基于BIM的智慧露天矿工程信息分类与编码标准研究

王忠鑫，乔 鑫，徐自强，孙 鑫，齐振鹏，高 群，赵 明

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

我国经济正逐渐步入新常态，依靠资源要素投入、规模扩张的粗放发展方式已经难以适应目前的经济状态。此时，创新驱动生产成为了能源行业的新生主题。智慧化是继信息化伴随人类科技革命而产生的概念，在此基础之上，煤炭等能源行业结合自身特点提出了智慧矿山的理念，旨在以新兴技术为依托，使得能源矿山的生产、运营更加安全、环保、高效。

对此，王国法院士提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究课题，进而提出建设智慧煤矿8大智能系统管理平台的构想，并指出了智慧矿山建设和智能开采技术进步的愿景和实现路径[1]。此外，徐静等人及其团队分别提出了基于感知、互联、决策模型的不同智慧矿山技术框架，并阐述了涉及到的关键技术和实现途径[2-4]。谭章禄团队在标准制定层面探讨了智慧矿山标准体系建设情况并指出现有标准体系的完善方向及策略[5]。张瑞新等人及团队随后提出了智慧矿山的定义及其建设管理模式和“1+4”智慧系统，同时提出了与此相应的评价标准[6]。上述系统框架及管理平台搭建的基础是信息可以在各个环节、各个部分之间无障碍地进行交互。对此，王忠鑫等人将BIM技术引入露天矿山建设系统，并提出基于BIM技术的协同工作平台架构。此外，王忠鑫等人逐步探索，将露天采矿软件和BIM软件相结合，并提出10大关键技术[7]。

BIM技术的核心理念是，面向工程的全生命周期，通过利用准确信息数据模型，指导工程建设，促进信息共享，达到提高工作效率及工程质量的目的。工程全生命周期涉及大量的信息，有效地存储与利用这些信息是相关参与方降低成本、提高工作效率的关键，而实现信息有效地存储和利用的基础是信息分类和代码化[8]。BIM技术的发展为智慧露天矿协同信息平台的搭建提供了重要的技术支持，BIM技术的引入对露天矿工程全生命周期的信息联动具有里程碑意义。

考虑到将横跨工程立项、实施、运维各个阶段的信息能有效连接和共享，有必要制订一套完善的BIM标准，即可以直接应用在BIM技术各个阶段中的标准。目前，BIM标准依据分类编码、数据模型及信息传递过程大致可分为三类。其中分类编码标准主要用于解决将分类后的信息与编码一一映射的问题，以保证每一项信息匹配唯一且固定的编码，是处理繁杂建筑信息的首要工作。智慧露天矿工程全生命周期的信息量巨大，种类繁多，现有BIM分类编码标准难以充分表达智慧露天矿工程信息，无法满足各工程阶段信息自行联动的核心愿景。因此需要以现有标准为依托，针对智慧露天矿工程继续扩充并完善。

1 工程信息分类体系现状

建筑信息分类体系最早在20世纪20年代初被提出，用来满足建筑规划、工程造价、进度控制和项目管理等需求，按照其表达工作阶段和功能需求的差异，通常可分为传统分类体系和现代分类体系。

传统分类体系主要服务于项目中较分散的工程阶段，如造价、进度控制等。美国的Masterformat、UNIFORMAT等分类体系即为传统分类体系的代表。1963年颁布的MasterFormat标准，是美国建筑规范协会(Construction Specification Institute，CSI)编制的，其针对的信息管理对象主要为子分部工程和分项工程，使用上它更加倾向于施工管理阶段。此外，由于它可以分解工程从而进行设计任务书、成本核算和施工管理的工作，也使它成为美国通用的招投标设计说明体系。1989年，美国建筑师协会(American Institute of Architects，AIA)和美国政府总务管理局(General Services Administration，GSA)联合开发了UniFormat标准，此标准采取了与MasterFormat标准不同的分类角度[9]。此外，英国建立了RICK-Uk和SMM7工程项目编码体系，并被广泛接受和使用；随后，瑞典制定一套本国建筑信息分类体系——NBSA96；其他欧美国家也相继建立了各国的编码体系；在亚洲，日、韩和新加坡等国家也纷纷建立了自己国家的建筑工程编码体系。

