張 佼，趙 康

(陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占主體地位，在當(dāng)前國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及我國生態(tài)環(huán)境容量限制之下，采礦行業(yè)轉(zhuǎn)型是大勢所趨，以往過于粗放的開采方法對資源和生態(tài)環(huán)境都造成了巨大的傷害。伴隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)等的發(fā)展而產(chǎn)生了信息時代產(chǎn)物—“數(shù)字礦山”；但是進(jìn)入5G時代，隨著互聯(lián)網(wǎng)+、虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智慧化礦山時代已經(jīng)到來，發(fā)展智慧化礦山已經(jīng)大勢所趨[1-3]。

智慧化礦山建設(shè)是當(dāng)前礦山領(lǐng)域中的新寵兒，屬前沿研究領(lǐng)域，國內(nèi)外一些研究人員已對其進(jìn)行了初步探索性研究。現(xiàn)有研究成果大多是針對礦山某類特定業(yè)務(wù)進(jìn)行的智慧化探索。BIM技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，國家已經(jīng)將BIM建筑信息模型系統(tǒng)作為國家科技部“十二五”的重點(diǎn)研究項目。在這樣的背景下，將智慧化礦山建設(shè)和BIM技術(shù)結(jié)合具有必然性。BIM技術(shù)所帶來的信息整合，從項目全生命周期出發(fā)，現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段應(yīng)用于項目的設(shè)計、施工以及運(yùn)營的全過程，從而支持項目最高決策者對項目進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)、規(guī)劃、控制、管理。

1 BIM技術(shù)在智慧化礦山的應(yīng)用及架構(gòu)

1.1 BIM技術(shù)在智慧化礦山建設(shè)中的愿景

BIM技術(shù)是利用計算機(jī)軟硬件技術(shù)，通過建筑信息模型的創(chuàng)建和使用，實現(xiàn)建筑信息有效傳遞和共享的技術(shù)，它同時也是建筑開發(fā)、建筑設(shè)計、建筑施工及建筑運(yùn)維基于建筑信息模型的過程和方法，并且貫穿于建筑的全生命周期[4-6]。該技術(shù)通過建筑模型的建立，利用數(shù)字信息來仿真模擬建筑物所具有的真實信息。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和出圖性等5大特點(diǎn)。

如圖1所示，智慧化礦山通過與自動化礦山、信息化礦山、數(shù)字化礦山進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從生產(chǎn)管理中心、礦山安全中心、生產(chǎn)控制中心、運(yùn)維保障中心和運(yùn)營管理中心5個方向展望了智慧礦山的愿景。

圖1 智慧化礦山愿景規(guī)劃

1.2 綜合信息集成中心的關(guān)鍵支撐

由BIM技術(shù)打造的智慧化礦山主要由打造固定資產(chǎn)網(wǎng)、打造工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)、打造生產(chǎn)運(yùn)維管理網(wǎng)三大信息網(wǎng)模型支撐組成[7-9]。打造固定資產(chǎn)網(wǎng)—由BIM技術(shù)相關(guān)軟件通過信息建模方法模擬工業(yè)廣場場區(qū)大場景、建筑設(shè)施小場景、室內(nèi)局部場景、地下設(shè)施管網(wǎng)、礦井巷道布置等不可見場景；打造工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)—實現(xiàn)設(shè)備模型動態(tài)運(yùn)行展示、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、安全預(yù)警結(jié)果提示、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)狀態(tài)展示等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)收集傳輸；打造生產(chǎn)運(yùn)維管理網(wǎng)—實現(xiàn)安全生產(chǎn)監(jiān)控、全場視訊管理、安全巡檢管理等關(guān)鍵場景運(yùn)維保障。

3張信息網(wǎng)支撐的智慧礦山綜合信息集成中心，達(dá)到空間BIM數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與真實世界的數(shù)字孿生，實現(xiàn)多維空間信息的共享聯(lián)動、直觀映現(xiàn)、動態(tài)控制等目標(biāo)，使得3張網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)全面、充分融合展示于綜合門戶之上，從而發(fā)揮其最大利用價值并產(chǎn)生增值，以最大限度幫助工作人員實現(xiàn)管理、運(yùn)營效率最大化。完成推進(jìn)礦井智能生產(chǎn)與智能管理，實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造從而升級換代的目標(biāo)。

