丁恩杰教授：矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术
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矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后，正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。智慧的前提是矿山生产系统各个环节均可测、可观、可控，即形成面向生产各环节透明化的知识服务体系。
综合自动化矿山阶段主要解决了矿山数字化、监测监控技术与信息孤岛问题，就煤矿生产流程而言，基本完成了智能矿山的建设工作，在环境条件允许的情况下，可实现局部的少人化和无人化控制。智慧的前提条件是矿山生产系统的各个环节均可测、可观、可控，也就是要形成面向生产各环节透明化的知识服务体系。以煤炭行业为例，从目前取得的成果来看，远没有达到透明矿山的要求，这是制约智慧矿山发展的瓶颈问题。黑色或灰色（不透明）矿山的问题，制约我们在一般情况下仍需依靠较多人力维持正常的安全生产，导致矿山重大事故时有发生，解决矿山运行状态知识建模与服务的问题迫在眉睫。
要解决这一问题就是要解决上述可测、可观和可控问题。在可测方面，物联网矿山技术的发展已经解决和优化了大量相关难题，可以满足目前安全生产的基本需求，下一步需要重点研究智能装置和装备自治、自主化工作相关技术，并进行新型检测机理和检测装置的研究；可观问题就是要结合数字孪生技术对矿山安全生产、指挥调度与管理各个方面，如人、机、环、管等被控对象进行物理与虚拟融合建模，通过建立的模型可实现对各个被控对象的状态及其演化规律的可观，这个可观不仅仅对人，更重要的是让机器能够自动理解，做到机器可观。
在建模过程中，需要采矿、机械和信息等领域的专家密切协同，需要实现对信息的统一语义描述，需要创建矿山领域知识库和矿山数字孪生模型，这将是智慧矿山建设的核心。可控问题是在可观的基础上，也就是在掌握（自动化解析）传感数据、模型数据等多模态数据的基础上，利用知识库和矿山数字孪生模型各种知识进行推理，采用机器人或机器人化的装置装备实现基于机器自治协同的全流程自动控制，最终形成少人化或无人化的智慧矿山。
1 矿山信息化发展历程
矿山信息化发展，历经了单机（单系统）自动化、综合自动化、数字矿山阶段，矿山物联网和矿山智能化技术近年来得到快速的发展和应用，矿山信息化技术正朝着智慧矿山的目标发展，在矿山生产过程中不断融合新兴技术，提高矿山生产的智能化水平，从而实现矿山无人化或少人化。
（1）单机（系统）自动化
1984年煤炭工业部通信信息中心成立，宣示了中国煤矿信息化建设正式开启，我国煤矿进入单机自动化阶段。PLC在矿用设备上的成功应用解决了传统控制器占用空间大、成本高等问题；现场总线的连接方式提升了矿用设备控制的可靠性，减少了设备的停机时间。单机自动化系统存在很多问题需要进一步解决，如模拟信号只能在本地采集、处理并直接用于就地控制；有线网络通信是信号传输的唯一方式，各系统之间难以进行信息交换。此时通信网络严重制约了煤矿自动化的发展，造成多台上位机共存的场景，形成子系统信息孤岛的格局，导致全矿信息不能共享。
（2） 综合 自动化
2000年后，无线传感器网络及工业以太网技术得到飞速发展，为实现各煤矿系统之间的互联互通奠定了基础，得益于此，我国煤矿进入了综合自动化时期，综合自动化网络服务架构如图1所示。无线传感器技术极大扩展了各类传感器的应用场景，丰富了各类信息的采集。工业以太网以其强大的通信速率和信道容量将各子系统连接在一起，完成了各子系统的信息交互，解决了子系统信息孤岛问题，实现了全矿信息的融合分析处理。但是传感器与各种装备没有联网，只能用于本系统中，无法实现设备间的协同控制；采集到的传感器信息也只是简单地处理，数据并没有得到有效利用，亟需高效的算法来实现信息的融合处理。