现代分类体系主要针对项目全生命周期的各个参与方在各个工程阶段的需求，主要有ISO/12006-2、美国的UNIFORMATⅡ和OCCS等。ISO/12006-2是由建筑业信息组织标准化技术委员会(TC59/SC13/WG2)制定的信息分类框架，发布于1996年，是基于ISO/TR 14177分类框架并结合工程经验而发展建立的，其核心是提出了在建设过程中投入建设资源进而产出建设成果的过程模型，该模型可应用于建设工程的各个阶段，即可满足建筑物全生命周期的需求[10，11]。UNIFORMATⅡ是美国材料试验协会(American Society for Testing and Material，ASTM)发起制定的，最早版本在1989年颁布，以UNIFORMAT为基础发展而成，适用于工程项目全生命周期[12]。OCCS即OmniClass体系，它是由是美国建筑规范协会(Construction Specification Institute，CSI)和加拿大建筑规范部(Construction Specifications Canada，CSC)共同编制和维护的，是基于ISO/12006-2和UNIFORMATⅡ等现有的分类体系建立并完善的[13]。

2012年我国住房和城乡建设部将BIM标准列为国家标准制定项目，包括3个层次5项标准，其中作为第二层基础数据标准的《建筑信息分类和编码标准》(GB/T 51269—2017)已在国内发布并开始实施。此标准将建筑工程按照资源、进程、成果分为三大类，编制了15张表，每张表内采用线分法，将需分类对象分为一级到四级共四个类目，例如建筑产品表中所规定的墙体材料分类方法[14，15]。随后中铁BIM联盟也根据业内实际情况发布了《铁路工程信息分类和编码标准》，把铁路工程信息分为资源、过程、成果和其他四大类，共涉及铁路工程相关的十几个专业[16]。《铁路工程信息分类和编码标准》和《建筑信息分类和编码标准》都以ISO12006《施工工程信息的组织》标准为基础框架，结合我国现行建筑规范和标准中的相应内容，将工程各个阶段的分类、编码与组织规范化、统一化，为实现不同系统对信息理解一致提供了支持[17，18]。与此同时，露天矿工程正朝向智慧矿山方向不断升级和迈进，故迫切需要一套适用于智慧露天矿山工程特点且可以自洽于国家现有标准的分类和编码体系。

2 信息分类方法及编码标准研究

2.1 信息分类和编码原则

制定智慧露天矿工程信息分类方法与编码标准旨在将工程各个阶段的信息分类、编码并共享，推动各方面管理人员对露天矿工程信息的利用，需遵循下述原则：

1)吸收并采纳已有信息分类方法与编码标准。管理人员可通过将工程信息进行分类并编码，实现将繁杂的信息按照某些特性区分开来，再根据各项信息相互间的区别和联系将其重组。信息分类是指将已有各项信息按照其各自表述内容分为不同模块，再将各模块按照一定顺序进行排列并建立目标体系。为实现在实际工程中的广泛应用，信息分类通常需具有一定的系统性、兼容性和实用性等特点。信息编码则是指为表达某一类特定内容的信息指定固定代码。为实现管理人员能够在繁杂的信息中快速搜索到某一类信息，编码通常需具有唯一性、稳定性和可操作性等特征。

2)借鉴已有信息分类方法与编码体系。对于露天矿工程来说，应基于已有分类与编码体系进行细化和扩展，以达到与现有体系兼容的目的。在查阅筛选大量的资料后，露天矿工程选择以《铁路工程信息分类和编码标准》为依托进行补充和完善，形成一套适合其自身特征的分类与编码体系。

3)保持与国家标准的协调和衔接。露天矿工程与普通工业民用建筑工程的工作内容交叉较多，但也具有部分独有的内容。现《地理信息分类与编码规则》(GB/T 25529—2010)和《建筑工程设计信息分类和编码标准》(GB/T 51269—2017)已相继颁布，为保证各标准间信息互补，避免重复、遗漏等情况发生，露天矿工程信息分类与编码标准应与我国现有标准相协调，对于现有国家标准已包括的部分应积极采纳，需要时引用现有标准即可。

4)体现智慧露天矿工程应用特点。针对智慧露天矿工程编制的信息分类与编码标准需借鉴业内相关规范与规程，在国家现有的架构体系之上进行补充、细化和延伸，以体现其自身独有的特点。

2.2 分类方法

信息分类方法主要包括线分类法和面分类法两大类。第一，线分类法。即将各项信息按照主次分类，分为若干信息层级，再将各个层级按照一定顺序进行排列重组，形成树状信息图。但是，随着信息内容不断扩增，复杂程度不断提高，其难以完整且有条理地表达各项信息。此时树状信息图的不足逐渐体现，如：在树状图中增减信息较为不便，树状层级一经确定后不易灵活修改，无法进行多参检索，将同时具备多方面特征的信息分类时较困难等[19]。

