基于选煤信息模型的智能化选煤厂三维可视化管理平台设计

郭庆华，卫中宽，张树森，王然风

（1. 中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120；2. 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

选煤厂担负着煤炭开采后清洁化生产和产品提质的重任。智能化选煤厂建设正在成为煤炭洗选行业数字化转型和高质量发展的必由之路，实现煤炭洗选从设计、施工到生产运维全生命周期数据共享与价值重构是智能化选煤厂的重要标志之一，实现三维可视化管理是提高选煤厂智能化管理水平的重要举措。

近年来，众多学者对选煤厂三维可视化管理技术进行了深入研究。文献[1]实现了选煤生产过程的三维可视化管理，利用虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）建立了厂区建筑、生产设备、管线等设施的三维场景，将生产数据采集、安全监测监控与生产时空有机结合，构建了集智能巡检、交互控制、员工培训、设备安全监测监控及预警功能于一体的三维可视化信息管理系统，该系统有效提高了选煤厂生产管理水平，降低了生产成本，实现了安全、高效生产的目的。文献[2]通过数字孪生技术对数据进行全面监控和管理，将报警数据、设备全生命周期数据、视频监控数据等通过三维可视化效果进行集成，实现了数据的全方位、跨平台管理；通过数字孪生与三维可视化结合，以多种数据呈现形式展现多维度数据态势，把“实体空间”和“虚拟呈现”融合在一起[3]，在“虚拟呈现”环境中用三维实现集成展示及更多的分析、模拟、推演、预警和监控功能，使现场实时数据三维可视化呈现，实现了设备状态可视化、人员状态可视化、信息事件可视化，极大提高了生产管理效率。文献[4]基于云平台和工业物联网技术，设计了选煤厂智能化综合管控平台，全面提升了选煤厂生产过程管控能力、生产数据分析能力和可视化数据展示能力。虽然上述三维可视化管理系统或平台在选煤厂智能化建设中取得了一些成效，但大多是基于现场生产过程设计的，只是利用生产过程数据对运行过程进行监控管理，而从数字化转型角度来看，数据应该涵盖设计、施工和生产运维全生命周期，数据应用也应该赋能各个阶段。为此有学者将建筑信息模型（Building Information Model，BIM）引入到选煤厂智能化建设中。文献[5-8]介绍了选煤厂设计中选煤、机制、水暖电、建筑等专业采用BIM 技术的应用情况，BIM 技术在协同化、设备参数化及专业间碰撞检测等方面具有显著优势，可显著提高生产效率。BIM 技术能够将图纸上的错误控制在5%以内，通过碰撞检测等功能，及时发现处理工程设计、施工中存在的问题，把控施工进度，提高施工效益。但存在的主要问题是缺乏煤炭洗选行业BIM 技术标准，专业软件接口不融洽，软件接口标准不统一，煤炭洗选行业专用BIM 相关软件及模型亟待研究与开发。目前选煤厂智能化建设中鲜有围绕设计、施工到生产运维全生命周期进行三维可视化管理的研究与开发。同时三维可视化和大数据云平台深度融合也是选煤厂智能化建设和数字化转型面临的重要研究课题。

图 1 基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台整体架构Fig. 1 Overall architecture of 3D visualization management platform of intelligent coal preparation plant based on coal preparation information model

本文以BIM 技术为基础，针对BIM 仅仅考虑选煤建（构）筑物信息模型，不能满足智能化选煤厂建设需求的问题，对其进行改进，提出了选煤信息模型（Coal Preparation Information Modeling，CPIM），并将其应用到智能化选煤厂建设中。结合大数据云平台技术，设计了基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台，构建了煤炭洗选工程数据标准，实现了选煤设计、施工、生产运维全生命周期的数据接入、治理、存储、分析、共享。同时平台的软硬件实现了国产化适配，为煤炭洗选行业数字化转型与高质量发展探索了有效的实现路径。

