礦山信息模型
——礦業(yè)信息化的發(fā)展方向

于潤滄，劉 誠，朱瑞軍，李少輝，何煦春

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.中國礦業(yè)信息化協(xié)同創(chuàng)新北京市工程研究中心，北京 100038)

1 前言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國信息化發(fā)展將向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、共享化和生態(tài)化的方向發(fā)展，信息技術(shù)應(yīng)用和行業(yè)信息化建設(shè)將進(jìn)入一個協(xié)同創(chuàng)新的新時代[1～3]。

我國是個礦業(yè)大國，近年來礦業(yè)在許多方面有創(chuàng)新和改進(jìn)，但是在信息化建設(shè)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，同國外先進(jìn)水平相比，我國礦山信息化水平還存在著較大差距。隨著國家政策強(qiáng)力推進(jìn)兩化融合，推進(jìn)云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，我國礦業(yè)信息化的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇。

目前在礦山咨詢設(shè)計工作，尤其是施工圖設(shè)計工作中，設(shè)計人員采用較多的還是二維CAD技術(shù)，三維設(shè)計占比不高，而結(jié)合地質(zhì)模型、礦體模型、巖石力學(xué)模型進(jìn)行真三維設(shè)計更是處于探索階段。這造成了設(shè)計工作質(zhì)量和效率不高，各專業(yè)間協(xié)同性差，這些無疑限制了礦山設(shè)計階段信息化發(fā)展的速度。在礦山建設(shè)和生產(chǎn)階段，近些年來許多礦山企業(yè)在數(shù)字化、信息化方面做了大量工作，建立了集中控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等，但仍存在不少問題，如各系統(tǒng)建設(shè)缺乏整體性，異構(gòu)數(shù)據(jù)融合度低，數(shù)據(jù)綜合利用率低，未對礦山企業(yè)智能決策提供有效支持[4～7]。

在建筑行業(yè)發(fā)展起來的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)近年來得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用，BIM是通過一系列軟件、系統(tǒng)和平臺，將目標(biāo)的多維信息集成在一起的一個數(shù)字化信息模型，因而BIM在設(shè)計階段解決了傳統(tǒng)設(shè)計可視化程度低、工作效率低和協(xié)同性差等問題，在管理階段提高了質(zhì)量、成本和進(jìn)度的管理水平，促進(jìn)了各建設(shè)階段的信息共享[8～12]。

2 MIM理念的提出

BIM技術(shù)的快速發(fā)展為礦業(yè)信息化建設(shè)提供了新思路。但礦山工程又具有顯著的不同于地上建筑的特征，體現(xiàn)在：①受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)影響，施工的同時對周邊地質(zhì)環(huán)境反向影響，對施工變形控制要求高，不確定因素多；②隱蔽性大，突發(fā)事件多，難以直觀監(jiān)測；③作業(yè)空間有限，環(huán)境惡劣，施工難度大；④礦山的物理狀態(tài)隨著開采的進(jìn)行實(shí)時變化。

礦山建設(shè)的各個階段所使用的軟件、所需要的信息都與建筑行業(yè)差別很大，因此提出了礦山信息模型(Mine Information Modeling，MIM)的概念，通過MIM技術(shù)體系建設(shè)，用于工程的設(shè)計、建造與管理，可以大量減少溝通損耗，降低建造風(fēng)險，解決目前存在的設(shè)計施工過程中專業(yè)協(xié)同性差、數(shù)據(jù)不流通的問題，實(shí)現(xiàn)礦山真三維協(xié)同設(shè)計，實(shí)現(xiàn)“信息共享、協(xié)同工作”的核心理念，這是支撐綠色礦山、智能礦山建設(shè)的重要舉措，可達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案，提高礦山工程建設(shè)的質(zhì)量管理水平、降低建設(shè)成本和安全風(fēng)險，提升工程項(xiàng)目的效益和效率的目的。

3 MIM的概念與內(nèi)涵

3.1 MIM的概念

MIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了礦山工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可實(shí)現(xiàn)礦山全生命周期動態(tài)變化過程的數(shù)字化表達(dá)。通過連接礦山生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，對礦山進(jìn)行完整描述。MIM可解決分布式、異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，支持包括資源勘查、方案設(shè)計、基建施工、生產(chǎn)管理及閉坑等在內(nèi)的礦山全生命期中工程信息的動態(tài)創(chuàng)建、管理和共享。

3.2 MIM的內(nèi)涵

(1)面向礦山全生命周期的多維數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。礦山全生命周期包括礦產(chǎn)資源勘查、礦山設(shè)計、礦山基建、礦山生產(chǎn)及閉坑四個階段，礦山生命期的各個階段中，涉及的異構(gòu)系統(tǒng)類別較多，MIM將成為一個多維數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫，建立一套維護(hù)性強(qiáng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)方法，對礦山全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與融合。