因此，面分法则成为对露天矿工程进行信息分类的主要方法。该方法通过将与露天矿工程相关的各项信息根据其自身表达内容的不同进行分类，即分为彼此间没有联系、互不相干的若干个面，分类对象在某一个单独的面上被组织成一组类目。再将各个类目下的信息进行深度发倔、整理归纳，并根据其类别不同，通过分类表整理信息分类结果。将此结果总结为一张总表和若干张子表[20]。每张分类表与每个分类项均采用可扩展字符编码，以便于统一表达形式和表达管理人员意图。笔者在现行建筑工程和铁路工程编码标准的基础上，结合行业特点补充完善后编制了智慧露天矿工程信息分类总表(表1)，其中“子表10、12、22”为在国家标准基础上扩充露天矿工程内容，“子表51—59”为在铁路工程标准基础上扩充露天矿工程内容，“子表60”为遵照《地理信息分类与编码规则》(GB/T 25529—2010)中相关条文扩充露天矿工程内容。ISO/12006-2分类体系投入产出模型与智慧露天矿工程信息分类方式的逻辑对应关系如图1所示。

图1 总表模型结构图

表1 智慧露天矿工程信息分类总表

2.3 编码标准

智慧露天矿工程信息编码规则应尽可能与《建筑工程设计信息分类和编码标准》及《铁路工程信息分类和编码标准》等国家现有标准保持一致，并在其基础之上增加部分与露天矿工程相关的内容。该规则要求对建筑信息采用全数字编码的方式，该方式主要由分类表编码和各层级编码组合而成，二者采用“-”进行连接。分类表及各层级编码均采用2位阿拉伯数字编制，其中层级最多为6级，编码长度应控制在9位到15位数字之间，位数不足9位时采用00进行补位。标准编码结构如图2所示。特殊地，“子表60-地理信息”中需分类的各项信息编码方式依旧符合《地理信息分类与编码规则》(GB/T 25529—2010) 中的有关规定，该规则中已有内容不再进行重复定义。

图2 标准编码结构

按不同功能进行划分的建筑物分类表实例见表2，编码10-23 50 00表示露天矿建筑，其中10为按建筑使用功能区分的分类表编码，23为一级编码“工业建筑”，50为二级编码“露天矿建筑”，00为补位编码。露天矿工程构件分类表实例见表3，编码53-02 40 14表示门，其中53表示露天矿工程构件分类表编码，02为一级编码“支挡、加固、防护”，40为二级编码“安全、围护”，14为三级编码“门”。

表2 按功能分建筑物分类表(部分映射关系)

表3 露天矿工程构件分类表(部分映射关系)

此外，为提高信息识别的准确性和传递的高效性，分类对象代码可借助代码标记符号“+、/、>、<”联合使用。 其中，“+”用于表示概念上的交集。“/”用于表示单个表中由“/”前的代码开始，直至“/”后的代码结束的连续的分类对象代码。“<”“>”用于表示分类对象间的从属或主次关系。“<”前的对象是“<”后对象的一部分，“>”则相反。参见表2和表3，如“10-23 50 08/10-23 30”表示分类表中破碎站到车间所有的本级及其子级建筑物的集合；“10-23 50 08>53-02 40 14”表示某工程中破碎站的门，强调门属于破碎站。

3 企业编码体系的维护

在实际使用中，业务人员只能进行分类编码和对象的映射选择或者只能操作已被映射好分类编码的对象，即分类编码体系不直接面对最终使用者，业务人员无法直接干预分类编码，这就需要企业配置指定的分类编码管理员，或成立专门的管理部门，及时收集业务人员的反馈信息，对存在概念交叉、重复、编码遗漏、深度不足、边界溢出等问题给予及时维护和更新。

分类编码维护时应统筹考虑，抓住共性，应优先考虑分类表内修正，问题复杂附加信息较多则考虑多表协同修正；应优先考虑插值增码，改动较多且存在溢出现象则需进行局部调码。

4 结 语

随着BIM技术的突飞猛进，其在工程领域里的优势凸显。本文结合露天矿工程特点提出了基于BIM技术的智慧露天矿工程信息分类与编码标准。为满足基于BIM技术的露天矿工程协同设计以及模型成果交付提供基础支持；总结了符合智慧露天矿工程需求的信息分类表，并编制与完善编码表共计22张，初步满足露天矿工程全生命周期建筑信息模型的搭建、维护管理、协同共享以及增值利用的需求，为打通多专业协同设计以及后期矿方运维提供保障；针对企业编码体系的维护提出了问题及首要考虑的关键点，为后续企业级BIM实施提供指导建议，并为后续对编码维护方向提供指引。