摘要
重溫於潤滄院士十多年前提出的“數字化礦山三個層次”概念，重新從數字孿生角度加以觀察和解讀，筆者認為“數字化礦山三個層次”應該分別對應於數碼化、礦山資訊模型MIM和數字孿生礦山。在數字化轉型已經成為企業運營的重要戰略、數字孿生成為企業標配技術的今天， “數字化礦山三個層次”仍然可以發揮礦山數字化轉型路線圖的作用。
#數碼化是數字化的基礎#
01
數碼化Digitization與數字化Digitalization
中國人常用的“數字化”一詞，其實是對應英語Digitization（數碼化）和Digitalization（數字化）甚至是Digital transformation（數字轉型）等多種情況。中文語境下基本不區分“數碼化”和“數字化”之間的差別。如果很學究式地細品，我們就會發現數碼化和數字化之間的差異還是很明顯的，有時候若不加以區分會造成理解上的混亂，造成不必要的誤解和爭論。“數碼化”和“數字化”是兩個概念性術語，它們密切相關，又常常在大量的文獻中替換使用。
IT事不決問Gartner。我們先看看Gartner是怎麼定義數碼化的：
數碼化Digitization是從模擬形式向數字形式轉化的過程。也就是說Digitization不改變事物本身，而是改變事物的存在或儲存形式、使之能夠被計算機處理。舉例來說，將紙質檔案掃描為電子檔案、將相片儲存為電子格式、將經營資料儲存為電子資料等都屬於Digitization；全國各地城建管理部門轟轟烈烈的“城建檔案數字化工程”，就是典型的數碼化，把城建部門過去管理的各種紙質檔案、設計圖紙等掃描下來變成數碼檔案，然後再做好異地備份，這樣就會防止城建檔案的混放或丟失。
再看看Gartner是如何定義數字化的：
數字化Digitalization是透過數字技術改變商業模式，提供新的營收點與價值創造機會。也就是說，Digitalization就是要透過各種技術手段收集企業日常運營和創新所需的資料；透過數字化手段挖掘資料的價值，從而可以發現企業運營中可以改善的地方，甚至開發新的業務模式。
由此可見，從發展階段來看，數碼化是數字化的基礎和初級階段。從集合關係來看，數碼化是數字化內容的一個子集。
02
數字化礦山的初級階段：數碼化
下面從礦山設計的角度，看數碼化階段有哪些特徵。
長期以來，礦山設計是以視覺化表示的形式來進行的。筆者在上世紀八十年代初剛到恩菲採礦室（那時稱北京有色設計總院）參加工作時，計算機應用仍未普及，工程師們每天都是趴圖板幹活，用鉛筆、直尺、三角尺、滑尺、圓規、量角器等工具進行二維設計；並且有一套關於線型、符號的表示標準，透過各種平面圖和剖面圖表示地質、採礦、裝置等專業的功能。
大概在八十年代後期和九十年代初期，礦山設計進入計算機畫圖階段，開始大量使用 CAD（計算機輔助設計）程式。工程師在微機螢幕上畫出礦山設計圖。設計圖紙以電子方式儲存，可以輕鬆、快速地進行修改、複製、儲存和查詢。
由於計算機工具的普及，設計團隊各專業的工程師都可以獨立做好自己的專業設計圖，並新增各種專業圖示資訊。設計人員需要透過經驗保證專業標準得到維護，並透過人工檢查的方式來保證自己的專業設計與團隊其他專業的設計不發生衝突。各專業設計圖彙總起來，並且被歸納複製到總體設計中，這就需要一個文件級資訊管理系統，把所有相關的的設計文件管理起來，文件元資料（例如專業、設計人、設計日期、設計版本等）被記入資訊管理系統，便於其他人日後查詢參考。