综合自动化网络架构
（3）矿山物联网
矿山物联网将物联网技术应用到煤矿生产中，进一步提高矿山开采的无人化和自动化水平。矿山物联网是综合实时感知、网络通信和动态控制等技术来实现矿山物与物、人与物之间的信息传递与控制，矿山物联网服务架构如下图所示。智能传感器除了对物理世界进行感知，还搭载了用于数据处理的嵌入式芯片，使得设备从自动化向智能化过度；高速通信网络连接生产的各个环节，实现万物互联；智能算法挖掘大数据的潜藏信息，实现实时控制、精确管理和科学决策。但是人工智能技术发展水平有待提高，设备的智能化程度较低，矿用物联网产品极少，不能满足矿山智能化生产的需求。
矿山物联网网络架构 （4）矿山智能化
矿山智能化是智慧矿山的中级阶段。矿用机器人技术和通信技术还在普及应用，以人工智能和大数据为代表的新兴技术也融入其中，推动矿山向智能化、智慧化发展。将人工智能和自动化、机器人化技术结合，实现矿山生产复杂流程的自动化，进一步简化人工操作。5G通信技术为云平台提供了通讯基础，大数据和云计算技术在云端的应用为矿山分析决策、动态预测、协同控制提供了新的渠道。但是装备的智能化水平还需要进一步提高，信息的语义化描述没有形成统一的标准，信息通信技术和传统矿山技术的融合应用还停留在初步阶段。立足于此，可以设想未来矿山智能化发展的高级阶段——智慧矿山。
（5）智慧矿山
王国法院士给出了智慧煤矿的定义：智慧煤矿是基于现代煤矿智能化理念，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术深度融合，形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行。在智慧矿山阶段，智慧物和自动化机器人得到了广泛应用；云端计算和边缘计算能有机融合在一起，实现各类数据的高效处理；以大数据和人工智能为基础的各类智慧应用能够满足矿山的日常生产需求。各类传感器是智慧矿山的信息来源，需要进一步升级优化以此来满足日益增长的智能化应用需求；大量智慧体和各级子系统均接入到云平台，需要提供高效的智能决策方案，以实现各部分协同工作。
2 智慧矿山核心关键技术
结合物联网、人工智能、大数据技术的发展，智慧矿山将会是信息化、自动化和智能化的高度融合，其最终目标是实现矿山关键生产环节的无人化或少人化。矿山物联网技术实现了矿山物的智能连接，使得“人-机-环”感知信息能够有效的汇集，各类矿山大数据平台的涌现解决了矿山“人-机-环”感知数据的高效管理和存取问题。数字孪生技术建立了虚实融合和知识生成机制，可以将现有的矿山机理模型、经验知识和矿山“人-机-环”大数据有机融合，为矿山“人-机-环”状态判识与智能协同管控提供知识服务。矿山数字孪生模型以及围绕孪生模型的智能化数据分析算法将成为智慧矿山下一步需要突破的关键技术。
基于数字孪生的智慧矿山服务架构
① 感知层与智能装置/装备 ，分布式、光纤光栅、激光、MEMs等低功耗等新型传感技术的发展拓宽了矿山物联网的感知边界，可以在线获取更多的安全隐患尤其是隐蔽灾害的探测数据；智能传感器装置的研发和应用，使得传感器节点具备了在线计算、状态自诊断、网络自治等能力，提升了终端节点对信号实时处理和反馈调节的效率；机器人化智能化的矿山装备为矿山生产系统的智能调度、协同控制、少人化、无人化提供了基础；智能传感和智能装备技术是矿山数据孪生技术体系中的物理基础。
② 缘智能与网络层 ，随着各类边缘分站和智能网关算力的提升，轻量级数字孪生模型得以在边缘节点卸载，结合轻量级算法模型的应用，可以很大程度提高各子系统数据分析的效率和反馈响应的及时性；融合通信网络技术实现多源异构网络的统一接入，可以解决智能装置/ 装备的快速连接发现、高效连接管理和在线透明交换问题；5G技术在矿山的应用可以解决“人－机－环”感知数据实时高效传输问题，尤其是采掘工作面等有线连接受限的场景，提高了无线通信的实时性和可靠性。
