數(shù)字化協(xié)同設(shè)計在煤礦建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

鄭偉生,別銅選,付 宇

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

在“數(shù)字化+可再生能源”的時代大趨勢下,以及“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)大背景下,數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為能源企業(yè)當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展方向。當(dāng)前以神華集團(tuán)、中煤能源為代表的各大煤炭企業(yè)集團(tuán)已經(jīng)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的道路上揚(yáng)帆啟航,圍繞煤炭工業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、5G網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵領(lǐng)域,持續(xù)開展煤炭智能化、利用清潔化、管理信息化等技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用[1-2]。作為上下游企業(yè),數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的開展,與業(yè)主企業(yè)的對標(biāo),提供更優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)字化服務(wù),是彎道超車甚至把握行業(yè)領(lǐng)先等重大機(jī)遇的重要契機(jī)。

國家發(fā)改委、國家能源局、國家煤礦安監(jiān)局等部門印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展指導(dǎo)意見》的通知(發(fā)改能源〔2020〕283號),要求全面加快智能化礦山建設(shè),推動高產(chǎn)、高效煤炭開采,發(fā)展以實(shí)現(xiàn)無人化開采為目標(biāo)的智能技術(shù)與裝備[3]。對數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能化礦井的重要技術(shù)支撐,煤礦項(xiàng)目數(shù)字化已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢,煤礦企業(yè)掌握數(shù)字化業(yè)務(wù)能力,就能在市場競爭中占得先機(jī)。

1 大海則煤礦概況

大海則煤礦生產(chǎn)規(guī)模為15.0Mt/a,是中煤能源集團(tuán)有限公司近年來建設(shè)的最大煤礦,產(chǎn)量高、儲量大,是“國家首批智能化示范煤礦”之一,其配備大海則選煤廠目標(biāo)是建成示范化、智能化選煤廠,洗選工藝為塊煤重介淺槽分選;其主廠房篩選一體,即具備原煤篩分及塊煤洗選功能,塊煤采用2套重介淺槽分選,煤泥采用穿流式壓濾機(jī)脫水;配備的原煤球倉是目前世界上單倉煤炭存儲量最大的氣膜鋼筋混凝土球形倉。如圖1所示。

中煤集團(tuán)基于多年技術(shù)能力的積累,聚焦行業(yè),在智能礦山、智慧煤化工、智慧電廠、智慧工廠等方向持續(xù)發(fā)力,探索用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力增強(qiáng)煤礦高質(zhì)量發(fā)展的模式,落實(shí)集團(tuán)以及國家提出的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo),選煤廠設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營的數(shù)字化應(yīng)用是其重點(diǎn)之一。

整個選煤廠的特點(diǎn)是設(shè)備多、管路多、涉及專業(yè)多,設(shè)計復(fù)雜[4]。為最大程度避免出現(xiàn)二維設(shè)計的錯漏碰缺引發(fā)的變更、返工進(jìn)而造成工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失等問題,大海則選煤廠采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計,大部分設(shè)備以及所有工藝管線實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計,其優(yōu)點(diǎn)有:①大量復(fù)雜的設(shè)備可以全部實(shí)現(xiàn)三維建模,達(dá)到三維可視化,能夠準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計意圖、減少錯誤和返工;②可以通過參數(shù)化來組織模型,構(gòu)件的幾何參數(shù)與形體相關(guān)聯(lián),并進(jìn)行雙向驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一和快速建模;③建筑模型及工藝管路基于統(tǒng)一平臺進(jìn)行多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計過程,能夠更有效地進(jìn)行專業(yè)協(xié)作、信息不對等協(xié)調(diào),能夠更全面、更有效地將隱藏的專業(yè)沖突或矛盾進(jìn)行暴露并及早解決;④統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理,有助于設(shè)計優(yōu)化、信息傳遞以及價值挖掘,通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫,使得設(shè)計階段的模型和所有必要的信息可以被后續(xù)的施工、運(yùn)維等階段使用,更有助于提升整個工程的建造效率以及全生命周期管理的效果。

2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程

由于國內(nèi)目前在煤礦項(xiàng)目上還沒有展開較為完整的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計,大海則選煤廠在對化工、電力以及民用項(xiàng)目進(jìn)行充分的調(diào)研后,梳理了選煤廠數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的流程,主要分為10個部分,以下對其中比較重要的部分作詳述。

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

在項(xiàng)目策劃組織階段,針對該項(xiàng)目編制一系列公司級BIM標(biāo)準(zhǔn)體系及BIM實(shí)施方案,定義通用性概念,以指導(dǎo)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化操作,其中包括但不限于:《模型命名規(guī)范》《關(guān)聯(lián)設(shè)計方法及規(guī)范》《基于3DE的選煤廠三維設(shè)計結(jié)構(gòu)樹搭建方法及規(guī)范》《基于3DE平臺模板庫搭建及維護(hù)原則》《選煤工程BIM應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。