所有這些礦山設計工作，雖然引入了計算機應用，仍未擺脫過去趴圖板的工作流程，只不過是用CAD把工程師從繁重的趴圖板、用文件資訊管理把有關人員去設計檔案室人工查詢等人工勞作中解放出來。我們稱之為礦山設計數碼化階段。在這個階段，即使有些年紀大的老同志以眼神不濟為由，不願意再花時間學習計算機製圖和計算機資訊系統文件查詢技巧，但是他們仍可以根據自己多年的趴圖板設計經驗，權威性地指導年輕工程師圓滿地完成礦山設計任務。這說明礦山設計數碼化與過去的“趴圖板”的基本設計思想和工作流程並沒有發生實質性的變化。那麼可以判斷這個設計機構應該仍然處於數碼化階段。
需要特別強調一下，技術發展階段的初級性質，並不意味著技術價值低。例如，我們可以說人的初級需求是吃飯，而文學欣賞是人的高階需求。但是這並不意味著水稻專家袁隆平的工作價值就比文藝工作者的工作價值更低，對社會的貢獻更小。
數碼化是數字化的基礎條件和初級階段。從“數字化”這個含義較廣的名詞中單獨抽取出“數碼化”那部分含義，對於我們下一步關於“數字化礦山三層次”討論是很有幫助的。
#MIM是數字化礦山的當前階段 #
01“後數碼化”的困境
筆者在這裡要借用“後工業化”中的“後”這個字，來表達目前數字化礦山發展的處境。
眾所周知，經濟學家把工業化社會分為前工業化、工業化和後工業化三個階段。後工業化社會的經濟標誌是由工農業生產佔主導的經濟變為服務經濟，其技術特徵則是後工業化社會對“知識技術”的需求。
目前基於CAD的傳統二維設計模式仍是礦山設計的主流（包括初步設計、施工圖設計、生產設計等）。雖說CAD大大提高了設計效率，把礦山設計帶到了一個更高的技術層面，但是隨著其他行業如製造業三維設計、尤其是建築業BIM技術的誕生以及時間的推移，礦山傳統設計的弊端漸漸顯露，已經到了非改變不可的地步。筆者稱這個變革過渡期為“後數碼化”階段。
首先讓我們對“後數碼化”階段有一個清醒認識。在傳統設計模式之下，即便是很有經驗的設計人員，對於礦山現場的地質、地形地貌以及礦山生產全流程、尤其是全生命期都難以有全面的認知與感知，尤其是一些規模大、地質條件和開採條件複雜（高地壓、深部以及高寒地區的礦山開採）、涉及利益相關方眾多、環境保護要求高、生命週期跨度長的複雜專案，更是要求設計人員反覆考察現場，認真勘測，多方收集資料，由資深工程師仔細審查把關，才能夠制定出妥善的開採方案。傳統的二維設計缺乏必要的直觀性、資訊透明度和共享性等，難免在設計過程中產生錯誤。很多設計決策錯誤甚至等到施工建設階段、投產階段才能發現，造成了不必要的返工浪費甚至是整個專案的廢棄。
另外，傳統設計對於複雜礦山專案的空間跨度和時間演化表示能力有限。人腦的空間識別和記憶能力極為有限。心理學家發現，人腦一次只能記住三、四件資訊，並且人的即時記憶資訊只能儲存二、三十秒。在面對數以千百張剖面、透視、平面等圖紙時，人腦的總體綜合處理能力就顯得無能為力，難免會延長設計週期，降低工作效率，出現設計錯誤。再加上二維設計所包含的功能圖形符號非常專業，需要有很強的專業知識才能閱讀理解，這些對於缺乏相關專業知識的其他專業人員以及業主方來說是一件非常頭疼的事情。利益相關方（Stake holders）對於專案的理解、評估與決策，就缺乏量化與直觀的依據。