③ 数字孪生与算法模型层 ，随着硬件、网络、大数据平台技术不断演进升级，围绕矿山生产过程的知识发现和知识服务成为智慧矿山发展的瓶颈。数字孪生可以实现矿山物理实体状态演化规律到虚拟实体的映射，通过虚实融合演进的状态分析模式，可以建立机理模型、自然规律、经验知识、数据特征相融合的矿山知识服务体系，从而达到对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策的目的，将成为未来智慧矿山发展的技术核心。矿山数字孪生模型的建立需要矿山物理实体相关的机理模型、人工智能算法模型、大数据分析、虚拟仿真等技术的支撑。
④ 智能化应用服务层 ，结合矿山生产环境孪生模型和孪生交互服务机制，融合独立分散的矿山安全监测与灾害预警系统，构建统一的矿山安全态势分析平台。基于矿山生产场景孪生模型和生产过程推理算法，结合工作流技术以及智群计算理论，研发面向多生产场景的矿山安全生产智能调度服务系统；基于矿山设备状态孪生分析模型，结合大数据分析、智能诊断与协同控制技术，建立矿山“采、掘、机、运、通、供电、排水、辅助运输”等装备系统的状态在线诊断与协同管控平台。
（1）智能传感与智能装备
可靠稳定的传感数据，是矿山智能化建设的基础，通过光学、MEMs、无线智能、能量自动捕获等传感技术实现在线感知边界的拓展和传感数据的长期稳定获取是智慧矿山传感层需要重点研究的关键技术。智能化机器人化的装备技术是智慧矿山生产执行的载体，需要重点研究采掘装备智能化无人化控制技术，通风、压风、提升、排水、供电、皮带运输等矿山大型设备高效可靠运行与预测性维护机制，生产辅助机器人作业环境感知建模与自主调控技术等内容。
（2）矿山数字孪生建模技术
矿山不断新增的传感器和平台积累的海量生产过程数据，为矿山生产安全知识的孕育奠定了基础，需要一套能够反映矿山生产规律、跟踪生产过程设备环境状态演化，并与生产过程进行智能交互的知识服务体系来支撑下一步的矿山智能化建设。面向矿山生产要素的数字孪生建模方法、数字孪生模型之间的交互机制，以及围绕数字孪生模型的深度数据挖掘分析技术可以为矿山安全生产过程的实时再现、预测分析、交互演绎提供支撑。矿山数字孪生建模技术需要结合矿山运行机理和特点，重点研究围绕矿山“人－机－环”生产要素的孪生模型设计方法，面向生产场景的孪生建模方法与交互机制，以及矿山数字孪生虚拟模型设计与数据深度融合分析方法等内容。
① 矿山安全生产中的数字孪生模型
数字孪生技术中提出了物理实体、虚拟空间建模和虚实融合交互机制的知识建模方法，将数字孪生技术应用于煤矿“人、机、环、管”各环节，进行多学科交叉融合，促进人、机智能协同，有助于解决矿山生产过程的精准控制和各种灾害的预警防控问题。Michael Grieves给出了数字孪生的3个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。目前，最常用的是五维数字孪生模型，即包含物理实体、虚拟模型、服务、数据、连接等5个方面，据此，我们可以设计矿山数字孪生的基本模型构成。数字孪生技术中提出了物理实体、虚拟空间建模和虚实融合交互机制的知识建模方法，将数字孪生技术应用于煤矿“人、机、环、管”各环节，进行多学科交叉融合，促进人、机智能协同，有助于解决矿山生产过程的精准控制和各种灾害的预警防控问题。Michael Grieves给出了数字孪生的3个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。目前，最常用的是五维数字孪生模型，即包含物理实体、虚拟模型、服务、数据、连接等5个方面 ，据此，可以设计矿山数字孪生的基本模型构成。
② 面向矿山生产场景的数字孪生建模技术
矿山生产场景复杂多变，涉及到的设备种类多，又面临与采动环境的耦合问题，结合数字孪生的五维模型，矿山生产场景的数据孪生模型建立涉及多个领域的知识，需要矿山运行机理、矿山安全、CPS、大数据分析、自动化控制等理论与技术的深度融合。
