基于BIM 和GIS 的矿山设备全生命周期管理平台研发及应用
基于BIM 和GIS 的矿山设备全生命周期管理平台研发及应用
矿山设备安全高效运行是矿山企业生产运营的生命线，当前我国大多矿山设备管理信息化处于设备生命周期阶段性和局部管理，缺乏全生命周期的总体规划。基于BIM和GIS 的矿山设备全生命周期管理平台满足矿山全方面、全流程、全天候掌握各类设备运行情况，提高矿山设备管理水平和生产效率、减少设备故障和事故发生。
矿山设备全生命周期管理平台建设目标
矿山井下设备长期处于低温、潮湿、灰尘的恶劣环境，损耗率高，管理和故障监测难度大，运行过程中安全隐患和事故率超过地面设备。结合矿山设备管理需求，矿山设备全生命周期管理平台应具备3 个方面功能。
建立一套完整的设备规划设计、采购管理、安装拆除管理、设备维护保养管理、档案管理、造价管理、报表自动输出的设备数据共享服务系统，制定一套标准化作业流程，规范设备信息存储格式和编码，满足统一管理全矿设备二三维模型在BIM建模过程中直接调用，提高设计效率。
利用物联网技术，采集设备实时参数，建成设备全生命周期静动态一体化的数字孪生管理平台，实现各部门间信息共享和协同工作，随时查看设备各阶段运行状况和零部件性能信息，提高设计、生产、施工、运营各阶段效率，减少因操作不当引起的设备故障和事故，节约维修成本、缩短维修周期。
基于BIM 和GIS 技术开发设备全生命周期可视化平台，构建集成设备全生命周期管理各阶段的功能模块，整合BIM三维模型等所有数据并提供数据查询与应用，包括井下设备布置、设备全生命周期数据信息、设备运行状态展示、设备维修预警等，形成网络化、分布式的综合管理系统。轻量化BIM模型实现多种便携终端应用，具备二次开发接口，为将来拓展功能提供基础。
矿山设备全生命周期管理内容和架构
矿山设备全生命周期管理内容
矿山设备管理主要包括井上设备和井下设备管理。井上设备主要为矿区地面工业建筑内设备，井下设备管理包括矿山井下辅助生产的4 个主要配套系统（矿井通风机设备系统、矿井提升机设备系统、矿井排水设备系统及井下空压机设备系统）、运输设备系统、采掘及掘进设备、支护设备、供电及电器设备等。矿山设备全生命周期管理分为设备选型设计、设备采购、设备安装和设备运维4 个阶段。
设备选型设计是指根据多种因素选择合适设备。正确选型设计可降低能耗，提高生产效率，保障矿山安全生产。
设备采购是设备造价管理，录入采购计划、实际采购情况并计算成本，估算整体投资、分析收益和风险，掌握设备采购费用变化，及时发现超预算问题。
设备安装是指模拟安装相关设备，保证矿井设备精确安装和定位，优化场地布置，针对实际安装过程中出现的问题，及时调整方案并反馈至管理平台，与各方共享信息，合理安排安装进度。
设备运维是指通过便捷高效的信息化平台管理，实时获取煤矿设备运行状况等动态数据信息，及时发现设备故障，缩短设备故障定位时间，提高故障检修效率，通过模拟矿山设备故障问题对工作人员进行安全培训，规范操作流程、降低故障发生率。
矿山设备全生命周期管理平台架构
矿山设备全生命周期系统全方位管理矿山设备设计、出厂、安装、维保等数据，实现井下装备使用过程可管控、运行状态透明化、维修服务专业化、质量问题可追溯的全生命周期管理，主要包括B/S端管理系统和移动端。B/S 端主要是数据录入、日常数据管理，移动端主要用于全生命周期数据的查询及井下数据获取，采用底层三维引擎层、数据层、服务层和应用层4 层架构，矿山设备全生命周期管理平台架构如图1 所示。
图1 矿山设备全生命周期管理平台架构
矿山设备全生命周期管理平台关键技术
基于Revit 和UE4的可视化平台
采用Revit 技术解决矿山设备的全生命周期管理、三维标准建模以及协同作业等问题；UE4 用作矿山设备全生命周期管理可视化技术平台。UE4 为全生命周期管理平台的B/S 版本和移动版本开发提供基础技术支持，实时将云服务器渲染后的画面传输至客户端。基于矿井5G和WiFi6 全覆盖技术，二次开发数据接口可快捷导入矿山设备数据进行实时交互。基于UE4 引擎构建的矿山设备全生命周期管理平台满足全面实时高效的运行监测、故障诊断分析以及预警响应。
BIM 矿山设备和GIS 地理信息融合数据标准
