BIM+GIS数字孪生技术在煤矿全景数字化 智能综合管控中的应用

马文昕

（太原鲁班数城科技有限公司，山西 太原 030000）

1 调研背景

山西矿山数量庞大，矿山是山西的第一能源、第一资源产业，对山西经济的发展具有深刻的影响，其中又以煤矿规模最为庞大，经过多次资源整合调整，目前生产矿井数量约660座。

国家发展改革委、国家能源局等部门相继印发《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以及“十四五”规划等指导性政策性文件都说明了煤炭行业作为我国重要的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分，其智能化建设直接关系我国国民经济和社会智能化的进程。加快煤炭行业智能化建设是煤炭行业实现高质量发展的必由之路和必然选择。

目前，BIM+GIS技术在各行业的推广应用充分证明了其技术的先进性和方法的优越性，而相比于民用建筑项目，煤矿项目建设内容更加丰富，涉及专业更加广泛，投资金额更加巨大，建设周期也更长，对于BIM+GIS技术的数字孪生体系应用需求也更加强烈。

本次组织调研吕梁15个煤矿现有信息、设备系统建设情况，各系统实际应用情况等，梳理现有煤矿未达到目前国家要求的煤矿智能化建设要求的短板，并提出解决方案。

解决方案参考依据：

（1）《山西省煤矿智能化建设指导手册》（2021版）；

（2）晋能源信监发〔2019〕793 号；

（3）《山西省煤矿企业信息化建设等级评估工作实施方案》；

（4）山西省应急管理厅印发《关于做好2022年全省煤矿安全生产工作的通知》；

（5）山西省地方标准DB 14/T 1728—2018《煤矿信息化建设要求》DB14。

2 调研情况

经过本次对吕梁15个煤矿的实地调研，参照上述调研背景依据，目前各矿在智能化建设上还存在着很大差距，原因如下。

（1）传统煤矿行业的管理方式决定了整体行业对于智慧矿山管理、数字孪生等新技术的认知不足，需求迟滞。交流过程中发现，大多数煤矿管理者对于智慧矿山的理解还处在10多年前信息化的概念中，当然也有一些标杆级矿井，对自动化及信息化应用有了初步的重视。煤矿行业比较传统、封闭，从业人员整体认知比较滞后，导致对新技术应用不够敏感。

（2）片面追求装备的大而新，忽视了集中一体化联动管控的上而优，智能安全生产、节能降耗意识淡薄。调研过程中发现，大多数煤矿对于国家及省内监管部门要求的管控系统都有布置，但绝多数来自不同厂家的不同系统，属于一个个信息孤岛，存在安装时间跨度大、脱离保修期等问题，在实际生产运行过程中，很难发挥出应有的作用。

以上现象普遍存在的原因，大多数是由于系统早期在硬件接口集成、个体对象物联、基础数据采集和各次级、三级模块的模型没属性没数据等原因积累造成的，通常供货厂商不具备与煤矿智能应用管理在数据融合层面上进行深度合作的基础，因此国内在这一方向的开发者寥寥，致使包括各大煤业集团在内的极少数矿井完成了初级的信息化系统平台建设。

3 应用目标、应用价值

3.1 应用目标

调研发现，煤矿企业的生产能力、安全监管能力、突发应急指挥能力等管控能力的提升，与整体综合管理系统的“智慧大脑”建设、数据数字信息汇集后的“智慧分析”建设、三维场景化应用的“智慧指挥”建设等关联密切。通过建设和搭建“智慧矿山指挥系统架构”，实现以下目标：

（1）数字化地集成管理与共享利用各类矿山数据与信息资源；

（2）可视化地模拟与虚拟再现矿山地质采矿环境；

（3）仿真化地模拟分析矿山采掘活动与采动影响过程；

（4）智能化地分析监测监控数据并智能识别各类灾变前兆；

（5）自动化地实施采矿系统活动与自动启动矿山安全预案。

3.2 应用价值

通过矿山“智能中心管控平台”建设，整合各管控子系统，以信息数据数字化语言为手段，大幅度改善目前国内生产厂家繁多，产品联动互通性欠缺，系统数据不兼容、操作繁冗、联通阻断等诸多诟病存在的现状，以BIM+GIS数字孪生场景为基础，打通人机壁垒，打通信息孤岛，打通监管屏障，为未来真正实现“智能矿山一张图”管理目标夯实基础。

4 解决方案

4.1 煤矿规划、开发、建设阶段

本次调研大部分是生产矿井，还有小部分是试运行矿井，通过调研总结BIM技术从煤矿规划阶段开始应用是非常必要的。

4.1.1 BIM+GIS三维场景可视化规划及设计

BIM+GIS采用三维场景可视化设计技术，设计成果为三维空间数字化信息模型，在降低设计理解难度，方便分析交流的同时，有效解决了构筑环境中空间复杂的设计难题。同时，BIM/GIS/GIS在二维出图要求的前提下实现了三维图纸的生成。

