基于BIM和GIS的智慧礦山信息系統(tǒng)構(gòu)建

黃崧 王海洋 余俊挺 馮旭彪 王瀟 唐遠(yuǎn)軍 郎歡

摘要：以BIM和GIS技術(shù)在智慧礦山信息系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用為探索方向，闡述了BIM和GIS技術(shù)在智慧礦山信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及其構(gòu)建思路。通過結(jié)合BIM和GIS技術(shù)，將三維地質(zhì)模型融入礦山信息系統(tǒng)建設(shè)中，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下智慧礦山信息系統(tǒng)建設(shè)工程的集成與虛擬建造問題，更好的實(shí)現(xiàn)礦山建設(shè)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(wù)流程，使礦產(chǎn)行業(yè)更好的服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

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(guān)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(hào)：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jì)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(dá)國家相比還存在明顯差距。分析原因主要有：一是發(fā)達(dá)國家礦產(chǎn)企業(yè)機(jī)械化率高;二是發(fā)達(dá)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。基于行業(yè)現(xiàn)狀，國家提出創(chuàng)新發(fā)展，綠色發(fā)展的原則，推動(dòng)企業(yè)間兼并，促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提高生產(chǎn)力。在當(dāng)前環(huán)境下，智慧礦山具備的對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營、職工安全、后勤保障等信息進(jìn)行收集、存處、處理及分析的無人礦山能力符合時(shí)代潮流。礦山的數(shù)字化、信息化是智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，通過智能信息技術(shù)的應(yīng)用，可以使礦山具有人類般的決策和行動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)海量信息數(shù)據(jù)的綜合集成和應(yīng)對(duì)境變化的響應(yīng)能力。由于我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)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(duì)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而智慧化又是人類科技領(lǐng)域繼工業(yè)化、電氣化、信息化之后又一次新的突破，建設(shè)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(shì)。因此，建設(shè)智慧礦山信息系統(tǒng)對(duì)于礦產(chǎn)企業(yè)顯得尤為重要。鑒于目前BIM和GIS的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用及礦山建設(shè)工程的復(fù)雜性，本文結(jié)合BIM和GIS技術(shù)，將三維地質(zhì)模型融入礦山信息系統(tǒng)建設(shè)中，以解決復(fù)雜地質(zhì)條件下智慧礦山信息系統(tǒng)建設(shè)工程的集成與虛擬建造問題，更好的實(shí)現(xiàn)礦山建設(shè)工程全壽命期的管理。

1 ?BIM技術(shù)及其在智慧礦山信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 BIM技術(shù)

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)為模型基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型建立的一種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)二維繪圖向三維繪圖的轉(zhuǎn)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(diǎn)。利用數(shù)字模型可以對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營管理。在實(shí)踐中，BIM技術(shù)的使用被整合到建筑物壽命的各個(gè)階段：數(shù)據(jù)收集、設(shè)計(jì)工作、施工、設(shè)備操作、維修工作和拆除等。為設(shè)計(jì)師、建筑師、水電暖鋪設(shè)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(xué)協(xié)作平臺(tái)。BIM 技術(shù)最初源于三維建筑設(shè)計(jì)的需要，其應(yīng)用最初主要面向民用建筑領(lǐng)域，缺乏在礦山工程領(lǐng)域的應(yīng)用。然而對(duì)礦山井巷工程設(shè)計(jì)建設(shè)而言，構(gòu)建全生命周期的信息化模型，科學(xué)管理礦山井巷設(shè)計(jì)建設(shè)流程是構(gòu)建智慧礦山的重要前提。近年來，BIM技術(shù)已經(jīng)在一些礦山企業(yè)的工程建設(shè)中成功應(yīng)用，包括大柳塔煤礦、徐礦集團(tuán)張雙樓等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，2018年5月1日起，《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》開始實(shí)施，必將推動(dòng)礦山井巷三維可視化模型在礦山企業(yè)的應(yīng)用。因此，BIM技術(shù)將在未來的礦山井巷工程建設(shè)中得到快速推廣，同時(shí)促進(jìn)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(yīng)用

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

在智慧礦山信息系統(tǒng)方面，利用BIM的動(dòng)態(tài)變更設(shè)計(jì)的功能可將人工編排計(jì)劃時(shí)考慮的因素用計(jì)算機(jī)進(jìn)行表述，當(dāng)開采條件、計(jì)劃出現(xiàn)變化時(shí)，只需對(duì)部分條件進(jìn)行調(diào)整便可滿足指導(dǎo)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(duì)個(gè)方案中的采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水照明系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，可以快速精確地得出個(gè)方案投資及可行性，完善并優(yōu)化方案。在采掘工程設(shè)計(jì)階段利用其三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的能力，可以降低復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的災(zāi)害發(fā)生率。

