淺析金屬礦山工程數(shù)字化交付

王 磊, 李少輝(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革迅猛發(fā)展,加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為各行各業(yè)激發(fā)創(chuàng)新活力,引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然選擇。工程數(shù)字化交付,作為傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要方向,得到了國(guó)內(nèi)工程公司以及業(yè)主的廣泛關(guān)注。數(shù)字化交付,是以工程對(duì)象為核心,對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)階段產(chǎn)生的靜態(tài)信息進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)建直至移交的工作過(guò)程。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、文檔、三維模型以及數(shù)據(jù)、文檔、三維模型與工程對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系的快速查詢與應(yīng)用[1-2]。

金屬礦山工程是以金屬資源開(kāi)發(fā)為目的離散型生產(chǎn)系統(tǒng),數(shù)字化與信息化水平相對(duì)較低,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高,且數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象比較明顯。而近年來(lái),隨著數(shù)字化礦山的建設(shè)的推進(jìn),上述問(wèn)題有所緩解,但仍需要從工程建設(shè)階段就做好統(tǒng)一規(guī)劃,形成數(shù)字化交付的體系,這樣才能從源頭上解決上述問(wèn)題,并為數(shù)字化智能化礦山的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),形成貫通的數(shù)據(jù)信息流,從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身數(shù)據(jù)資產(chǎn)的沉淀,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、全生命周期的的管理。本文主要分析了數(shù)字化交付體系對(duì)于金屬礦山行業(yè)的作用,列舉了建設(shè)數(shù)字化交付體系的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題,探索了金屬礦山數(shù)字化交付平臺(tái)的所需的必要功能。

2 金屬礦山工程數(shù)字化交付

2.1 數(shù)字化交付的作用

數(shù)字化交付,對(duì)于金屬礦山行業(yè)來(lái)說(shuō),是一種全新的交付方式,是智能礦山建設(shè)的基礎(chǔ)。探礦、設(shè)計(jì)、采礦的作業(yè)模式一般會(huì)在礦山企業(yè)的整個(gè)生命周期一直延續(xù),各方面信息有機(jī)整合的需求與漸進(jìn)式的數(shù)字化交付方式非常契合。數(shù)字化的交付有望彌合探礦、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)三個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的脫節(jié)問(wèn)題,為礦山建設(shè)降本增效,提高礦山的可持續(xù)發(fā)展水平。數(shù)字化交付具體起到以下作用。

1)設(shè)計(jì)的數(shù)字化交付

國(guó)內(nèi)大多的礦山設(shè)計(jì)院所依然是采用CAD進(jìn)行二維設(shè)計(jì),一部分設(shè)計(jì)院所實(shí)現(xiàn)了部分專業(yè),比如選礦專業(yè)的三維設(shè)計(jì),這樣業(yè)主在使用設(shè)計(jì)成果時(shí)效率較為低下。數(shù)字化交付是礦山工程設(shè)計(jì)打破數(shù)據(jù)孤島,實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的信息無(wú)縫銜接的有效手段,為設(shè)計(jì)工作的細(xì)化與升級(jí)提供助力[3-5]。

2)施工的數(shù)字化交付

施工的數(shù)字化交付,能避免現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)的脫節(jié),形成信息反饋。同時(shí)在數(shù)字化交付平臺(tái)上可以實(shí)時(shí)查看施工的進(jìn)度,工程量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果也更為精確。從而達(dá)到施工管理能夠更加科學(xué)、便捷、高效的目的。

3)數(shù)字化交付之于生產(chǎn)運(yùn)維

礦山企業(yè)普遍面臨生產(chǎn)設(shè)備品類復(fù)雜,運(yùn)營(yíng)成本較高的問(wèn)題。生產(chǎn)運(yùn)維階段,數(shù)字化交付的成果能夠?yàn)闃I(yè)主的固定資產(chǎn)運(yùn)維提供依據(jù),為智能礦山的建設(shè)提供助力。比如巷道的返修、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、水泵、采礦裝備等設(shè)備設(shè)施的運(yùn)維等,都可以在數(shù)字化交付平臺(tái)上便捷的進(jìn)行[6]。通過(guò)數(shù)字化交付平臺(tái),可以更加高效地進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的維護(hù)工作,提高工作效率和質(zhì)量。同時(shí),這也為我們提供了更多的數(shù)據(jù)和信息,使得我們能夠更好地了解設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)優(yōu)化維護(hù)工作,可以減少停機(jī)時(shí)間和維修成本,提高設(shè)備設(shè)施的可靠性和壽命。