4.1.2 构建高效准确的数据统计

BIM+GIS将所有设计数据集合于中央数据库，可以按照要求自动统计项目工料用量、辅助计算投资造价等内容，方便设计者和业主分析投资、材料、构筑物、构件之间的关系，提高各指标的管控水平。

4.1.3 协同设计高效严谨

BIM+GIS以统一的信息模型为基础，使不同专业、不同地点的设计人员可以在一个统一的信息模型上协同工作，消除沟通不畅和信息缺失带来的问题，提高设计的行动一致性、信息一致性。

4.1.4 科学快速模拟计算

BIM/GIS/GIS可以提供良好的数据交换功能，可以通过分析、模拟计算软件对设计的各个环节和系统进行各种分析和模拟计算（如碰撞检查、节能分析等），优化设计思路和方案，提高设计水平。模拟案例如图1所示。

图1 模拟案例

4.2 煤矿生产阶段

目前，BIM技术在煤炭行业建设、生产过程中的现场实际应用尚处于空白领域，但是BIM+GIS技术在其他行业建设领域，如市政（隧道、涵洞、地下交通）、公共建筑、产业园区、化工、商业、民用建筑等领域已经得到充分证明。该技术可以为煤矿综合管控平台提供精确的数字孪生模型，实现综合管控中台整合矿井现有系统设备，构建科学、可靠、智慧的数字孪生平台，实现人与人、人与机、机与机的无漏点交互。

以BIM+GIS为科技亮点的煤矿现代信息技术，有效地促使煤矿企业管理、技术革新，有望成为煤炭企业实现科学智能管理的重要途径。

4.2.1 地质绘测与三维监控

地质绘测与三维监控结合BIM+GIS技术，可实现集成矿山开采规划，地质信息管理，人员管控，灾害预警的综合信息一体化解决方案，如图2所示。

图2 地质绘测与三维监控一体化

4.2.2 行业、企业标准族库建立及快速成图绘制

与BIM+GIS技术结合的智慧矿山系统，选取主流标准库，通过开发完成满足煤碳行业设计需要的标准件族库数据结构设计、三维物料编码体系、数据族库部署与定制以及标准件建模、审核、入库、检索、利用、维护的工作流程设计与开发，并制定相对应的各级标准来支持这些工作。基于前述开发完成的企业族库，完成国标、机标的三维标准族库以及煤炭采选工程专用标准件和常用设备库的数据录入，完成行业标准件数据族库建立。

通过上述标准件数据族库的建立归纳整理矿山类绘制基础元件，解决矿山图样整体绘制难题，研发快速、一键成图绘制方式，可大幅提高绘制效率。同时，企业族库的建立也可以解决煤矿设备众多管理难度大的问题，通过族库与管控平台的结合，可以将煤矿所有运行设备、备用设备进行数字化建档，极大地减轻了管理难度，如图3所示。

图3 行业、企业标准件族库建立及快速成图绘制

4.2.3 大数据处理分析，数据信息3D三维场景化可视化展示

利用钻孔地质图与巷道素描图等技术自动分析并整理呈现图样数据，将数据整理成形象（场景化）图样，提高矿山规划分析依据。利用BIM+GIS技术，进行数据联动，智能建模，根据矿山工作组件实现1:1实景还原（见图4），建立实时管控、综合预警的管理体制。

图4 数据信息3D三维场景化可视化展示

4.2.4 安全生产管控和应急处理

矿山安全生产管控和应急处理，运用BIM+GIS技术和虚拟现实技术，并基于矿井地质构造、巷道分布等基础信息，构建煤矿高精度地质模型，并实现立体展示矿井物理分布情况和井田地质概况，通过提供基于三维立体模型的综合数据集成应用，实现煤矿各应用系统的数据与三维模型的双向互联，实现了系统监测、控制一体化管理，同时实现矿井三维漫游、灾害模拟、路线规划、智能监测、综合态势显示等功能，并通过三维场景化管理平台的网络化、分布式综合管理系统，为煤矿的安全生产、应急处理、安全管控提供可靠保障。

5 结语

通过调研，我们发现在智慧矿山建设运行期间，要想确保智慧矿山建设的合理性，满足国家相关部门的要求，必须在依据国家相关部门建设标准基础上，结合本地区的实际要求，利用BIM+GIS数字孪生技术这样成熟的新技术手段在煤矿全景数字化智能综合管控中做出新的成绩。