摘要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與礦業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)工藝技術(shù)的不斷融合發(fā)展，選礦流程數(shù)字化、智能化成為行業(yè)發(fā)展趨勢。數(shù)字孿生技術(shù)與選礦工藝相結(jié)合建立數(shù)字仿真平臺，將提升設(shè)備改進、流程優(yōu)化、智能控制等在選礦全生產(chǎn)周期的應(yīng)用效果。介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在流程工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展歷史及趨勢，以及不同數(shù)字化模型在黃金選礦流程中的應(yīng)用潛力。結(jié)合工業(yè)實踐介紹了幾種黃金選礦流程數(shù)字孿生模型的應(yīng)用場景，探索數(shù)字孿生技術(shù)在黃金選礦中的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;黃金選礦;數(shù)字化模型;設(shè)備模型;流程模型

　　引言

　　通過關(guān)鍵設(shè)備及流程的智能化，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)的支持，建立以智能選礦廠為載體的智能礦山是中國礦物加工工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要途徑[1]。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的進步，以及依托數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能算法的仿真模型逐漸豐富，數(shù)字孿生技術(shù)近年來發(fā)展迅猛。數(shù)字孿生、虛擬仿真技術(shù)與礦業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)工藝技術(shù)的不斷融合發(fā)展，正在推動礦物加工流程工業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級，通過數(shù)字技術(shù)承載礦物“基因?qū)傩?rdquo;，最大限度地提高工業(yè)數(shù)據(jù)收集工作的價值，進而提升整個礦物加工行業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。

　　一項新興通用技術(shù)在行業(yè)內(nèi)落地往往需要充分結(jié)合行業(yè)特點，以行業(yè)需求推動特種技術(shù)發(fā)展，進而實現(xiàn)新興通用技術(shù)的工業(yè)實踐。數(shù)字孿生技術(shù)亦是如此。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在制造領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域及城市規(guī)劃領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的應(yīng)用，取得了良好的示范效果[3]。這些應(yīng)用案例為數(shù)字孿生技術(shù)在礦物加工領(lǐng)域開展工業(yè)實踐提供了很好的借鑒，但要使數(shù)字孿生技術(shù)真正為礦山企業(yè)帶來實際收益，可能需要借助采礦、運輸、選礦、尾礦處理、水處理等環(huán)節(jié)的行業(yè)知識搭建橋梁，連接數(shù)字技術(shù)與選礦技術(shù)，實現(xiàn)虛擬廠礦與現(xiàn)實廠礦的交互。

　　本文在介紹數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了黃金選礦數(shù)字孿生一般性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并探討了不同數(shù)字化模型應(yīng)用場景，以期能夠為數(shù)字孿生技術(shù)在黃金選礦生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一些思路。

　　1數(shù)字孿生技術(shù)概述

　　2010年11月，美國國家航空航天局(NASA)在其發(fā)布的技術(shù)路線圖報告《Draft modeling，simulation，information technology & processing roadmap》中首次使用了“數(shù)字孿生”一詞，并開始嘗試建立一個數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高性能計算、高精度建模仿真及信息處理技術(shù)，能夠在發(fā)射任務(wù)前進行虛擬飛行演練，提供持續(xù)的健康預(yù)測和故障排除策略，減小風(fēng)險;可以鏡像模擬實際的飛行過程，監(jiān)視及預(yù)測飛行孿生的狀態(tài);通過大規(guī)模數(shù)據(jù)分析及整合支持新的科學(xué)研究，減少任務(wù)設(shè)計周期，降低培訓(xùn)和維護成本[4-5]。

　　隨后數(shù)字孿生技術(shù)逐漸被應(yīng)用在制造業(yè)中，且重要性越來越大，成為制造業(yè)和流程工業(yè)“工業(yè)4.0”藍圖中不可或缺的元素。在數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生能源等應(yīng)運而生，并為其各自對應(yīng)的領(lǐng)域帶來了收益[6]。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于礦業(yè)行業(yè)，推動該行業(yè)傳統(tǒng)流程工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

