黄崧 王海洋 余俊挺 冯旭彪 王潇 唐远军 郎欢

摘要：以BIM和GIS技术在智慧矿山信息系统建设应用为探索方向，阐述了BIM和GIS技术在智慧矿山信息系统的优势及其构建思路。通过结合BIM和GIS技术，将三维地质模型融入矿山信息系统建设中，解决复杂地质条件下智慧矿山信息系统建设工程的集成与虚拟建造问题，更好的实现矿山建设工程全寿命期的管理，提高矿产生产效率，优化业务流程，使矿产行业更好的服务于国民经济建设。

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.

关键词：BIM;GIS;智慧矿山信息系统

Key words： BIM;GIS;intelligent mine information system

中图分类号：P208                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0184-03

0  引言

矿山行业作为国家能源和原材料的生产者，在国民经济发展中具有重要作用。尽管新中国成立以来矿产开采行业取得了快速发展，但和西方发达国家相比还存在明显差距。分析原因主要有：一是发达国家矿产企业机械化率高;二是发达国家矿产企业普遍建立了智慧矿山信息系统，企业信息化率高。基于行业现状，国家提出创新发展，绿色发展的原则，推动企业间兼并，促进企业技术进步，提高生产力。在当前环境下，智慧矿山具备的对生产经营、职工安全、后勤保障等信息进行收集、存处、处理及分析的无人矿山能力符合时代潮流。矿山的数字化、信息化是智慧矿山建设的基础，通过智能信息技术的应用，可以使矿山具有人类般的决策和行动能力，实现海量信息数据的综合集成和应对境变化的响应能力。由于我国地质环境复杂、矿业生产体系庞大、采掘环境多变，矿产开采面对严峻挑战。而智慧化又是人类科技领域继工业化、电气化、信息化之后又一次新的突破，建设绿色、智能和可持续发展的智慧矿山成为矿业发展新趋势。因此，建设智慧矿山信息系统对于矿产企业显得尤为重要。鉴于目前BIM和GIS的技术发展应用及矿山建設工程的复杂性，本文结合BIM和GIS技术，将三维地质模型融入矿山信息系统建设中，以解决复杂地质条件下智慧矿山信息系统建设工程的集成与虚拟建造问题，更好的实现矿山建设工程全寿命期的管理。

1  BIM技术及其在智慧矿山信息系统中的应用

1.1 BIM技术

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程项目的各项相关信息数据为模型基础，进行建筑模型建立的一种技术，实现了从传统二维绘图向三维绘图的转变，使建筑信息能更加全面、智能、直观地展现出来，具有可视化、协调性、可模拟性和信息综合等特点。利用数字模型可以对工程项目进行设计、建造及运营管理。在实践中，BIM技术的使用被整合到建筑物寿命的各个阶段：数据收集、设计工作、施工、设备操作、维修工作和拆除等。为设计师、建筑师、水电暖铺设工程师，最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台。BIM 技术最初源于三维建筑设计的需要，其应用最初主要面向民用建筑领域，缺乏在矿山工程领域的应用。然而对矿山井巷工程设计建设而言，构建全生命周期的信息化模型，科学管理矿山井巷设计建设流程是构建智慧矿山的重要前提。近年来，BIM技术已经在一些矿山企业的工程建设中成功应用，包括大柳塔煤矿、徐矿集团张双楼等，取得了良好的经济效益和社会效益。同时，2018年5月1日起，《智慧矿山信息系统通用技术规范》开始实施，必将推动矿山井巷三维可视化模型在矿山企业的应用。因此，BIM技术将在未来的矿山井巷工程建设中得到快速推广，同时促进智慧矿山信息系统的建立。

1.2 BIM在矿山信息系统中的应用

BIM以建筑信息为基础开发的数字三维模型，可以将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的建造信息、维护信息和经济信息等集中在一个模型中，所有数据可以联动处理。实现对工程项目的设计、建造及运维管理。尤其是矿山建设工程包含勘察设计、施工、投产、维修工作和拆除等阶段，具有建设工序多，工期长，工程量大，牵涉面广等特点，为智慧矿山信息系统建设带来困难，需要利用BIM模型来展示地下巷井的分布，设备的状态等信息。BIM支持建设工程的集成管理环境，减少沟通损耗，降低建造成本，同时矿山建设工程尤其需要关注建设过程的信息化与可视化，尤其是在地质环境复杂的条件下。

在智慧矿山信息系统方面，利用BIM的动态变更设计的功能可将人工编排计划时考虑的因素用计算机进行表述，当开采条件、计划出现变化时，只需对部分条件进行调整便可满足指导生产的作用。在方案论证阶段，各工程师可利用BIM三维模型对个方案中的采掘、运输、通风、排水照明系统进行评估，可以快速精确地得出个方案投资及可行性，完善并优化方案。在采掘工程设计阶段利用其三维建模和虚拟现实模拟的能力，可以降低复杂地质环境下的灾害发生率。