1 基于CPIM 的三维可视化管理平台设计

1.1 CPIM 核心概念

GB/T 51212-2016《建筑信息模型应用统一标准》中将BIM 定义为在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称，简称模型。目前BIM 已经在建筑、石油化工、污水、公共事业等领域取得显著进展[9]。BIM 具体应用到煤炭洗选行业，选煤建（构）筑物只是选煤厂的一部分内容，与选煤密切相关的内容还包括选煤工艺、设备、供电、生产、煤质、节能环保等专业与业务范围，仅仅考虑选煤建（构）筑物信息模型，显然远不能满足选煤数字化转型的需要，也不能满足智能化选煤厂建设的需求，因此，在BIM 基础上对其进行重构，提出了CPIM，并对CPIM 的核心内涵进行了基本定义。CPIM 定义的范围包括设计、施工和生产运维3 个阶段，涵盖了可视化设计、数字化交付、施工管理、生产运维等业务内容，涉及了选煤土建、施工、工艺、设备、煤质、生产、安全、节能等系列专业领域。显然CPIM 不仅继承了BIM 的技术内涵，还结合了数字孪生技术，围绕智能生产，利用了大数据和人工智能技术。CPIM 核心概念的提出为智能化选煤厂三维可视化管理平台的构建研究与开发奠定了技术基础。

1.2 基于CPIM 的三维可视化管理平台设计

基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台由基础设施层、数据源层、基础平台、应用层和业务展示层构成，如图1 所示。

基础设施层由计算资源、存储资源、网络资源、系统软件和感知设备组成，是三维可视化平台的基础。

数据源层主要涉及选煤厂已有业务系统数据、物联网数据、BIM 数据和其他数据，是三维可视化平台的核心。

基础平台包括协议适配与内容解析层、CPIM 大数据子平台和BIM 三维引擎子平台。协议适配与内容解析层主要由多个功能接口来支撑非结构化数据的解析和存储，能够实现任务的配置、管理等。CPIM 大数据子平台主要由大数据资源池建设和数据支撑服务构成，能够实现数据共享交互、数据报表查询、知识图谱分析等服务，通过服务支撑多个业务应用，实现数据的资产化和数据资产的服务化，支持异构系统协同和能力复用。BIM 三维引擎子平台由CPIM 三维可视化、BIM 轻量化、编码数据挖掘、数据综合管理、全文检索、信息检验等模块构成，作为三维数字化基础平台，支撑选煤厂设计、施工、运行全过程三维可视化应用。

应用层主要由设计成果管理系统、建设管理系统、生产运行管理系统和移动端APP 构成，能够满足设计成果管理，辅助现场施工应用和生产运行过程中BIM 设备数字档案、设备虚拟拆解培训及相关可视化应用。

业务展示层主要通过大屏幕、PC、移动终端等将选煤各种基础数据、业务及监控信息进行综合展示，为管理者提供决策支撑。

在标准化建设层面，通过标准规范体系建设形成CPIM 数据标准，打通设计、施工、运维数据通道，实现数据贯通。信息安全方面，通过安全管理体系建设实现数据安全、系统安全，避免数据泄密、系统被篡改等。运维管理方面，通过运维管理体系建设，确保系统高效、稳定运行，降低故障发生概率。

2 平台关键技术

2.1 BIM 轻量化引擎关键技术

BIM 轻量化引擎技术是基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台实现的关键技术。通常BIM 数据量非常大，众多BIM 对象进行可视化处理时，必须解决数据量大与流畅性需求之间的矛盾[10]。以往BIM 技术往往在设计院使用，设计院为BIM 设计提供了性能较高的服务器，其CPU 和GPU 处理能力强[11-15]。若要将三维可视化应用在选煤现场，选煤厂一般不可能购买类似Bentley 这样的专业软件，也不可能为生产运维人员提供服务器级别的终端装备，因此，BIM 必须要突破轻量化引擎技术。

BIM 轻量化引擎技术的关键是对BIM 数据进行对象网格化处理。要创建网格，需将具有曲率的曲面转换为网格，网格的精度用近似为曲面的多段线表示，用网格表示的曲面精度需随确定的网格而变化。

BIM 轻量化引擎技术要实现多种工程文件格式在云端自动发起转换，完整保留原始信息，同时实现BIM 轻量化显示，可直接在浏览器上打开BIM，最大限度降低CPU/内存/GPU 开销。同时采取渐进式加载，大幅度提高BIM 三维几何数据渲染速度，并支持本地结构化储存，统一标准数据接口，快捷获取数据，为三维可视化选煤厂现场应用奠定基础。

