基于BIM的智慧露天礦工程信息分類(lèi)與編碼標(biāo)準(zhǔn)研究

王忠鑫，喬 鑫，徐自強(qiáng)，孫 鑫，齊振鵬，高 群，趙 明

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正逐漸步入新常態(tài)，依靠資源要素投入、規(guī)模擴(kuò)張的粗放發(fā)展方式已經(jīng)難以適應(yīng)目前的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。此時(shí)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)成為了能源行業(yè)的新生主題。智慧化是繼信息化伴隨人類(lèi)科技革命而產(chǎn)生的概念，在此基礎(chǔ)之上，煤炭等能源行業(yè)結(jié)合自身特點(diǎn)提出了智慧礦山的理念，旨在以新興技術(shù)為依托，使得能源礦山的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)更加安全、環(huán)保、高效。

對(duì)此，王國(guó)法院士提出了智慧煤礦的內(nèi)涵和3個(gè)基礎(chǔ)理論問(wèn)題及研究課題，進(jìn)而提出建設(shè)智慧煤礦8大智能系統(tǒng)管理平臺(tái)的構(gòu)想，并指出了智慧礦山建設(shè)和智能開(kāi)采技術(shù)進(jìn)步的愿景和實(shí)現(xiàn)路徑[1]。此外，徐靜等人及其團(tuán)隊(duì)分別提出了基于感知、互聯(lián)、決策模型的不同智慧礦山技術(shù)框架，并闡述了涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑[2-4]。譚章祿團(tuán)隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)制定層面探討了智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)情況并指出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的完善方向及策略[5]。張瑞新等人及團(tuán)隊(duì)隨后提出了智慧礦山的定義及其建設(shè)管理模式和“1+4”智慧系統(tǒng)，同時(shí)提出了與此相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]。上述系統(tǒng)框架及管理平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)是信息可以在各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)部分之間無(wú)障礙地進(jìn)行交互。對(duì)此，王忠鑫等人將BIM技術(shù)引入露天礦山建設(shè)系統(tǒng)，并提出基于BIM技術(shù)的協(xié)同工作平臺(tái)架構(gòu)。此外，王忠鑫等人逐步探索，將露天采礦軟件和BIM軟件相結(jié)合，并提出10大關(guān)鍵技術(shù)[7]。

BIM技術(shù)的核心理念是，面向工程的全生命周期，通過(guò)利用準(zhǔn)確信息數(shù)據(jù)模型，指導(dǎo)工程建設(shè)，促進(jìn)信息共享，達(dá)到提高工作效率及工程質(zhì)量的目的。工程全生命周期涉及大量的信息，有效地存儲(chǔ)與利用這些信息是相關(guān)參與方降低成本、提高工作效率的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)信息有效地存儲(chǔ)和利用的基礎(chǔ)是信息分類(lèi)和代碼化[8]。BIM技術(shù)的發(fā)展為智慧露天礦協(xié)同信息平臺(tái)的搭建提供了重要的技術(shù)支持，BIM技術(shù)的引入對(duì)露天礦工程全生命周期的信息聯(lián)動(dòng)具有里程碑意義。

考慮到將橫跨工程立項(xiàng)、實(shí)施、運(yùn)維各個(gè)階段的信息能有效連接和共享，有必要制訂一套完善的BIM標(biāo)準(zhǔn)，即可以直接應(yīng)用在BIM技術(shù)各個(gè)階段中的標(biāo)準(zhǔn)。目前，BIM標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)分類(lèi)編碼、數(shù)據(jù)模型及信息傳遞過(guò)程大致可分為三類(lèi)。其中分類(lèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)主要用于解決將分類(lèi)后的信息與編碼一一映射的問(wèn)題，以保證每一項(xiàng)信息匹配唯一且固定的編碼，是處理繁雜建筑信息的首要工作。智慧露天礦工程全生命周期的信息量巨大，種類(lèi)繁多，現(xiàn)有BIM分類(lèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)難以充分表達(dá)智慧露天礦工程信息，無(wú)法滿(mǎn)足各工程階段信息自行聯(lián)動(dòng)的核心愿景。因此需要以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為依托，針對(duì)智慧露天礦工程繼續(xù)擴(kuò)充并完善。