以采煤工作面为例，结合地质信息、围岩信息、时空数据、设备及关键部件设计参数等基础信息和环境传感、设备传感、人员传感、实时调度信息、生产状态等实时感知数据，在“人-机-环”虚实融合感知理论模型的基础上，完成截割煤岩地质体、采掘设备及关键部件、工作人员动作行为的数字孪生虚拟模型建立。基于各物理实体的状态演化机理和生产过程的运行模式，建立数字孪生虚拟模型与实时感知信息的之间的智能交互机制，实现对煤岩地质体环境和设备运行状态的演进分析，实现“人-机-环”运行安全状态的耦合分析，为各种场景耦合下工作面设备的联合调度与协同控制提供服务。以实时交互模型分析结果为指导，完成采煤机行走、截割、位姿参数的调控，液压支架动作、支撑、平衡参数调控，以及刮板输送机速度、运载、运移参数调控，达到工作面生产过程智能化调控和安全稳定高效运行要求，实现工作面采煤过程的透明化管控。
采煤工作面数字孪生模型
矿山生产场景数字孪生建模关键技术 ③ 矿山数字孪生虚拟模型构建方法
矿山生产过程中涉及到复杂设备系统和地质环境的变化，虚拟模型以数字化的方式创建物理实体的映射，虚拟模型对物理实体静态属性和动态演化过程的真实表达成为矿山生产场景数字孪生建模的关键。借助于对物理实体运行机理、演化规律、变化规则的分析，通过仿真模拟、多源信息感知、虚实融合交互、深度数据分析、反馈优化调节等技术，可以促进虚拟模型与物理实体之间的融合与交互，提高数字孪生建模的可信度和判识、预测分析能力。以采煤机截割系统为例，采煤机截割系统由截割电动机、截割传动系统、截割滚筒和液压系统等组成，是多级传动与控制机构耦合的结构，同时面临煤岩界面变动、喷淋、闪石等复杂环境，是采煤机最容易产生故障的部位。建立截割系统的数字孪生体有利于实现截割系统状态的在线评估和截割系统的全周期生命管理。
如下图所示，构建截割系统虚拟模型之前需要对截割系统的工作原理、作业环境、演变规律进行分析。结合多场耦合作用下的截割系统状态演变机理，分析采煤机截割系统与截割环境（煤层、顶底板、围岩体）及联动设备（行走机构、液压支架、刮板输送机）的复杂相互作用关系；针对煤岩截割过程、截割系统运行过程、截割系统关键部件的异常状态特点，分析系统状态与感知信息的关联关系；设计多场耦合作用下的截割系统多源感知信息描述、知识表示、知识抽取方法，实现“多源感知信息－多状态”知识关联分析。
数字孪生虚拟模型构建方法
（3）边缘计算与网络服务层
随着感知边界的拓展和前端感知信息的急剧增加，基于5G的融合通信网络技术将为矿山感知信息的高效传输和交互提供基础支撑。随着现场硬件计算能力的提升和智能化应用技术的下沉，边缘计算装置将成为矿山安全生产感知和快速决策响应的重要载体，结合融合通信网络技术，需要重点研究轻量化边缘计算算法、边缘计算卸载技术以及云边协同服务模式。
① 基于5G的融合通信网络技术
在矿山物联网建设中需要对来自不同网络、不同子系统的海量异构数据信息进行统一的处理及存储，从而要求融合通信网关能够融合多网、多源、异构的海量数据并且对这些数据进行高效快速地处理，从中获取有价值的信息，进而提供智能决策辅助服务。需要对融合通信网络架构与传输技术进行研究，实现对矿山物联网海量信息的统一传输与资源管控功能。在网络的资源管控方面，随着矿山物联网中传感设备种类增多，井下网络网关处汇聚了各种类型的业务信息，由于不同的业务类型具有不同的QoS需求，因此高效合理的调度方案至关重要。