1.3 BIM技術(shù)建設(shè)規(guī)劃業(yè)務(wù)架構(gòu)

礦山智慧化建設(shè)從底層到高層由不同級別的軟硬件系統(tǒng)組成。底層信息控制域負(fù)責(zé)信息的向上采集及向下控制，包括各類傳感器及設(shè)備廠商。信息融合域負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的過濾、存儲、索引與匯總，包括云計算等各類軟件提供商。信息應(yīng)用域包括各類業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，例如：資產(chǎn)管理系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。時空大數(shù)據(jù)分析與決策智能網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的聯(lián)機(jī)分析、動態(tài)分析、實時分析等工作，同時為高層應(yīng)用提供智能決策的結(jié)果，包括AI等數(shù)據(jù)分析算法，本層將為固定資產(chǎn)網(wǎng)、工業(yè)設(shè)備管網(wǎng)、生產(chǎn)運(yùn)維網(wǎng)3張網(wǎng)的運(yùn)行提供全面支持。最后，BIM技術(shù)實施將建立于3張網(wǎng)的業(yè)務(wù)集成之上，完成業(yè)務(wù)信息與三維空間信息的全面融合與展現(xiàn)，形成智慧礦山BIM數(shù)據(jù)交互綜合業(yè)務(wù)集成信息中心，并由本層實現(xiàn)對礦山信息的全方位展示與智能交互，達(dá)到用戶準(zhǔn)確感知、控制物理世界的目標(biāo)。圖2為BIM技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)門戶管理流程圖。

圖2 BIM技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)門戶管理流程圖

2 BIM技術(shù)建設(shè)智慧化礦山的實施內(nèi)容

智慧化礦山建設(shè)涉及的子模塊眾多，參與的軟、硬件廠商多樣，因此在建設(shè)時應(yīng)以中樞軟件為主體。由于礦山的大量業(yè)務(wù)與空間信息相關(guān)；例如：設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測業(yè)務(wù)即為設(shè)備位置等屬性+動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，人員及車輛定位即為巷道及廠區(qū)位置+人員與車輛活動數(shù)據(jù)，智能巡檢即為巡檢位置+巡檢采集數(shù)據(jù)等。因此，以BIM+GIS對礦山宏觀及微觀空間數(shù)據(jù)(包括：礦區(qū)、大樓、設(shè)備裝置、地下巷道、管網(wǎng)等)進(jìn)行全面仿真，應(yīng)作為數(shù)據(jù)化展示建設(shè)部分的核心。此外，由于BIM技術(shù)具有與物聯(lián)網(wǎng)及MIS系統(tǒng)天然的聯(lián)系，其可以自然地將傳感器、監(jiān)控視頻等硬件數(shù)據(jù)接入其中，同時又可以與資產(chǎn)管理、工程項目管理等信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，因此以BIM建設(shè)為中心，將相關(guān)軟硬件系統(tǒng)與BIM技術(shù)相集成，以基于BIM技術(shù)的應(yīng)用為最終實現(xiàn)，必將成為智慧化礦山建設(shè)的最佳方案。

2.1 BIM三維空間信息共享規(guī)劃

以BIM三維空間數(shù)據(jù)為核心的海量多維業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一體化管理，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息共享，其具體規(guī)劃方案，如圖3所示。

圖3 BIM信息規(guī)劃方案展示圖

通過BIM對物理世界中所有可見的物體進(jìn)行快速建模(即空間數(shù)據(jù)管理)，以此將物理世界中的信息全面管理起來。通過BIM將空間數(shù)據(jù)仿真為可操控的三維模型(即空間數(shù)據(jù)展示)，完成數(shù)據(jù)從不可見到虛擬化的過程，實現(xiàn)用戶對物理世界遠(yuǎn)程、直觀、快速地查看、理解與控制。通過對物體在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并集成到三維模型中進(jìn)行動態(tài)顯示(即空間數(shù)據(jù)分析)。通過BIM信息技術(shù)實現(xiàn)“人的集成、界面集成、流程集成、業(yè)務(wù)集成、消息集成、應(yīng)用集成”，為監(jiān)管人員提供統(tǒng)一信息資源展示窗口，并根據(jù)用戶的角色不同，提供個性化的服務(wù)。

2.2 BIM礦井模型業(yè)務(wù)分劃

與空間信息相關(guān)，可集成到BIM模型中進(jìn)行信息化升級的礦井業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括以下8個子系統(tǒng)。

后勤固定資產(chǎn)管理：全面實現(xiàn)礦區(qū)三維場景的真實再現(xiàn)，包括全景、局部建筑場景、室內(nèi)工作場景等。

可視化設(shè)備管理：全面實現(xiàn)各類工業(yè)設(shè)備的真實仿真建模、三維立體展示、運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)分析等。

地下巷道及管網(wǎng)可視化管理：全面實現(xiàn)地下管網(wǎng)及巷道等不可見設(shè)施的數(shù)據(jù)管理、展示與查找，施工圖紙與三維信息的二三維聯(lián)動，以及管網(wǎng)規(guī)劃管理，搶修、維修管理等。

安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)集成管理：全面實現(xiàn)各類安全信息及時報警(包括：智能礦燈、通風(fēng)、排水、頂板壓力、頂板離層等安全監(jiān)測內(nèi)容)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時分析結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化展示等。