1 工程信息分類(lèi)體系現(xiàn)狀

建筑信息分類(lèi)體系最早在20世紀(jì)20年代初被提出，用來(lái)滿(mǎn)足建筑規(guī)劃、工程造價(jià)、進(jìn)度控制和項(xiàng)目管理等需求，按照其表達(dá)工作階段和功能需求的差異，通常可分為傳統(tǒng)分類(lèi)體系和現(xiàn)代分類(lèi)體系。

傳統(tǒng)分類(lèi)體系主要服務(wù)于項(xiàng)目中較分散的工程階段，如造價(jià)、進(jìn)度控制等。美國(guó)的Masterformat、UNIFORMAT等分類(lèi)體系即為傳統(tǒng)分類(lèi)體系的代表。1963年頒布的MasterFormat標(biāo)準(zhǔn)，是美國(guó)建筑規(guī)范協(xié)會(huì)(Construction Specification Institute，CSI)編制的，其針對(duì)的信息管理對(duì)象主要為子分部工程和分項(xiàng)工程，使用上它更加傾向于施工管理階段。此外，由于它可以分解工程從而進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、成本核算和施工管理的工作，也使它成為美國(guó)通用的招投標(biāo)設(shè)計(jì)說(shuō)明體系。1989年，美國(guó)建筑師協(xié)會(huì)(American Institute of Architects，AIA)和美國(guó)政府總務(wù)管理局(General Services Administration，GSA)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了UniFormat標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)采取了與MasterFormat標(biāo)準(zhǔn)不同的分類(lèi)角度[9]。此外，英國(guó)建立了RICK-Uk和SMM7工程項(xiàng)目編碼體系，并被廣泛接受和使用；隨后，瑞典制定一套本國(guó)建筑信息分類(lèi)體系——NBSA96；其他歐美國(guó)家也相繼建立了各國(guó)的編碼體系；在亞洲，日、韓和新加坡等國(guó)家也紛紛建立了自己國(guó)家的建筑工程編碼體系。

現(xiàn)代分類(lèi)體系主要針對(duì)項(xiàng)目全生命周期的各個(gè)參與方在各個(gè)工程階段的需求，主要有ISO/12006-2、美國(guó)的UNIFORMATⅡ和OCCS等。ISO/12006-2是由建筑業(yè)信息組織標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC59/SC13/WG2)制定的信息分類(lèi)框架，發(fā)布于1996年，是基于ISO/TR 14177分類(lèi)框架并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展建立的，其核心是提出了在建設(shè)過(guò)程中投入建設(shè)資源進(jìn)而產(chǎn)出建設(shè)成果的過(guò)程模型，該模型可應(yīng)用于建設(shè)工程的各個(gè)階段，即可滿(mǎn)足建筑物全生命周期的需求[10，11]。UNIFORMATⅡ是美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Material，ASTM)發(fā)起制定的，最早版本在1989年頒布，以UNIFORMAT為基礎(chǔ)發(fā)展而成，適用于工程項(xiàng)目全生命周期[12]。OCCS即OmniClass體系，它是由是美國(guó)建筑規(guī)范協(xié)會(huì)(Construction Specification Institute，CSI)和加拿大建筑規(guī)范部(Construction Specifications Canada，CSC)共同編制和維護(hù)的，是基于ISO/12006-2和UNIFORMATⅡ等現(xiàn)有的分類(lèi)體系建立并完善的[13]。

