BIM+GIS數字孿生技術在煤礦全景數字化 智能綜合管控中的應用

馬文昕

（太原魯班數城科技有限公司，山西 太原 030000）

1 調研背景

山西礦山數量龐大，礦山是山西的第一能源、第一資源產業，對山西經濟的發展具有深刻的影響，其中又以煤礦規模最為龐大，經過多次資源整合調整，目前生產礦井數量約660座。

國家發展改革委、國家能源局等部門相繼印發《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》以及“十四五”規劃等指導性政策性文件都說明了煤炭行業作為我國重要的傳統能源行業，是我國國民經濟的重要組成部分，其智能化建設直接關系我國國民經濟和社會智能化的進程。加快煤炭行業智能化建設是煤炭行業實現高質量發展的必由之路和必然選擇。

目前，BIM+GIS技術在各行業的推廣應用充分證明了其技術的先進性和方法的優越性，而相比于民用建筑項目，煤礦項目建設內容更加豐富，涉及專業更加廣泛，投資金額更加巨大，建設周期也更長，對于BIM+GIS技術的數字孿生體系應用需求也更加強烈。

本次組織調研呂梁15個煤礦現有信息、設備系統建設情況，各系統實際應用情況等，梳理現有煤礦未達到目前國家要求的煤礦智能化建設要求的短板，并提出解決方案。

解決方案參考依據：

（1）《山西省煤礦智能化建設指導手冊》（2021版）；

（2）晉能源信監發〔2019〕793 號；

（3）《山西省煤礦企業信息化建設等級評估工作實施方案》；

（4）山西省應急管理廳印發《關于做好2022年全省煤礦安全生產工作的通知》；

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

2 調研情況

經過本次對呂梁15個煤礦的實地調研，參照上述調研背景依據，目前各礦在智能化建設上還存在著很大差距，原因如下。

（1）傳統煤礦行業的管理方式決定了整體行業對于智慧礦山管理、數字孿生等新技術的認知不足，需求遲滯。交流過程中發現，大多數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，當然也有一些標桿級礦井，對自動化及信息化應用有了初步的重視。煤礦行業比較傳統、封閉，從業人員整體認知比較滯后，導致對新技術應用不夠敏感。

（2）片面追求裝備的大而新，忽視了集中一體化聯動管控的上而優，智能安全生產、節能降耗意識淡薄。調研過程中發現，大多數煤礦對于國家及省內監管部門要求的管控系統都有布置，但絕多數來自不同廠家的不同系統，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，在實際生產運行過程中，很難發揮出應有的作用。

以上現象普遍存在的原因，大多數是由于系統早期在硬件接口集成、個體對象物聯、基礎數據采集和各次級、三級模塊的模型沒屬性沒數據等原因積累造成的，通常供貨廠商不具備與煤礦智能應用管理在數據融合層面上進行深度合作的基礎，因此國內在這一方向的開發者寥寥，致使包括各大煤業集團在內的極少數礦井完成了初級的信息化系統平臺建設。

3 應用目標、應用價值

3.1 應用目標

調研發現，煤礦企業的生產能力、安全監管能力、突發應急指揮能力等管控能力的提升，與整體綜合管理系統的“智慧大腦”建設、數據數字信息匯集后的“智慧分析”建設、三維場景化應用的“智慧指揮”建設等關聯密切。通過建設和搭建“智慧礦山指揮系統架構”，實現以下目標：

（1）數字化地集成管理與共享利用各類礦山數據與信息資源；

（2）可視化地模擬與虛擬再現礦山地質采礦環境；

（3）仿真化地模擬分析礦山采掘活動與采動影響過程；

（4）智能化地分析監測監控數據并智能識別各類災變前兆；

（5）自動化地實施采礦系統活動與自動啟動礦山安全預案。

3.2 應用價值

通過礦山“智能中心管控平臺”建設，整合各管控子系統，以信息數據數字化語言為手段，大幅度改善目前國內生產廠家繁多，產品聯動互通性欠缺，系統數據不兼容、操作繁冗、聯通阻斷等諸多詬病存在的現狀，以BIM+GIS數字孿生場景為基礎，打通人機壁壘，打通信息孤島，打通監管屏障，為未來真正實現“智能礦山一張圖”管理目標夯實基礎。

4 解決方案

4.1 煤礦規劃、開發、建設階段

本次調研大部分是生產礦井，還有小部分是試運行礦井，通過調研總結BIM技術從煤礦規劃階段開始應用是非常必要的。

4.1.1 BIM+GIS三維場景可視化規劃及設計

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

4.1.2 構建高效準確的數據統計

BIM+GIS將所有設計數據集合于中央數據庫，可以按照要求自動統計項目工料用量、輔助計算投資造價等內容，方便設計者和業主分析投資、材料、構筑物、構件之間的關系，提高各指標的管控水平。

