黃金選礦數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用探索

宋濤　楊佳偉　鄒國(guó)斌　王慶凱　周俊武

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(shì)。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(tái)，將提升設(shè)備改進(jìn)、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(shì)，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(shí)踐介紹了幾種黃金選礦流程數(shù)字孿生模型的應(yīng)用場(chǎng)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

中圖分類號(hào)：TD9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2022）01-0078-05doi：10.11792/hj20220113

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFE0105000，2020YFE0201100）

引言

通過(guò)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(jì)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(guó)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(jìn)步，以及依托數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能算法的仿真模型逐漸豐富，數(shù)字孿生技術(shù)近年來(lái)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(dòng)礦物加工流程工業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級(jí)，通過(guò)數(shù)字技術(shù)承載礦物“基因?qū)傩浴保畲笙薅鹊靥岣吖I(yè)數(shù)據(jù)收集工作的價(jià)值，進(jìn)而提升整個(gè)礦物加工行業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。

一項(xiàng)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(diǎn)，以行業(yè)需求推動(dòng)特種技術(shù)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新興通用技術(shù)的工業(yè)實(shí)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(kāi)展工業(yè)實(shí)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(lái)實(shí)際收益，可能需要借助采礦、運(yùn)輸、選礦、尾礦處理、水處理等環(huán)節(jié)的行業(yè)知識(shí)搭建橋梁，連接數(shù)字技術(shù)與選礦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬廠礦與現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景，以期能夠?yàn)閿?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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在其發(fā)布的技術(shù)路線圖報(bào)告《Draft modeling，simulation，information technology & processing roadmap》中首次使用了“數(shù)字孿生”一詞，并開(kāi)始嘗試建立一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高性能計(jì)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(jìn)行虛擬飛行演練，提供持續(xù)的健康預(yù)測(cè)和故障排除策略，減小風(fēng)險(xiǎn);可以鏡像模擬實(shí)際的飛行過(guò)程，監(jiān)視及預(yù)測(cè)飛行孿生的狀態(tài);通過(guò)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(jì)周期，降低培訓(xùn)和維護(hù)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(lái)越大，成為制造業(yè)和流程工業(yè)“工業(yè)4.0”藍(lán)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(yùn)而生，并為其各自對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域帶來(lái)了收益[6]。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于礦業(yè)行業(yè)，推動(dòng)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(tuán)隊(duì)使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行資產(chǎn)規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)績(jī)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(kāi)發(fā)了可以連接工業(yè)設(shè)備、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)反饋的PredixTM平臺(tái)。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(dá)成一項(xiàng)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Predix平臺(tái)，除可對(duì)單項(xiàng)資產(chǎn)和單個(gè)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化外，還可對(duì)全局礦山事務(wù)作出快速、準(zhǔn)確的決策，并針對(duì)整個(gè)礦山業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化[7]。

安德里茨公司（ANDRITZ）利用計(jì)算機(jī)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(tái)及優(yōu)化控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生平臺(tái)，針對(duì)選礦流程實(shí)現(xiàn)流程設(shè)計(jì)、流程分析、軟測(cè)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(lái)納州的Haile金礦應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提升自動(dòng)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(jī)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(dòng)控制，特別是旋流器溢流和底流的計(jì)算值已經(jīng)代替了原有每小時(shí)進(jìn)行的人工取樣測(cè)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(yùn)輸、生產(chǎn)規(guī)劃等方面取得了較好的提升效果，但距離實(shí)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(shí)踐的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)礦業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，特別是實(shí)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(lái)宇航任務(wù)。在這個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)中各種對(duì)應(yīng)不同宇航任務(wù)的仿真模型構(gòu)成了對(duì)運(yùn)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(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)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(duì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)交互。因此，從生產(chǎn)實(shí)踐的角度來(lái)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(xiàng)功能：