2012年我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部將BIM標(biāo)準(zhǔn)列為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目，包括3個(gè)層次5項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，其中作為第二層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的《建筑信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51269—2017)已在國(guó)內(nèi)發(fā)布并開(kāi)始實(shí)施。此標(biāo)準(zhǔn)將建筑工程按照資源、進(jìn)程、成果分為三大類(lèi)，編制了15張表，每張表內(nèi)采用線(xiàn)分法，將需分類(lèi)對(duì)象分為一級(jí)到四級(jí)共四個(gè)類(lèi)目，例如建筑產(chǎn)品表中所規(guī)定的墻體材料分類(lèi)方法[14，15]。隨后中鐵BIM聯(lián)盟也根據(jù)業(yè)內(nèi)實(shí)際情況發(fā)布了《鐵路工程信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，把鐵路工程信息分為資源、過(guò)程、成果和其他四大類(lèi)，共涉及鐵路工程相關(guān)的十幾個(gè)專(zhuān)業(yè)[16]。《鐵路工程信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》都以ISO12006《施工工程信息的組織》標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)框架，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)內(nèi)容，將工程各個(gè)階段的分類(lèi)、編碼與組織規(guī)范化、統(tǒng)一化，為實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)對(duì)信息理解一致提供了支持[17，18]。與此同時(shí)，露天礦工程正朝向智慧礦山方向不斷升級(jí)和邁進(jìn)，故迫切需要一套適用于智慧露天礦山工程特點(diǎn)且可以自洽于國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)和編碼體系。

2 信息分類(lèi)方法及編碼標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1 信息分類(lèi)和編碼原則

制定智慧露天礦工程信息分類(lèi)方法與編碼標(biāo)準(zhǔn)旨在將工程各個(gè)階段的信息分類(lèi)、編碼并共享，推動(dòng)各方面管理人員對(duì)露天礦工程信息的利用，需遵循下述原則：

1)吸收并采納已有信息分類(lèi)方法與編碼標(biāo)準(zhǔn)。管理人員可通過(guò)將工程信息進(jìn)行分類(lèi)并編碼，實(shí)現(xiàn)將繁雜的信息按照某些特性區(qū)分開(kāi)來(lái)，再根據(jù)各項(xiàng)信息相互間的區(qū)別和聯(lián)系將其重組。信息分類(lèi)是指將已有各項(xiàng)信息按照其各自表述內(nèi)容分為不同模塊，再將各模塊按照一定順序進(jìn)行排列并建立目標(biāo)體系。為實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，信息分類(lèi)通常需具有一定的系統(tǒng)性、兼容性和實(shí)用性等特點(diǎn)。信息編碼則是指為表達(dá)某一類(lèi)特定內(nèi)容的信息指定固定代碼。為實(shí)現(xiàn)管理人員能夠在繁雜的信息中快速搜索到某一類(lèi)信息，編碼通常需具有唯一性、穩(wěn)定性和可操作性等特征。

2)借鑒已有信息分類(lèi)方法與編碼體系。對(duì)于露天礦工程來(lái)說(shuō)，應(yīng)基于已有分類(lèi)與編碼體系進(jìn)行細(xì)化和擴(kuò)展，以達(dá)到與現(xiàn)有體系兼容的目的。在查閱篩選大量的資料后，露天礦工程選擇以《鐵路工程信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》為依托進(jìn)行補(bǔ)充和完善，形成一套適合其自身特征的分類(lèi)與編碼體系。

3)保持與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)和銜接。露天礦工程與普通工業(yè)民用建筑工程的工作內(nèi)容交叉較多，但也具有部分獨(dú)有的內(nèi)容。現(xiàn)《地理信息分類(lèi)與編碼規(guī)則》(GB/T 25529—2010)和《建筑工程設(shè)計(jì)信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51269—2017)已相繼頒布，為保證各標(biāo)準(zhǔn)間信息互補(bǔ)，避免重復(fù)、遺漏等情況發(fā)生，露天礦工程信息分類(lèi)與編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，對(duì)于現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已包括的部分應(yīng)積極采納，需要時(shí)引用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)即可。

4)體現(xiàn)智慧露天礦工程應(yīng)用特點(diǎn)。針對(duì)智慧露天礦工程編制的信息分類(lèi)與編碼標(biāo)準(zhǔn)需借鑒業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范與規(guī)程，在國(guó)家現(xiàn)有的架構(gòu)體系之上進(jìn)行補(bǔ)充、細(xì)化和延伸，以體現(xiàn)其自身獨(dú)有的特點(diǎn)。