目前正處於“後數碼化”時代，急需數字化礦山的進一步升級，能夠把設計圖紙上的虛擬礦山與實體礦山進行直觀的一比一對映，把相關的現象能夠數字化地綜合整合與繼承起來，透過三維引數化設計、敏捷規劃、整合業務、基於專業規則的管理，瞭解整個礦山各項業務、各階段的運作和演化，實現礦山業務的互聯互通、整合運營、整體價值鏈最佳化等目標。透過對礦山資訊進行全面整合與分析，可以得到一個量化的判斷依據；各參與方可以透過這這個具體依據去制定符合自身需要的規劃與決策。形象地說，礦山要像製造業和建築業那樣設計和運營。
而礦業資訊模型MIM就能幫助實現上述目標。
02
“後數碼化”困境的出路：MIM化
2016年中國恩菲與國家超級計算天津中心聯合籌建中國礦業資訊化創新中心的籌備期間的研討會上，中國工程院於潤滄院士提出礦山資訊模型MIM（Mining Information Modeling）的概念。
MIM是以三維數字技術為基礎，集成了礦山工程專案各種相關資訊的工程資料模型，可實現礦山全生命週期動態變化過程的數字化表達。透過連線礦山生命期不同階段的資料、過程和資源，對礦山進行完整描述。
中國礦業資訊協同創新北京市工程
研究中心專家委員會第一次會議
MIM的提出，借鑑了建築業為提升資訊化水平而推廣應用建築資訊模型BIM的經驗，旨在改善礦山勘察設計和建設視覺化程度以及各專業的溝通協調性，提高礦山安全生產效率，促進礦山全生命週期各階段資訊傳遞和共享。
繼“數碼化”之後，數字化礦山下一步發展就會進入“MIM階段”。
● 筆者有話說
現代漢語有很多表達方式來源於日語。例如數字化、資訊化，以及更早年代的革命化、現代化等，其中的“化”字，就是來自於日語中的接尾詞“化”。“某某化”就是表示趨向於“某某”的變化過程。“化”字的引入，使我們的日常表達方便了許多。順便說一句，“數字化”的英語對應詞Digitalization在英語國家並不流行。對於英語人士來說，他們知道這個詞的存在，但很少使用。如果中國人在國外按照在國內的習慣大量使用Informatization（資訊化）、Digitalization（數字化），肯定會讓老外一臉懵逼。在我們原來的習慣中應該使用數字化的地方，就直接使用Digital好了。
很多理解上的困難可以容易地“化”之。例如，國內流行多年的暢銷書《數字化生存》的原版英文名稱是Being Digital，如果是按照字面硬生生地翻譯成《數字的生存》，保準你聽了生一頭霧水。再比如，經常有同事問我：數字孿生究竟是指實體及其虛擬這一對“孿生”（複數），還是指虛擬方“小弟弟”（單數）？為什麼數字孿生即是實體、也是過程的數字化表示？我獻出一個秘訣：如果你在大部分“數字孿生”後面加上接尾詞“化”，即“數字孿生化”，保證你原來的大部分疑惑就煙消雲散了。
筆者尤其注意到，國外企業最近幾年流行的Digital transformation，其實是直接對應我們中國人一直習慣使用的“數字化”。若較真起來，“轉型”與“化”的意思幾乎相當；Digital transformation翻譯成中文，若是很學究地較真起來，要麼是“數字化”，要麼是“數字轉型”，而翻譯成“數字化轉型”則屬於同義重複。
入鄉隨俗，到哪山唱哪歌。我們可以約定俗成地把Digital transformation對應於“數字化轉型”。當然也可以把數字化礦山發展過程的目前MIM階段稱為“MIM化”。將來隨著數字化轉型業務的深入化、複雜化，遲早會造出新詞“數字孿生化”。讓我們拭目以待吧。
#“數字化礦山三個層次”再認識#
01
重溫“數字化礦山三個層次”