2.2 金屬礦山數(shù)字化交付的特點(diǎn)

礦山工程在數(shù)字化交付領(lǐng)域起步較晚,基礎(chǔ)較為薄弱,礦業(yè)工程相對(duì)流程工業(yè)存在其自身的特殊性,相應(yīng)的行業(yè)交付標(biāo)準(zhǔn)體系建立需要投入更大的精力。

數(shù)字化交付,往往需要工程公司、業(yè)主、施工方、供應(yīng)商等一起參與各個(gè)環(huán)節(jié),是真正的一把手工程(負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)人力、物力和控制項(xiàng)目的各種要素),礦業(yè)行業(yè)的企業(yè)往往更急于看到成效,短期內(nèi)數(shù)字化交付的價(jià)值受到挑戰(zhàn),而且行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高,客觀上也給數(shù)字化交付帶來(lái)一定的難度。

具體需要考慮的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。

第一,礦山系統(tǒng)的空間維度相對(duì)較大,需要同時(shí)滿足地理信息尺度與工廠尺度的要求,在不同的空間維度上實(shí)現(xiàn)快速的定位與查詢,需要在交互方式以及實(shí)現(xiàn)方式上予以特殊考慮。

第二,礦山全生命周期產(chǎn)生海量信息,且種類較多。把礦山的所有空間和有用的屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ),本身也更具特殊性與挑戰(zhàn)性。

1)分類與編碼規(guī)則

工程對(duì)象的分類較為復(fù)雜,參考BIM分類編碼標(biāo)準(zhǔn),礦業(yè)信息模型(Mining Information Modeling,MIM)的分類與編碼規(guī)則需要做進(jìn)一步整理和定義,用于準(zhǔn)確區(qū)分不同專業(yè)歸屬,區(qū)分不同的物理對(duì)象類別[7]。

2)屬性表制定

拿地下開(kāi)采為例,工程對(duì)象既涵蓋井上的構(gòu)筑物部分,又包括井巷工程、礦用設(shè)備的部分。這就要求在信息采集的尺度要求中下足功夫,分層次分等級(jí)的實(shí)施,固定設(shè)備盡量按照無(wú)人值守化、智能巡檢、設(shè)備預(yù)維護(hù)的要求去設(shè)置屬性字段。

3)數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)體系

體系文件包括數(shù)字化交付總體實(shí)施方案(詳細(xì)說(shuō)明數(shù)字化交付的目標(biāo)、范圍、時(shí)間表和交付標(biāo)準(zhǔn),以及各個(gè)參與方的責(zé)任和角色)、三維模型交付內(nèi)容規(guī)定、智能P&ID交付內(nèi)容規(guī)定、礦用設(shè)備交付內(nèi)容規(guī)定、建構(gòu)筑物交付內(nèi)容規(guī)定、井下工程交付內(nèi)容規(guī)定、管道施工資料交付規(guī)定等。

基于上述標(biāo)準(zhǔn),完成交付的資料應(yīng)涵蓋:

(1)3D模型和設(shè)計(jì)文件:包括礦山設(shè)施、設(shè)備和管網(wǎng)的三維模型以及相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和圖紙等。工程施工圖紙:包括各種工程設(shè)施的平面圖、剖面圖、立面圖等施工圖紙,用于指導(dǎo)實(shí)際的建設(shè)工作。

(2)工程數(shù)據(jù)和參數(shù):包括地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型、礦石儲(chǔ)量、礦石品位、采場(chǎng)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù),用于進(jìn)行礦山規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)管理。同時(shí)也包括與生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備設(shè)施的屬性數(shù)據(jù)。

(3)操作手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序:包括設(shè)備操作手冊(cè)、安全操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等文件,用于指導(dǎo)礦山工作人員的操作和管理。