BIM快速三維建模，對(duì)模型的組成、結(jié)構(gòu)和框架進(jìn)行分析，抽象出適用于模型的通用構(gòu)件，建立構(gòu)件庫，進(jìn)行同類建模設(shè)計(jì)時(shí)，通過更改構(gòu)件參數(shù)即可快速構(gòu)件新3D模型。同時(shí)，所有工程數(shù)據(jù)及后續(xù)運(yùn)維數(shù)據(jù)都能存儲(chǔ)在模型數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)工程信息與設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)一致性。然后，BIM技術(shù)可直接從模型中獲得工程量統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井巷瓦斯、礦壓等信息，保障井巷安全，同時(shí)提高管理效率。通過時(shí)間與三維系統(tǒng)相結(jié)合，可以進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，對(duì)開采進(jìn)度進(jìn)行管理，便于制定合理的施工計(jì)劃，優(yōu)化資源配置。

礦產(chǎn)開采工程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括采掘系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等設(shè)備種類多，數(shù)量大，只有同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)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(dǎo)入設(shè)備的位置，狀態(tài)等信息，方便設(shè)備管理。利用BIM的虛擬現(xiàn)實(shí)功能，可以進(jìn)行災(zāi)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(yù)防事故及救援提供支持。最后，利用BIM技術(shù)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(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)地表空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、處理、分析、顯示的空間信息系統(tǒng)。隨著空間探測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(duì)礦山的經(jīng)營具有現(xiàn)實(shí)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(jìn)行各個(gè)要素間的相關(guān)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(duì)接BIM屬性數(shù)據(jù)庫，將礦山工程數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整理、存儲(chǔ)，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(shí)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(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)報(bào)表并打印，提高管理者獲取工程進(jìn)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(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用5個(gè)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(chǔ)設(shè)備，二是數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)處理和決策系統(tǒng)。前者是智慧礦山運(yùn)行的基礎(chǔ)，后者是智慧礦山實(shí)現(xiàn)功能的主體，二者通過網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理之后，賦值給BIM模型屬性或GIS模型，實(shí)時(shí)以三維模型展示檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)提供決策參考，方便管理。

BIM與GIS集成應(yīng)用，是通過數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成或應(yīng)用集成來實(shí)現(xiàn)的。GIS的出現(xiàn)為礦山的智慧化發(fā)展打下了基礎(chǔ)，BIM則提供了礦山建筑物的細(xì)節(jié)信息，兩者的集成創(chuàng)建了一個(gè)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(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的GIS信息進(jìn)行整合。可以利用 B/S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立基于 BIM 和 GIS 的智慧礦山信息系統(tǒng)，包括 GIS 服務(wù)器、Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和多個(gè) Ie 客戶端， GIS 服務(wù)器通過 VPN 網(wǎng)絡(luò)與多個(gè) Ie 客戶端連接，Web 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過局域網(wǎng)相互連接，同時(shí)局域網(wǎng)與 VPN 網(wǎng)絡(luò)連接。更深層次講，BIM和GIS兩種技術(shù)不同數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換是集成應(yīng)用研究重點(diǎn)，進(jìn)而是實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)在系統(tǒng)層面的集成。BIM技術(shù)的通用數(shù)據(jù)格式為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，GIS技術(shù)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(cè)重。IFC 偏重于幾何信息體現(xiàn);而GML更側(cè)重于空間對(duì)象拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)。自定義IFC和GML轉(zhuǎn)換過程中的語義映射規(guī)則，可保障在轉(zhuǎn)換過程中有用信息無損轉(zhuǎn)換。整體思路示意圖如圖 2 所示。

4 ?結(jié)束語

BIM技術(shù)作為在建筑領(lǐng)域的新技術(shù)、新思想，將對(duì)開采工程管理領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響，在工程全生命周期管理領(lǐng)域帶來改變。同時(shí)，礦山工程管理是一個(gè)復(fù)雜的管理系統(tǒng)，需要不斷學(xué)習(xí)創(chuàng)新，才能適應(yīng)未來智慧礦山的生產(chǎn)需求。BIM和GIS技術(shù)的集成前途光明，方向明確。在國際范圍內(nèi)，各國的專家學(xué)者對(duì)智慧礦山多持有積極態(tài)度，積極推進(jìn)建設(shè)。基于BIM和GIS技術(shù)整合的智慧礦山將是一個(gè)成熟技術(shù)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(zhǔn)的礦山三維建模，發(fā)達(dá)的礦山傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)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(shù)在礦山信息系統(tǒng)構(gòu)建領(lǐng)域進(jìn)行了探索，對(duì)于智慧礦山信息系統(tǒng)建設(shè)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(shí)查詢相關(guān)信息，為決策提供數(shù)據(jù)支撐，提高工作效率。

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