十多年前，我國著名的礦業專家於潤滄院士根據國內外礦山企業對數字化礦山建設的不同戰略和不同學者對數字礦山概念的表達, 總結出“數字化礦山三個層次”，對數字化礦山表述為由初級到高階的三個層次（見2008年第3期《科學新聞》）:
第一個層次
就是礦山數字化資訊系統或者叫作礦山數字化資訊管理系統。這是初級階段。
第二個層次（注：原文為階段）
是虛擬礦山，虛擬礦山的意思就是說，把真實礦山的整體以及和它相關的現象都能夠繼承起來，數字化表現出來，這樣就可以瞭解整個礦山動態的運作和發展情況。
第三個層次（注：原文為階段）
就是遠端遙控和自動化採礦階段。就是說我坐在辦公室裡就可以操縱很遠的地方，比方說幾十公里以外的井下裝置的運轉。”
於潤滄院士論述原文
後來，於院士又進一步對數字化礦山三個層次（或階段）進行總結：“總體來講,數字化礦山就是礦山地面和井下的、人類從事礦產資源開採的各種動態、靜態的資訊都能夠數字化，而且用計算機網路來管理，同時利用空間技術、自動定位和導航技術實現遠端遙控和自動化採礦。” （參見2012年第10期《科技成果管理與研究》訪談《數字化礦山推進礦業可持續發展——訪中國工程院院士於潤滄》）。
自從於潤滄院士提出“數字化礦山三個層次”，十多年的時間過去了。在這十年當中，全球新一輪科技革命無論是形式和內容都為數字化礦山帶來巨大影響。大資料、雲計算、移動網際網路、物聯網、遙感探測、虛擬現實/增強現實、數字孿生等新技術與礦業技術交叉融合，使礦業發展新動能日益強勁，為礦山數字化轉型、實現創新發展帶來了革命性機遇。今天我們再回過頭來研究“數字化礦山三個層次”，應該重新認識其包含的形式和內容，以及不同的數字技術發展階段。
02
“數字化礦山三個層次”再認識
有了以上關於數碼化、MIM化以及數字孿生礦山的討論為基礎，我們就可以重新認識“數字化礦山三個層次”：
第一個層次 數碼化礦山
這是初級層次，也是其他高階層次的基礎。其本質是將過去的紙質資料或者模擬資料轉換為數碼格式（Digit format），幫助企業更方便地建立資訊管理系統，管理文件、增強文件安全性等。數碼化資料需要人腦的介入去理解和分析，而當前的資訊管理系統本身缺乏分析資料的能力。
從人的角度來看，這一層次屬於數字化輔助過程，類似於八十年代普及的CAD畫圖（計算機輔助設計），所有的設計分析最佳化都是設計人員在大腦中完成的，最後用計算機軟體方便地畫出設計圖紙，而圖紙以電子方式儲存，可以輕鬆快速地進行更改、修改或複製。
第二個層次 MIM化礦山
其本質是三維虛擬礦山加業務屬性資訊，就是把真實礦山的整體以及和它相關的現象都能夠繼承起來，把礦山業務各專業以及礦山生命期不同階段的資料、過程和資源進行統一完整地用數字化形式表現出來，這樣就可以瞭解整個礦山動態的運作和發展情況。
如果用一個術語來代表的話，建議將第二層次稱之為MIM階段，或“MIM化”。
第三個層次 數字孿生化礦山
其應用形式之一就是遠端遙控和自動化採礦。當作業人員坐在辦公室裡就可以操縱遠處礦山（例如人員難以進入的高寒地區礦山或深部礦山）的裝置運轉時，他/她實際上就不是在和遠處真實的裝置直接打交道了，而是和這些真實裝置的數字孿生之間進行互動。所以數字化礦山的第三層次，實際上就是 “數字孿生礦山”，或稱“數字孿生化”。
自動化智慧化只是數字化轉型的區域性任務，其實更重要的是業務運營方面流程型組織(Process-oriented Organization) 改變。對於許多企業來說，其數字化轉型主要是指數字化對業務流程的改造。因此，Gartner的數字化定義實際上是將數字化技術與組織的因素聯絡在一起的。