面对海量传感器接入、异构系统融合和多种业务服务需求，需要结合5G通信技术，设计支持异构协议的矿山物联网融合通信网络架构，实现面向顶层需求的数据交换、处理、服务。融合通信网络需要支持4G/5G，NB-IoT，LoRa，WIFI，ZigBee，RFID，Wavemesh，RS485，CAN，Profibus，Lonworks异构接入融合，满足矿山有线/无线、图文/音视频、实时/非实时、宽/窄带等矿山物联网多网融合传输的需求。需要研制具备边缘计算能力的智能网关装备，实现异构协议的解析，具备边缘计算、控制、存储能力，实现单功能感知节点向检测、分析、通信、定位一体化智能装置/装备演变。在信息汇聚融合方面，设计针对海量汇聚信息的数据关联分析、数据冗余分析和数据综合方案，有效实现数据的透明高效传输。在融合通信网络架构中集成基于QoS需求的多类型业务调度算法，设计信息种类与传输网络的匹配方案，保证资源的按需均衡分配和服务的按需提供，提高网络利用效率。将5G移动通讯技术融入到支持异构协议的矿山物联网融合通信网络系统，可以满足智能工作面、AR智能巡检、高清视频回传、无人驾驶等5G特色业务的需求，为智慧煤矿建设提供强有力的网络服务支撑。
矿山物联网融合通信网络架构 ② 边缘计算与云边协同技术
边缘计算优势在于对物理世界数据实时反应和降低网络传输压力，而云服务平台提供了在远程数据中心处理异构数据的能力。随着对矿山精确泛在感知的发展，现场生成的数据量越来越大，将采集到的矿山信息全部传输到云端不仅大幅增加了网络通信负担，效率低下，且难以满足数字孪生实时交互的要求。因此，研究在边缘端对数据进行快速处理、云边协同技术以及边缘卸载技术是十分必要的。
边缘端快速计算。 边缘计算节点可以实现不同传感系统的接入同时具备一定的算力，可以在边缘侧进行数据预处理、状态分析判识及反馈控制等，同时，可以基于边云协同服务架构，结合实时采集的数据可在边缘端进行人工智能算法检测并及时输出控制信号。为了避免边缘节点间相互独立、彼此孤立，形成数据孤岛和功能孤岛，影响应用服务质量，应当重视研究利用不同边缘端的就地信息进行数据共享与快速计算。边缘端快速计算有以下2种方式：① 计算协同 ，即云端的超算中心对模型和算法进行训练，根据边缘节点的情况将已训练好的模型进行下发，每个边缘计算服务器只执行一部分算法，最终通过各边缘端协同的方式快速完成应用任务；② 分布式训练协同 ，即边缘端内置完整的模型和算法，并利用其他边缘端数据承担模型和算法的训练任务，训练完成后的模型参数会更新到云端，最终得到完整模型。优化模型的运行效率，如利用剪枝、量化等方法对神经网络模型进行压缩，可以提高边缘端的部署效率。边缘算法的优化与调度工作目前主要可分为3个方面 ：① 多路数据之间的协同处理。 通过缓存数据推理模型，对来自多源异构设备的相似数据进行复用，从而有效节省边缘节点的资源，提高计算效率。② 计算层次之间的协同处理。 利用浅层网络的部分推理结果降低样本计算量，将该方法与云边协同机制相融合，可有效实现数据的分级诊断，帮助设备实现协同运算。③ 多模型之间的协同处理。 优化模型之间的资源调度方式，平衡模型的时间和空间资源，在有限的条件下提高系统整体性能。
云边协同技术。 边缘计算是云计算的延伸，在云边协同中，云端负责矿山大数据分析、模型训练、算法更新等任务，边缘端负责基于就地信息进行数据的计算、存储和传输。运用云边协同技术，边缘节点负责处理数字孪生体中对时延或算力要求不高的矿山数据，而云服务器负责处理时延或算力要求高的矿山数据。在边缘端处理时间敏感型矿山数据，有助于提升反馈控制指令的执行能力、生产异常/扰动监测等突发状况的响应速度，从而助力矿山智能自治生产运行。在云端处理时间不敏感型矿山数据，有助于数字孪生体对实体矿山产生的海量信息进行深层次挖掘，进一步优化云端和边缘端各应用服务模型参数，从而提升智慧矿山数据分析与服务能力。云边协同有以下3种方式：① 训练-计算的云边协同 ，即云端根据边缘端上传的数据对智能模型进行设计、训练和更新，边缘端负责搜集数据并实时下载最新的模型进行计算任务；② 以云端为导向的云边协同 ，即模型中高算力要求的训练部分在云端完成，边缘端负责处理轻量化的运算任务，接力云端的计算结果，最终模型由云边端共同运算得到。这种方式可以权衡云端和边缘端的计算量和通信量；③ 以边缘端为导向的云边协同 ，即模型的训练工作首先在云端完成，边缘端在收到云端模型的计算结果后适当微调，并且结合各传感器发送到边缘端的数据进一步优化模型。此方法可以更有针对性地满足煤矿井下实际生产需求，更充分的考虑了煤矿实际情况。