2.2 CPIM 大数据子平台构建关键技术

选煤数据除了设计图纸数据外，还包括生产、设备、安全等在线传感器数据，也包括视频、管理文档等数据，如何实现设计、施工BIM 数据和生产数据高效融合是CPIM 大数据子平台构建的重要研究内容。CPIM 大数据子平台构建关键技术主要包括选煤厂流批融合处理技术、选煤厂多模态数据关联融合分析技术、选煤厂CPIM 数据模型管理引擎技术。选煤厂流批融合处理技术主要包括基于Flume的多源异构生产数据分层采集技术、基于OPC 接口的PLC 实时数据采集技术及数据采集标准化技术等，通过以上技术实现流数据和批数据采集处理的融合。针对选煤厂业务中海量多模态数据，通过模态数据间的关联融合分析来挖掘数据中隐藏的巨大价值，是多模态数据关联融合分析研究的主要内容，也是提高选煤厂数据利用效率、提升生产力的重要手段。针对多模态数据特性，开展多模态数据统一表征、知识图谱构建、知识存储与更新及知识图谱智能化应用等技术的研究。针对选煤厂数据统一标准与规范化管理需求，研究选煤厂CPIM 数据模型管理引擎技术，包括数据模型构建、数据治理标准化、数据质量控制及数据模型管理等技术。在CPIM 数据模型管理系统架构内，提炼全流程业务基本要素，建立面向领域的统一数据模型的描述方法；建立基于统一资源目录的信息资源存储和管理方法，实现对不同选煤业务场景的精准数据匹配。

2.3 CPIM 全生命周期应用关键技术

CPIM 全生命周期应用依据选煤厂生命周期工作流程，结合选煤厂生产现状，对选煤厂可行性研究规划、初步设计、分析、出图、预制、4D/5D 施工、施工物流、运营维护、翻新到拆除等全过程进行研究，并按照工作内容分为设计、施工和生产运营3 个主要阶段。CPIM 全生命周期应用也涵盖资产管理和设备运维管理，既包括保障设备稳定可靠运行的管理，也包括降低运营成本和增加收入的管理，体现选煤设备的物质运动状态和选煤资产的价值运动状态。CPIM 全生命周期应用包含了资产和设备管理的全过程，从设计（规划）、建设（安装）、生产（使用）、维修（轮换）、报废（拆除）等一系列过程，CPIM 全生命周期管理将综合考虑设备的可靠性和经济性，贯彻“一套数据，一个模型，一个平台”的全生命周期数字化管理理念。

借助CPIM 全生命周期应用关键技术，融合设计、施工和生产运行各类数据，实现信息共享，消除信息孤岛和数据壁垒，满足选煤厂全生命周期数字化应用需求。

2.4 煤炭洗选工程数字化建设标准体系构建

要实现煤炭洗选工程数字化转型和智能化选煤厂建设，煤炭洗选工程数据标准必须引起高度重视。煤炭洗选工程数字化建设标准体系从设备标志编码、三维设计、三维建模、三维交互、数字化交付、数据采集、数据治理、数据质量8 个方面对CPIM 进行定义和设计，以设计为源头，贯通施工、生产运行阶段，实现煤炭洗选工程全生命周期的数据共享。煤炭洗选工程数字化建设标准体系如图2 所示。

图 2 煤炭洗选工程数字化建设标准体系Fig. 2 Digital construction standard system of coal washing project

2.5 软件系统自主研发与国产硬件适配技术

鉴于目前国际环境，为避免卡脖子问题发生，必须要考虑平台软硬件的自主研发。基于开源系统，从底层开发，对各项软件技术做到自主可控；同时软件运行涉及到服务器、操作系统、数据库、中间件等4 类硬件，也要实现国产化适配。适配平台的基础计算系统包括国产芯片、操作系统和服务器，软件适配“麒麟”国产操作系统，硬件采用“飞腾”国产芯片，做到完全自主可控，安全可靠。

3 平台应用设计

以中煤集团某选煤厂为研究对象，基于CPIM 大数据子平台和BIM 三维引擎子平台，构建了CPIM全生命周期三维可视化应用平台，同时实现了硬件的国产化适配。平台设计了统一的系统门户，研发了设计成果管理系统、建设管理系统、生产运行管理系统，同时实现了移动端业务应用APP 与Web 端的业务联动和数据交互，并通过驾驶舱管理平台进行业务系统展示，如图3 所示。

3.1 设计成果管理系统

设计成果管理系统主要包括BIM 模型设计审核、BIM 模型交付管理、模型库管理和工程成果库管理。可实现可行性研究、初步设计、施工图设计、竣工图设计4 个阶段工程建设成果的快速自动交付、审核、展示、归集、共享等功能。

（1） BIM 模型设计审核。对项目的立项策划流程进行管理，包括项目的专业、人员、模型、图档资料等内容。同时对项目的立项策划流程、BIM 模型设计审核流程、资料接收流程进行管理，并对设计进度进行统计分析。