1）對(duì)黃金選礦關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模。模型能夠準(zhǔn)確模擬設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程，計(jì)算設(shè)備磨損、運(yùn)行效果、所處理物料的變化等。

2）對(duì)黃金選礦單元操作流程進(jìn)行數(shù)字化建模。模型能夠準(zhǔn)確模擬單元操作流程的生產(chǎn)功能，計(jì)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(duì)流程生產(chǎn)帶來(lái)的影響。

3）對(duì)黃金生產(chǎn)全流程進(jìn)行數(shù)字化建模。模型能夠準(zhǔn)確模擬包括破碎、磨礦、分級(jí)、浮選、濃縮脫水等黃金生產(chǎn)全流程的生產(chǎn)功能，計(jì)算流程內(nèi)各種物料的平衡情況，反映設(shè)備型號(hào)、操作條件、物料性質(zhì)變化給生產(chǎn)流程帶來(lái)的影響，計(jì)算目標(biāo)礦物的生產(chǎn)達(dá)標(biāo)情況。

在具備了上述一項(xiàng)或幾項(xiàng)功能的情況下，數(shù)字孿生系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量、故障診斷、生產(chǎn)規(guī)劃、流程優(yōu)化、自動(dòng)控制等一系列能夠提升實(shí)體選礦廠生產(chǎn)效率的工業(yè)實(shí)踐。當(dāng)然，除了這3個(gè)基本模塊之外，一個(gè)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、知識(shí)提取技術(shù)及對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的反饋機(jī)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(shí)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(guò)程中，選礦設(shè)備模型是實(shí)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(jī)械的理論模型，如基于粉碎功耗理論的Rittinger、Kick和Bond模型，推動(dòng)了破碎機(jī)和球磨機(jī)建模的發(fā)展[9-11]。WHITEN[12-13]結(jié)合磨礦動(dòng)力學(xué)和矩陣表述方法建立了球磨機(jī)理想混合模型（Perfect Mixing Model），奠定了目前大多數(shù)磨機(jī)設(shè)備的模型框架。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的發(fā)展，離散元（Discrete Element Modelling，DEM）、計(jì)算流體力學(xué)（Computation Fluid Dynamics，CFD）等方法被用于模擬破碎機(jī)[14]、磨機(jī)[15]、振動(dòng)篩[16]、浮選機(jī)[17]、旋流器[18]等選礦關(guān)鍵設(shè)備，從微觀角度豐富模型細(xì)節(jié)，對(duì)設(shè)備內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒碰撞粉碎、氣泡破裂凝并、礦漿流動(dòng)情況等進(jìn)行精確計(jì)算，協(xié)助設(shè)備設(shè)計(jì)及改進(jìn)。為了更準(zhǔn)確地描述選礦設(shè)備工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，加強(qiáng)設(shè)備模型應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，科研人員和工程技術(shù)人員開(kāi)始將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、基因算法、支持向量機(jī)、決策樹(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、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(duì)浮選機(jī)、磨機(jī)等復(fù)雜設(shè)備進(jìn)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(yùn)而生[20]，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和人工智能方法進(jìn)行工業(yè)尺度選礦設(shè)備經(jīng)驗(yàn)?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(biāo)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(jì)提供支持，也可以為設(shè)備優(yōu)化、設(shè)備操作、設(shè)備軟測(cè)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(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，并最終提升設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)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(kù)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(jìn)行黃金選礦單元操作流程仿真計(jì)算的商業(yè)軟件還都是國(guó)外公司或研究機(jī)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(jiàn)圖1）和浮選流程模擬軟件JKSimFloat，法國(guó)地礦研究局（BRGM）開(kāi)發(fā)的選礦流程穩(wěn)態(tài)模擬軟件USIM PAC，美國(guó)METSIM國(guó)際公司開(kāi)發(fā)的包含選礦和冶金流程靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬軟件包METSIM，美國(guó)猶他大學(xué)研究開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)技術(shù)國(guó)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(kāi)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(dú)針對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行礦量、水量的平衡計(jì)算，也可以針對(duì)破碎、磨礦、分級(jí)、浮選、重選、磁選及固液分離流程進(jìn)行礦量、水量、粒度、濃度的模擬計(jì)算。盡管目前有些軟件稱可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，如METSIM、SysCAD等，在其平臺(tái)下可以測(cè)試簡(jiǎn)單的控制邏輯對(duì)流程的影響。但是，從某種角度來(lái)講，其動(dòng)態(tài)過(guò)程的計(jì)算還不是真正意義上的動(dòng)態(tài)仿真，因?yàn)榉抡婺Ｐ椭械脑O(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(dòng)進(jìn)行調(diào)整。也就是說(shuō)，其只能反映某一穩(wěn)定狀態(tài)下一個(gè)或幾個(gè)操作變量對(duì)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(duì)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(jìn)行流程設(shè)計(jì)、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(biāo)流程相對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型，更多的軟測(cè)量信息得以補(bǔ)充，則針對(duì)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(shí)現(xiàn)。

