礦山工程數字化設計與交付解決方案

劉 誠,李少輝,趙 奕,夏長念(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

礦山工程數字化設計交付構建了工程項目靜態數字化資產模型,是從源頭實現數字礦山、智能礦山的必經之路,也是設計企業向運營業務進行拓展和轉型的重要紐帶。

面對礦山工程數字化設計中存在的平臺化程度低、設計協同性差、數據互通困難等問題,以及傳統的圖紙資料交付模式難以形成工程數據資產,設計數據未實現全生命周期流通和應用等問題,建立一個“集中統一、高效協同”的全流程數字化設計及交付平臺,就顯得尤為重要和迫切。通過制度化、體系化的手段,使得設計管控、項目執行都行進在標準化的軌道上,打破跨部門溝通的信息孤島,消除因不同平臺、不同軟件所造成的效率低下問題,是工程設計實現數字化轉型的重要舉措。

2 礦山數字化設計交付存在的問題與對策

中國信息通信研究院2021年《中國數字經濟發展白皮書》指出,2020年中國數字經濟規模達到39.2萬億元,占國內生產總值比重達到38.6%,同比增長9.7%,達到國內生產總值增長2.3%的4倍以上。相較于其他行業,礦山行業數字化轉型明顯落后,礦山工程的一體化、數字化、協同化設計尚處于初級階段。

2.1 存在問題

1)缺少專業的礦山MIM設計軟件

與建筑行業的BIM設計理念類似,礦山工程設計需要建立礦山信息模型(Mine Information Modeling,MIM)[1],但不同的是礦山的物理狀態隨著開采的進行實時變化,礦山MIM模型所涵蓋的工程內容和數據類型與BIM有較大差異。因此Bentley、Revit、Dassault、Tekla 等 BIM 設計軟件不能直接用于礦山工程的MIM設計,而AutoCAD等傳統圖形設計工具,Surpac、Datamine等礦業軟件也不具備MIM設計建模的功能。

2)設計軟件間數據互通性差

礦山工程設計過程中涉及地質、采礦、巖石力學、礦山機械、建筑、結構、總圖、水道、暖通、電氣、儀表、自控、技術經濟等多個專業,各專業設計過程均會用到不同的專業設計軟件,數據格式多種多樣,必然導致軟件間數據交互的困難。因此在設計過程中,大量時間花在數據準備和溝通協調上,設計效率存在很大的提升空間。

3)知識復用和知識自動化程度低

設計知識復用是較快設計進程和降低成本的有效方法[2],然而現行的設計軟件和設計平臺無法良好支持后續方案設計所用的數據,阻礙了對歷史設計數據、設計方法的有效復用。同時,設計工作中不斷積累的工程經驗和專業算法也需要通過軟件化封裝,提升知識自動化程度,從而提升設計質量和效率。

4)軟件對外依存度高,面臨技術封鎖風險

研發設計類工業軟件有CAD、CAE、CAM、PLM等,其功能可以覆蓋工業產品全生命周期,研發設計類工業軟件對促進企業研發設計信息化具有不可替代的主導作用,國外研發設計類工業軟件企業主要有達索、西門子、PTC、歐特克等。上述企業占據國內市場超過一半的份額,在高端市場市場占有率則更高。礦山工程設計軟件同樣是以國外軟件為主,隨著國際形勢復雜變化,面臨越來越高的的技術封鎖風險。

5)設計數據資產化程度低

數據資產化是企業數字化轉型的基石,歷史項目的設計數據對于后續項目的設計具有重要的參考價值,而目前的設計模型下,數據積累不足,數據價值挖掘不夠,大數據和人工智能等技術更是很少用于工程設計領域。

6)缺少統一的數字化交付模式

目前礦山工程設計的交付模式仍以傳統的“紙質卷冊”交付模式為主,設計數據沒有成為數字礦山建設的基礎。圖紙數量大,在查閱信息時,工作耗時長,效率不高。圖紙抽象不直觀,在二維平面通過平面立面剖面表達三維工程信息,需要工作人員基于多張圖紙才能理解設計人員的設計意圖,有極高的專業門檻,不利于設計信息在各方之間的傳遞。設計信息之間缺乏關聯,數據查詢和修改成本高。目前礦山工程的數字化交付模式仍處于初級階段,缺少交付標準和統一的交付平臺。

2.2 解決對策

以重構設計流程和提供數字化交付服務為抓手,以數據驅動、軟件定義、平臺支撐、技術引領、流程重構為數字化轉型邏輯。集成行業知識,構建以礦山信息模型為核心的設計交付平臺,實現數據互通共享,為智能礦山整體解決方案提供軟件支撐。方案架構如圖1所示。