空间管理系统基于GIS 开发，用以获取、保存、管理、分析地理信息，展示三维模型和地理位置，但无法获得和管理详细的内部信息；BIM以三维实景方式整合对象内外部信息、图形和非图形信息，建立信息模型。GIS 与BIM 技术结合可建立完善的矿山设备全生命周期管理平台，实现动态更新、实时交互的多部门、多专业、多层面空间业务数据和机电设备运行状态数据的集成管理与可视化展示。
以掘进工作面配套设施为例，设计选型包括锚杆、铁丝网等支护设施以及其他井下掘进设备、电路系统、通风管道等，掘进设备包括掘进机、掘锚机、转载机、破碎机、带式输送机、锚杆转载机、装载机等。设备BIM模型精细化程度高，三角面片数量共计38.5 万个，顶点数量43.6 万个，部分井下设备模型如图2 所示。
图2 部分井下设备模型
陕西延长石油巴拉素煤业有限公司（简称巴拉素煤矿） BIM三维模型导入UE4 引擎可视化，进行标准化处理主要包括6个方面。
以标准格式提交模型，并将构件信息补充完整，以便后期在UE4 引擎中进行统一数据处理和信息管理，建模时选用的族类别与其对应专业相同，严格按照图纸说明进行系统创建和分类。
规定BIM 模型架构、精细度、单元分级，精细度分为4个等级，模型单元分级见表1。
表1 模型单元分级
命名规则和颜色设置规则应根据项目和对象特征命名，简洁、易于辨识、符合常识，同一项目中表达相同设备对象的模型单元命名和颜色设置应具有一致性，并遵守相关规定。
做好版本管理，设备模型交付时的文件夹类型中要标识版本号，以便根据应用类别存档管理设备模型。
模型应包含模型单元几何信息及几何表达精度、单元属性信息及信息深度等，几何信息表达包括空间定位、空间占位和几何表达精度；根据需求选取合适信息深度体现模型单元属性信息。
规范化建模，模型绘制应按照一定顺序和规则，统一各阶段材质，严格按照设备图纸及现场实际情况进行；根据不同模型单元分级的项目级、功能级、构件级和零件级，对各类设备系统按照精细度等级规定进行分类建模。
通过GIS 提供的实时更新空间信息定位设备模型，整合BIM模型，集成监控监测、人员定位等实时数据，实现基于GIS 和BIM技术的矿山设备全生命周期信息集成应用，实现矿山设备数据管理，为智能开采远程井下设备巡检和可视化控制提供技术保证。
矿山设备运行监测与故障分析诊断
研究煤机装备实时监测和数据集成、传输技术及设备运行数据智能分析和远程动态诊断技术，集成在线监测和视频监控信息，实现数据采集、远程控制、智能报警与联动，实时监测设备运行状态，并进行智能分析和动态诊断，为用户提供及时、智能、准确、高效的服务反馈和故障评估预测，提升设备使用效率。
- 设备运行监测
矿山设备故障监测是利用点检系统、在线监测系统、综合自动化系统等，根据设备开停、输出参数变化、设备振动或声响异常、温度过热、磨损残留物激增、表面裂纹、工作电流电压及轴承转速异常等特征判断设备的运行状况。
通过接入矿山设备的监测监控数据，运用故障诊断及预警分析模型分析数据，实时智能诊断设备故障原因、类型、严重程度，及时发现设备潜在故障风险，实现机电设备的故障预测预判功能；结合不同类型设备配件损耗情况，提前发出维修、更换、保养预警，指导机电业务人员按时有序地完成，减少设备故障率，提高设备生产效率。
- 故障分析诊断
重大设备运行监测和动态诊断系统，分析机电设备运行时间及效能，提供避峰填谷分析方案，诊断和评估预测机电设备故障，进行全生命周期管理分析和系统智能派单维修或维护；自动生成各类诊断报告和报表，实现任意图谱的自动添加和编辑，为设备人员出具设备故障诊断报告和日常报告提供决策支持，巴拉素煤矿基于BIM模型的设备运行监测界面如图3所示。
图3 巴拉素煤矿基于BIM模型的设备运行监测界面
- 虚实结合的数字孪生系统
矿山设备全生命周期数字孪生系统是通过仿真与可视化技术建立设备和场景的三维模型，形成虚拟空间模型与物理空间实体之间的映射反馈，利用三维可视化平台获取矿山设备实时运行数据和精确信息，通过实时数据共享、人机界面、智能分析等，实现对矿山设备全工作流程的实时精确模拟和分析，满足设备作业中的每个动作和整个工作流程、物理空间实际场景与对应虚拟空间的虚实交互，实现了矿山设备的远程可视化实时监测与操作、健康状况评估、故障诊断与预警等功能，虚实结合的矿山设备数字孪生技术框架如图4 所示。
图4 虚实结合的矿山设备数字孪生技术框架