智能矿山云边协同服务机制
边缘计算卸载技术。 边缘计算通过在设备上直接部署计算单元，将云计算的算力和存储下放到每个边缘终端，可有效减小网络带宽压力、降低系统时延、分散系统风险，从而缓解云计算带来的问题。由于边缘节点的资源有限，为了满足系统整体的计算需求，就需要采用计算卸载技术来协调算力，通过计算卸载将任务分配给资源充足的节点，从而统筹系统资源、加快处理速度、优化服务质量。计算卸载主要由卸载决策和资源分配两大部分构成，卸载决策用于判断节点是否需要卸载以及卸载多少任务，资源分配用于研究卸载的任务应该被分发到何处。常见的计算卸载方式分为粗粒度任务卸载和细粒度任务卸载。粗粒度任务卸载将整个终端作为卸载对象，没有根据实际情况划分子任务，这种卸载方式无法充分利用终端节点的系统资源；而细粒度任务卸载会根据当前卸载任务的实际需求，将任务划分为多个具有依赖关系的子任务，每个子任务的数据量和复杂度都大大降低，因此可以节省传输时间，提高运算效率。结合矿山智能设备的特点，采用细粒度任务卸载方式可有效提高边缘计算设备的集群运算效率，最终降低各节点的时延、能耗和网络压力。
（4）矿山大数据分析与智能化应用服务
针对矿山各系统多源海量监测数据，矿山大数据平台需要设计高可靠、大容量、快速存取、弹性部署、易拓展的分布式存储架构，从而实现矿山安全生产过程大数据的高效泛在存取；统筹管理多场景异构数据，通过大数据知识挖掘引擎，支撑矿山上层多元化应用。通过构建云交互式服务平台，解决矿山深层应用中数据综合管控的痛点，打通数字矿山多元异构数据通信壁垒，实现矿山数据分布式安全可靠协同，建立矿山智能化应用服务体系。
矿山大数据分析与智能化应用服务架构
第一作者简介
丁恩杰 ，中共党员，山东青岛人，教授，博士生导师，中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心常务副主任，矿山物联网工程技术专家，是我国感知矿山物联网理论与技术的主要奠基人。主持建成完成矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室、江苏省感知矿山物联网工程实验室，江苏省感知矿山工程研究中心。率领团队完成矿山物联网感知体系与顶层设计，开创性的提出了矿山物联网“三个感知”的概念，制定了《“感知矿山”物联网技术方案》，是国际上首个通过认证的“感知矿山”物联网技术方案。
主持了国家自然科学基金委国家项目、国家科技攻关计划、国家科技支撑计划等多项国家科技项目。主持国家重点研发计划项目“矿山安全生产物联网关键技术与装备研发”1项，主持国家科技支撑计划项目课题1项，863子课题1项，973子课题1项，国家自然基金面上项目2项。获得省部级科技进步奖6项，其他省部级科技成果奖7项；获国家授权专利30余项，其中发明专利15项；出版著作3部，教材1部，发表学术论文170余篇，其中SCI检索60篇，EI检索37篇。
通讯作者简介
俞啸 ，中共党员，山东济宁人，博士，讲师，现工作于中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心。长期从事矿山物联网、嵌入式系统、信号分析、人工智能等方向的研究工作，主持国家重点研发计划项目子课题1项，参与国家重点基础研究发展计划（973）项目1项，国家自然基金面上项目1项。发表论文30余篇，其中SCI/EI检索10篇。授权发明专利6项，软件著作权3项，出版专著1部。
来源：
丁恩杰，俞啸，夏冰，等. 矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术［J］. 煤炭学报,2022,47(1):564-578.
