基于BIM的智慧露天礦工程信息分類與編碼標準研究

王忠鑫，喬 鑫，徐自強，孫 鑫，齊振鵬，高 群，趙 明

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

我國經濟正逐漸步入新常態，依靠資源要素投入、規模擴張的粗放發展方式已經難以適應目前的經濟狀態。此時，創新驅動生產成為了能源行業的新生主題。智慧化是繼信息化伴隨人類科技革命而產生的概念，在此基礎之上，煤炭等能源行業結合自身特點提出了智慧礦山的理念，旨在以新興技術為依托，使得能源礦山的生產、運營更加安全、環保、高效。

對此，王國法院士提出了智慧煤礦的內涵和3個基礎理論問題及研究課題，進而提出建設智慧煤礦8大智能系統管理平臺的構想，并指出了智慧礦山建設和智能開采技術進步的愿景和實現路徑[1]。此外，徐靜等人及其團隊分別提出了基于感知、互聯、決策模型的不同智慧礦山技術框架，并闡述了涉及到的關鍵技術和實現途徑[2-4]。譚章祿團隊在標準制定層面探討了智慧礦山標準體系建設情況并指出現有標準體系的完善方向及策略[5]。張瑞新等人及團隊隨后提出了智慧礦山的定義及其建設管理模式和“1+4”智慧系統，同時提出了與此相應的評價標準[6]。上述系統框架及管理平臺搭建的基礎是信息可以在各個環節、各個部分之間無障礙地進行交互。對此，王忠鑫等人將BIM技術引入露天礦山建設系統，并提出基于BIM技術的協同工作平臺架構。此外，王忠鑫等人逐步探索，將露天采礦軟件和BIM軟件相結合，并提出10大關鍵技術[7]。

BIM技術的核心理念是，面向工程的全生命周期，通過利用準確信息數據模型，指導工程建設，促進信息共享，達到提高工作效率及工程質量的目的。工程全生命周期涉及大量的信息，有效地存儲與利用這些信息是相關參與方降低成本、提高工作效率的關鍵，而實現信息有效地存儲和利用的基礎是信息分類和代碼化[8]。BIM技術的發展為智慧露天礦協同信息平臺的搭建提供了重要的技術支持，BIM技術的引入對露天礦工程全生命周期的信息聯動具有里程碑意義。

考慮到將橫跨工程立項、實施、運維各個階段的信息能有效連接和共享，有必要制訂一套完善的BIM標準，即可以直接應用在BIM技術各個階段中的標準。目前，BIM標準依據分類編碼、數據模型及信息傳遞過程大致可分為三類。其中分類編碼標準主要用于解決將分類后的信息與編碼一一映射的問題，以保證每一項信息匹配唯一且固定的編碼，是處理繁雜建筑信息的首要工作。智慧露天礦工程全生命周期的信息量巨大，種類繁多，現有BIM分類編碼標準難以充分表達智慧露天礦工程信息，無法滿足各工程階段信息自行聯動的核心愿景。因此需要以現有標準為依托，針對智慧露天礦工程繼續擴充并完善。

1 工程信息分類體系現狀

建筑信息分類體系最早在20世紀20年代初被提出，用來滿足建筑規劃、工程造價、進度控制和項目管理等需求，按照其表達工作階段和功能需求的差異，通常可分為傳統分類體系和現代分類體系。

傳統分類體系主要服務于項目中較分散的工程階段，如造價、進度控制等。美國的Masterformat、UNIFORMAT等分類體系即為傳統分類體系的代表。1963年頒布的MasterFormat標準，是美國建筑規范協會(Construction Specification Institute，CSI)編制的，其針對的信息管理對象主要為子分部工程和分項工程，使用上它更加傾向于施工管理階段。此外，由于它可以分解工程從而進行設計任務書、成本核算和施工管理的工作，也使它成為美國通用的招投標設計說明體系。1989年，美國建筑師協會(American Institute of Architects，AIA)和美國政府總務管理局(General Services Administration，GSA)聯合開發了UniFormat標準，此標準采取了與MasterFormat標準不同的分類角度[9]。此外，英國建立了RICK-Uk和SMM7工程項目編碼體系，并被廣泛接受和使用；隨后，瑞典制定一套本國建筑信息分類體系——NBSA96；其他歐美國家也相繼建立了各國的編碼體系；在亞洲，日、韓和新加坡等國家也紛紛建立了自己國家的建筑工程編碼體系。