4.1.3 協同設計高效嚴謹

BIM+GIS以統一的信息模型為基礎，使不同專業、不同地點的設計人員可以在一個統一的信息模型上協同工作，消除溝通不暢和信息缺失帶來的問題，提高設計的行動一致性、信息一致性。

4.1.4 科學快速模擬計算

BIM/GIS/GIS可以提供良好的數據交換功能，可以通過分析、模擬計算軟件對設計的各個環節和系統進行各種分析和模擬計算（如碰撞檢查、節能分析等），優化設計思路和方案，提高設計水平。模擬案例如圖1所示。

圖1 模擬案例

4.2 煤礦生產階段

目前，BIM技術在煤炭行業建設、生產過程中的現場實際應用尚處于空白領域，但是BIM+GIS技術在其他行業建設領域，如市政（隧道、涵洞、地下交通）、公共建筑、產業園區、化工、商業、民用建筑等領域已經得到充分證明。該技術可以為煤礦綜合管控平臺提供精確的數字孿生模型，實現綜合管控中臺整合礦井現有系統設備，構建科學、可靠、智慧的數字孿生平臺，實現人與人、人與機、機與機的無漏點交互。

以BIM+GIS為科技亮點的煤礦現代信息技術，有效地促使煤礦企業管理、技術革新，有望成為煤炭企業實現科學智能管理的重要途徑。

4.2.1 地質繪測與三維監控

地質繪測與三維監控結合BIM+GIS技術，可實現集成礦山開采規劃，地質信息管理，人員管控，災害預警的綜合信息一體化解決方案，如圖2所示。

圖2 地質繪測與三維監控一體化

4.2.2 行業、企業標準族庫建立及快速成圖繪制

與BIM+GIS技術結合的智慧礦山系統，選取主流標準庫，通過開發完成滿足煤碳行業設計需要的標準件族庫數據結構設計、三維物料編碼體系、數據族庫部署與定制以及標準件建模、審核、入庫、檢索、利用、維護的工作流程設計與開發，并制定相對應的各級標準來支持這些工作?；谇笆鲩_發完成的企業族庫，完成國標、機標的三維標準族庫以及煤炭采選工程專用標準件和常用設備庫的數據錄入，完成行業標準件數據族庫建立。

通過上述標準件數據族庫的建立歸納整理礦山類繪制基礎元件，解決礦山圖樣整體繪制難題，研發快速、一鍵成圖繪制方式，可大幅提高繪制效率。同時，企業族庫的建立也可以解決煤礦設備眾多管理難度大的問題，通過族庫與管控平臺的結合，可以將煤礦所有運行設備、備用設備進行數字化建檔，極大地減輕了管理難度，如圖3所示。

圖3 行業、企業標準件族庫建立及快速成圖繪制

4.2.3 大數據處理分析，數據信息3D三維場景化可視化展示

利用鉆孔地質圖與巷道素描圖等技術自動分析并整理呈現圖樣數據，將數據整理成形象（場景化）圖樣，提高礦山規劃分析依據。利用BIM+GIS技術，進行數據聯動，智能建模，根據礦山工作組件實現1:1實景還原（見圖4），建立實時管控、綜合預警的管理體制。

圖4 數據信息3D三維場景化可視化展示

4.2.4 安全生產管控和應急處理

礦山安全生產管控和應急處理，運用BIM+GIS技術和虛擬現實技術，并基于礦井地質構造、巷道分布等基礎信息，構建煤礦高精度地質模型，并實現立體展示礦井物理分布情況和井田地質概況，通過提供基于三維立體模型的綜合數據集成應用，實現煤礦各應用系統的數據與三維模型的雙向互聯，實現了系統監測、控制一體化管理，同時實現礦井三維漫游、災害模擬、路線規劃、智能監測、綜合態勢顯示等功能，并通過三維場景化管理平臺的網絡化、分布式綜合管理系統，為煤礦的安全生產、應急處理、安全管控提供可靠保障。

5 結語

通過調研，我們發現在智慧礦山建設運行期間，要想確保智慧礦山建設的合理性，滿足國家相關部門的要求，必須在依據國家相關部門建設標準基礎上，結合本地區的實際要求，利用BIM+GIS數字孿生技術這樣成熟的新技術手段在煤礦全景數字化智能綜合管控中做出新的成績。