2.2 分類(lèi)方法

信息分類(lèi)方法主要包括線(xiàn)分類(lèi)法和面分類(lèi)法兩大類(lèi)。第一，線(xiàn)分類(lèi)法。即將各項(xiàng)信息按照主次分類(lèi)，分為若干信息層級(jí)，再將各個(gè)層級(jí)按照一定順序進(jìn)行排列重組，形成樹(shù)狀信息圖。但是，隨著信息內(nèi)容不斷擴(kuò)增，復(fù)雜程度不斷提高，其難以完整且有條理地表達(dá)各項(xiàng)信息。此時(shí)樹(shù)狀信息圖的不足逐漸體現(xiàn)，如：在樹(shù)狀圖中增減信息較為不便，樹(shù)狀層級(jí)一經(jīng)確定后不易靈活修改，無(wú)法進(jìn)行多參檢索，將同時(shí)具備多方面特征的信息分類(lèi)時(shí)較困難等[19]。

因此，面分法則成為對(duì)露天礦工程進(jìn)行信息分類(lèi)的主要方法。該方法通過(guò)將與露天礦工程相關(guān)的各項(xiàng)信息根據(jù)其自身表達(dá)內(nèi)容的不同進(jìn)行分類(lèi)，即分為彼此間沒(méi)有聯(lián)系、互不相干的若干個(gè)面，分類(lèi)對(duì)象在某一個(gè)單獨(dú)的面上被組織成一組類(lèi)目。再將各個(gè)類(lèi)目下的信息進(jìn)行深度發(fā)倔、整理歸納，并根據(jù)其類(lèi)別不同，通過(guò)分類(lèi)表整理信息分類(lèi)結(jié)果。將此結(jié)果總結(jié)為一張總表和若干張子表[20]。每張分類(lèi)表與每個(gè)分類(lèi)項(xiàng)均采用可擴(kuò)展字符編碼，以便于統(tǒng)一表達(dá)形式和表達(dá)管理人員意圖。筆者在現(xiàn)行建筑工程和鐵路工程編碼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)補(bǔ)充完善后編制了智慧露天礦工程信息分類(lèi)總表(表1)，其中“子表10、12、22”為在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)充露天礦工程內(nèi)容，“子表51—59”為在鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)充露天礦工程內(nèi)容，“子表60”為遵照《地理信息分類(lèi)與編碼規(guī)則》(GB/T 25529—2010)中相關(guān)條文擴(kuò)充露天礦工程內(nèi)容。ISO/12006-2分類(lèi)體系投入產(chǎn)出模型與智慧露天礦工程信息分類(lèi)方式的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 總表模型結(jié)構(gòu)圖

表1 智慧露天礦工程信息分類(lèi)總表

2.3 編碼標(biāo)準(zhǔn)

智慧露天礦工程信息編碼規(guī)則應(yīng)盡可能與《建筑工程設(shè)計(jì)信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》及《鐵路工程信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》等國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)保持一致，并在其基礎(chǔ)之上增加部分與露天礦工程相關(guān)的內(nèi)容。該規(guī)則要求對(duì)建筑信息采用全數(shù)字編碼的方式，該方式主要由分類(lèi)表編碼和各層級(jí)編碼組合而成，二者采用“-”進(jìn)行連接。分類(lèi)表及各層級(jí)編碼均采用2位阿拉伯?dāng)?shù)字編制，其中層級(jí)最多為6級(jí)，編碼長(zhǎng)度應(yīng)控制在9位到15位數(shù)字之間，位數(shù)不足9位時(shí)采用00進(jìn)行補(bǔ)位。標(biāo)準(zhǔn)編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。特殊地，“子表60-地理信息”中需分類(lèi)的各項(xiàng)信息編碼方式依舊符合《地理信息分類(lèi)與編碼規(guī)則》(GB/T 25529—2010) 中的有關(guān)規(guī)定，該規(guī)則中已有內(nèi)容不再進(jìn)行重復(fù)定義。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)編碼結(jié)構(gòu)

