BIM+GIS數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦全景數(shù)字化 智能綜合管控中的應(yīng)用

馬文昕

（太原魯班數(shù)城科技有限公司，山西 太原 030000）

1 調(diào)研背景

山西礦山數(shù)量龐大，礦山是山西的第一能源、第一資源產(chǎn)業(yè)，對山西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深刻的影響，其中又以煤礦規(guī)模最為龐大，經(jīng)過多次資源整合調(diào)整，目前生產(chǎn)礦井?dāng)?shù)量約660座。

國家發(fā)展改革委、國家能源局等部門相繼印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》以及“十四五”規(guī)劃等指導(dǎo)性政策性文件都說明了煤炭行業(yè)作為我國重要的傳統(tǒng)能源行業(yè)，是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，其智能化建設(shè)直接關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)和社會智能化的進(jìn)程。加快煤炭行業(yè)智能化建設(shè)是煤炭行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路和必然選擇。

目前，BIM+GIS技術(shù)在各行業(yè)的推廣應(yīng)用充分證明了其技術(shù)的先進(jìn)性和方法的優(yōu)越性，而相比于民用建筑項目，煤礦項目建設(shè)內(nèi)容更加豐富，涉及專業(yè)更加廣泛，投資金額更加巨大，建設(shè)周期也更長，對于BIM+GIS技術(shù)的數(shù)字孿生體系應(yīng)用需求也更加強(qiáng)烈。

本次組織調(diào)研呂梁15個煤礦現(xiàn)有信息、設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)情況，各系統(tǒng)實際應(yīng)用情況等，梳理現(xiàn)有煤礦未達(dá)到目前國家要求的煤礦智能化建設(shè)要求的短板，并提出解決方案。

解決方案參考依據(jù)：

（1）《山西省煤礦智能化建設(shè)指導(dǎo)手冊》（2021版）；

（2）晉能源信監(jiān)發(fā)〔2019〕793 號；

（3）《山西省煤礦企業(yè)信息化建設(shè)等級評估工作實施方案》；

（4）山西省應(yīng)急管理廳印發(fā)《關(guān)于做好2022年全省煤礦安全生產(chǎn)工作的通知》；

（5）山西省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 14/T 1728—2018《煤礦信息化建設(shè)要求》DB14。

2 調(diào)研情況

經(jīng)過本次對呂梁15個煤礦的實地調(diào)研，參照上述調(diào)研背景依據(jù)，目前各礦在智能化建設(shè)上還存在著很大差距，原因如下。

（1）傳統(tǒng)煤礦行業(yè)的管理方式?jīng)Q定了整體行業(yè)對于智慧礦山管理、數(shù)字孿生等新技術(shù)的認(rèn)知不足，需求遲滯。交流過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)煤礦管理者對于智慧礦山的理解還處在10多年前信息化的概念中，當(dāng)然也有一些標(biāo)桿級礦井，對自動化及信息化應(yīng)用有了初步的重視。煤礦行業(yè)比較傳統(tǒng)、封閉，從業(yè)人員整體認(rèn)知比較滯后，導(dǎo)致對新技術(shù)應(yīng)用不夠敏感。

（2）片面追求裝備的大而新，忽視了集中一體化聯(lián)動管控的上而優(yōu)，智能安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗意識淡薄。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)煤礦對于國家及省內(nèi)監(jiān)管部門要求的管控系統(tǒng)都有布置，但絕多數(shù)來自不同廠家的不同系統(tǒng)，屬于一個個信息孤島，存在安裝時間跨度大、脫離保修期等問題，在實際生產(chǎn)運行過程中，很難發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

以上現(xiàn)象普遍存在的原因，大多數(shù)是由于系統(tǒng)早期在硬件接口集成、個體對象物聯(lián)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和各次級、三級模塊的模型沒屬性沒數(shù)據(jù)等原因積累造成的，通常供貨廠商不具備與煤礦智能應(yīng)用管理在數(shù)據(jù)融合層面上進(jìn)行深度合作的基礎(chǔ)，因此國內(nèi)在這一方向的開發(fā)者寥寥，致使包括各大煤業(yè)集團(tuán)在內(nèi)的極少數(shù)礦井完成了初級的信息化系統(tǒng)平臺建設(shè)。