隨著設(shè)備、單元操作流程動(dòng)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(huì)逐漸夯實(shí)，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(shí)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(shì)，對(duì)整個(gè)工廠全生命周期進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化。對(duì)于一座黃金礦山來(lái)說(shuō)，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(yùn)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(lái)描述各個(gè)不同的生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立采礦數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)輸數(shù)據(jù)庫(kù)、選礦數(shù)據(jù)庫(kù)、冶煉數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、資產(chǎn)及金融數(shù)據(jù)庫(kù)、環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化，從而達(dá)到數(shù)字化驅(qū)動(dòng)礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的目的。數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)礦山企業(yè)掌握詳細(xì)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(shí)幫助企業(yè)推進(jìn)“綠色礦山”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”“碳中和”等目標(biāo)。

澳大利亞礦山工業(yè)研究協(xié)會(huì)（AMIRA）聯(lián)合全球11家礦山企業(yè)、設(shè)備供應(yīng)商及科研機(jī)構(gòu)推動(dòng)了P9Q項(xiàng)目的實(shí)施。該項(xiàng)目聘請(qǐng)了6家頂尖科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行多組分礦物加工流程模擬器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，推出了基于云計(jì)算的具有全生命周期模擬能力的礦物加工全流程優(yōu)化模擬平臺(tái)Integrated Extraction Simulator（IES，見(jiàn)圖 2）。盡管該平臺(tái)沒(méi)有刻意強(qiáng)調(diào)其數(shù)字孿生屬性，但其實(shí)質(zhì)已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)部分礦物加工全流程數(shù)字孿生功能的能力。例如：IES包含了從爆破、運(yùn)輸?shù)狡扑?、磨礦分級(jí)、浮選和濃密過(guò)程的模擬計(jì)算功能;可以根據(jù)特定目標(biāo)進(jìn)行局部流程優(yōu)化或全流程優(yōu)化計(jì)算，得到具體的流程操作數(shù)據(jù);利用云計(jì)算技術(shù)大大增強(qiáng)了模擬工具的并行計(jì)算能力，為進(jìn)行大規(guī)模的預(yù)研、生產(chǎn)分析及流程優(yōu)化模擬計(jì)算提供支持。目前，Anglo Gold Ashanti公司已經(jīng)開(kāi)始利用IES對(duì)其下屬金礦進(jìn)行全生命周期優(yōu)化的嘗試。

3黃金選礦數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

礦冶科技集團(tuán)有限公司近年來(lái)嘗試將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到黃金選礦工業(yè)生產(chǎn)中，針對(duì)磨礦流程建立了設(shè)備模型、流程模型，并在工業(yè)實(shí)踐中建立了磨礦分級(jí)流程虛擬系統(tǒng)。這些實(shí)踐中涉及的技術(shù)都可以應(yīng)用于黃金選礦廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)，在技術(shù)成熟度達(dá)到一定水平時(shí)，真正的數(shù)字孿生黃金選礦廠將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