按不同功能進(jìn)行劃分的建筑物分類(lèi)表實(shí)例見(jiàn)表2，編碼10-23 50 00表示露天礦建筑，其中10為按建筑使用功能區(qū)分的分類(lèi)表編碼，23為一級(jí)編碼“工業(yè)建筑”，50為二級(jí)編碼“露天礦建筑”，00為補(bǔ)位編碼。露天礦工程構(gòu)件分類(lèi)表實(shí)例見(jiàn)表3，編碼53-02 40 14表示門(mén)，其中53表示露天礦工程構(gòu)件分類(lèi)表編碼，02為一級(jí)編碼“支擋、加固、防護(hù)”，40為二級(jí)編碼“安全、圍護(hù)”，14為三級(jí)編碼“門(mén)”。

表2 按功能分建筑物分類(lèi)表(部分映射關(guān)系)

表3 露天礦工程構(gòu)件分類(lèi)表(部分映射關(guān)系)

此外，為提高信息識(shí)別的準(zhǔn)確性和傳遞的高效性，分類(lèi)對(duì)象代碼可借助代碼標(biāo)記符號(hào)“+、/、>、<”聯(lián)合使用。 其中，“+”用于表示概念上的交集。“/”用于表示單個(gè)表中由“/”前的代碼開(kāi)始，直至“/”后的代碼結(jié)束的連續(xù)的分類(lèi)對(duì)象代碼。“<”“>”用于表示分類(lèi)對(duì)象間的從屬或主次關(guān)系。“<”前的對(duì)象是“<”后對(duì)象的一部分，“>”則相反。參見(jiàn)表2和表3，如“10-23 50 08/10-23 30”表示分類(lèi)表中破碎站到車(chē)間所有的本級(jí)及其子級(jí)建筑物的集合；“10-23 50 08>53-02 40 14”表示某工程中破碎站的門(mén)，強(qiáng)調(diào)門(mén)屬于破碎站。

3 企業(yè)編碼體系的維護(hù)

在實(shí)際使用中，業(yè)務(wù)人員只能進(jìn)行分類(lèi)編碼和對(duì)象的映射選擇或者只能操作已被映射好分類(lèi)編碼的對(duì)象，即分類(lèi)編碼體系不直接面對(duì)最終使用者，業(yè)務(wù)人員無(wú)法直接干預(yù)分類(lèi)編碼，這就需要企業(yè)配置指定的分類(lèi)編碼管理員，或成立專(zhuān)門(mén)的管理部門(mén)，及時(shí)收集業(yè)務(wù)人員的反饋信息，對(duì)存在概念交叉、重復(fù)、編碼遺漏、深度不足、邊界溢出等問(wèn)題給予及時(shí)維護(hù)和更新。

分類(lèi)編碼維護(hù)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，抓住共性，應(yīng)優(yōu)先考慮分類(lèi)表內(nèi)修正，問(wèn)題復(fù)雜附加信息較多則考慮多表協(xié)同修正；應(yīng)優(yōu)先考慮插值增碼，改動(dòng)較多且存在溢出現(xiàn)象則需進(jìn)行局部調(diào)碼。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的突飛猛進(jìn)，其在工程領(lǐng)域里的優(yōu)勢(shì)凸顯。本文結(jié)合露天礦工程特點(diǎn)提出了基于BIM技術(shù)的智慧露天礦工程信息分類(lèi)與編碼標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足基于BIM技術(shù)的露天礦工程協(xié)同設(shè)計(jì)以及模型成果交付提供基礎(chǔ)支持；總結(jié)了符合智慧露天礦工程需求的信息分類(lèi)表，并編制與完善編碼表共計(jì)22張，初步滿(mǎn)足露天礦工程全生命周期建筑信息模型的搭建、維護(hù)管理、協(xié)同共享以及增值利用的需求，為打通多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)以及后期礦方運(yùn)維提供保障；針對(duì)企業(yè)編碼體系的維護(hù)提出了問(wèn)題及首要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)，為后續(xù)企業(yè)級(jí)BIM實(shí)施提供指導(dǎo)建議，并為后續(xù)對(duì)編碼維護(hù)方向提供指引。