黃崧 王海洋 余俊挺 馮旭彪 王瀟 唐遠軍 郎歡

摘要：以BIM和GIS技術在智慧礦山信息系統(tǒng)建設應用為探索方向，闡述了BIM和GIS技術在智慧礦山信息系統(tǒng)的優(yōu)勢及其構建思路。通過結合BIM和GIS技術，將三維地質模型融入礦山信息系統(tǒng)建設中，解決復雜地質條件下智慧礦山信息系統(tǒng)建設工程的集成與虛擬建造問題，更好的實現(xiàn)礦山建設工程全壽命期的管理，提高礦產(chǎn)生產(chǎn)效率，優(yōu)化業(yè)務流程，使礦產(chǎn)行業(yè)更好的服務于國民經(jīng)濟建設。

Abstract： Taking the application of BIM and GIS technology in the construction of intelligent mine information system as the exploration direction， this paper expounds the advantages of BIM and GIS technology in the construction of intelligent mine information system and its construction ideas. By combining BIM and GIS technology， the three-dimensional geological model is integrated into the construction of mine information system to solve the problem of integration and virtual construction of intelligent mine information system construction project under complex geological conditions， better realize the management of mine construction project life cycle， improve the production efficiency of minerals， optimize business processes， and make the mineral industry better serve the national economic construction.

關鍵詞：BIM;GIS;智慧礦山信息系統(tǒng)

Key words： BIM;GIS;intelligent mine information system

中圖分類號：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0184-03

0 ?引言

礦山行業(yè)作為國家能源和原材料的生產(chǎn)者，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用。盡管新中國成立以來礦產(chǎn)開采行業(yè)取得了快速發(fā)展，但和西方發(fā)達國家相比還存在明顯差距。分析原因主要有：一是發(fā)達國家礦產(chǎn)企業(yè)機械化率高;二是發(fā)達國家礦產(chǎn)企業(yè)普遍建立了智慧礦山信息系統(tǒng)，企業(yè)信息化率高?；谛袠I(yè)現(xiàn)狀，國家提出創(chuàng)新發(fā)展，綠色發(fā)展的原則，推動企業(yè)間兼并，促進企業(yè)技術進步，提高生產(chǎn)力。在當前環(huán)境下，智慧礦山具備的對生產(chǎn)經(jīng)營、職工安全、后勤保障等信息進行收集、存處、處理及分析的無人礦山能力符合時代潮流。礦山的數(shù)字化、信息化是智慧礦山建設的基礎，通過智能信息技術的應用，可以使礦山具有人類般的決策和行動能力，實現(xiàn)海量信息數(shù)據(jù)的綜合集成和應對境變化的響應能力。由于我國地質環(huán)境復雜、礦業(yè)生產(chǎn)體系龐大、采掘環(huán)境多變，礦產(chǎn)開采面對嚴峻挑戰(zhàn)。而智慧化又是人類科技領域繼工業(yè)化、電氣化、信息化之后又一次新的突破，建設綠色、智能和可持續(xù)發(fā)展的智慧礦山成為礦業(yè)發(fā)展新趨勢。因此，建設智慧礦山信息系統(tǒng)對于礦產(chǎn)企業(yè)顯得尤為重要。鑒于目前BIM和GIS的技術發(fā)展應用及礦山建設工程的復雜性，本文結合BIM和GIS技術，將三維地質模型融入礦山信息系統(tǒng)建設中，以解決復雜地質條件下智慧礦山信息系統(tǒng)建設工程的集成與虛擬建造問題，更好的實現(xiàn)礦山建設工程全壽命期的管理。