　　通用電氣公司(GE)數(shù)字礦山團隊使用數(shù)字孿生技術(shù)進行資產(chǎn)規(guī)劃、運營績效管理、鉆探指導(dǎo)和故障感知等方面的工業(yè)應(yīng)用，并開發(fā)了可以連接工業(yè)設(shè)備、進行數(shù)據(jù)分析和實時反饋的PredixTM平臺。2017年4月，通用電氣公司和總部位于澳大利亞珀斯的礦業(yè)公司South32宣布達成一項為期3年的協(xié)議，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于其業(yè)務(wù)推廣和創(chuàng)新。South32利用PredixTM平臺，除可對單項資產(chǎn)和單個設(shè)備進行優(yōu)化外，還可對全局礦山事務(wù)作出快速、準確的決策，并針對整個礦山業(yè)務(wù)進行優(yōu)化[7]。

　　安德里茨公司(ANDRITZ)利用計算機輔助工程(CAE)、數(shù)學(xué)模型及控制算法優(yōu)化建立了較為通用的流程工業(yè)模擬平臺及優(yōu)化控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)字孿生平臺，針對選礦流程實現(xiàn)流程設(shè)計、流程分析、軟測量及優(yōu)化控制等功能。ANDRITZ幫助大洋黃金公司(Oceana Gold)在南卡羅來納州的Haile金礦應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提升自動化水平和生產(chǎn)穩(wěn)定性，分別建立了旋流器和尾礦濃密機底流泵的“虛擬設(shè)備”，并作為控制系統(tǒng)的輸入變量之一，參與選礦流程的自動控制，特別是旋流器溢流和底流的計算值已經(jīng)代替了原有每小時進行的人工取樣測量值[8]。

　　盡管數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)幫助礦業(yè)企業(yè)在設(shè)備管理、資產(chǎn)管理、運輸、生產(chǎn)規(guī)劃等方面取得了較好的提升效果，但距離實現(xiàn)礦業(yè)企業(yè)全生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)投入工業(yè)實踐的目標還有很大距離。持續(xù)關(guān)注選礦仿真模型、人工智能算法的發(fā)展，并將最新的技術(shù)成果納入礦業(yè)工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃，是實現(xiàn)礦業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，特別是實現(xiàn)選礦數(shù)字孿生工廠建設(shè)的有效途徑。

　　2黃金選礦數(shù)字孿生技術(shù)

　　NASA提出的“數(shù)字孿生”概念有其明確的需求導(dǎo)向，即服務(wù)于未來宇航任務(wù)。在這個數(shù)字孿生系統(tǒng)中各種對應(yīng)不同宇航任務(wù)的仿真模型構(gòu)成了對運載工具及任務(wù)流程全生命周期的支持。將這些仿真模型集成到一起，再加上包括實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史維護數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等的支撐，以及資產(chǎn)管理、規(guī)劃管理等內(nèi)容，就構(gòu)成了一種NASA追求的全新的“數(shù)字孿生”工作模式。對于礦業(yè)行業(yè)，或者再具體到黃金選礦行業(yè)，數(shù)字孿生系統(tǒng)必須要具有行業(yè)特點，能夠滿足行業(yè)特定需求，在擁有若干不同類型仿真模塊的情況下，完成局部或全部生產(chǎn)流程的虛擬，實現(xiàn)交互。因此，從生產(chǎn)實踐的角度來看，黃金選礦領(lǐng)域的數(shù)字孿生系統(tǒng)至少應(yīng)具備以下幾項功能：

　　1)對黃金選礦關(guān)鍵設(shè)備進行數(shù)字化建模。模型能夠準確模擬設(shè)備生產(chǎn)過程，計算設(shè)備磨損、運行效果、所處理物料的變化等。

　　2)對黃金選礦單元操作流程進行數(shù)字化建模。模型能夠準確模擬單元操作流程的生產(chǎn)功能，計算單元操作流程內(nèi)礦量、水量、氣量、藥劑量、其他介質(zhì)等的平衡情況，并反映操作條件變化對流程生產(chǎn)帶來的影響。