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《科技导报》专题导读：战略性矿产资源的开发与治理
《科技导报》2024年第5期出版了“战略性矿产资源的开发与治理专题”，刊登了《提升战略性关键矿产资源保障能力，把握全球矿产资源格局》《中国战略性关键矿产勘查开发进展与新一轮找矿的建议》《战略性矿产资源清单、供需形势与对策》等10篇专题文章，从矿种、政策等方面梳理了战略性关键矿产的国内外研究新动向，并对中国战略性矿产资源的开发与利用有针对性地提出了建议。
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提升战略性关键矿产资源保障能力，把握全球矿产资源格局（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 翟明国，中国科学院地质与地球物理研究所研究员、中国科学院院士。▲文章指出，战略性关键矿产资源在美国和欧洲一些国家的政府和智库报告中高频出现，并上升为国家基本战略；指出未来数十年，全球对矿产资源的需求将继续高速增长，如何应对和满足可持续发展的重大资源需求，是全球关注的焦点之一；简要分析了中国矿产资源供需形势，并有针对性地提出了建议。美国发布的关键矿产清单以及与中国的争夺图
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中国战略性关键矿产勘查开发进展与新一轮找矿的建议（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 王登红, 代鸿章, 刘善宝, 等.
王登红：中国地质科学院矿产资源研究所所长，自然资源部深地资源成矿作用与成矿预测重点实验室首席科学家。
▲面向国家重大需求，从矿种、政策等方面梳理了战略性关键矿产的国内外研究新动向，文章总结了战略性关键矿产勘查开发中成矿理论、找矿方法、勘查技术、采选冶技术、矿山环境监测等方面的现状，指出了目前存在优势矿产少、好矿少、品位低、探明程度低、矿床成因机制不明、独立矿床少、样测手段有限等问题，分析了战略性关键矿产的资源潜力。在此基础上提出了对战略性关键矿产找矿勘查与管理的建议。
3
战略性矿产资源清单、供需形势与对策（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 李裕伟，自然资源部咨询研究中心研究员，地质矿产部原副总工程师。▲文章阐述了战略性矿产的起源、发展、演变和现状，对比研究了战略性矿产的定义、种类及在经济安全和国防安全中的作用，有针对性地分析了当前战略性矿产的国际竞争、制约与反制约活动和中国面临的产业链供应链形势，并提出了政策建议。文章提出，中国应充分发挥现有的产业优势和市场优势，克服资源短板，加大政策调控，激发企业国际竞争力，重构产业链供应链，用好国内国外两种资源，为中国在世界新一轮经济发展中立于必胜之地提供充足、安全的战略性资源保障。4
中俄战略性矿产目录对比及贸易情况分析（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 张雅丽, 陈从喜, 隋延辉, 等.陈从喜，自然资源部信息中心综合研究室主任，研究员。 ▲文章对比了中俄战略性矿产内涵和目录的异同，计算了两国矿产品贸易显示性比较优势指数和贸易互补性指数，结合贸易情况、资源禀赋和对外依存度，分析了两国战略性矿产的贸易互补性和俄乌冲突的影响，给出了中国战略性矿产目录中应增加的矿产资源种类和中俄贸易中应重点关注的矿产资源种类，并提出了调整战略性矿产目录、加大勘查投入、拓宽中俄矿业贸易合作领域等建议。（蓝色字体为俄罗斯的优势矿产，下划线为中国的优势矿产）
中国2016年战略性矿产与俄罗斯2022年战略性矿产关系5
中国钼矿开发利用现状及资源形势分析（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 李政, 吴琪, 张必欣, 等.李政，自然资源部信息中心副研究员。 ▲以近10年来的钼矿相关统计数据为基础，分析了全球和中国钼矿资源储量变化、开发利用现状、采矿权设计生产规模、矿业权数量探采比、勘查投入等多方面情况，得出：中国钼矿资源静态保障能力约为53年，高于世界平均水平；开发利用形势总体保持平稳，但产能利用率不足60%；地勘投入持续降低；矿业权数量探采比严重下降，2022年仅为1.4。分析得出，中国钼资源消费量占全球的40%，消费量持续增加。文章指出，中国经济高质量发展对钼资源的需求会持续提高，远期资源安全保障存在隐患。6