相關(guān)規(guī)范和原則作為數(shù)字化設(shè)計的綱領(lǐng)性文件,起到統(tǒng)籌規(guī)劃和指導(dǎo)性作用。只有在統(tǒng)一的規(guī)定下,才能保障各方數(shù)據(jù)信息形體的流通。在大海則項(xiàng)目實(shí)施之后,設(shè)計團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),許多規(guī)則雖然被定義下來,但仍略顯不足,在后期以及其他項(xiàng)目需進(jìn)行進(jìn)一步完善。目前除完成的一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),還有一些在編。編制規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上會影響項(xiàng)目數(shù)字化設(shè)計的進(jìn)度,在目前行業(yè)體系規(guī)則仍不完善的現(xiàn)狀下是無奈之舉、也是必要的過程。如圖2所示。

圖2 企業(yè)規(guī)則或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(部分)

2.2 平臺搭建

項(xiàng)目采用Dassault 3DE平臺作為數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺,協(xié)同平臺的所有數(shù)據(jù)可應(yīng)用到全生命周期進(jìn)行管理。各專業(yè)采用CATIA進(jìn)行協(xié)同設(shè)計,采用Simulia進(jìn)行專業(yè)計算仿真,采用Delimia進(jìn)行施工方案模擬,項(xiàng)目及設(shè)計數(shù)據(jù)采用ENOVIA進(jìn)行管理。

針對煤炭工業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計特點(diǎn)和 Dassault 3DE平臺的功能特性,全專業(yè)研究形成了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的工作流程,設(shè)計人員基于統(tǒng)一平臺協(xié)同工作,可隨時了解不同專業(yè)的進(jìn)展和詳細(xì)情況,保障協(xié)調(diào)與溝通的及時性。工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工作流程

2.3 協(xié)同設(shè)計

整個流程的基石是合作區(qū)的搭建與任務(wù)分解,而核心則是協(xié)同設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計?；陧?xiàng)目的管理平臺搭建滿足了詳細(xì)的工作計劃及任務(wù)指派,確保設(shè)計人員保質(zhì)、按時完成設(shè)計任務(wù);各專業(yè)人員則根據(jù)設(shè)計權(quán)限開展數(shù)字化設(shè)計,數(shù)據(jù)由平臺統(tǒng)一管控,保障其唯一性和安全性。

項(xiàng)目實(shí)施過程中,構(gòu)建各專業(yè)協(xié)同設(shè)計體系是整個工作流程的難點(diǎn),項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)構(gòu)建PBS結(jié)構(gòu)樹并創(chuàng)建總骨架,各專業(yè)引用同一骨架協(xié)同設(shè)計;骨架采用TOP-DOWN,即自頂而下的建模思路。首先,總圖和工藝專業(yè)協(xié)同確定總平面的“骨架”,其主要包括原點(diǎn)定位(基準(zhǔn)坐標(biāo)系)、廠房的標(biāo)高及位置控制軸系等;然后工藝專業(yè)參照總圖提供的骨架創(chuàng)建各單體自身骨架(如軸網(wǎng)、標(biāo)高、設(shè)備的預(yù)定位軸系等),采用裝配模塊將設(shè)備布置到關(guān)聯(lián)軸系上,調(diào)整軸系位置對方案進(jìn)行優(yōu)化和定位。詳細(xì)設(shè)計的任務(wù)流程如圖4所示。

圖4 詳細(xì)設(shè)計的任務(wù)流程

2.4 項(xiàng)目管理與數(shù)據(jù)庫管理

大海則煤礦項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)在云平臺進(jìn)行項(xiàng)目管理和數(shù)據(jù)庫管理,固化項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn),及時了解項(xiàng)目占用資源和人力成本,實(shí)現(xiàn)設(shè)計全過程數(shù)據(jù)管理。在云端可以根據(jù)各專業(yè)情況定義Wbs設(shè)計任務(wù),實(shí)時定義的任務(wù)與模型相關(guān)聯(lián),設(shè)計者第一時間了解設(shè)計進(jìn)度和動向。例如在云端創(chuàng)建邏輯設(shè)備,配置邏輯端口,設(shè)計者進(jìn)行資源庫管理設(shè)備,其他專業(yè)可以隨時進(jìn)行調(diào)用。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過輕量化模型、簡化體系等方法對云端空間進(jìn)行優(yōu)化,但Dassault 3DE平臺由于自身邏輯過于復(fù)雜,導(dǎo)致模型大、運(yùn)行卡等問題,實(shí)施起來只算是差強(qiáng)人意。這些問題解決途徑或許有2種,一種是從底層邏輯開始進(jìn)行簡化、優(yōu)化體系;一種是采用其他平臺對Dassault 3DE的數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容。目前,一方面軟件公司正在深度開發(fā),尋求進(jìn)一步優(yōu)化;另一方面大海則煤礦項(xiàng)目正在尋找國內(nèi)優(yōu)秀的平臺開發(fā)軟件進(jìn)行合作,探討項(xiàng)目管理和數(shù)據(jù)庫管理的先進(jìn)模式。項(xiàng)目管理窗口如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目管理窗口