（2） BIM 模型交付管理。实现BIM 设备模型与设计图纸、文档等资料的关联，实现交付成果的导出（模型与设计资料及关联关系）、交付成果的网络服务发布、展示查询等。

（3） 模型库管理。模型设计完成后，可上传至设计成果管理系统，经过信息管理人员进行审核管理后，录入到模型库。设计人员可下载、查看模型库，并可对模型的上传和下载情况进行统计分析。

（4） 工程成果库管理。对项目的工程成果库进行管理，包括项目基本信息、项目成果模型、项目图档资料信息，可对项目成果进行添加、编辑、导出和删除。

图 3 CPIM 全生命周期三维可视化应用平台架构Fig. 3 Architecture of whole life cycle 3D visualization application platform based on coal preparation information model

3.2 建设管理系统

建设管理系统面向建设管理单位，实现选煤厂施工进度管理、施工数字档案建设、BIM 三维模型审查和施工现场管理。基于BIM 三维模型，集成计划管理工具，搭建选煤工程建设管理各类信息的汇聚中心。以选煤厂BIM 为核心，对工程进度、质量、环境等多方面的信息进行集中展示，提供一个直观、高效的一体化指挥及决策平台。

（1） 施工进度管理与模拟。利用BIM 技术对施工进度计划进行动态模拟，统计项目整体部署及配套资源投入状态，验证施工组织设计的可行性。跟踪不同分区的施工进展情况，自动分析发现进度偏差，预警关键路径变化情况，偏差预警信息推送至管理层。

（2） 建设档案管理。结合BIM，对施工现场相关的数字档案进行管理。工程竣工后，实现BIM 竣工图交付，并在BIM 中关联施工过程数据，对施工过程的进度、安全、质量等数据进行归档，形成BIM 施工数字化档案。

（3） BIM 三维模型审查。通过BIM 三维模型查看模块进行三方会审，根据风险预控措施，将风险点标注到实体模型，跟随进度展现不同等级的风险信息，在整体模型中标记风险密集区域，指导安全巡查与风险消缺，并可根据审查意见和建议，自动生成会议记录。

（4） 施工现场管理。通过施工现场管理模块将施工现场的摄像头与BIM 相关联，可在三维场景对摄像头的位置及属性信息进行直观展示，可根据需要随时查看施工现场监控信息，实现施工现场信息化管控。

3.3 生产运行管理系统

（1） BIM 数字档案管理。生产运行管理系统具有对各类工程、生产、业务数据进行管理的功能，能够基于BIM 对已有的数据进行关联性管理，能非常便利地查询到关联信息，包括设备编码、专业结构、文档类型（如工程文档、图纸、设备管理文档、厂商资料等）、检维修信息（如主数据信息、工单信息、维修记录等）、设备或部件的技术参数等。

系统具备数据模型三维可视化浏览功能，支持厂区外部及内部三维场景及关联数据的一体化、建筑信息查询与定位及主要厂房建筑结构展示，包括厂区构筑物三维实景模型、厂房内部BIM、设备点云模型、设备运行数据、文档类数据（如工程文档、图纸、设备管理文档、厂商资料等）、生产运维数据（如工单信息、维修记录等）、设备或部件的技术参数等。

（2） 设备资产管理。基于模型数据库及设备信息库，支持包括设备信息检索、设备仪表参数、状态查询及生产装置组态情况查询，实现生产设备实时数据有效共享和集中化管理，使工作人员能够及时查询并了解生产实时状况。

（3） BIM 维检管理。对设备维检进行统一管理，针对备件定期更换、清理、加固等检修工作和设备部位定期润滑保养工作，制定设备检修计划，到达系统创建时间，自动创建检修工单，从而提高设备消缺率和消缺质量，提高设备可用率和健康水平。

（4） BIM 工业网集成。对已有的仪器仪表数据，平台留有接口，可以接入平台并进行录入读取，包括压力、流量、液位、浓度、密度、灰分、温度及电动机转速等数据，平台可显示传感器实时数据，并对采集的数据进行实时处理，支持检索、查询、记录功能。当工作人员发现某仪表出现问题时可以及时处理，并且能够记录历史状态数据，以进行故障追溯。

（5） 三维地下管网管理。基于三维BIM 建设地下综合管线平台，通过对地表地形建筑、地下管线的三维建模，实现对选煤厂区电力、电信、燃气、排给水等综合管道信息的三维可视化管理，同时提供管线的查询、统计、分析等功能。