3 應(yīng)用目標(biāo)、應(yīng)用價值

3.1 應(yīng)用目標(biāo)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)能力、安全監(jiān)管能力、突發(fā)應(yīng)急指揮能力等管控能力的提升，與整體綜合管理系統(tǒng)的“智慧大腦”建設(shè)、數(shù)據(jù)數(shù)字信息匯集后的“智慧分析”建設(shè)、三維場景化應(yīng)用的“智慧指揮”建設(shè)等關(guān)聯(lián)密切。通過建設(shè)和搭建“智慧礦山指揮系統(tǒng)架構(gòu)”，實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）數(shù)字化地集成管理與共享利用各類礦山數(shù)據(jù)與信息資源；

（2）可視化地模擬與虛擬再現(xiàn)礦山地質(zhì)采礦環(huán)境；

（3）仿真化地模擬分析礦山采掘活動與采動影響過程；

（4）智能化地分析監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)并智能識別各類災(zāi)變前兆；

（5）自動化地實施采礦系統(tǒng)活動與自動啟動礦山安全預(yù)案。

3.2 應(yīng)用價值

通過礦山“智能中心管控平臺”建設(shè)，整合各管控子系統(tǒng)，以信息數(shù)據(jù)數(shù)字化語言為手段，大幅度改善目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家繁多，產(chǎn)品聯(lián)動互通性欠缺，系統(tǒng)數(shù)據(jù)不兼容、操作繁冗、聯(lián)通阻斷等諸多詬病存在的現(xiàn)狀，以BIM+GIS數(shù)字孿生場景為基礎(chǔ)，打通人機(jī)壁壘，打通信息孤島，打通監(jiān)管屏障，為未來真正實現(xiàn)“智能礦山一張圖”管理目標(biāo)夯實基礎(chǔ)。

4 解決方案

4.1 煤礦規(guī)劃、開發(fā)、建設(shè)階段

本次調(diào)研大部分是生產(chǎn)礦井，還有小部分是試運行礦井，通過調(diào)研總結(jié)BIM技術(shù)從煤礦規(guī)劃階段開始應(yīng)用是非常必要的。

4.1.1 BIM+GIS三維場景可視化規(guī)劃及設(shè)計

BIM+GIS采用三維場景可視化設(shè)計技術(shù)，設(shè)計成果為三維空間數(shù)字化信息模型，在降低設(shè)計理解難度，方便分析交流的同時，有效解決了構(gòu)筑環(huán)境中空間復(fù)雜的設(shè)計難題。同時，BIM/GIS/GIS在二維出圖要求的前提下實現(xiàn)了三維圖紙的生成。

4.1.2 構(gòu)建高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

BIM+GIS將所有設(shè)計數(shù)據(jù)集合于中央數(shù)據(jù)庫，可以按照要求自動統(tǒng)計項目工料用量、輔助計算投資造價等內(nèi)容，方便設(shè)計者和業(yè)主分析投資、材料、構(gòu)筑物、構(gòu)件之間的關(guān)系，提高各指標(biāo)的管控水平。

4.1.3 協(xié)同設(shè)計高效嚴(yán)謹(jǐn)

BIM+GIS以統(tǒng)一的信息模型為基礎(chǔ)，使不同專業(yè)、不同地點的設(shè)計人員可以在一個統(tǒng)一的信息模型上協(xié)同工作，消除溝通不暢和信息缺失帶來的問題，提高設(shè)計的行動一致性、信息一致性。

4.1.4 科學(xué)快速模擬計算

BIM/GIS/GIS可以提供良好的數(shù)據(jù)交換功能，可以通過分析、模擬計算軟件對設(shè)計的各個環(huán)節(jié)和系統(tǒng)進(jìn)行各種分析和模擬計算（如碰撞檢查、節(jié)能分析等），優(yōu)化設(shè)計思路和方案，提高設(shè)計水平。模擬案例如圖1所示。

圖1 模擬案例

4.2 煤礦生產(chǎn)階段

目前，BIM技術(shù)在煤炭行業(yè)建設(shè)、生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場實際應(yīng)用尚處于空白領(lǐng)域，但是BIM+GIS技術(shù)在其他行業(yè)建設(shè)領(lǐng)域，如市政（隧道、涵洞、地下交通）、公共建筑、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、化工、商業(yè)、民用建筑等領(lǐng)域已經(jīng)得到充分證明。該技術(shù)可以為煤礦綜合管控平臺提供精確的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)綜合管控中臺整合礦井現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備，構(gòu)建科學(xué)、可靠、智慧的數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)人與人、人與機(jī)、機(jī)與機(jī)的無漏點交互。

