表設(shè)施和設(shè)備系統(tǒng)的管理，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，減少維護(hù)成本[3-4]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)資源勘探中的應(yīng)用將更加廣泛，其在提高勘探效率、降低勘探成本、增強(qiáng)安全性和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢將更加明顯。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生的定義與核心特征

數(shù)字孿生技術(shù)是一種創(chuàng)新的虛擬映射手段，通過在數(shù)字空間中創(chuàng)建物理對象或系統(tǒng)的精確副本，實(shí)現(xiàn)對實(shí)體的全面監(jiān)控、分析和預(yù)測。該技術(shù)不僅能夠?qū)崟r(shí)反映物理實(shí)體的狀態(tài)，還能夠模擬其行為和性能，為優(yōu)化決策提供依據(jù)。數(shù)字孿生的核心在于其能夠?qū)崿F(xiàn)物理對象與數(shù)字空間的雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接。

數(shù)字孿生技術(shù)具有以下特點(diǎn)。第一，互用性。數(shù)字孿生技術(shù)中的物理實(shí)體與其數(shù)字對應(yīng)物能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)和互動(dòng)，使得不同的數(shù)字模型能夠精確地代表實(shí)際物體。第二，靈活性。數(shù)字孿生技術(shù)能夠整合、增添或更新數(shù)字模型，適應(yīng)不同維度、物理特性和層次結(jié)構(gòu)的模型需求。第三，即時(shí)性。數(shù)字化管理能夠?qū)崟r(shí)更新，以準(zhǔn)確反映實(shí)體的外觀、狀況、特征和運(yùn)作原理。第四，準(zhǔn)確性。數(shù)字副本與實(shí)際物體在幾何形態(tài)、當(dāng)前狀態(tài)、物質(zhì)狀態(tài)和時(shí)間序列上具有極高的一致性。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展階段與應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)美國宇航局（National Aeronautics and Space Admini-stration，NASA）開始使用數(shù)字孿生技術(shù)對航天器進(jìn)行建模和仿真。NASA的數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以測試航天器的設(shè)計(jì)，還能夠減少生產(chǎn)成本和縮短開發(fā)周期。

數(shù)字孿生技術(shù)依托實(shí)際物體，運(yùn)用數(shù)字手段對現(xiàn)實(shí)世界中的對象、體系及流程進(jìn)行建模與模擬[5-6]。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和算法集成等方法，在實(shí)體與其數(shù)字對應(yīng)物間確立精確的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際物體的全面分析、預(yù)測和優(yōu)化控制。該概念由Michael Grieves教授于2002年首次提出，稱為“鏡像空間模型”，標(biāo)志著數(shù)字孿生理念的誕生。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸應(yīng)用于產(chǎn)品的全周期管理。到了2017年，高德納咨詢公司將其評為年度十大戰(zhàn)略科技趨勢，顯示了其在多個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用和重要性。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋了智能制造、智慧城市、醫(yī)療健康等多個(gè)行業(yè)。在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)被用于產(chǎn)品迭代式創(chuàng)新、生產(chǎn)制造全過程數(shù)字化管理以及設(shè)備預(yù)測性維護(hù)。智慧城市建設(shè)中，數(shù)字孿生技術(shù)通過對城市的各方面進(jìn)行運(yùn)營、治理和決策，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體城市與數(shù)字化虛擬城市的虛實(shí)交融[7]。數(shù)字孿生技術(shù)還在醫(yī)療領(lǐng)域模擬人體器官功能，在交通運(yùn)輸行業(yè)模擬交通系統(tǒng)的人車流動(dòng)，在軍事領(lǐng)域助力裝備研制、部署、維護(hù)，并輔助教學(xué)訓(xùn)練。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)資源勘探中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)模型的數(shù)字孿生化