現代分類體系主要針對項目全生命周期的各個參與方在各個工程階段的需求，主要有ISO/12006-2、美國的UNIFORMATⅡ和OCCS等。ISO/12006-2是由建筑業信息組織標準化技術委員會(TC59/SC13/WG2)制定的信息分類框架，發布于1996年，是基于ISO/TR 14177分類框架并結合工程經驗而發展建立的，其核心是提出了在建設過程中投入建設資源進而產出建設成果的過程模型，該模型可應用于建設工程的各個階段，即可滿足建筑物全生命周期的需求[10，11]。UNIFORMATⅡ是美國材料試驗協會(American Society for Testing and Material，ASTM)發起制定的，最早版本在1989年頒布，以UNIFORMAT為基礎發展而成，適用于工程項目全生命周期[12]。OCCS即OmniClass體系，它是由是美國建筑規范協會(Construction Specification Institute，CSI)和加拿大建筑規范部(Construction Specifications Canada，CSC)共同編制和維護的，是基于ISO/12006-2和UNIFORMATⅡ等現有的分類體系建立并完善的[13]。

2012年我國住房和城鄉建設部將BIM標準列為國家標準制定項目，包括3個層次5項標準，其中作為第二層基礎數據標準的《建筑信息分類和編碼標準》(GB/T 51269—2017)已在國內發布并開始實施。此標準將建筑工程按照資源、進程、成果分為三大類，編制了15張表，每張表內采用線分法，將需分類對象分為一級到四級共四個類目，例如建筑產品表中所規定的墻體材料分類方法[14，15]。隨后中鐵BIM聯盟也根據業內實際情況發布了《鐵路工程信息分類和編碼標準》，把鐵路工程信息分為資源、過程、成果和其他四大類，共涉及鐵路工程相關的十幾個專業[16]。《鐵路工程信息分類和編碼標準》和《建筑信息分類和編碼標準》都以ISO12006《施工工程信息的組織》標準為基礎框架，結合我國現行建筑規范和標準中的相應內容，將工程各個階段的分類、編碼與組織規范化、統一化，為實現不同系統對信息理解一致提供了支持[17，18]。與此同時，露天礦工程正朝向智慧礦山方向不斷升級和邁進，故迫切需要一套適用于智慧露天礦山工程特點且可以自洽于國家現有標準的分類和編碼體系。

2 信息分類方法及編碼標準研究

2.1 信息分類和編碼原則

制定智慧露天礦工程信息分類方法與編碼標準旨在將工程各個階段的信息分類、編碼并共享，推動各方面管理人員對露天礦工程信息的利用，需遵循下述原則：

1)吸收并采納已有信息分類方法與編碼標準。管理人員可通過將工程信息進行分類并編碼，實現將繁雜的信息按照某些特性區分開來，再根據各項信息相互間的區別和聯系將其重組。信息分類是指將已有各項信息按照其各自表述內容分為不同模塊，再將各模塊按照一定順序進行排列并建立目標體系。為實現在實際工程中的廣泛應用，信息分類通常需具有一定的系統性、兼容性和實用性等特點。信息編碼則是指為表達某一類特定內容的信息指定固定代碼。為實現管理人員能夠在繁雜的信息中快速搜索到某一類信息，編碼通常需具有唯一性、穩定性和可操作性等特征。

2)借鑒已有信息分類方法與編碼體系。對于露天礦工程來說，應基于已有分類與編碼體系進行細化和擴展，以達到與現有體系兼容的目的。在查閱篩選大量的資料后，露天礦工程選擇以《鐵路工程信息分類和編碼標準》為依托進行補充和完善，形成一套適合其自身特征的分類與編碼體系。

3)保持與國家標準的協調和銜接。露天礦工程與普通工業民用建筑工程的工作內容交叉較多，但也具有部分獨有的內容。現《地理信息分類與編碼規則》(GB/T 25529—2010)和《建筑工程設計信息分類和編碼標準》(GB/T 51269—2017)已相繼頒布，為保證各標準間信息互補，避免重復、遺漏等情況發生，露天礦工程信息分類與編碼標準應與我國現有標準相協調，對于現有國家標準已包括的部分應積極采納，需要時引用現有標準即可。

4)體現智慧露天礦工程應用特點。針對智慧露天礦工程編制的信息分類與編碼標準需借鑒業內相關規范與規程，在國家現有的架構體系之上進行補充、細化和延伸，以體現其自身獨有的特點。

2.2 分類方法

信息分類方法主要包括線分類法和面分類法兩大類。第一，線分類法。即將各項信息按照主次分類，分為若干信息層級，再將各個層級按照一定順序進行排列重組，形成樹狀信息圖。但是，隨著信息內容不斷擴增，復雜程度不斷提高，其難以完整且有條理地表達各項信息。此時樹狀信息圖的不足逐漸體現，如：在樹狀圖中增減信息較為不便，樹狀層級一經確定后不易靈活修改，無法進行多參檢索，將同時具備多方面特征的信息分類時較困難等[19]。