　　3)對黃金生產(chǎn)全流程進行數(shù)字化建模。模型能夠準確模擬包括破碎、磨礦、分級、浮選、濃縮脫水等黃金生產(chǎn)全流程的生產(chǎn)功能，計算流程內(nèi)各種物料的平衡情況，反映設(shè)備型號、操作條件、物料性質(zhì)變化給生產(chǎn)流程帶來的影響，計算目標礦物的生產(chǎn)達標情況。

　　在具備了上述一項或幾項功能的情況下，數(shù)字孿生系統(tǒng)就可以實現(xiàn)軟測量、故障診斷、生產(chǎn)規(guī)劃、流程優(yōu)化、自動控制等一系列能夠提升實體選礦廠生產(chǎn)效率的工業(yè)實踐。當然，除了這3個基本模塊之外，一個完整的數(shù)字孿生黃金選礦廠還需要采用必要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、知識提取技術(shù)及對真實系統(tǒng)的反饋機制等建立相應(yīng)功能模塊，這里僅從上述3類主要的建模方法出發(fā)，討論黃金選礦數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)。

　　2.1黃金選礦關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生模型

　　在黃金選礦數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)過程中，選礦設(shè)備模型是實現(xiàn)選礦流程數(shù)字化的基礎(chǔ)。在礦物加工設(shè)備建模領(lǐng)域，100年前已經(jīng)出現(xiàn)了大型機械的理論模型，如基于粉碎功耗理論的Rittinger、Kick和Bond模型，推動了破碎機和球磨機建模的發(fā)展[9-11]。WHITEN[12-13]結(jié)合磨礦動力學(xué)和矩陣表述方法建立了球磨機理想混合模型(Perfect Mixing Model)，奠定了目前大多數(shù)磨機設(shè)備的模型框架。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值模擬方法的發(fā)展，離散元(Discrete Element Modelling，DEM)、計算流體力學(xué)(Computation Fluid Dynamics，CFD)等方法被用于模擬破碎機[14]、磨機[15]、振動篩[16]、浮選機[17]、旋流器[18]等選礦關(guān)鍵設(shè)備，從微觀角度豐富模型細節(jié)，對設(shè)備內(nèi)的物料運動軌跡、顆粒碰撞粉碎、氣泡破裂凝并、礦漿流動情況等進行精確計算，協(xié)助設(shè)備設(shè)計及改進。為了更準確地描述選礦設(shè)備工業(yè)應(yīng)用場景，加強設(shè)備模型應(yīng)用的實時性，科研人員和工程技術(shù)人員開始將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、基因算法、支持向量機、決策樹、數(shù)據(jù)驅(qū)動、人工智能等新的基于數(shù)據(jù)的建模方法與設(shè)備建模相結(jié)合，針對浮選機、磨機等復(fù)雜設(shè)備進行建模仿真研究[19]。在此基礎(chǔ)上，新的基于混合建模方法的數(shù)字化設(shè)備模型建模方法應(yīng)運而生[20]，通過數(shù)值計算和人工智能方法進行工業(yè)尺度選礦設(shè)備經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)整定，利用離線數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)的支持，建立目標設(shè)備的數(shù)字孿生模型。這樣的設(shè)備模型不僅可以為新設(shè)備的設(shè)計提供支持，也可以為設(shè)備優(yōu)化、設(shè)備操作、設(shè)備軟測量提供在線或離線的數(shù)據(jù)支持，減少設(shè)備在生產(chǎn)中的故障率，實現(xiàn)預(yù)測性維護，并最終提升設(shè)備生產(chǎn)運行效率。