地質(zhì)模型的數(shù)字孿生化是數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)資源勘探中的關(guān)鍵應(yīng)用之一。這一過程涉及將地質(zhì)數(shù)據(jù)和特征在數(shù)字空間中精確映射，創(chuàng)建一個(gè)與物理地質(zhì)體同步的虛擬模型。數(shù)字孿生地質(zhì)模型能夠模擬地質(zhì)體的復(fù)雜性和多變性，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石類型、礦體分布等關(guān)鍵信息。通過三維地質(zhì)建模技術(shù)，如不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）模型、結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何（Constructive Solid Geometry，CSG）、四面體格網(wǎng)、數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）等，運(yùn)用三維可視化平臺獲取動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)和精確信息，實(shí)現(xiàn)礦山要素實(shí)時(shí)監(jiān)測定位，提升監(jiān)控系統(tǒng)可視化效果，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

數(shù)字孿生地質(zhì)模型能夠采用逐點(diǎn)插入法構(gòu)造，先構(gòu)造規(guī)則格網(wǎng)，再由規(guī)則格網(wǎng)模型生成TIN模型，或者利用等高線數(shù)據(jù)建立TIN模型。數(shù)字孿生地質(zhì)模型的核心在于其能夠?qū)崿F(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字空間的雙向映射和動(dòng)態(tài)交互。這種模型不僅能夠提供地質(zhì)體的靜態(tài)描述，還能夠模擬其動(dòng)態(tài)變化，如礦體的開采過程、地下水流動(dòng)等。

2.2 地表設(shè)施與設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)字孿生化

數(shù)字孿生技術(shù)為地表設(shè)施和設(shè)備系統(tǒng)提供了一種全新的管理方式。通過創(chuàng)建這些系統(tǒng)的數(shù)字化鏡像，能夠?qū)崿F(xiàn)對它們的實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)還支持預(yù)測性維護(hù)，通過分析歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并提前采取維護(hù)措施，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

在優(yōu)化資源配置方面，數(shù)字孿生模型根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)資源分配，提升資源利用效率。在應(yīng)急響應(yīng)方面，數(shù)字孿生模型能夠快速模擬突發(fā)事件的發(fā)展過程，為決策提供支持，提高應(yīng)急響應(yīng)效率。這些應(yīng)用場景不局限于單一領(lǐng)域，涉及了多個(gè)領(lǐng)域，如交通管理、能源管理、水務(wù)管理以及建筑物管理。例如，在能源管理領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測能源消耗情況，優(yōu)化能源調(diào)度，提高能源利用效率。

3 實(shí)踐案例分析

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)在北京大興國際機(jī)場項(xiàng)目中的應(yīng)用

北京大興國際機(jī)場項(xiàng)目被譽(yù)為“新世界七大奇跡”之首，通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化管理和高效運(yùn)營。數(shù)字孿生模型的構(gòu)建使得機(jī)場管理者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)場的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測未來的運(yùn)行情況，并及時(shí)采取措施優(yōu)化運(yùn)營。

在航站樓數(shù)字孿生模型方面，北京大興國際機(jī)場的模型是整個(gè)機(jī)場數(shù)字孿生體系的核心，它能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)航站樓的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。通過對航站樓的物理模型進(jìn)行數(shù)字化建模，可以精確地模擬出航站樓的運(yùn)行狀態(tài)，包括航班信息、旅客流動(dòng)情況、行李處理系統(tǒng)等。

3.2 數(shù)字孿生南水北調(diào)中線工程

數(shù)字孿生南水北調(diào)中線工程作為國家水網(wǎng)智慧建設(shè)的重要實(shí)踐，展現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的創(chuàng)新應(yīng)用。該工程通過構(gòu)建數(shù)字孿生平臺，實(shí)現(xiàn)了對南水北調(diào)中線工程的全方位監(jiān)控和管理，提升了工程的智能化水平。數(shù)字孿生南水北調(diào)中線1.0成功入選水利部數(shù)字孿生水利建設(shè)十大樣板，標(biāo)志著其在水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展中的重要地位。

在提升工程安全、供水安全、水質(zhì)安全方面，數(shù)字孿生南水北調(diào)中線1.0發(fā)揮了重要作用。項(xiàng)目通過整合多模態(tài)算據(jù)匯集、多業(yè)務(wù)專業(yè)模型協(xié)同、多芯融合算力平臺，構(gòu)建了“四預(yù)”功能體系，即預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，有效提升了中線工程的安全管理能力。特別是在冰情預(yù)測預(yù)報(bào)方面，該模型能夠科學(xué)預(yù)測未來多日的水溫和冰情，及時(shí)預(yù)警并優(yōu)化調(diào)度方案，提高了冬季輸水能力。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)資源勘探中的創(chuàng)新應(yīng)用策略