全場視頻監(jiān)控視訊管理：BIM模型可以將在煤礦地面、井下等重要場所采集的工業(yè)視頻信號集成并在三維環(huán)境中直觀地進(jìn)行實時展示。通過系統(tǒng)平臺的配置和接口，對礦井所有監(jiān)控視頻通道進(jìn)行管理，將所有攝像頭的空間位置和三維攝像頭模型定位到三維礦井可視化立體圖系統(tǒng)中，實現(xiàn)在三維廠礦立體數(shù)字模型空間中，選擇需要監(jiān)控的攝像頭，自動顯示該視頻圖像信息，或者在視頻攝像頭名稱列表中，點(diǎn)擊選擇任意攝像頭名稱，自動將三維場景及該攝像頭定位到視圖界面中心，同時自動顯示視頻實景圖像。

巡檢業(yè)務(wù)管理：全面實現(xiàn)線路巡檢，以及巡檢信息的即時展示。

培訓(xùn)教育及應(yīng)急模擬演練管理：實現(xiàn)以三維仿真的形式進(jìn)行工作原理講解、設(shè)備故障分析、設(shè)備操作標(biāo)準(zhǔn)流程、安全及操作技能培訓(xùn)、虛擬現(xiàn)實(VR)展示等。

信息指揮中心數(shù)據(jù)集成大屏展示管理：全面實現(xiàn)3張網(wǎng)的數(shù)據(jù)集成展示，以及三維真實場景與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的孿生聯(lián)動控制，達(dá)到通過監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確定位到發(fā)生位置，以及通過點(diǎn)選空間位置能夠查看到監(jiān)測數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)交互目標(biāo)。

3 BIM實現(xiàn)智慧化礦山的手段及步驟

3.1 技術(shù)手段

BIM實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的總體原則是綜合利用目前最為先進(jìn)的BIM+GIS相關(guān)技術(shù)，主要包括以下幾個方面。

數(shù)據(jù)建模技術(shù)：使用Revit、激光點(diǎn)云等工具對物理世界進(jìn)行快速1∶1建模，真實仿真物理世界，并實現(xiàn)數(shù)模分離。

三維可視化技術(shù)：使用WEBGL等3D技術(shù)，實現(xiàn)零客戶端B/S方式大體量模型快速加載及瀏覽。

三維GIS技術(shù)：實現(xiàn)宏觀大范圍三維地理信息瀏覽及分析，能夠真實展示地上及地下地貌。

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)：使用傳感器等相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時采集，關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

智慧化礦山建設(shè)的目標(biāo)必將隨著技術(shù)的改革實現(xiàn)更大的突破，未來更多的研究方向是引入BIM(數(shù)據(jù)模型)+lot(物聯(lián)網(wǎng))+自動控制系統(tǒng)+檢測監(jiān)控，將所有數(shù)據(jù)結(jié)合直觀位置關(guān)系，形成動態(tài)集群，做到智慧管控；采取BIM(數(shù)據(jù)模型)+業(yè)務(wù)應(yīng)用+AI(人工智能)，將大大提高智慧礦山中人、機(jī)、環(huán)境的空間認(rèn)知和友好交互，提高業(yè)務(wù)應(yīng)用和決策支撐能力。

3.2 實施步驟

智慧化礦山建設(shè)內(nèi)容多、周期長，BIM信息化建設(shè)應(yīng)配套實際建設(shè)周期分步進(jìn)行?？紤]到BIM的特點(diǎn)(即可用于建筑設(shè)計階段，并可指導(dǎo)建設(shè)施工)，信息化建設(shè)應(yīng)從煤礦建設(shè)規(guī)劃階段開始介入。因此信息化配套實施步驟應(yīng)包括以下幾個方面。

建設(shè)前期：利用BIM技術(shù)建模，并展示建設(shè)完成后的仿真模型。同時利用模型進(jìn)行傳感器等設(shè)施設(shè)備的部署設(shè)計。

建設(shè)中期：利用BIM模型跟蹤項目進(jìn)度，監(jiān)控建設(shè)工程質(zhì)量，實現(xiàn)施工輔助。

運(yùn)行維護(hù)期：利用BIM模型進(jìn)行傳感器、監(jiān)控設(shè)備及其它設(shè)施的安裝部署，并完成數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制等測試工作，實現(xiàn)與BIM模型的有效集成。

4 結(jié)語

BIM信息技術(shù)最大程度地整合了社會的有效資源，提高了效率，提升了控制力。智慧化礦山重在打造操作平臺，基于BIM技術(shù)的智慧化礦山突破了現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)隔閡，實現(xiàn)了煤炭行業(yè)走出技術(shù)壁壘，走出行業(yè)封閉，實現(xiàn)了與前沿技術(shù)的接軌。利用BIM技術(shù)得天獨(dú)厚的開源數(shù)據(jù)接入優(yōu)勢，將其作為智慧化礦山建設(shè)的載體，將單純的建筑模型系統(tǒng)打造成智慧化礦山信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)了智慧化管理，精細(xì)化服務(wù)。BIM技術(shù)是打通煤礦虛擬世界與物理世界的隧道，建造人、機(jī)、礦可智能交互的綜合信息集成中心，可為未來實現(xiàn)高科技煤礦提供一種思考架構(gòu)和一套解決方案。