矿山设备全生命周期数字孪生系统主要利用故障特征的提取与消除、故障过程建模与原因分析、实时数据模型预测、参数动态调整、矿井图像重构为映射、5G高速通信等技术，实时采集设备运行数据，驱动虚拟场景进行同步，直观展示监测整体设备运行状态； 对监测系统进行二次开发， 接入MATLAB、ADAMS、ANSYS、AMESim 等工程分析软件处理分析数据；利用局域网协同技术，分布式处理设备实时运行状态数据，各监测主机实时分享和同步状态，减小网络压力，实现了实时监测与故障分析诊断。
跨平台多系统全流程协同管理
研究基于SOA和微服务架构的系统集成和业务协同相关技术，开发矿山设备全生命周期管理平台为跨平台的数据和过程的协同管理系统，实现了装备制造与服务全业务、全流程的管理，缩短生命周期，降低成本，提高产品与服务质量。
- 异构应用系统集成
矿山设备全生命周期管理系统是集成现有应用系统，实现产品数据、管理数据的同步更新，实现了全流程管理、业务协同。基于SOA体系结构开发数据服务， 建立数据交换共享平台， 实现了与CAD、ERP、OMS等系统的集成。
- 全流程业务协同管理
设备通过统一编码管理、供应商管理、设备采购管理、智能仓储管理、资产管理、设备运维管理、备件管理、设备报表管理、共享业务流程管理等，实现了生产厂家和使用单位的设备统一的基础数据全流程管理，各企业设备信息按照统一编码标准联网到云数据中心，并在数据制造厂商和用户间共享，为设备采购、调拨和租赁使用提供指导；设备全生命周期管理标准，实现设备维修、故障、报废的预测、预警、预报提示功能。
移动互联网的智能终端
矿山设备全生命周期管理系统是服务化、协同化、分布式的数据及业务管理基础平台，移动终端与全生命周期管理平台无缝集成。基于移动互联网的智能终端及远程诊断实现了在线设备巡检、井下设备日检及专家远程诊断。智能终端APP实现移动端设备全生命周期管理，设备质检全部使用手机端在线报检、质检及信息查询；煤矿井下采煤工作面、掘进工作面日常班组设备检查采用防爆手机现场完成。
矿山设备全生命周期管理系统应用
巴拉素煤矿设备全生命周期管理系统建设涵盖了设备全生命周期管理各阶段，并延伸到设备资产管理、设备运行管理、备品备件管理，具体建设内容包括5 个方面，巴拉素煤矿设备全生命周期管理平台界面如图5 所示。
图5 巴拉素煤矿设备全生命周期管理平台界面
建立并完善设备台账体系，构建从设备规划、选型、购置、安装、使用、维护、维修、改造、更新等过程的全生命周期闭环管理。
建立设备清单检修、润滑标准、计划、工单执行闭环管理；建立有效的计划、工单控制体系，提高设备检修效率和质量，降低设备维修成本；并对检修人员工单进行绩效管理；建立故障缺陷的上报、处理、维修、到验收的闭环管理，统计分析设备故障类型；提供设备技术资料管理、维修台账管理、故障知识库管理，指导设备维修工作。
建立大型设备运行管理、运行监测和故障诊断，对主要生产环节设备健康状况、负荷率、故障停机率、能源消耗等指标进行智能分析；并集成安全生产管控平台，通过接口提供设备健康状况、设备台账、点巡检和设备分类等数据， 实现了BIM+GIS的设备运行展示，巴拉素煤矿基于BIM矿山设备监控界面如图6所示。
图6 巴拉素煤矿基于BIM矿山设备监控界面
实现了H5 移动端功能，维修人员利用手机移动端对设备快速点巡检、失爆工单填报、设备缺陷上报、设备维修填报，方便用户操作。
实现了设备主数据管理，包括设备基本信息、技术参数信息、随机备品备件、设备点检标准、设备故障分类、设备分类、设备位置、文档数据等基础数据规范的建立，促进数据共享。
巴拉素煤矿使用该系统管理井下设备以来，实现了全部设备的信息化管理，建立了部分设备BIM模型，具有完善的设备及其历史信息跟踪功能，将设备维修由现在的事后维修和定期预防性维修，逐步向设备全员生产维修、状态维修和健康管理模式过渡，提高设备可靠性，降低故障性停机比率，减少事后维护的成本，提高工作效率。
结 语
融合BIM和GIS 构建了基于三维数字技术的矿山设备全生命周期管理平台，巴拉素煤矿的应用实践表明设备采购成本控制更加经济可靠，基于三维技术的设备模拟安装功能简捷有效，设备故障诊断分析实现了实时有效诊断，移动端系统井上井下同步使用，提高了设备管理效率。
基于BIM和GIS 的矿山设备全生命周期管理平台目前还在处于技术攻关阶段，未来矿井设备的全生命周期管理真正实现煤矿设备使用过程可管控、质量问题可追溯、运行状态透明化、维修服务专业化，保证煤矿项目高效、稳定、安全运行，为智能开采、智慧矿山建设提供支撑。