(4)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)報(bào)告:包括礦山設(shè)施和環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)報(bào)告,如土壤污染監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等,用于評(píng)估礦山對(duì)環(huán)境的影響。

(5)維護(hù)和保養(yǎng)手冊(cè):包括設(shè)備和設(shè)施的維護(hù)和保養(yǎng)指南,用于確保設(shè)備和設(shè)施的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。

(6)培訓(xùn)資料和培訓(xùn)記錄:包括礦山工作人員的培訓(xùn)資料和培訓(xùn)記錄,用于提供必要的培訓(xùn)和技能轉(zhuǎn)移。

(7)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告:對(duì)數(shù)字化交付的成果進(jìn)行驗(yàn)收,并記錄驗(yàn)收結(jié)果和反饋意見(jiàn)。

(8)其他工程資料:包括設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工過(guò)程資料等。

第三,數(shù)據(jù)集成難度高。礦山工程涉及的專業(yè)覆蓋地質(zhì)、采礦、選礦、井建、礦機(jī)、土建、總圖、電氣、自控等,專業(yè)間跨度相對(duì)較大。尤其涉及的三維設(shè)計(jì)軟件模型格式較多,比如Surpac,Dimine,3Dmine,Bently,DataMine,Ventsim等軟件廠商都有自己的專有模型格式,數(shù)據(jù)集成難度相對(duì)較高,且上述軟件在屬性信息集成上離統(tǒng)一的礦業(yè)信息模型(Mining Information Modeling,MIM)的要求還有差距,需要在三維模型與屬性信息集成上[8-10]提前做好數(shù)據(jù)接口。

第四,金屬礦山開(kāi)采工藝種類較多,不同的項(xiàng)目要求也不盡一致,在工程經(jīng)驗(yàn)的復(fù)用性上需要具體考慮。數(shù)字化交付平臺(tái)應(yīng)該針對(duì)不同的采礦工藝提供不同的交付規(guī)范模板,做到有的放矢[11]。

第五,數(shù)字化交付平臺(tái)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備需要提前考慮與安全管理、生產(chǎn)管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接問(wèn)題。

3 數(shù)字化交付的工作流程

一般來(lái)說(shuō),金屬礦山行業(yè)的數(shù)字化交付分為以下幾個(gè)階段。

1)工程籌備階段

首先,數(shù)字化交付前應(yīng)該對(duì)項(xiàng)目相關(guān)方進(jìn)行培訓(xùn),將各方的思想統(tǒng)一到數(shù)字化交付的整體要求上來(lái),這樣可以形成一致的做事理念和規(guī)范。其次,編制數(shù)字化交付體系框架文件,包括總體交付策略、工程對(duì)象分類及屬性交付規(guī)定、工程文檔交付內(nèi)容規(guī)定、三維模型交付要求、質(zhì)量審核規(guī)定、驗(yàn)收規(guī)定等。其中,工程對(duì)象屬性表的收集需要花費(fèi)較多的時(shí)間與人力,需要設(shè)計(jì)方與業(yè)主從后期運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)要求上考慮屬性字段的定義,同時(shí)也要考慮項(xiàng)目相關(guān)各方的信息采集粒度,做到詳略得當(dāng)。最后,需要完成數(shù)字化交付平臺(tái)基礎(chǔ)信息配置,包括類庫(kù)的建立、工程對(duì)象分解結(jié)構(gòu)、文檔目錄的配置等。

2)工程設(shè)計(jì)階段

數(shù)字化交付首先要實(shí)現(xiàn)三維的數(shù)字化設(shè)計(jì),同時(shí)專業(yè)集成度越高,數(shù)字化交付的程度越高。目前全專業(yè)范圍的數(shù)字化移交難度依然較大,不同數(shù)據(jù)格式的三維模型需要進(jìn)行集成。另外設(shè)計(jì)階段的成果需要按照設(shè)計(jì)內(nèi)容交付規(guī)范來(lái)落實(shí)位號(hào)編碼規(guī)定、模型深度等要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)采購(gòu)施工階段