4.1 虛擬礦山的可視化管理

虛擬礦山的可視化管理是數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。通過構(gòu)建礦山的虛擬仿真三維場景，數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)作業(yè)過程的模擬和工藝流程的仿真再現(xiàn)。這種技術(shù)不僅包括礦山的地形地貌、建筑、井巷和工程機(jī)械裝備等，還能夠?qū)崿F(xiàn)礦山的交互式場景漫游、信息查詢、事故模擬、生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合集成和應(yīng)急管理等功能，為礦山生產(chǎn)管理、安全運(yùn)營、培訓(xùn)考核和應(yīng)急救援指揮等提供管理決策的服務(wù)平臺。

基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的三維礦山場景重建，利用高精度遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)和正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于數(shù)字地球和GIS的礦山虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺。這種逼真的三維虛擬仿真場景和生產(chǎn)作業(yè)過程，使用戶即使在辦公室中也能置身于礦山的每個(gè)角落，甚至走進(jìn)礦體內(nèi)部，身臨其境地觀察生產(chǎn)對象，指導(dǎo)礦山的生產(chǎn)作業(yè)過程。

虛擬礦山的可視化管理還包括地下礦井工程的三維可視化，根據(jù)礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）圖和地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，構(gòu)建地下礦山及設(shè)施三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型，進(jìn)行可視化仿真。這不僅涉及地質(zhì)狀況、礦體布局、巷道和地下運(yùn)輸軌道等，還包括豎井、斜井、平碉、溜井等關(guān)鍵設(shè)施的詳細(xì)展示。

4.2 動(dòng)態(tài)礦山的實(shí)時(shí)同步與優(yōu)化

數(shù)字孿生技術(shù)在動(dòng)態(tài)礦山管理中的核心應(yīng)用之一是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步與優(yōu)化。該技術(shù)通過采集、傳輸和分析礦山數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對礦山生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化管理。在智慧礦山系統(tǒng)中，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，對設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和資源利用率。這種實(shí)時(shí)調(diào)度與動(dòng)態(tài)優(yōu)化的能力使得礦山管理者能夠快速做出準(zhǔn)確決策，應(yīng)對復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境和變化的市場需求。

多目標(biāo)優(yōu)化也是數(shù)字孿生技術(shù)在礦山管理中的一個(gè)重要方面。礦山生產(chǎn)調(diào)度需要面對多個(gè)沖突的目標(biāo)，如生產(chǎn)能力的最大化、設(shè)備利用率的提高、能源消耗的降低等。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過多目標(biāo)優(yōu)化算法，尋求最優(yōu)的調(diào)度方案，使各項(xiàng)目標(biāo)得到最大程度的平衡。

5 結(jié)論

通過對數(shù)字孿生技術(shù)在礦業(yè)資源勘探中的應(yīng)用進(jìn)行全面探討，揭示了該技術(shù)在提高勘探效率、優(yōu)化資源配置、增強(qiáng)安全性和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展方面的重要價(jià)值。數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建物理礦山的精確虛擬副本，實(shí)現(xiàn)了對礦山環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和預(yù)測，有效提升了礦業(yè)資源勘探的準(zhǔn)確性和效率。

實(shí)踐案例分析進(jìn)一步證實(shí)了數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，如北京大興國際機(jī)場項(xiàng)目、數(shù)字孿生南水北調(diào)中線工程，均展示了數(shù)字孿生技術(shù)在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。這些案例不僅證明了數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)際效益，也為礦業(yè)資源勘探提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。研究表明，數(shù)字孿生技術(shù)不僅能夠提高礦業(yè)資源勘探的效率和準(zhǔn)確性，還能夠?yàn)榈V業(yè)的智能化和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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收稿日期：2024-12-09

作者簡介：劉肖華（1985—），女，河南鶴壁人，工程師。研究方向：測繪與地理信息。