數字孿生技術在礦業資源勘探中的創新應用

摘要：數字孿生技術是一種將物理實體與其數字副本相結合的技術，通過傳感器收集數據，實現對物理實體的實時監控和模擬分析。該技術不僅可以提高勘探效率，還能夠實現資源優化配置，推動礦業的可持續發展。基于此，分析數字孿生技術的概念及其在礦業資源勘探中的具體應用。

關鍵詞：數字孿生技術；礦業資源勘探；資源優化

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：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

在礦產資源勘探領域，數字孿生技術的應用正逐漸成為提高勘探效率和準確性的關鍵。該技術的應用不僅提高了勘探的效率，還為礦業的可持續發展提供了新的思路和方法[1-2]。數字孿生技術的核心在于通過實時數據交換、系統狀態同步、歷史數據積累和多物理量、多尺度、多概率的仿真分析，為礦業資源勘探提供一個精確的數字映射。這種映射可以對地質結構進行深入分析，預測礦產資源的分布，從而優化勘探策略，降低勘探成本，提高資源利用率。數字孿生技術還能夠實現地表設施和設備系統的管理，通過實時監控和分析，優化設備運行，減少維護成本[3-4]。隨著技術的不斷進步，數字孿生技術在礦業資源勘探中的應用將更加廣泛，其在提高勘探效率、降低勘探成本、增強安全性和促進可持續發展等方面的優勢將更加明顯。

1 數字孿生技術概述

1.1 數字孿生的定義與核心特征

數字孿生技術是一種創新的虛擬映射手段，通過在數字空間中創建物理對象或系統的精確副本，實現對實體的全面監控、分析和預測。該技術不僅能夠實時反映物理實體的狀態，還能夠模擬其行為和性能，為優化決策提供依據。數字孿生的核心在于其能夠實現物理對象與數字空間的雙向映射、動態交互和實時連接。

數字孿生技術具有以下特點。第一，互用性。數字孿生技術中的物理實體與其數字對應物能夠實現數據的雙向流動和互動，使得不同的數字模型能夠精確地代表實際物體。第二，靈活性。數字孿生技術能夠整合、增添或更新數字模型，適應不同維度、物理特性和層次結構的模型需求。第三，即時性。數字化管理能夠實時更新，以準確反映實體的外觀、狀況、特征和運作原理。第四，準確性。數字副本與實際物體在幾何形態、當前狀態、物質狀態和時間序列上具有極高的一致性。

1.2 數字孿生技術的發展階段與應用領域

數字孿生技術的起源可以追溯到20世紀70年代，當時美國宇航局（National Aeronautics and Space Admini-stration，NASA）開始使用數字孿生技術對航天器進行建模和仿真。NASA的數字孿生技術不僅可以測試航天器的設計，還能夠減少生產成本和縮短開發周期。

數字孿生技術依托實際物體，運用數字手段對現實世界中的對象、體系及流程進行建模與模擬[5-6]。通過實時數據采集、數學模型構建和算法集成等方法，在實體與其數字對應物間確立精確的對應關系，實現對實際物體的全面分析、預測和優化控制。該概念由Michael Grieves教授于2002年首次提出，稱為“鏡像空間模型”，標志著數字孿生理念的誕生。隨著物聯網技術的迅猛發展，數字孿生技術逐漸應用于產品的全周期管理。到了2017年，高德納咨詢公司將其評為年度十大戰略科技趨勢，顯示了其在多個行業的廣泛應用和重要性。

數字孿生技術的應用領域廣泛，涵蓋了智能制造、智慧城市、醫療健康等多個行業。在智能制造領域，數字孿生技術被用于產品迭代式創新、生產制造全過程數字化管理以及設備預測性維護。智慧城市建設中，數字孿生技術通過對城市的各方面進行運營、治理和決策，實現物理實體城市與數字化虛擬城市的虛實交融[7]。數字孿生技術還在醫療領域模擬人體器官功能，在交通運輸行業模擬交通系統的人車流動，在軍事領域助力裝備研制、部署、維護，并輔助教學訓練。

2 數字孿生技術在礦業資源勘探中的應用

2.1 地質模型的數字孿生化

地質模型的數字孿生化是數字孿生技術在礦業資源勘探中的關鍵應用之一。這一過程涉及將地質數據和特征在數字空間中精確映射，創建一個與物理地質體同步的虛擬模型。數字孿生地質模型能夠模擬地質體的復雜性和多變性，包括地質結構、巖石類型、礦體分布等關鍵信息。通過三維地質建模技術，如不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）模型、結構實體幾何（Constructive Solid Geometry，CSG）、四面體格網、數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）等，運用三維可視化平臺獲取動態運行數據和精確信息，實現礦山要素實時監測定位，提升監控系統可視化效果，提高計算結果的準確度。

數字孿生地質模型能夠采用逐點插入法構造，先構造規則格網，再由規則格網模型生成TIN模型，或者利用等高線數據建立TIN模型。數字孿生地質模型的核心在于其能夠實現物理實體與數字空間的雙向映射和動態交互。這種模型不僅能夠提供地質體的靜態描述，還能夠模擬其動態變化，如礦體的開采過程、地下水流動等。

2.2 地表設施與設備系統的數字孿生化

數字孿生技術為地表設施和設備系統提供了一種全新的管理方式。通過創建這些系統的數字化鏡像，能夠實現對它們的實時監測、分析和優化。數字孿生技術還支持預測性維護，通過分析歷史和實時數據，能夠及時發現設備故障并提前采取維護措施，有利于提高系統的可靠性。