供貨方與施工方需要按照相應(yīng)的交付內(nèi)容規(guī)定,來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。此階段產(chǎn)生的大量的非結(jié)構(gòu)化文檔,需要提前做好前瞻性規(guī)劃,避免大量的碎片化、無(wú)效的信息。

4)數(shù)字化交付階段

最后,完成工程數(shù)字化移交。設(shè)計(jì)方、供貨方、施工方在數(shù)字化交付平臺(tái)上,參照數(shù)字化交付的規(guī)定,分角色和權(quán)限完成相應(yīng)階段的交付任務(wù)。同時(shí),交付上來(lái)的資料應(yīng)該設(shè)計(jì)質(zhì)檢環(huán)節(jié),包括交付平臺(tái)的自檢功能以及各專業(yè)的人工線上核驗(yàn),質(zhì)檢結(jié)果與各方KPI掛鉤,保證資料上傳的效率與準(zhǔn)確性。交付流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字化交付流程圖

4 數(shù)字化交付平臺(tái)功能要求

數(shù)字化交付平臺(tái),作為項(xiàng)目各方交付成果的承載方式,需要同時(shí)保證資料上傳方便快捷,確保資料的精準(zhǔn)度,也需要在完成交付后,支持用戶多維度的信息查詢與調(diào)用。平臺(tái)需要滿足安全性、穩(wěn)定性、開(kāi)放性、可維護(hù)性的要求。同時(shí)金屬礦業(yè)數(shù)字化交付平臺(tái)功能應(yīng)該具備礦體模型以及開(kāi)采模型的三維可視化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)采過(guò)程管理對(duì)象與勘查信息、資源儲(chǔ)量、三級(jí)礦量、廠礦3D 模型、屬性信息、關(guān)聯(lián)關(guān)系、等信息的集成管理。具體應(yīng)具備如下功能。

4.1 交付基礎(chǔ)的建立

類庫(kù)為整個(gè)數(shù)字化交付項(xiàng)目創(chuàng)建的數(shù)據(jù)字典。在此基礎(chǔ)上,所有的數(shù)據(jù)都成為了可關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn),為后面的查詢、應(yīng)用打下基礎(chǔ)。數(shù)字化交付平臺(tái)應(yīng)該能夠支持類庫(kù)信息的自動(dòng)導(dǎo)入導(dǎo)出以及靈活的自定義。同時(shí)平臺(tái)應(yīng)該內(nèi)置金屬礦業(yè)行業(yè)基本類庫(kù),識(shí)別如巷道、礦體等類庫(kù)對(duì)象,并對(duì)類庫(kù)對(duì)象的屬性字段做好預(yù)定義。工程分解結(jié)構(gòu)是根據(jù)工藝流程或空間布置,按照一定的分類原則和編碼體系進(jìn)行組織,形成反映工程對(duì)象的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。另外,交付平臺(tái)需支持屬性表的定義與工程分解結(jié)構(gòu)的靈活定義與擴(kuò)展等。關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 類庫(kù)與工廠分解結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系

4.2 資料的上傳與解析

結(jié)構(gòu)化的文檔(數(shù)據(jù)庫(kù)、Excel表單)在上傳數(shù)字化交付平臺(tái)的同時(shí),應(yīng)該同步完成文件的物理存儲(chǔ)與解析,并將解析后的關(guān)聯(lián)關(guān)系存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。非結(jié)構(gòu)化文檔(無(wú)法直接讀取文本內(nèi)容的文件,如圖片,掃描的PDF等)則需要自動(dòng)進(jìn)行OCR識(shí)別。三維模型能夠自動(dòng)進(jìn)行模型的輕量化,通過(guò)對(duì)模型網(wǎng)格、紋理圖片進(jìn)行合并、壓縮等處理,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的快速加載與展示,同時(shí)也將模型與位號(hào)、屬性信息一一映射起來(lái),方便平臺(tái)的調(diào)用。其中三維模型的解析,可以通過(guò)對(duì)三維建模軟件導(dǎo)出的xml文件的解析來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3 數(shù)據(jù)的校驗(yàn)