1 ?BIM技術及其在智慧礦山信息系統(tǒng)中的應用

1.1 BIM技術

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)為模型基礎，進行建筑模型建立的一種技術，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)二維繪圖向三維繪圖的轉變，使建筑信息能更加全面、智能、直觀地展現(xiàn)出來，具有可視化、協(xié)調(diào)性、可模擬性和信息綜合等特點。利用數(shù)字模型可以對工程項目進行設計、建造及運營管理。在實踐中，BIM技術的使用被整合到建筑物壽命的各個階段：數(shù)據(jù)收集、設計工作、施工、設備操作、維修工作和拆除等。為設計師、建筑師、水電暖鋪設工程師，最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”的科學協(xié)作平臺。BIM 技術最初源于三維建筑設計的需要，其應用最初主要面向民用建筑領域，缺乏在礦山工程領域的應用。然而對礦山井巷工程設計建設而言，構建全生命周期的信息化模型，科學管理礦山井巷設計建設流程是構建智慧礦山的重要前提。近年來，BIM技術已經(jīng)在一些礦山企業(yè)的工程建設中成功應用，包括大柳塔煤礦、徐礦集團張雙樓等，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，2018年5月1日起，《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術規(guī)范》開始實施，必將推動礦山井巷三維可視化模型在礦山企業(yè)的應用。因此，BIM技術將在未來的礦山井巷工程建設中得到快速推廣，同時促進智慧礦山信息系統(tǒng)的建立。

1.2 BIM在礦山信息系統(tǒng)中的應用

BIM以建筑信息為基礎開發(fā)的數(shù)字三維模型，可以將工程項目在全生命周期中各個不同階段的建造信息、維護信息和經(jīng)濟信息等集中在一個模型中，所有數(shù)據(jù)可以聯(lián)動處理。實現(xiàn)對工程項目的設計、建造及運維管理。尤其是礦山建設工程包含勘察設計、施工、投產(chǎn)、維修工作和拆除等階段，具有建設工序多，工期長，工程量大，牽涉面廣等特點，為智慧礦山信息系統(tǒng)建設帶來困難，需要利用BIM模型來展示地下巷井的分布，設備的狀態(tài)等信息。BIM支持建設工程的集成管理環(huán)境，減少溝通損耗，降低建造成本，同時礦山建設工程尤其需要關注建設過程的信息化與可視化，尤其是在地質環(huán)境復雜的條件下。

在智慧礦山信息系統(tǒng)方面，利用BIM的動態(tài)變更設計的功能可將人工編排計劃時考慮的因素用計算機進行表述，當開采條件、計劃出現(xiàn)變化時，只需對部分條件進行調(diào)整便可滿足指導生產(chǎn)的作用。在方案論證階段，各工程師可利用BIM三維模型對個方案中的采掘、運輸、通風、排水照明系統(tǒng)進行評估，可以快速精確地得出個方案投資及可行性，完善并優(yōu)化方案。在采掘工程設計階段利用其三維建模和虛擬現(xiàn)實模擬的能力，可以降低復雜地質環(huán)境下的災害發(fā)生率。

BIM快速三維建模，對模型的組成、結構和框架進行分析，抽象出適用于模型的通用構件，建立構件庫，進行同類建模設計時，通過更改構件參數(shù)即可快速構件新3D模型。同時，所有工程數(shù)據(jù)及后續(xù)運維數(shù)據(jù)都能存儲在模型數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)工程信息與設計方案數(shù)據(jù)一致性。然后，BIM技術可直接從模型中獲得工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用于前期投資的成本估算，為決策提供參考。其次，通過開發(fā)數(shù)據(jù)信息共享借口，可以實時監(jiān)測井巷瓦斯、礦壓等信息，保障井巷安全，同時提高管理效率。通過時間與三維系統(tǒng)相結合，可以進行施工進度模擬，對開采進度進行管理，便于制定合理的施工計劃，優(yōu)化資源配置。

礦產(chǎn)開采工程是一個復雜的系統(tǒng)工程，包括采掘系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等設備種類多，數(shù)量大，只有同時對設備進行有效的維護管理才能提高管理水平，利用BIM三維可視化系統(tǒng)具備全生命周期數(shù)據(jù)管理功能，可以在模型中導入設備的位置，狀態(tài)等信息，方便設備管理。利用BIM的虛擬現(xiàn)實功能，可以進行災害模擬演練，模擬事故的事前、事中、事后，分析事故發(fā)生的前因后果，為預防事故及救援提供支持。最后，利用BIM技術建立的三維可視化數(shù)字模型，可以生成不同視角的圖紙，便于統(tǒng)籌管理。