3.1磨機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況在線計(jì)算模型

半自磨機(jī)、球磨機(jī)是選礦生產(chǎn)中重要的磨礦設(shè)備。由于磨機(jī)設(shè)備的工作特性，磨礦濃度、磨礦粒度、磨機(jī)內(nèi)部混合填充率、磨礦介質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡等判斷磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要信息無(wú)法直接利用在線傳感器獲得[22]。同時(shí)，電耳等間接測(cè)量設(shè)備不僅提供的信息相對(duì)單一，而且會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲的干擾，影響測(cè)量精度。在線軟測(cè)量是數(shù)字孿生技術(shù)在礦物加工工業(yè)應(yīng)用的重要場(chǎng)景之一。為了能夠在線獲取磨機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，以及襯板磨損給磨礦環(huán)境、磨礦效果帶來(lái)的影響，礦冶科技集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)了磨機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況在線計(jì)算模型，以及相應(yīng)的磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)虛擬計(jì)算系統(tǒng)。

磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)虛擬計(jì)算系統(tǒng)針對(duì)半自磨機(jī)進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)控的計(jì)算界面見(jiàn)圖3。預(yù)先根據(jù)流程考查等手段獲取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)校正，輸入襯板更換日期、添加鋼球尺寸，在線獲取給礦量、給水量等信息后，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前襯板情況下鋼球拋落軌跡、磨機(jī)內(nèi)部混合填充率，進(jìn)而判斷磨機(jī)運(yùn)行是否處于較高效率，實(shí)現(xiàn)磨礦狀態(tài)的“軟測(cè)量”。如果將應(yīng)用尺度縮小至單臺(tái)磨機(jī)，那么該虛擬計(jì)算系統(tǒng)具備了磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)字孿生關(guān)鍵要素。

3.2磨礦分級(jí)流程靜態(tài)仿真模型

磨礦流程是整個(gè)選礦廠中承上啟下的重要節(jié)點(diǎn)，因此磨礦流程的多維度信息計(jì)算成為礦物加工工業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵一環(huán)。在單元操作流程離線數(shù)據(jù)生成方面，流程靜態(tài)仿真模型是實(shí)現(xiàn)黃金選礦數(shù)字孿生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)源之一。

利用混合建模方法建立的球磨機(jī)、旋流器設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)磨礦礦石粉碎、不同粒級(jí)物料輸送、旋流器溢流和底流粒度分布的定量計(jì)算。建立包括管路、振動(dòng)篩、泵、泵池等磨礦分級(jí)流程輔助模型，實(shí)現(xiàn)流程內(nèi)礦量、水量的平衡計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流程各個(gè)節(jié)點(diǎn)礦石總量、水量，以及流程整體循環(huán)負(fù)荷的計(jì)算。在磨礦分級(jí)流程靜態(tài)仿真模型（見(jiàn)圖4）中，可以建立可視化的磨礦流程，并量化各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);針對(duì)流程進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)或特定狀態(tài)的數(shù)質(zhì)量平衡計(jì)算;在不同設(shè)備、不同操作條件、不同流程設(shè)置下計(jì)算磨礦流程中礦量、水量、礦石粒度分布、設(shè)備能耗等，協(xié)助優(yōu)化流程;可以根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化流程中特定設(shè)備的參數(shù)，使模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)誤差更小;利用計(jì)算結(jié)果協(xié)助新流程設(shè)計(jì)及已有流程改造，并進(jìn)行批次模擬計(jì)算。至此，一個(gè)穩(wěn)態(tài)下單元操作計(jì)算模型復(fù)現(xiàn)了礦石粒度變化、礦量、水量等關(guān)鍵生產(chǎn)信息，在單元操作流程條件試驗(yàn)方面具備了“數(shù)字孿生”要素。

3.3磨礦分級(jí)流程虛擬系統(tǒng)