在優化資源配置方面，數字孿生模型根據模擬結果指導資源分配，提升資源利用效率。在應急響應方面，數字孿生模型能夠快速模擬突發事件的發展過程，為決策提供支持，提高應急響應效率。這些應用場景不局限于單一領域，涉及了多個領域，如交通管理、能源管理、水務管理以及建筑物管理。例如，在能源管理領域，數字孿生技術可以實時監測能源消耗情況，優化能源調度，提高能源利用效率。

3 實踐案例分析

3.1 數字孿生技術在北京大興國際機場項目中的應用

北京大興國際機場項目被譽為“新世界七大奇跡”之首，通過應用數字孿生技術實現了智能化管理和高效運營。數字孿生模型的構建使得機場管理者能夠實時監控機場的運行狀態，預測未來的運行情況，并及時采取措施優化運營。

在航站樓數字孿生模型方面，北京大興國際機場的模型是整個機場數字孿生體系的核心，它能夠實現整個航站樓的實時監控和數據采集。通過對航站樓的物理模型進行數字化建模，可以精確地模擬出航站樓的運行狀態，包括航班信息、旅客流動情況、行李處理系統等。

3.2 數字孿生南水北調中線工程

數字孿生南水北調中線工程作為國家水網智慧建設的重要實踐，展現了數字孿生技術在水利工程中的創新應用。該工程通過構建數字孿生平臺，實現了對南水北調中線工程的全方位監控和管理，提升了工程的智能化水平。數字孿生南水北調中線1.0成功入選水利部數字孿生水利建設十大樣板，標志著其在水利新質生產力發展中的重要地位。

在提升工程安全、供水安全、水質安全方面，數字孿生南水北調中線1.0發揮了重要作用。項目通過整合多模態算據匯集、多業務專業模型協同、多芯融合算力平臺，構建了“四預”功能體系，即預報、預警、預演、預案，有效提升了中線工程的安全管理能力。特別是在冰情預測預報方面，該模型能夠科學預測未來多日的水溫和冰情，及時預警并優化調度方案，提高了冬季輸水能力。

4 數字孿生技術在礦業資源勘探中的創新應用策略

4.1 虛擬礦山的可視化管理

虛擬礦山的可視化管理是數字孿生技術在礦業領域的重要應用之一。通過構建礦山的虛擬仿真三維場景，數字孿生技術實現了礦山生產作業過程的模擬和工藝流程的仿真再現。這種技術不僅包括礦山的地形地貌、建筑、井巷和工程機械裝備等，還能夠實現礦山的交互式場景漫游、信息查詢、事故模擬、生產數據綜合集成和應急管理等功能，為礦山生產管理、安全運營、培訓考核和應急救援指揮等提供管理決策的服務平臺。

基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的三維礦山場景重建，利用高精度遙感數據、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據和正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）數據，構建了基于數字地球和GIS的礦山虛擬現實系統平臺。這種逼真的三維虛擬仿真場景和生產作業過程，使用戶即使在辦公室中也能置身于礦山的每個角落，甚至走進礦體內部，身臨其境地觀察生產對象，指導礦山的生產作業過程。

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，根據礦山規劃設計計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）圖和地質勘探數據，構建地下礦山及設施三維虛擬現實仿真模型，進行可視化仿真。這不僅涉及地質狀況、礦體布局、巷道和地下運輸軌道等，還包括豎井、斜井、平碉、溜井等關鍵設施的詳細展示。

4.2 動態礦山的實時同步與優化

數字孿生技術在動態礦山管理中的核心應用之一是實現實時同步與優化。該技術通過采集、傳輸和分析礦山數據，實現對礦山生產過程的實時監控和優化管理。在智慧礦山系統中，基于實時監測數據，能夠實時調整生產計劃，對設備進行動態調度和優化，提高生產效率和資源利用率。這種實時調度與動態優化的能力使得礦山管理者能夠快速做出準確決策，應對復雜的生產環境和變化的市場需求。

多目標優化也是數字孿生技術在礦山管理中的一個重要方面。礦山生產調度需要面對多個沖突的目標，如生產能力的最大化、設備利用率的提高、能源消耗的降低等。數字孿生技術可以通過多目標優化算法，尋求最優的調度方案，使各項目標得到最大程度的平衡。

5 結論

通過對數字孿生技術在礦業資源勘探中的應用進行全面探討，揭示了該技術在提高勘探效率、優化資源配置、增強安全性和推動可持續發展方面的重要價值。數字孿生技術通過創建物理礦山的精確虛擬副本，實現了對礦山環境的實時監控、分析和預測，有效提升了礦業資源勘探的準確性和效率。

實踐案例分析進一步證實了數字孿生技術在實際應用中的有效性，如北京大興國際機場項目、數字孿生南水北調中線工程，均展示了數字孿生技術在不同領域的創新應用。這些案例不僅證明了數字孿生技術的實際效益，也為礦業資源勘探提供了寶貴的經驗。研究表明，數字孿生技術不僅能夠提高礦業資源勘探的效率和準確性，還能夠為礦業的智能化和可持續發展提供強有力的技術支持。

參考文獻

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2 董培林，寇向宇，吳玓文，等.數字孿生技術在礦山物聯網管控系統的應用[J].礦業研究與開發，2022（10）：163-168.

3 李 欣.地質礦產勘查中的資源儲量估算與評估方法研究[J].中國金屬通報，2024（8）：128-130.

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6 胡榮華，安 冬，史夢圓，等.智能礦用機器人研究現狀及發展趨勢[J].黃金，2023（9）：59-68.

7 謝嘉成，王學文，楊兆建.基于數字孿生的綜采工作面生產系統設計與運行模式[J].計算機集成制造系統，2019（6）：1381-1391.

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。