數(shù)據(jù)的校驗(yàn),主要包括工程對(duì)象的位號(hào)類型是否重復(fù)和文檔命名是否準(zhǔn)確、屬性信息是否一致、完整與三維模型、文檔是否完整等。平臺(tái)需支持正則表達(dá)式的編輯校驗(yàn)規(guī)則。數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC各方提交的資料符合交付規(guī)范要求,為平臺(tái)積累準(zhǔn)確而完備的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

4.4 關(guān)聯(lián)關(guān)系

由于工程對(duì)象的位號(hào)具有唯一性,通過(guò)位號(hào)可以實(shí)現(xiàn)工程對(duì)象與其相關(guān)的三維模型、P&ID、文檔資料的關(guān)聯(lián)。任何一個(gè)位號(hào)均可以在一個(gè)界面中查看與之相關(guān)的所有信息,包括屬性、P&ID、三維模型、布置圖、數(shù)據(jù)表等。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的知識(shí)圖譜構(gòu)建,并且可進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘,從而實(shí)現(xiàn)新關(guān)系的識(shí)別與推斷。

4.5 數(shù)據(jù)的展示

(1)平臺(tái)需支持在線查閱doc,pdf,dwf等文件資料以及上述資料的批注、分享等。

(2)平臺(tái)支持輕量化三維模型的瀏覽,包括三維模型的旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)、定位、剖切等基礎(chǔ)操作。也可以通過(guò)屬性條件的設(shè)置來(lái)完成滿足特定工作條件的模型的篩選。

4.6 搜索與查詢

數(shù)字化交付平臺(tái)是一個(gè)大而全的“互聯(lián)網(wǎng)圖書(shū)館”,平臺(tái)用戶可以方便快捷的訪問(wèn)與工程對(duì)象相關(guān)的各種信息。利用如ElasticSearch等分布式搜索引擎,可以快速實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化文檔的全文搜索。同時(shí)也可以通過(guò)條件的設(shè)置,來(lái)完成特定范圍的搜索,比如通過(guò)位號(hào)來(lái)查詢相應(yīng)模型、文檔資料。也應(yīng)該支持知識(shí)圖譜等算法來(lái)智能識(shí)別潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.7 交付數(shù)據(jù)審核

數(shù)字化交付平臺(tái)可基于項(xiàng)目實(shí)際情況配置不同業(yè)務(wù)的審批流程,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)審批在線流轉(zhuǎn),審批過(guò)程可視化、可追溯。工作流支持多參與方,包括業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位等。

4.8 數(shù)據(jù)報(bào)表

數(shù)據(jù)報(bào)表功能并能夠?qū)桓缎畔⒆龇诸悢?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表,比如生成數(shù)據(jù)完整性、一致性、合規(guī)性報(bào)告、交付數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告等。

此外,數(shù)字化交付平臺(tái)還應(yīng)支持二三維聯(lián)動(dòng)、項(xiàng)目管理、版本管理、系統(tǒng)管理、人員權(quán)限管理等功能,并且平臺(tái)應(yīng)該能夠與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與集成,比如ERP系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字化交付系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文論述了數(shù)字化交付的一般工作流程與作用,分析了金屬礦山行業(yè)的數(shù)字化交付的特點(diǎn)與難點(diǎn),給出了數(shù)字化交付所依托的交付平臺(tái)應(yīng)該具備的功能。金屬礦山工程的數(shù)字化交付將徹底變革原始的二維設(shè)計(jì)與交付或者三維設(shè)計(jì)、二維出圖的交付模式,使得數(shù)字化真正貫穿于設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié),大大提高工程交付的質(zhì)量。作為系統(tǒng)性的工程,項(xiàng)目相關(guān)方需不斷積累先進(jìn)的數(shù)字化交付經(jīng)驗(yàn),逐步豐富行業(yè)的交付標(biāo)準(zhǔn)與方法論,錘煉數(shù)字化交付的專業(yè)團(tuán)隊(duì),最終實(shí)現(xiàn)金屬礦山工程從傳統(tǒng)交付方式到數(shù)字化交付的整體轉(zhuǎn)變,并為后續(xù)數(shù)字礦山、智能礦山的建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支持與決策支撐。可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)數(shù)字化交付必然成為金屬礦山工程領(lǐng)域最為主流的交付方式。