在擁有了穩(wěn)定的離線數(shù)據(jù)源、在線數(shù)據(jù)源及計(jì)算數(shù)據(jù)源后，數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)、分析、處理技術(shù)將保證數(shù)字孿生系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的順利實(shí)施，不同源的數(shù)據(jù)將按照工業(yè)生產(chǎn)特征分門(mén)別類，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)制定與工業(yè)操作相關(guān)的反饋機(jī)制。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)則是數(shù)字孿生系統(tǒng)與工業(yè)實(shí)體和操作人員進(jìn)行交互的重要媒介。好的數(shù)字孿生系統(tǒng)一定擁有好的交互系統(tǒng)，數(shù)據(jù)圖形、3D圖像、透視圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)據(jù)可視化和人機(jī)交互技術(shù)保證了操作人員能最直觀地獲得有用信息，并利用這些信息進(jìn)行高效工作。

利用3D建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)磨礦分級(jí)流程數(shù)據(jù)可視化，進(jìn)而建立虛擬系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）演示。在集成了磨礦分級(jí)設(shè)備幾何數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模型計(jì)算數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等不同種類的單元操作流程相關(guān)工業(yè)數(shù)據(jù)后，利用3D建模的方式，集中顯示流程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、流程生產(chǎn)狀態(tài)、在線儀表狀態(tài)及總體生產(chǎn)情況。在流程反饋模型不斷完善的情況下，該虛擬系統(tǒng)可以在更大的時(shí)間和空間尺度上實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”功能。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)作為第四次工業(yè)革命的通用技術(shù)代表，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有力工具。但是，要真正使其在黃金選礦領(lǐng)域“開(kāi)花結(jié)果”，仍需要不斷探索更加準(zhǔn)確的關(guān)鍵設(shè)備模型，模擬范圍更大的單元操作流程模型或全流程模型，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算或超實(shí)時(shí)計(jì)算的流程仿真模型，專用的大數(shù)據(jù)分析模型，生產(chǎn)知識(shí)挖掘及歸納模型，數(shù)據(jù)可視化模型等不同環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)模型。在不斷挖掘需求的基礎(chǔ)上，由黃金選礦行業(yè)技術(shù)人員、建模仿真技術(shù)科研人員及計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員共同努力，方可早日實(shí)現(xiàn)黃金選礦數(shù)字孿生技術(shù)工業(yè)應(yīng)用，并促進(jìn)行業(yè)提升。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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作者簡(jiǎn)介：宋濤（1983—），男，河北定興人，高級(jí)工程師，從事礦冶流程建模仿真研究;北京市南四環(huán)西路188號(hào)總部基地十八區(qū)23號(hào)樓，礦冶科技集團(tuán)有限公司，100160;E-mail：songtao@bgrimm.com

宋濤，楊佳偉，鄒國(guó)斌，王慶凱，周俊武，（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司; 2.礦冶過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)國(guó)家（北京市）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

Exploration on the application of digital twin technology in gold processingSong Tao，Yang Jiawei，Zou Guobin，Wang Qingkai，Zhou Junwu，

（1.BGRIMM Technology Group;

2.State （Beijing）Key Laboratory of Process Automation in Mining & Metallurgy Process）

Abstract：With the integration of new generation information technology such as industrial internet，big data and artificial intelligence，and traditional process technology in the mining industry，the digital and intelligent upgrade of the mineral processing has become the development trend.Through the combination of digital twin technology and the process of mineral processing，a digital simulation platform is established and will enhance the application effect of equipment improvement，process optimization and intelligent control in the whole production cycle of a concentrator.This paper introduced the development history and trend of digital twin technology application in process industry，and the application potential of different digital models in gold processing.Several application scenarios of digital twin models in gold processing based on industrial practices are introduced，exploring the prospects of digital twin technology in gold processing.

Keywords：digital twin;gold processing;digital model;equipment model;process model