BIM快速三维建模，对模型的组成、结构和框架进行分析，抽象出适用于模型的通用构件，建立构件库，进行同类建模设计时，通过更改构件参数即可快速构件新3D模型。同时，所有工程数据及后续运维数据都能存储在模型数据库中，实现工程信息与设计方案数据一致性。然后，BIM技术可直接从模型中获得工程量统计数据，用于前期投资的成本估算，为决策提供参考。其次，通过开发数据信息共享借口，可以实时监测井巷瓦斯、矿压等信息，保障井巷安全，同时提高管理效率。通过时间与三维系统相结合，可以进行施工进度模拟，对开采进度进行管理，便于制定合理的施工计划，优化资源配置。

矿产开采工程是一个复杂的系统工程，包括采掘系统、运输系统、通风系统、排水系统等设备种类多，数量大，只有同时对设备进行有效的维护管理才能提高管理水平，利用BIM三维可视化系统具备全生命周期数据管理功能，可以在模型中导入设备的位置，状态等信息，方便设备管理。利用BIM的虚拟现实功能，可以进行灾害模拟演练，模拟事故的事前、事中、事后，分析事故发生的前因后果，为预防事故及救援提供支持。最后，利用BIM技术建立的三维可视化数字模型，可以生成不同视角的图纸，便于统筹管理。

2  GIS在智慧矿山信息系统中的应用

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种在计算机硬、软件系统支持下，对地表空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、处理、分析、显示的空间信息系统。随着空间探测技术和计算机技术的发展，以及智慧矿山概念的普及，建立智慧矿山信息系统对矿山的经营具有现实意义。GIS数字化程度深，便于图形数据的输入和输出，可以进行各个要素间的相关性分析。因此可用于建立BIM模型的周边环境，提高BIM模型的信息丰富度。将GIS系统数据库对接BIM属性数据库，将矿山工程数据进行转换、整理、存储，利用GIS空间数据管理、空间数据分析的能力，可以实现图形信息与属性信息的连接与检索。通过ArcGIS软件可以对相应数据进行浏览查看，通过选中建筑物或其他要素，查看其属性表中的信息。并且可以根据属性中某字段数值做统计报表并打印，提高管理者获取工程进度情况的能力，为管理者更好的掌握矿山情况提供帮助。

3  BIM和GIS的集成

智慧矿山信息系统模块大致有数据采集、数据传输、数据储存、数据处理和应用5个模块，核心是数据库系统，示意图如图1所示。按功能分类为：一是矿山信息基础设备，二是数据查询、业务处理和决策系统。前者是智慧矿山运行的基础，后者是智慧矿山实现功能的主体，二者通过网络和数据库建立联系。传感器将采集到的数据传递到服务器，服务器将数据处理之后，赋值给BIM模型属性或GIS模型，实时以三维模型展示检测结果，同时提供决策参考，方便管理。

BIM与GIS集成应用，是通过数据集成、系统集成或应用集成来实现的。GIS的出现为矿山的智慧化发展打下了基础，BIM则提供了矿山建筑物的细节信息，两者的集成创建了一个附着大量信息的虚拟矿山模型。总体来说，BIM能集成矿山建筑本身所有阶段信息，GIS则是整合及建筑外部环境信息，把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行整合。可以利用 B/S 网络架构建立基于 BIM 和 GIS 的智慧矿山信息系统，包括 GIS 服务器、Web 服务器、数据库服务器和多个 Ie 客户端， GIS 服务器通过 VPN 网络与多个 Ie 客户端连接，Web 服务器和数据库服务器通过局域网相互连接，同时局域网与 VPN 网络连接。更深层次讲，BIM和GIS两种技术不同数据格式之间的转换是集成应用研究重点，进而是实现两种技术在系统层面的集成。BIM技术的通用数据格式为IFC标准格式，GIS技术的通用数据格式为GML格式。这些数据格式在图形显示和信息丰富度上各有侧重。IFC 偏重于幾何信息体现;而GML更侧重于空间对象拓扑关系表达。自定义IFC和GML转换过程中的语义映射规则，可保障在转换过程中有用信息无损转换。整体思路示意图如图 2 所示。

4  结束语

BIM技术作为在建筑领域的新技术、新思想，将对开采工程管理领域产生积极影响，在工程全生命周期管理领域带来改变。同时，矿山工程管理是一个复杂的管理系统，需要不断学习创新，才能适应未来智慧矿山的生产需求。BIM和GIS技术的集成前途光明，方向明确。在国际范围内，各国的专家学者对智慧矿山多持有积极态度，积极推进建设。基于BIM和GIS技术整合的智慧矿山将是一个成熟技术的融合，从卫星遥感到地理信息，接着又从数字矿山发展到智慧矿山，包含精准的矿山三维建模，发达的矿山传感网络，实时的矿山职工监控，使矿山企业的职工的生产生活更加安全智能和便捷。本文利用BIM和GIS技术在矿山信息系统构建领域进行了探索，对于智慧矿山信息系统建设的需求重新处理和组织数据使数据信息规范化、更利于管理，使管理者能充分了解矿区现状、及时查询相关信息，为决策提供数据支撑，提高工作效率。

参考文献：

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