圖1 數字化設計交付解決方案架構圖

1)數字化設計

建立數字一體化協同設計體系,基于設計數據中臺使多專業團隊在共同的數據環境下協同工作。在全面梳理設計各個流程間關系的基礎上,通過統一的平臺和數據工作機制,打通各個流程和設計單元,確保每一個環節都能及時獲取到最新的數據,同時向其他單元分享自己的數據。

數字一體化工程設計并非設計數據的簡單堆砌,整個設計團隊對數據進行實時更新,并實時獲取到需要的數據[3]。從而將變更及時體現在各設計終端上。通過數據校驗工具可以及時地對設計中數據的變化進行提醒,降低設計間信息的不對稱和不及時的情況。

以工程內容為中心,統一數據架構及信息模型。使設計信息高效無損共享,提高數據綜合利用率;保障模型數據的有效性和一致性,最大限度減少數據轉換引起的效率降低和質量風險。

以三維設計為主線,構建全專業覆蓋的、集成開放的三維數字化設計平臺以及與之相適應的管理體系,同步提高企業整體設計效率、設計質量和設計標準化水平。

以交付物創新為落腳點,提高二三維交付物質量和效率,掌握數字化移交方法,打造數字化移交平臺,為后續開展數字化運維服務提供支撐。

以形成自主知識產權打造核心競爭力。通過自主研發和集成創新,封裝行業知識,掌握知識產權,積極打造自有開發團隊,保障平臺持續更新迭代,快速響應三維數字化設計的軟件需求。

2)數字化交付

數字化交付是設計成果交付的升級,是工程技術服務的延伸,是建設數字礦山的基礎。數字化交付對實現設計協同、提高設計的準確性、實現施工可視化管理等提供幫助;打通設計、采購、施工等工程數據流,確保數據的準確性和唯一性,對后期的管理、運維、改擴建等提供有效數據支持[4-5]。

建立以工程對象為中心的屬性化、參數化、可視化的交付方式,將工程設計產生的數據,進行結構化處理,建立以工程對象為核心的網狀關系數據庫,存儲于工程數據中心,并基于統一的數據接口完成數據交付,為業主提供可靠的工程基礎數據,形成構建數字礦山的靜態數據資產。

數字化交付的內容包括數據、文檔、三維模型,以及它們與工程對象的關聯關系。需要建立數字化交付標準,制定工程對象分類和屬性定義,制定工程對象編碼體系以及數據格式、模型深度等標準。同時,需要建立數字化交付平臺,交付平臺是工程項目設計建設階段并延伸至運維階段使用的的大數據信息管理系統,一般應具有系統管理、交付基礎、信息采集、信息處理、信息移交、信息查詢、信息瀏覽和數據應用等基本功能。

3 礦山工程數字化設計平臺建設內容

3.1 MIM建模軟件

1)MIM模型格式

針對礦山工程特點,建立專有的MIM模型格式,通過自主開發的MIM建模軟件可生成MIM模型,MIM模型是一個數字化的模型,包括三維模型及屬性數據,三維模型支持 DGN、RVT、IFC、FBX格式,三維模型通過工程對象ID與屬性數據建立關聯關系。以巷道MIM模型為例,屬性數據包括:①斷面參數:斷面類型、寬度、直墻高、拱高、拱形、水溝尺寸、凈面積、凈周長、掘進面積、掘進周長等;②支護參數:支護類型、支護厚度、錨桿參數、掛網參數、混凝土參數、鋼拱架參數等;③環境參數:通風阻力系數、圍巖溫度、風流、風速、散熱量等。

MIM模型是礦山工程設計的核心數據,可用于開拓運輸系統、通風系統、充填系統、進度計劃等方案設計。

2)MIM.Design建模工具

MIM.Design是專為礦山工程設計研發的MIM建模工具,兼容Surpac、Datamine等礦業軟件生成的礦體模型,提供礦體剖切、礦量統計等專業工具,為開拓運輸系統設計提供基礎。研發了滿足礦山設計個性化需求的井巷工程中心線設計工具,包括“兩點斜坡道”“三點斜坡道”“坡度調整”“匹配標高”等快速設計功能。MIM建模工具則根據項目統一定義的工程分類和斷面類型,基于中心線進行一鍵建模,屬性數據與三維模型自動關聯。MIM建模工具界面如圖2所示。

圖2 MIM建模工具

3.2 協同設計平臺

協同設計平臺集成自主研發的設計軟件及商業設計軟件,通過一系列數據接口開發進行數據集成,同時根據數字化設計工作流程為各專業提供統一的設計環境。

1)系統建模

礦山設計中涉及礦山生產8大系統和安全避險6大系統,需要建立多個數字化系統模型,通過仿真模擬手段進行方案優選和設計驗證。包括礦巖模型、水文模型、采掘-出礦-運輸-提升的礦石流系統模型、通風系統模型、巖石力學模型、充填系統模型、供配電系統模型、給排水系統模型、壓風供氣系統模型、電信儀表系統模型、技術經濟模型、碳排放計算模型。通過對工程知識經驗的軟件化封裝結合商業軟件數據接口開發,形成上述系統設計方案的數字化模型。