中国镍矿供需形势及对策建议（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 吴琪, 李政, 王楠, 等.吴琪，自然资源部信息中心副研究员。 ▲文章梳理了近10年中国镍矿的地质勘查投入、地质勘查进展、储量变化以及开发利用情况，概述了当前国内镍工业产业结构及生产工艺，总结了镍的国内消费结构和国际进出口贸易，分析了中国对镍的需求形势，得出结论：中国是贫镍国，也是镍的消费大国，目前中国镍消费结构中，不锈钢占比67.5%，传统需求领域保持稳定；中国镍资源的对外依存度长期处于80%以上，主要进口来源国为菲律宾和印度尼西亚；从国内来说，当前镍矿地勘投资及地勘实物工作量较2010年下降超75%，矿山达产率50.2%，中国镍矿勘查增储、开采上产还有较大的提升潜力。新能源汽车电池领域将驱动新兴镍需求的爆发式增长，提出了为国家镍资源的供需平衡规避风险的建议。7
镍全球治理框架体系构成、演变及中国参与路径选择（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 郝洪昌, 王安建, 马哲, 等.王安建，中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心教授，首席科学家。 ▲文章基于矿产资源全球治理五要素分析框架，系统分析了镍全球治理的核心要素和历史演变特征，剖析了现阶段镍全球治理体系发展的制约因素，结合美国、欧盟和日本等国家或地区的关键矿产战略，对中国参与全球治理和保障镍供应链安全提出了加强国际合作与资源外交、强化金融市场风险管理、推动构建全球镍国际组织联盟等建议。8
钴资源全球治理体系及中国参与路径（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 袁小晶, 王安建, 马哲.王安建，中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心教授，首席科学家。 ▲文章梳理了钴资源全球治理体系的演变特征、核心要素以及现存问题和挑战，提出了增强中国企业的负责任采矿意识、积极参与并主导推动治理进程、加强国际矿业投资合作、加强本土资源开采与战略储备等建议。9
锂资源全球治理体系历史演变、现实困境与中国参与策略（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 魏江桥, 王安建, 马哲, 等.王安建，中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心教授，首席科学家。 ▲文章总结了锂资源全球治理体系演变的3个阶段的典型特征，剖析了锂资源全球治理体系的现状，揭示了锂资源全球治理体系面临的现实困境，提出中国参与锂资源全球治理体系建设的3点建议。10
战略性金属矿产供需关系评估——基于风电产业链的研究（点击标题，跳转公众号阅读）
▲作者： 段悦, 葛建平.
葛建平，中国地质大学（北京）经济管理学院教授。
▲文章采用广义翁氏模型对钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种培育风电产业链所需的金属原材料开展了产量预测和开采路径模拟。同时，考虑市场份额、技术进步和回收利用情况，设计风电产业的低速发展情境、基准情境以及高速发展情境，计算了不同情境下钕、镨、铽、镝、钼、镍、铜7种金属原材料的未来需求量。对比分析了风电产业链中战略性金属矿产资源的供需状态，为保障风电产业链金属矿产资源合理供给提出政策建议。《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
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