(2)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)共享?；贛IM建設(shè)協(xié)同工作云平臺，收錄項(xiàng)目全生命周期的信息文檔。在需要投資方、建設(shè)方、施工方、設(shè)計方、咨詢方、監(jiān)理方、相關(guān)政府主管部門等多方參與且建設(shè)周期較長的工程建設(shè)項(xiàng)目中，MIM云平臺能及時收錄信息文檔并由參與各方共享。MIM云平臺還提供各建設(shè)階段的工作流程，更加方便進(jìn)行項(xiàng)目管理工作，相比傳統(tǒng)設(shè)計階段工作模式，MIM 云平臺對其進(jìn)行了整體的優(yōu)化。

(3)可視化設(shè)計與分析。MIM是采用三維數(shù)字表達(dá)技術(shù)設(shè)計的礦山信息模型，這種模型具有信息的完整性、準(zhǔn)確性與清晰性等特點(diǎn)。借助于三維建模、VR、AR技術(shù)，實(shí)施三維瀏覽、碰撞檢測、施工模擬等，從而使工程的設(shè)計和施工工作在可視化的指導(dǎo)下進(jìn)行，提升了質(zhì)量和效率。

(4)持續(xù)更新與改進(jìn)。礦山建設(shè)及生產(chǎn)是一個動態(tài)變化的過程，礦山的物理狀態(tài)隨著開采的進(jìn)行實(shí)時變化，其相關(guān)系統(tǒng)的信息也在隨時變化，MIM模型數(shù)據(jù)可不斷進(jìn)行補(bǔ)充、完善，并始終保持模型的一致性。

(5)開放性與安全性。MIM通過大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和協(xié)調(diào)管理，建立數(shù)據(jù)安全與共享機(jī)制。開放共享與安全是一個既互相矛盾又能夠有機(jī)結(jié)合的共同體：一方面需要共享帶來更大的便捷,另一方面還需要在共享的同時保障的數(shù)據(jù)安全。

4 MIM的價值

4.1 在設(shè)計階段為礦山提供真三維設(shè)計和數(shù)字化交底

(1)MIM真三維可視化設(shè)計。工程師可以在集成了地質(zhì)模型、礦體模型、巖石力學(xué)模型的統(tǒng)一平臺上進(jìn)行真三維設(shè)計。可直觀地觀察工程布置和空間形式并檢查其準(zhǔn)確性，通過三維模型可直接生成二維平面圖，對三維模型進(jìn)行修改后，相關(guān)聯(lián)的二維平面也會自動修改，減少重復(fù)修改的工作量。

(2)協(xié)同工作。MIM技術(shù)為協(xié)同設(shè)計提供底層支撐，大幅提升協(xié)同設(shè)計的技術(shù)含量。各個專業(yè)在同一平臺上進(jìn)行工作，數(shù)據(jù)實(shí)時共享，大大降低了溝通損耗，提高了設(shè)計工作的質(zhì)量和效率。

(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。MIM可提供詳細(xì)的工程量和材料量統(tǒng)計，可用于前期設(shè)計過程中的成本估算，并可用于在業(yè)主預(yù)算范圍內(nèi)不同設(shè)計方案的探索或者不同設(shè)計方案建造成本的比較。

(4)全生命周期模擬?？梢栽陧?xiàng)目設(shè)計過程對礦山進(jìn)行全生命周期5D(3D+時間+經(jīng)濟(jì))模擬、精確分析和優(yōu)化設(shè)計方案，對整個礦山的進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一考慮，以降低成本、提高質(zhì)量。

4.2 在建設(shè)階段為礦山提供施工數(shù)字化管理

(1)基于MIM的三維虛擬施工。通過MIM技術(shù)結(jié)合施工方案、施工模擬和現(xiàn)場視頻監(jiān)測，大大減少礦山建設(shè)與安全問題，減少返工和整改。

(2)智慧工地。對材料進(jìn)場實(shí)現(xiàn)信息化監(jiān)控、使用數(shù)字化條形碼記錄施工項(xiàng)目主要材料的進(jìn)出場情況，并在MIM系統(tǒng)上實(shí)時顯示。

(3)進(jìn)度管理。通過直觀真實(shí)、動態(tài)可視的施工全程模擬和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工模擬，可以展示多種施工計劃和工藝方案的實(shí)操性，合理安排進(jìn)度計劃并優(yōu)化施工方案。

(4)快速信息查詢。自動形成完整的信息數(shù)據(jù)庫，為管理人員提供快速查詢定位。內(nèi)容可包括：可行性分析報告、設(shè)計方案、勘察報告、設(shè)計圖紙、造價資料、設(shè)計變更會議記錄、施工過程記錄、簽證和技術(shù)核定單、設(shè)備相關(guān)信息、各種施工記錄、物料信息。所有信息化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)云存儲，分級按權(quán)限共享。