2)多專業數據共享

根據重構以后的數字化設計流程,定義協同設計管理系統的功能,解決各專業之間的數據一致性問題。項目文檔在服務器端的統一管理和分權限共享,圖紙文檔的在線審核和協同工作以及質量管理,進行專業間互提條件管理和會簽管理,并與項目管理系統、文印出圖系統進行銜接。

3)設計成果輸出

出圖系統:根據數字化設計成果生成條件圖、高階段設計附圖、施工圖;報表系統:根據數字化設計成果生成工程量表、材料量表、設備表、結構化數據表等。

4)工程知識管理系統

形成工程設計相關基礎數據的統一管理和更新維護,形成設計數據資產,實現知識留存、數據留存。內容包括MIM模型庫、礦業裝備數據庫、歷史項目數據庫、設計標準庫。

4 礦山工程數字化交付平臺建設內容

4.1 數字化交付統一規定

數字化交付是對以紙質文件主導的傳統交付模式的革新,在交付內容上表現為傳統交付物的數字化、數字化載體和工具的交付。數字化交付的內容紛繁龐雜,除了建設單位、施工單位、設備供貨商等在工廠建設/運營階段的海量數據信息、設計單位的各專業設計資料(包括圖紙和三維模型),還要建立它們與工程對象的關聯關系,需要建立數字化交付統一規定,保障數字化交付工作的順利實施。

1)數字化交付實施方案規定

制定項目交付目標,參與方的組織機構、工作范圍、職責;遵守的法規、標準;交付信息的組織方式、存儲方式、交付方式;驗收標準;質量管理方案以及交付流程。

2)礦山工程對象分類及屬性規定

根據功能或結構等特征對工程對象分類,同類別的工程對象具有相同的屬性定義。屬性包括工程對象類具有的典型特征,分組管理并設置交付級別。

3)工程對象編碼規定

工程對象編碼規定中明確編碼規則,工程編碼具有唯一性,滿足快速檢索和定位的要求。

4)文檔命名及編碼規定

文檔編碼同樣具有唯一性,滿足快速檢索和定位的要求,同時為了滿足數字化交付平臺中的文檔解析需求,一般會規定文檔的格式、版本信息。

5)屬性數據交付內容規定

明確項目屬性數據交付內容,統一工程屬性數據的錄入內容,保證各參建方所提交工程屬性數據一致。

6)三維模型交付內容規定

制定三維模型的交付范圍和內容深度,三維模型信息應與其他交付的數據、文檔中的信息一致。交付的三維模型應滿足在交付平臺上正確讀取和顯示的需求,并使用統一的坐標系和坐標原點。

7)質量審核與驗收規定

數據接收方依據移交清單、移交方案對移交信息進行驗收,包括檢查數據完整性,工廠對象與信息之間的關聯關系是否準確,交付信息與實體是否一致等,并出具驗收報告。

4.2 數字化交付平臺

研發安全開放、靈活可擴展的數字化交付平臺MIM.CoPlat,基于行業知識構建數據間的關聯關系,從源頭上實現工程數據資產化管理,形成工程數據倉庫。依據行業數字化交付標準和項目數字化交付統一規定,項目各參與方在統一的工作平臺上以熟悉便捷的方式進行信息共享,保證設計、建設、運營期各應用系統數據資料完整性和準確性。

1)工程對象管理

交付標準管理:依據交付標準對工程類庫、編碼規則、工程分解結構進行配置,內置符合行業標準的類庫模板,提供面向礦山、選礦廠、有色冶煉工廠等行業的標準化模板,亦可根據項目需要進行靈活配置。

交付過程管理:進行交付計劃的制定,交付任務的分配和流程管理,交付進度管理和預警,交付物分類統計。提供信息集成、交付模板、文件上傳等多種交付方式。

數據智能關聯:以工程對象為核心,基于工程對象編碼,建立三維模型、圖紙、數據、文檔之間的關聯關系,以信息集成、數據圖表、知識圖譜等多種方式呈現。

數據校驗:支持數據校驗規則配置,依據交付基礎進行信息校驗并生成校驗報告,對工廠對象必要信息、文檔編號、屬性數據的合規性、完整性、準確性和一致性進行分析校驗。

分析報表:基于搜索、查詢、統計、分析等操作產生的結果,支持表格、圖形等多種報表方式和excel、word、PDF、HTML等多種格式輸出。支持基于三維模型的可視化報表。