　　2.2黃金選礦單元操作流程數(shù)字孿生模型

　　以黃金選礦關(guān)鍵設(shè)備模型為基礎(chǔ)，輔以管路、泵池等輔助設(shè)備模型，在總體平衡框架下可以建立選礦流程中某一單元操作流程的數(shù)字孿生模型。此外，單元操作流程模型還應(yīng)具備原始流程考查數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、模型參數(shù)修正、通用數(shù)據(jù)庫環(huán)境及不同類型數(shù)據(jù)接口等功能模塊。到目前為止，礦物加工領(lǐng)域可以進行黃金選礦單元操作流程仿真計算的商業(yè)軟件還都是國外公司或研究機構(gòu)推出的[21]，其中較為典型的軟件有澳大利亞昆士蘭大學(xué)朱利葉斯克魯茨尼特礦物研究中心(JKMRC)推出的粉碎流程模擬軟件JKSimMet(見圖1)和浮選流程模擬軟件JKSimFloat，法國地礦研究局(BRGM)開發(fā)的選礦流程穩(wěn)態(tài)模擬軟件USIM PAC，美國METSIM國際公司開發(fā)的包含選礦和冶金流程靜態(tài)、動態(tài)模擬軟件包METSIM，美國猶他大學(xué)研究開發(fā)、礦產(chǎn)技術(shù)國際公司(MTI)推出的礦物加工流程模塊化模擬器MODSIM及南非肯瓦特(Kenwalt)公司開發(fā)的大型流程模擬軟件SysCAD等。

　　在這些軟件或模擬器中，可以單獨針對單臺設(shè)備進行礦量、水量的平衡計算，也可以針對破碎、磨礦、分級、浮選、重選、磁選及固液分離流程進行礦量、水量、粒度、濃度的模擬計算。盡管目前有些軟件稱可以進行動態(tài)仿真，如METSIM、SysCAD等，在其平臺下可以測試簡單的控制邏輯對流程的影響。但是，從某種角度來講，其動態(tài)過程的計算還不是真正意義上的動態(tài)仿真，因為仿真模型中的設(shè)備模型參數(shù)并不能根據(jù)礦石性質(zhì)及操作條件自動進行調(diào)整。也就是說，其只能反映某一穩(wěn)定狀態(tài)下一個或幾個操作變量對流程數(shù)質(zhì)量平衡的影響。盡管如此，這些流程模擬軟件仍可以完成針對流程操作或流程控制單變量分析或有限定條件的多變量分析，幫助工程技術(shù)人員進行流程設(shè)計、流程優(yōu)化、復(fù)現(xiàn)一定條件下的流程表現(xiàn)。結(jié)合目標流程相對應(yīng)的設(shè)備模型，更多的軟測量信息得以補充，則針對特定需求的單元操作數(shù)字孿生系統(tǒng)可以在目前的技術(shù)水平下實現(xiàn)。

　　隨著設(shè)備、單元操作流程動態(tài)模型研究的不斷深入，以及大數(shù)據(jù)技術(shù)在礦物加工領(lǐng)域的融合發(fā)展，黃金選礦單元操作流程數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)基礎(chǔ)也會逐漸夯實，基于數(shù)字孿生的單元操作流程優(yōu)化技術(shù)也將在黃金選礦生產(chǎn)中發(fā)揮實質(zhì)性作用。

　　2.3黃金生產(chǎn)全流程數(shù)字孿生模型

　　黃金生產(chǎn)全流程數(shù)字孿生模型不但要包含設(shè)備、單元操作流程數(shù)字孿生功能，還要在更大的維度發(fā)揮數(shù)字化模型及孿生系統(tǒng)的優(yōu)勢，對整個工廠全生命周期進行監(jiān)控和優(yōu)化。對于一座黃金礦山來說，全流程數(shù)字孿生系統(tǒng)向上游包含探礦、采礦，中游包含選礦、尾礦處理，下游包含冶煉、產(chǎn)品運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。不同的環(huán)節(jié)，需要有相應(yīng)的數(shù)字化模型來描述各個不同的生產(chǎn)過程，同時利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立采礦數(shù)據(jù)庫、運輸數(shù)據(jù)庫、選礦數(shù)據(jù)庫、冶煉數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)及金融數(shù)據(jù)庫、環(huán)境數(shù)據(jù)庫等企業(yè)數(shù)據(jù)鏈之間的內(nèi)在聯(lián)系，從生產(chǎn)全局出發(fā)進行單目標或多目標優(yōu)化，從而達到數(shù)字化驅(qū)動礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的目的。數(shù)字孿生技術(shù)對礦山企業(yè)掌握詳細的多維度生產(chǎn)信息、能耗信息、排放信息等具有很大的支撐作用，同時幫助企業(yè)推進“綠色礦山”建設(shè)，實現(xiàn)“節(jié)能減排”“碳中和”等目標。