矿山信息模型<br/>——矿业信息化的发展方向

矿山信息模型
——矿业信息化的发展方向

2018-01-25于润沧朱瑞军李少辉何煦春

中国矿山工程 2018年5期

于润沧，刘诚，朱瑞军，李少辉，何煦春

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心，北京 100038)

1 前言

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等信息技术的广泛应用，我国信息化发展将向网络化、集成化、共享化和生态化的方向发展，信息技术应用和行业信息化建设将进入一个协同创新的新时代[1～3]。

我国是个矿业大国，近年来矿业在许多方面有创新和改进，但是在信息化建设方面还远远不足，同国外先进水平相比，我国矿山信息化水平还存在着较大差距。随着国家政策强力推进两化融合，推进云计算、大数据、人工智能等信息技术在传统产业应用，我国矿业信息化的发展迎来了新的机遇。

目前在矿山咨询设计工作，尤其是施工图设计工作中，设计人员采用较多的还是二维CAD技术，三维设计占比不高，而结合地质模型、矿体模型、岩石力学模型进行真三维设计更是处于探索阶段。这造成了设计工作质量和效率不高，各专业间协同性差，这些无疑限制了矿山设计阶段信息化发展的速度。在矿山建设和生产阶段，近些年来许多矿山企业在数字化、信息化方面做了大量工作，建立了集中控制系统、信息管理系统等，但仍存在不少问题，如各系统建设缺乏整体性，异构数据融合度低，数据综合利用率低，未对矿山企业智能决策提供有效支持[4～7]。

在建筑行业发展起来的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)近年来得到了大力发展和广泛应用，BIM是通过一系列软件、系统和平台，将目标的多维信息集成在一起的一个数字化信息模型，因而BIM在设计阶段解决了传统设计可视化程度低、工作效率低和协同性差等问题，在管理阶段提高了质量、成本和进度的管理水平，促进了各建设阶段的信息共享[8～12]。

2 MIM理念的提出

BIM技术的快速发展为矿业信息化建设提供了新思路。但矿山工程又具有显著的不同于地上建筑的特征，体现在：①受工程地质和水文地质影响，施工的同时对周边地质环境反向影响，对施工变形控制要求高，不确定因素多；②隐蔽性大，突发事件多，难以直观监测；③作业空间有限，环境恶劣，施工难度大；④矿山的物理状态随着开采的进行实时变化。

矿山建设的各个阶段所使用的软件、所需要的信息都与建筑行业差别很大，因此提出了矿山信息模型(Mine Information Modeling，MIM)的概念，通过MIM技术体系建设，用于工程的设计、建造与管理，可以大量减少沟通损耗，降低建造风险，解决目前存在的设计施工过程中专业协同性差、数据不流通的问题，实现矿山真三维协同设计，实现“信息共享、协同工作”的核心理念，这是支撑绿色矿山、智能矿山建设的重要举措，可达到优化设计方案，提高矿山工程建设的质量管理水平、降低建设成本和安全风险，提升工程项目的效益和效率的目的。

3 MIM的概念与内涵

3.1 MIM的概念

MIM是以三维数字技术为基础，集成了矿山工程项目各种相关信息的工程数据模型，可实现矿山全生命周期动态变化过程的数字化表达。通过连接矿山生命期不同阶段的数据、过程和资源，对矿山进行完整描述。MIM可解决分布式、异构数据之间的一致性和全局共享问题，支持包括资源勘查、方案设计、基建施工、生产管理及闭坑等在内的矿山全生命期中工程信息的动态创建、管理和共享。

3.2 MIM的内涵

(1)面向矿山全生命周期的多维数据库系统。矿山全生命周期包括矿产资源勘查、矿山设计、矿山基建、矿山生产及闭坑四个阶段，矿山生命期的各个阶段中，涉及的异构系统类别较多，MIM将成为一个多维数据组成的数据库，建立一套维护性强的系统数据采集标准方法，对矿山全要素、全流程、全业务的数据进行集成与融合。

(2)协同工作与数据共享。基于MIM建设协同工作云平台，收录项目全生命周期的信息文档。在需要投资方、建设方、施工方、设计方、咨询方、监理方、相关政府主管部门等多方参与且建设周期较长的工程建设项目中，MIM云平台能及时收录信息文档并由参与各方共享。MIM云平台还提供各建设阶段的工作流程，更加方便进行项目管理工作，相比传统设计阶段工作模式，MIM 云平台对其进行了整体的优化。

(3)可视化设计与分析。MIM是采用三维数字表达技术设计的矿山信息模型，这种模型具有信息的完整性、准确性与清晰性等特点。借助于三维建模、VR、AR技术，实施三维浏览、碰撞检测、施工模拟等，从而使工程的设计和施工工作在可视化的指导下进行，提升了质量和效率。

(4)持续更新与改进。矿山建设及生产是一个动态变化的过程，矿山的物理状态随着开采的进行实时变化，其相关系统的信息也在随时变化，MIM模型数据可不断进行补充、完善，并始终保持模型的一致性。

(5)开放性与安全性。MIM通过大数据云平台技术实现数据的共享和协调管理，建立数据安全与共享机制。开放共享与安全是一个既互相矛盾又能够有机结合的共同体：一方面需要共享带来更大的便捷,另一方面还需要在共享的同时保障的数据安全。