關聯查詢:通過多種信息組織方式對工程對象進行關聯查詢的功能,通過對象編號快速查找與其關聯的數據、文檔和三維模型等信息。

2)MIM模型管理

圖紙模型在線瀏覽:提供Web端模型瀏覽功能,兼容 AutoCAD、Revit、Bentley、PDMS 等主流設計軟件,兼容 IFC、NWD、FBX、DAE、OBJ、3DS 等通用模型格式,兼容傾斜攝影模型格式,提供模型分級加載模式,提供視點、旋轉、縮放、剖切、漫游、測量、抽離、虛化、批注等瀏覽工具。具體如圖3所示。

圖3 WEB端瀏覽MIM模型示意圖

屬性信息查閱:解析模型結構樹和屬性信息,支持海量MIM數據(如構件信息、空間信息、視圖信息)在云端結構化存儲。支持模型編號查詢和交互式信息查閱。

版本管理:圖紙模型版本更新自動化,保障項目成員獲取最新的項目資料,保留歷史版本方便追溯、查閱文檔歷史信息。

二三維聯動:支持二維圖紙與三維模型對應構件的智能識別和聯動操作。三維模型可關聯相關文檔數據,實現工程數據的可視化存檔和查閱。

模型集成:支持將不同專業、不同設計軟件生成的模型通過鏈接關系或位置關系進行集成,支持自定義文件結構。

圖紙對比:支持dwg、dxf圖紙的分圖層查看和內容搜索,完整保留所有圖元信息。支持對不同版本的圖紙進行新增、刪除和修改內容的對比,生成對比列表。

分享鏈接和二維碼:通過鏈接分享圖紙、模型,在瀏覽器端即可快速查看;紙質圖紙附加二維碼可在手機端掃碼看圖看模型。

3)文檔管理

文檔集中管理:云端存儲和管理整個項目生命周期中的文檔、圖紙、模型等所有數據,靈活分類管理。

權限管理:提供瀏覽、下載、創建、修改、刪除、授權六種細粒度的權限控制,可針對任一層級文件夾,進行靈活授權,保護文檔數據安全。

在線瀏覽:無需下載,在瀏覽器端原樣展現文檔內容,支持壓縮包、圖形圖像、視頻、PDF、OFFICE文件、WPS等多種主流文檔格式。

文檔加密:支持防復制預覽、水印等多種安全查閱方式,可設置預覽密碼,提供將OFFICE格式文檔轉換為PDF格式的功能。

4)工作協同

項目空間管理:平臺支持多項目空間管理功能,不同項目定義不同的交付基礎信息,可進行項目成員及角色分組管理,成員之間可共享文檔、圖紙、模型,滿足項目成員之間基于文件溝通、統一工作環境和問題交流的需求。

文檔協同編輯:無需插件在瀏覽器端支持OFFCIE格式文檔的多人在線協同編輯,云端即時保存編輯的內容。具備文字編輯、高兼容度排版等功能,支持多終端設備,支持批注和修訂功能。

在線協同審核:支持對圖紙、模型、PDF文檔、Office文檔添加批注,支持對批注進行多人評論,實現各方的可視化交流及問題跟蹤解決。

消息通知與項目動態:提供手機短信、Web端、移動端消息推送等多渠道的即時提醒,可查看項目動態更新,各類操作留痕,便于追溯。

工作流程管理:支持自定義工作流程,提供多種常用模板,支持自定義表單。提供信息上載、關聯、校驗、質量審核、批準發布等功能的標準審批流程。

5)數字化交付應用開發

開放接口:平臺具有開放的標準接口和成熟的對外服務引擎,兼容主流的工程設計軟件和項目管理軟件,支持與現有系統(如OA、ERP等)對接。將工程建設階段數字化管理與運維期數字工廠建設無縫銜接。

可視化組件:提供數字礦山、數字工廠的多種可視化組件,包括基于三維模型的工藝流程動態模擬、施工進度模擬,資源模型可視化、運輸系統可視化、通風系統可視化、設備運轉可視化、設備拆解等。

GIS融合:平臺內置GIS地圖引擎,支持將三維模型與GIS環境融合,支持多種地圖形式,提供填挖方分析、可視域分析等功能。

5 結論

礦山行業數字化設計與交付起步較晚,基礎較為薄弱,需要通過理念變革、流程再造、技術創新和平臺建設,推進礦山項目的全流程數字化,構建礦山全生命周期的數據資產,以數字化設計和交付成果為基礎,建立數字孿生礦山。

本文介紹的以礦山信息模型為核心的數字化設計與交付解決方案,已在多個工程項目中得到應用,取得了良好效果,下一步應大力推廣數字化交付模式,建立行業標準體系,加速礦山行業數字化轉型。