以BIM+GIS為科技亮點的煤礦現(xiàn)代信息技術(shù)，有效地促使煤礦企業(yè)管理、技術(shù)革新，有望成為煤炭企業(yè)實現(xiàn)科學(xué)智能管理的重要途徑。

4.2.1 地質(zhì)繪測與三維監(jiān)控

地質(zhì)繪測與三維監(jiān)控結(jié)合BIM+GIS技術(shù)，可實現(xiàn)集成礦山開采規(guī)劃，地質(zhì)信息管理，人員管控，災(zāi)害預(yù)警的綜合信息一體化解決方案，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)繪測與三維監(jiān)控一體化

4.2.2 行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)族庫建立及快速成圖繪制

與BIM+GIS技術(shù)結(jié)合的智慧礦山系統(tǒng)，選取主流標(biāo)準(zhǔn)庫，通過開發(fā)完成滿足煤碳行業(yè)設(shè)計需要的標(biāo)準(zhǔn)件族庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維物料編碼體系、數(shù)據(jù)族庫部署與定制以及標(biāo)準(zhǔn)件建模、審核、入庫、檢索、利用、維護(hù)的工作流程設(shè)計與開發(fā)，并制定相對應(yīng)的各級標(biāo)準(zhǔn)來支持這些工作?；谇笆鲩_發(fā)完成的企業(yè)族庫，完成國標(biāo)、機(jī)標(biāo)的三維標(biāo)準(zhǔn)族庫以及煤炭采選工程專用標(biāo)準(zhǔn)件和常用設(shè)備庫的數(shù)據(jù)錄入，完成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)族庫建立。

通過上述標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)族庫的建立歸納整理礦山類繪制基礎(chǔ)元件，解決礦山圖樣整體繪制難題，研發(fā)快速、一鍵成圖繪制方式，可大幅提高繪制效率。同時，企業(yè)族庫的建立也可以解決煤礦設(shè)備眾多管理難度大的問題，通過族庫與管控平臺的結(jié)合，可以將煤礦所有運行設(shè)備、備用設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建檔，極大地減輕了管理難度，如圖3所示。

圖3 行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件族庫建立及快速成圖繪制

4.2.3 大數(shù)據(jù)處理分析，數(shù)據(jù)信息3D三維場景化可視化展示

利用鉆孔地質(zhì)圖與巷道素描圖等技術(shù)自動分析并整理呈現(xiàn)圖樣數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理成形象（場景化）圖樣，提高礦山規(guī)劃分析依據(jù)。利用BIM+GIS技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動，智能建模，根據(jù)礦山工作組件實現(xiàn)1:1實景還原（見圖4），建立實時管控、綜合預(yù)警的管理體制。

圖4 數(shù)據(jù)信息3D三維場景化可視化展示

4.2.4 安全生產(chǎn)管控和應(yīng)急處理

礦山安全生產(chǎn)管控和應(yīng)急處理，運用BIM+GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并基于礦井地質(zhì)構(gòu)造、巷道分布等基礎(chǔ)信息，構(gòu)建煤礦高精度地質(zhì)模型，并實現(xiàn)立體展示礦井物理分布情況和井田地質(zhì)概況，通過提供基于三維立體模型的綜合數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，實現(xiàn)煤礦各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與三維模型的雙向互聯(lián)，實現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測、控制一體化管理，同時實現(xiàn)礦井三維漫游、災(zāi)害模擬、路線規(guī)劃、智能監(jiān)測、綜合態(tài)勢顯示等功能，并通過三維場景化管理平臺的網(wǎng)絡(luò)化、分布式綜合管理系統(tǒng)，為煤礦的安全生產(chǎn)、應(yīng)急處理、安全管控提供可靠保障。

5 結(jié)語

通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)在智慧礦山建設(shè)運行期間，要想確保智慧礦山建設(shè)的合理性，滿足國家相關(guān)部門的要求，必須在依據(jù)國家相關(guān)部門建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合本地區(qū)的實際要求，利用BIM+GIS數(shù)字孿生技術(shù)這樣成熟的新技術(shù)手段在煤礦全景數(shù)字化智能綜合管控中做出新的成績。