4.3 在運(yùn)營階段為礦山提供生產(chǎn)數(shù)字化管理

(1)資產(chǎn)管理。利用MIM可以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)監(jiān)控、查詢、定位管理可視化。支持全過程的資產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，通過MIM結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使資產(chǎn)在礦山中的定位及相關(guān)參數(shù)信息一目了然。

(2)維護(hù)計劃。MIM可以利用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)制定預(yù)防性維護(hù)計劃，降低設(shè)備故障發(fā)生率，保證礦山生產(chǎn)有序進(jìn)行。對于深井高地應(yīng)力的礦山，可基于巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)等分析巷道穩(wěn)定性，及時采取加固措施。

(3)能耗分析與優(yōu)化?；贛IM的礦山能耗分析可進(jìn)行更全面的性能分析，在設(shè)計階段就進(jìn)行的能耗模擬能及早發(fā)現(xiàn)存在的問題，基于MIM形成的數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)δ芎倪M(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化。

(4)災(zāi)害管理。MIM可以對礦山常見的突水、巖爆、滑坡等災(zāi)害發(fā)生過程以及人員疏散救災(zāi)等過程進(jìn)行仿真模擬，分析災(zāi)害發(fā)生原因，評估避災(zāi)措施可行性和有效性。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后，基于MIM可以為救援人員提供人員定位信息、相關(guān)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況信息、各種相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)等，指導(dǎo)救災(zāi)搶險工作。

5 MIM關(guān)鍵技術(shù)

(1)真三維設(shè)計軟件平臺。構(gòu)建統(tǒng)一的模型體系是MIM系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前缺乏集地質(zhì)資源、巖石力學(xué)、工程設(shè)計、礦山運(yùn)營等統(tǒng)一考慮的模型體系，這是構(gòu)造統(tǒng)一MIM三維仿真軟件或平臺的關(guān)鍵。

(2)礦業(yè)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用技術(shù)。MIM系統(tǒng)中包含礦山生命周期中大量重要的多維信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息在礦山勘探、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營全過程中動態(tài)變化調(diào)整，實(shí)時對其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、清洗、轉(zhuǎn)換，為礦山大數(shù)據(jù)提供支撐。

(3)MIM標(biāo)準(zhǔn)化。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)融合接口也是MIM系統(tǒng)成功的關(guān)鍵之一。目前的礦業(yè)專業(yè)軟件數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，文件格式各不相同，數(shù)據(jù)共享及集成難度較高，另外，需建立MIM工作流程標(biāo)準(zhǔn)，MIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)等。

(4)礦山信息模型可視化技術(shù)。MIM模型是包含有多維數(shù)據(jù)的大型平臺模型，最終表現(xiàn)形式是可視化的多維度、多用途、多功能的計算機(jī)圖形模型。MIM文件模型較為復(fù)雜，直接將其原始模型上傳讓工程各方都能基于這個模型進(jìn)行討論，不管是上行和下行都不方便，如果能輕量化，其運(yùn)用范圍更為廣泛。

(5)井下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等在MIM模型空間中聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)?；贛IM核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，不但可使礦山實(shí)現(xiàn)三維可視化的信息模型管理，而且為礦山的所有設(shè)施或設(shè)備賦予了感知能力和生命力，從而將設(shè)施/設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提升到全新高度。結(jié)合人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能按需通風(fēng)、智能充填系統(tǒng)、固定設(shè)備無人值守，有軌及無軌設(shè)備的無人駕駛、采區(qū)自動化等。

(6)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。MIM模型系統(tǒng)結(jié)合VR/AR技術(shù)可以更好地使設(shè)計方與用戶方進(jìn)行交流，獲取用戶需求。將設(shè)計形成的三維模型快速轉(zhuǎn)為VR模型，通過身臨其境的感受，查看設(shè)計成果，發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)。利用AR技術(shù)可以將三維模型及相關(guān)信息疊加到二維圖紙上，工程材料、工程設(shè)備、方案描述、安裝位置、施工要求等全部工程信息都可以隨意調(diào)取查看，實(shí)現(xiàn)圖紙承載信息的無限擴(kuò)充。

6 結(jié)語

云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為礦業(yè)信息化的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇，礦山信息模型(MIM)技術(shù)將成為礦業(yè)信息化的未來，必將發(fā)揮越來越重要的作用?；诘V業(yè)建設(shè)及發(fā)展特點(diǎn)，MIM的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜、艱巨的系統(tǒng)工程，需要整體規(guī)劃，分步實(shí)施。