03
數字孿生礦山與MIM的分界
既然MIM脫胎於建築行業的BIM，同樣具有類似於BIM的應用邊界。MIM 適用於礦山規劃設計和建設的三維視覺化以及各專業的溝通協調性。對於現場生產裝置的遠端操作控制，以及對生產現場實時資料的處理及智慧分析，則負擔顯得有些超重。好的理論一定是應用物件適當、應用邊界清晰，絕不是包羅永珍、包治百病。建築界有一段時間把BIM當成建築業資訊化的靈丹妙藥，這樣會導致BIM應用失焦、BIM發展泡沫化。
依賴於物聯網對生產現場實時資料的處理及智慧分析，以及依賴於5G等網路技術現場採礦裝置進行遠端操作，則是數字孿生的應用強項和適用範圍。簡單地說，MIM幫助規劃設計人員和決策者建立一個在一段時間內有節制相對穩定的全生命週期數字礦山模型；而數字孿生礦山由實時資料驅動，是一個會呼吸的、活的、實時資料驅動的數字化礦山，更適合礦山安全生產運營。MIM與數碼化一樣，與物聯網一道成為數字孿生礦山基礎資料來源之一。
● 筆者有話說
用汽車行業作比較，MIM幫助設計人員設計出一款總體佈局合理、符合人機功效、滿足使用者要求、價效比合理的汽車；而數字孿生則透過車載感測器採集車輛本身及周邊環境的資料並作出分析判斷，幫助使用者更加安全有效地駕駛汽車。
MIM的應用重點是建立協作設計和建造過程，以三維視覺化的形式表達礦山模型和功能。與數字孿生不同的是，這種資訊模型的強項是針對設計建造中的礦山進行修改和調整，而不是生產階段的依賴感知資料與礦山生產現場進行實時互動。
總之，MIM是一種隨著時間的推移不斷髮展的模型，以在礦山全生命期的每個階段提供更多價值。MIM 是數字孿生礦山的關鍵資料來源之一。
數字化轉型在改變著社會的方方面面。獲得數字化技能現在已成為個人、行業和地區國家成功的先決條件。放眼未來，數字孿生的下一個演變過程將是“後數字化”，即數字化資產超越實體資產，整個企業組織實現“數字孿生化”，人員、企業組織和業務過程將成為重要的資料來源，為數字孿生提供更多關於企業的背景資訊。從外界觀察，人們能看到一個企業的數字孿生。對於一個數字孿生礦山，不但是採礦作業人員的作業物件是數字孿生化的採礦現場裝置、地質資源和岩土工程環境，而且外部業主和礦山企業管理層只需在數字孿生層次上經營整個礦山業務。因此，在數字孿生時代，經營一個礦山企業和經營一個飛機制造廠就沒有什麼差別。
#結 語#
放在數字孿生角度進行審視，於院士十多年前提出的“數字化礦山三個層次”仍然能夠為當前的礦山數字化轉型提供路線圖的作用。很多礦山企業非常希望能夠加快自身的數字化轉型程序，但困惑大家的問題是：自己已經處於數字化礦山的哪個層次？下一步應該從哪裡下手？無疑地，“數字化礦山三個層次”就能在相當程度上回答這個問題。
誠然，目前絕大多數礦山，即便是數字化轉型先進行列的國際礦業巨頭，離實現真正的數字孿生礦山尚有很長一段距離。但是，礦業利益相關方參照“數字化礦山三個層次”路線圖，能夠認清自己身處數字化礦山的哪個層次，將來需要朝哪個方向努力，則會“知彼知己，百戰不殆”，則能牢牢地掌握主動權，少走彎路，高效且低成本地實現礦山數字化轉型目標。
作者 · 簡介
孟丹，天河道雲（北京）科技有限公司首席科學家兼副總經理，中國礦業資訊化協同創新北京市工程研究中心專家，加拿大北方先進礦業技術中心執行主任兼首席諮詢顧問。