（6） BIM 巡检管理。基于选煤厂BIM 三维模型，融合二维码与移动端、多传感器融合及智能导航与自主运动规划等技术，建立集成现场检测与数据无线传输、信息双向传递、故障检测与预警等功能的智能巡检平台，提高巡检工作的集约化管理水平。

3.4 移动端业务应用APP

（1） 设计成果管理APP。主要与设计成果管理系统配套使用，用于查看设计成果的模型库和成果库，同时可进行流程审批和流程详情查看等操作。

（2） 建设管理APP。主要与建设管理系统配套使用，用于查看工程项目的进度，实现进度实时填报和施工档案的在线预览，同时可查看BIM 三方会审的计划。

（3） 生产运行管理APP 。主要与生产运行管理系统配套使用，可在移动端查询选煤厂的地下管网信息、设备档案信息、生产报表信息，同时可结合日常运维过程中的设备维检修和设备巡检功能，进行设备故障填报、巡检任务接收和巡检事件上传。

4 平台应用效果

4.1 平台应用界面

基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台在中煤集团某大型选煤厂的部分应用界面如图4-图7 所示。

图 4 煤炭洗选工程CPIM 全生命周期三维可视化管理平台门户入口Fig. 4 Portal entrance of CPIM whole life cycle 3D visualization management platform for coal washing project

图5 展示了选煤厂设计阶段模型审核与三维可视化界面，利于设计人员方便审查设计布局，以便优化设计。图6 展示了选煤厂施工阶段，特别是施工进度、施工安全等三维可视化管理与监管，实现施工安全、施工进度可控的可视化管理。图7 展示了选煤生产中对设备运行状态和健康预测等方面的可视化管理，从而保障选煤厂可靠高效连续生产。

从上述应用界面可看出，基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台实现了涵盖选煤厂设计、施工到生产运维全生命周期的三维可视化管理，打通了煤炭洗选行业的数据通道，并基于大数据分析，实现了选煤知识图谱对选煤设计、施工和生产运维的全面辅助管理，为煤炭洗选行业数字化转型和高质量发展奠定了技术基础。

图 5 选煤厂设计三维可视化管理界面Fig. 5 3D visualization management interface of coal preparation plant design

图 6 选煤厂施工三维可视化管理界面Fig. 6 3D visualization management interface of coal preparation plant construction

图 7 选煤生产运维可视化界面Fig. 7 Visualization interface of coal preparation production, operation and maintenance

4.2 平台优势

（1） 三维可视化管理平台体现了全生命周期特色，可对设计、施工、运营各环节进行有效数据采集、统一加工、存储、分析和应用。

（2） 基于BIM 轻量化引擎技术，三维可视化管理平台将设计、施工、运维数据进行可视化高效呈现，打造出了选煤厂展示的新模式。

（3） 三维可视化管理平台配套研发和编制了智能化选煤厂相关数据标准体系，为选煤厂数字化转型奠定了数据标准基础。

5 结论

（1） 基于BIM 引擎技术，提出了CPIM 核心概念，设计了基于CPIM 的智能化选煤厂三维可视化管理平台，分析了BIM 轻量化引擎、CPIM 大数据子平台构建、CPIM 全生命周期应用、煤炭洗选工程数字化建设标准制定和软件系统自主研发与国产硬件适配等平台实现的关键技术。

（2） 实现了面向选煤厂全厂级规模的数字三维模型轻量化技术，解决了BIM 数据量大、结构复杂带来的选煤厂现场使用难题。

（3） 围绕数据标准体系，提出了基础标准、应用标准、编码体系和数据关联融合体系，为选煤厂数字化转型奠定了数据标准基础。

（4） 基于CPIM 大数据子平台和BIM 三维引擎子平台，以中煤集团某选煤厂为研究对象，研发了选煤厂数字化设计成果管理系统、建设管理系统、生产运行管理系统，结合移动端应用，以三维可视化方式对选煤厂进行管理，同时实现了软硬件的国产化适配，构建了面向不同阶段选煤厂建设的全生命周期管理技术体系。现场应用表明：平台可以对选煤厂设计、施工、运行各环节进行有效数据采集、统一加工、存储、分析和应用，打通了煤炭洗选行业的数据通道，实现了涵盖选煤厂设计、施工到生产运维全生命周期的三维可视化管理，为煤炭洗选行业数字化转型和高质量发展奠定了技术基础。