因此，面分法則成為對露天礦工程進行信息分類的主要方法。該方法通過將與露天礦工程相關的各項信息根據其自身表達內容的不同進行分類，即分為彼此間沒有聯系、互不相干的若干個面，分類對象在某一個單獨的面上被組織成一組類目。再將各個類目下的信息進行深度發倔、整理歸納，并根據其類別不同，通過分類表整理信息分類結果。將此結果總結為一張總表和若干張子表[20]。每張分類表與每個分類項均采用可擴展字符編碼，以便于統一表達形式和表達管理人員意圖。筆者在現行建筑工程和鐵路工程編碼標準的基礎上，結合行業特點補充完善后編制了智慧露天礦工程信息分類總表(表1)，其中“子表10、12、22”為在國家標準基礎上擴充露天礦工程內容，“子表51—59”為在鐵路工程標準基礎上擴充露天礦工程內容，“子表60”為遵照《地理信息分類與編碼規則》(GB/T 25529—2010)中相關條文擴充露天礦工程內容。ISO/12006-2分類體系投入產出模型與智慧露天礦工程信息分類方式的邏輯對應關系如圖1所示。

圖1 總表模型結構圖

表1 智慧露天礦工程信息分類總表

2.3 編碼標準

智慧露天礦工程信息編碼規則應盡可能與《建筑工程設計信息分類和編碼標準》及《鐵路工程信息分類和編碼標準》等國家現有標準保持一致，并在其基礎之上增加部分與露天礦工程相關的內容。該規則要求對建筑信息采用全數字編碼的方式，該方式主要由分類表編碼和各層級編碼組合而成，二者采用“-”進行連接。分類表及各層級編碼均采用2位阿拉伯數字編制，其中層級最多為6級，編碼長度應控制在9位到15位數字之間，位數不足9位時采用00進行補位。標準編碼結構如圖2所示。特殊地，“子表60-地理信息”中需分類的各項信息編碼方式依舊符合《地理信息分類與編碼規則》(GB/T 25529—2010) 中的有關規定，該規則中已有內容不再進行重復定義。

圖2 標準編碼結構

按不同功能進行劃分的建筑物分類表實例見表2，編碼10-23 50 00表示露天礦建筑，其中10為按建筑使用功能區分的分類表編碼，23為一級編碼“工業建筑”，50為二級編碼“露天礦建筑”，00為補位編碼。露天礦工程構件分類表實例見表3，編碼53-02 40 14表示門，其中53表示露天礦工程構件分類表編碼，02為一級編碼“支擋、加固、防護”，40為二級編碼“安全、圍護”，14為三級編碼“門”。

表2 按功能分建筑物分類表(部分映射關系)

表3 露天礦工程構件分類表(部分映射關系)

此外，為提高信息識別的準確性和傳遞的高效性，分類對象代碼可借助代碼標記符號“+、/、>、<”聯合使用。 其中，“+”用于表示概念上的交集。“/”用于表示單個表中由“/”前的代碼開始，直至“/”后的代碼結束的連續的分類對象代碼。“<”“>”用于表示分類對象間的從屬或主次關系。“<”前的對象是“<”后對象的一部分，“>”則相反。參見表2和表3，如“10-23 50 08/10-23 30”表示分類表中破碎站到車間所有的本級及其子級建筑物的集合；“10-23 50 08>53-02 40 14”表示某工程中破碎站的門，強調門屬于破碎站。

3 企業編碼體系的維護

在實際使用中，業務人員只能進行分類編碼和對象的映射選擇或者只能操作已被映射好分類編碼的對象，即分類編碼體系不直接面對最終使用者，業務人員無法直接干預分類編碼，這就需要企業配置指定的分類編碼管理員，或成立專門的管理部門，及時收集業務人員的反饋信息，對存在概念交叉、重復、編碼遺漏、深度不足、邊界溢出等問題給予及時維護和更新。

分類編碼維護時應統籌考慮，抓住共性，應優先考慮分類表內修正，問題復雜附加信息較多則考慮多表協同修正；應優先考慮插值增碼，改動較多且存在溢出現象則需進行局部調碼。

4 結 語

隨著BIM技術的突飛猛進，其在工程領域里的優勢凸顯。本文結合露天礦工程特點提出了基于BIM技術的智慧露天礦工程信息分類與編碼標準。為滿足基于BIM技術的露天礦工程協同設計以及模型成果交付提供基礎支持；總結了符合智慧露天礦工程需求的信息分類表，并編制與完善編碼表共計22張，初步滿足露天礦工程全生命周期建筑信息模型的搭建、維護管理、協同共享以及增值利用的需求，為打通多專業協同設計以及后期礦方運維提供保障；針對企業編碼體系的維護提出了問題及首要考慮的關鍵點，為后續企業級BIM實施提供指導建議，并為后續對編碼維護方向提供指引。