3 存在問題剖析

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在國家政策和市場需求的雙重驅(qū)動下逐漸發(fā)展起來,目前煤礦項(xiàng)目處于技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用初期,通過大海則煤礦項(xiàng)目的積極應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的許多優(yōu)勢,同時也暴露出一些問題,其中突出的有以下幾方面:①建模效率不高,各階段設(shè)計主要以“二維-三維”的翻模方式為主,難以完全實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計。②應(yīng)用范圍不廣,業(yè)內(nèi)重視程度不高,導(dǎo)致數(shù)字化技術(shù)進(jìn)步緩慢、與工程銜接度普遍較低。③行業(yè)規(guī)則體系不完善,缺乏規(guī)范約束和指導(dǎo)。④族庫不完善,設(shè)備、管件等大部分依賴設(shè)計人員建模,嚴(yán)重影響設(shè)計效率。⑤軟件多而雜,且相互之間兼容度不高,導(dǎo)致數(shù)據(jù)流通滯澀。目前,國內(nèi)三維應(yīng)用軟件少,過度依賴國外軟件,而國外軟件的使用費(fèi)用很高,廠商操作系統(tǒng)每年都會升級,應(yīng)用過程可能出現(xiàn)資金不滿足需求的情況,無法實(shí)現(xiàn)技術(shù)在業(yè)內(nèi)普及。⑥人才缺口大,新人易上手但經(jīng)驗(yàn)薄弱;有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計師學(xué)習(xí)軟件進(jìn)度慢,甚至存在抵觸現(xiàn)象[4-6]。

4 應(yīng)用價值及應(yīng)用前景

4.1 應(yīng)用價值

盡管數(shù)字化協(xié)同設(shè)計前進(jìn)的道路步履維艱,但其優(yōu)勢和價值還是不可否認(rèn)的。大海則煤礦首次采用全專業(yè)、全過程的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計,并將數(shù)字化模型應(yīng)用于主廠房的施工和安裝中。目前數(shù)字化設(shè)計項(xiàng)目的子項(xiàng)目大海則主廠房工藝管路、機(jī)制溜槽等采用正向設(shè)計,基本實(shí)現(xiàn)零碰撞。通過采用Delimia進(jìn)行施工仿真模擬,對于現(xiàn)場主廠房建造、設(shè)備和管路安裝起了規(guī)范和指導(dǎo)作用,前期設(shè)計雖然花費(fèi)較大的精力,但后期施工進(jìn)度和成本控制高效而準(zhǔn)確,并且大大地提高了效率、降低了風(fēng)險。主廠房工藝管路三維模型如圖6所示。

圖6 主廠房工藝管路三維模型

在項(xiàng)目三維協(xié)同設(shè)計的同時,團(tuán)隊(duì)基于3DE平臺自主研發(fā)了選煤廠數(shù)字化設(shè)計的APP。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范,嵌入業(yè)務(wù)邏輯,完成設(shè)計工藝的模板化,封裝成選煤廠設(shè)計APP,使設(shè)計方便、建模快速;非標(biāo)設(shè)備三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、組件化及流程化,能翻倍地提高設(shè)計效率。選煤廠數(shù)字化設(shè)計APP如圖7所示。

4.2 應(yīng)用前景

目前,除了在選煤廠以及礦井水處理等方面應(yīng)用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計,在地質(zhì)建模方面也作了嘗試。從地質(zhì)信息提取到數(shù)據(jù)處理,再到創(chuàng)建地質(zhì)模型,最后生成地質(zhì)結(jié)構(gòu),基本論證了可行性,為以后礦井的數(shù)字化設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)[7]。

未來,隨著智能化礦山的要求逐步推進(jìn),數(shù)字化技術(shù)逐漸深化,從數(shù)字化工廠到地質(zhì)建模,再到井巷開拓數(shù)字化設(shè)計等,都是繞不開的坎。通過大海則煤礦的深度應(yīng)用,逐步向市場推廣數(shù)字化與智能化的深度融合,逐漸推廣應(yīng)用到其他煤礦項(xiàng)目是未來的目標(biāo)。要真正實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化和智能化,路還很長。但同時數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用前景是廣闊的[8-10]。

5 結(jié)語

(1)從設(shè)計者而言,三維協(xié)同設(shè)計徹底顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計理念,其最終目標(biāo)是項(xiàng)目整體效益最大化,全面提升設(shè)計品質(zhì)。

(2)從業(yè)主方而言,數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用價值體現(xiàn)在項(xiàng)目全生命周期的各個階段,所以需要能夠支持設(shè)計、施工、運(yùn)維階段業(yè)務(wù)應(yīng)用的解決方案,基于一個平臺、一個模型、一個數(shù)據(jù)架構(gòu)的先進(jìn)理念來完成項(xiàng)目數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)的貫通及應(yīng)用[11-12]。

(3)從大海則煤礦本身出發(fā),通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則的高度定制,從而實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維等全過程生命周期的應(yīng)用,在設(shè)計全過程中保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性,保證了信息流通的通暢性,讓數(shù)字化成果發(fā)揮最大價值。隨著規(guī)范體系日益完善,數(shù)字化協(xié)同在煤礦建設(shè)項(xiàng)目中將發(fā)揮更大的作用。