4 MIM的价值

4.1 在设计阶段为矿山提供真三维设计和数字化交底

(1)MIM真三维可视化设计。工程师可以在集成了地质模型、矿体模型、岩石力学模型的统一平台上进行真三维设计。可直观地观察工程布置和空间形式并检查其准确性，通过三维模型可直接生成二维平面图，对三维模型进行修改后，相关联的二维平面也会自动修改，减少重复修改的工作量。

(2)协同工作。MIM技术为协同设计提供底层支撑，大幅提升协同设计的技术含量。各个专业在同一平台上进行工作，数据实时共享，大大降低了沟通损耗，提高了设计工作的质量和效率。

(3)技术经济评价。MIM可提供详细的工程量和材料量统计，可用于前期设计过程中的成本估算，并可用于在业主预算范围内不同设计方案的探索或者不同设计方案建造成本的比较。

(4)全生命周期模拟。可以在项目设计过程对矿山进行全生命周期5D(3D+时间+经济)模拟、精确分析和优化设计方案，对整个矿山的进度、资源和质量进行统一考虑，以降低成本、提高质量。

4.2 在建设阶段为矿山提供施工数字化管理

(1)基于MIM的三维虚拟施工。通过MIM技术结合施工方案、施工模拟和现场视频监测，大大减少矿山建设与安全问题，减少返工和整改。

(2)智慧工地。对材料进场实现信息化监控、使用数字化条形码记录施工项目主要材料的进出场情况，并在MIM系统上实时显示。

(3)进度管理。通过直观真实、动态可视的施工全程模拟和关键环节的施工模拟，可以展示多种施工计划和工艺方案的实操性，合理安排进度计划并优化施工方案。

(4)快速信息查询。自动形成完整的信息数据库，为管理人员提供快速查询定位。内容可包括：可行性分析报告、设计方案、勘察报告、设计图纸、造价资料、设计变更会议记录、施工过程记录、签证和技术核定单、设备相关信息、各种施工记录、物料信息。所有信息化数据实现云存储，分级按权限共享。

4.3 在运营阶段为矿山提供生产数字化管理

(1)资产管理。利用MIM可以实现资产监控、查询、定位管理可视化。支持全过程的资产数据管理，通过MIM结合物联网技术可以使资产在矿山中的定位及相关参数信息一目了然。

(2)维护计划。MIM可以利用设备运行数据制定预防性维护计划，降低设备故障发生率，保证矿山生产有序进行。对于深井高地应力的矿山，可基于巷道变形监测数据等分析巷道稳定性，及时采取加固措施。

(3)能耗分析与优化。基于MIM的矿山能耗分析可进行更全面的性能分析，在设计阶段就进行的能耗模拟能及早发现存在的问题，基于MIM形成的数据库，能够对能耗进行大数据分析与优化。

(4)灾害管理。MIM可以对矿山常见的突水、岩爆、滑坡等灾害发生过程以及人员疏散救灾等过程进行仿真模拟，分析灾害发生原因，评估避灾措施可行性和有效性。当灾害发生后，基于MIM可以为救援人员提供人员定位信息、相关设备设施运行状况信息、各种相应的监测数据等，指导救灾抢险工作。

5 MIM关键技术

(1)真三维设计软件平台。构建统一的模型体系是MIM系统的关键。目前缺乏集地质资源、岩石力学、工程设计、矿山运营等统一考虑的模型体系，这是构造统一MIM三维仿真软件或平台的关键。

(2)矿业大数据分析与应用技术。MIM系统中包含矿山生命周期中大量重要的多维信息数据，这些数据信息在矿山勘探、设计、建设、运营全过程中动态变化调整，实时对其中的数据进行整合、清洗、转换，为矿山大数据提供支撑。

(3)MIM标准化。统一的数据融合接口也是MIM系统成功的关键之一。目前的矿业专业软件数据接口不统一，文件格式各不相同，数据共享及集成难度较高，另外，需建立MIM工作流程标准，MIM模型交付标准等。

(4)矿山信息模型可视化技术。MIM模型是包含有多维数据的大型平台模型，最终表现形式是可视化的多维度、多用途、多功能的计算机图形模型。MIM文件模型较为复杂，直接将其原始模型上传让工程各方都能基于这个模型进行讨论，不管是上行和下行都不方便，如果能轻量化，其运用范围更为广泛。

(5)井下物联网技术。利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等在MIM模型空间中联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。基于MIM核心的物联网技术应用，不但可使矿山实现三维可视化的信息模型管理，而且为矿山的所有设施或设备赋予了感知能力和生命力，从而将设施/设备的运行维护提升到全新高度。结合人工智能技术可实现智能按需通风、智能充填系统、固定设备无人值守，有轨及无轨设备的无人驾驶、采区自动化等。

(6)虚拟现实与增强现实技术的应用。MIM模型系统结合VR/AR技术可以更好地使设计方与用户方进行交流，获取用户需求。将设计形成的三维模型快速转为VR模型，通过身临其境的感受，查看设计成果，发现问题并改进。利用AR技术可以将三维模型及相关信息叠加到二维图纸上，工程材料、工程设备、方案描述、安装位置、施工要求等全部工程信息都可以随意调取查看，实现图纸承载信息的无限扩充。