2 ?GIS在智慧礦山信息系統(tǒng)中的應用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對地表空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、處理、分析、顯示的空間信息系統(tǒng)。隨著空間探測技術和計算機技術的發(fā)展，以及智慧礦山概念的普及，建立智慧礦山信息系統(tǒng)對礦山的經(jīng)營具有現(xiàn)實意義。GIS數(shù)字化程度深，便于圖形數(shù)據(jù)的輸入和輸出，可以進行各個要素間的相關性分析。因此可用于建立BIM模型的周邊環(huán)境，提高BIM模型的信息豐富度。將GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對接BIM屬性數(shù)據(jù)庫，將礦山工程數(shù)據(jù)進行轉換、整理、存儲，利用GIS空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)分析的能力，可以實現(xiàn)圖形信息與屬性信息的連接與檢索。通過ArcGIS軟件可以對相應數(shù)據(jù)進行瀏覽查看，通過選中建筑物或其他要素，查看其屬性表中的信息。并且可以根據(jù)屬性中某字段數(shù)值做統(tǒng)計報表并打印，提高管理者獲取工程進度情況的能力，為管理者更好的掌握礦山情況提供幫助。

3 ?BIM和GIS的集成

智慧礦山信息系統(tǒng)模塊大致有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)處理和應用5個模塊，核心是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，示意圖如圖1所示。按功能分類為：一是礦山信息基礎設備，二是數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務處理和決策系統(tǒng)。前者是智慧礦山運行的基礎，后者是智慧礦山實現(xiàn)功能的主體，二者通過網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到服務器，服務器將數(shù)據(jù)處理之后，賦值給BIM模型屬性或GIS模型，實時以三維模型展示檢測結果，同時提供決策參考，方便管理。

BIM與GIS集成應用，是通過數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成或應用集成來實現(xiàn)的。GIS的出現(xiàn)為礦山的智慧化發(fā)展打下了基礎，BIM則提供了礦山建筑物的細節(jié)信息，兩者的集成創(chuàng)建了一個附著大量信息的虛擬礦山模型。總體來說，BIM能集成礦山建筑本身所有階段信息，GIS則是整合及建筑外部環(huán)境信息，把微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息進行整合。可以利用 B/S 網(wǎng)絡架構建立基于 BIM 和 GIS 的智慧礦山信息系統(tǒng)，包括 GIS 服務器、Web 服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和多個 Ie 客戶端， GIS 服務器通過 VPN 網(wǎng)絡與多個 Ie 客戶端連接，Web 服務器和數(shù)據(jù)庫服務器通過局域網(wǎng)相互連接，同時局域網(wǎng)與 VPN 網(wǎng)絡連接。更深層次講，BIM和GIS兩種技術不同數(shù)據(jù)格式之間的轉換是集成應用研究重點，進而是實現(xiàn)兩種技術在系統(tǒng)層面的集成。BIM技術的通用數(shù)據(jù)格式為IFC標準格式，GIS技術的通用數(shù)據(jù)格式為GML格式。這些數(shù)據(jù)格式在圖形顯示和信息豐富度上各有側重。IFC 偏重于幾何信息體現(xiàn);而GML更側重于空間對象拓撲關系表達。自定義IFC和GML轉換過程中的語義映射規(guī)則，可保障在轉換過程中有用信息無損轉換。整體思路示意圖如圖 2 所示。

4 ?結束語

BIM技術作為在建筑領域的新技術、新思想，將對開采工程管理領域產(chǎn)生積極影響，在工程全生命周期管理領域帶來改變。同時，礦山工程管理是一個復雜的管理系統(tǒng)，需要不斷學習創(chuàng)新，才能適應未來智慧礦山的生產(chǎn)需求。BIM和GIS技術的集成前途光明，方向明確。在國際范圍內(nèi)，各國的專家學者對智慧礦山多持有積極態(tài)度，積極推進建設?；贐IM和GIS技術整合的智慧礦山將是一個成熟技術的融合，從衛(wèi)星遙感到地理信息，接著又從數(shù)字礦山發(fā)展到智慧礦山，包含精準的礦山三維建模，發(fā)達的礦山傳感網(wǎng)絡，實時的礦山職工監(jiān)控，使礦山企業(yè)的職工的生產(chǎn)生活更加安全智能和便捷。本文利用BIM和GIS技術在礦山信息系統(tǒng)構建領域進行了探索，對于智慧礦山信息系統(tǒng)建設的需求重新處理和組織數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)信息規(guī)范化、更利于管理，使管理者能充分了解礦區(qū)現(xiàn)狀、及時查詢相關信息，為決策提供數(shù)據(jù)支撐，提高工作效率。

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