第一

礦山設備管理多處于局部管控階段，缺乏全生命周期規(guī)劃，系統(tǒng)信息難以共享協(xié)同。研究基于BIM和GIS技術設計礦山設備全生命周期管理平臺，可實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)共享、實時參數(shù)采集、可視化管理等功能，涵蓋了設備選型設計到運維各階段。系統(tǒng)應用于巴拉素煤礦后，實現(xiàn)了設備信息化管理，建立部分BIM模型，推動維修模式轉變。礦山設備全生命周期管理平臺可幫助管理人員掌握設備狀況、減少事故隱患、延長設備壽命、控制采購成本、提高經(jīng)濟效益。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“學術園地”欄目

第一作者：王春剛，高級工程師，現(xiàn)任陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司副總經(jīng)理、總工程師，主要從事煤礦項目工程管理及智能化建設的相關工作。E-mail：420842970@qq.com

作者單位：陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司；北京龍軟科技股份有限公司；北京大學城市與環(huán)境學院

引用格式：王春剛，李川，陳金川，等. 基于BIM和GIS 的礦山設備全生命周期管理平臺研發(fā)及應用[J].智能礦山，2025，6(3)：57-63.

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礦山設備安全高效運行是礦山企業(yè)生產(chǎn)運營的生命線，當前我國大多礦山設備管理信息化處于設備生命周期階段性和局部管理，缺乏全生命周期的總體規(guī)劃?；贐IM和GIS的礦山設備全生命周期管理平臺滿足礦山全方面、全流程、全天候掌握各類設備運行情況，提高礦山設備管理水平和生產(chǎn)效率、減少設備故障和事故發(fā)生。

礦山設備全生命周期管理平臺建設目標

礦山井下設備長期處于低溫、潮濕、灰塵的惡劣環(huán)境，損耗率高，管理和故障監(jiān)測難度大，運行過程中安全隱患和事故率超過地面設備。結合礦山設備管理需求，礦山設備全生命周期管理平臺應具備3個方面功能。

（1）建立一套完整的設備規(guī)劃設計、采購管理、安裝拆除管理、設備維護保養(yǎng)管理、檔案管理、造價管理、報表自動輸出的設備數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)，制定一套標準化作業(yè)流程，規(guī)范設備信息存儲格式和編碼，滿足統(tǒng)一管理全礦設備二三維模型在BIM建模過程中直接調用，提高設計效率。

（2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術，采集設備實時參數(shù)，建成設備全生命周期靜動態(tài)一體化的數(shù)字孿生管理平臺，實現(xiàn)各部門間信息共享和協(xié)同工作，隨時查看設備各階段運行狀況和零部件性能信息，提高設計、生產(chǎn)、施工、運營各階段效率，減少因操作不當引起的設備故障和事故，節(jié)約維修成本、縮短維修周期。

（3）基于BIM和GIS技術開發(fā)設備全生命周期可視化平臺，構建集成設備全生命周期管理各階段的功能模塊，整合BIM三維模型等所有數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)查詢與應用，包括井下設備布置、設備全生命周期數(shù)據(jù)信息、設備運行狀態(tài)展示、設備維修預警等，形成網(wǎng)絡化、分布式的綜合管理系統(tǒng)。輕量化BIM模型實現(xiàn)多種便攜終端應用，具備二次開發(fā)接口，為將來拓展功能提供基礎。

礦山設備全生命周期管理內容和架構

2.1 礦山設備全生命周期管理內容

礦山設備管理主要包括井上設備和井下設備管理。井上設備主要為礦區(qū)地面工業(yè)建筑內設備，井下設備管理包括礦山井下輔助生產(chǎn)的4個主要配套系統(tǒng)（礦井通風機設備系統(tǒng)、礦井提升機設備系統(tǒng)、礦井排水設備系統(tǒng)及井下空壓機設備系統(tǒng)）、運輸設備系統(tǒng)、采掘及掘進設備、支護設備、供電及電器設備等。礦山設備全生命周期管理分為設備選型設計、設備采購、設備安裝和設備運維4個階段。

（1）設備選型設計是指根據(jù)多種因素選擇合適設備。正確選型設計可降低能耗，提高生產(chǎn)效率，保障礦山安全生產(chǎn)。

（2）設備采購是設備造價管理，錄入采購計劃、實際采購情況并計算成本，估算整體投資、分析收益和風險，掌握設備采購費用變化，及時發(fā)現(xiàn)超預算問題。

（3）設備安裝是指模擬安裝相關設備，保證礦井設備精確安裝和定位，優(yōu)化場地布置，針對實際安裝過程中出現(xiàn)的問題，及時調整方案并反饋至管理平臺，與各方共享信息，合理安排安裝進度。

（4）設備運維是指通過便捷高效的信息化平臺管理，實時獲取煤礦設備運行狀況等動態(tài)數(shù)據(jù)信息，及時發(fā)現(xiàn)設備故障，縮短設備故障定位時間，提高故障檢修效率，通過模擬礦山設備故障問題對工作人員進行安全培訓，規(guī)范操作流程、降低故障發(fā)生率。

2.2 礦山設備全生命周期管理平臺架構

礦山設備全生命周期系統(tǒng)全方位管理礦山設備設計、出廠、安裝、維保等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)井下裝備使用過程可管控、運行狀態(tài)透明化、維修服務專業(yè)化、質量問題可追溯的全生命周期管理，主要包括B/S端管理系統(tǒng)和移動端。B/S端主要是數(shù)據(jù)錄入、日常數(shù)據(jù)管理，移動端主要用于全生命周期數(shù)據(jù)的查詢及井下數(shù)據(jù)獲取，采用底層三維引擎層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層4層架構，礦山設備全生命周期管理平臺架構如圖1所示。

圖1 礦山設備全生命周期管理平臺架構

礦山設備全生命周期管理平臺關鍵技術

3.1 基于Revit和UE4的可視化平臺

采用Revit技術解決礦山設備的全生命周期管理、三維標準建模以及協(xié)同作業(yè)等問題；UE4用作礦山設備全生命周期管理可視化技術平臺。UE4為全生命周期管理平臺的B/S版本和移動版本開發(fā)提供基礎技術支持，實時將云服務器渲染后的畫面?zhèn)鬏斨量蛻舳恕；诘V井5G和WiFi6全覆蓋技術，二次開發(fā)數(shù)據(jù)接口可快捷導入礦山設備數(shù)據(jù)進行實時交互。基于UE4引擎構建的礦山設備全生命周期管理平臺滿足全面實時高效的運行監(jiān)測、故障診斷分析以及預警響應。

3.2 BIM礦山設備和GIS地理信息融合數(shù)據(jù)標準

空間管理系統(tǒng)基于GIS開發(fā)，用以獲取、保存、管理、分析地理信息，展示三維模型和地理位置，但無法獲得和管理詳細的內部信息；BIM以三維實景方式整合對象內外部信息、圖形和非圖形信息，建立信息模型。GIS與BIM技術結合可建立完善的礦山設備全生命周期管理平臺，實現(xiàn)動態(tài)更新、實時交互的多部門、多專業(yè)、多層面空間業(yè)務數(shù)據(jù)和機電設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的集成管理與可視化展示。

以掘進工作面配套設施為例，設計選型包括錨桿、鐵絲網(wǎng)等支護設施以及其他井下掘進設備、電路系統(tǒng)、通風管道等，掘進設備包括掘進機、掘錨機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、錨桿轉載機、裝載機等。設備BIM模型精細化程度高，三角面片數(shù)量共計38.5萬個，頂點數(shù)量43.6萬個，部分井下設備模型如圖2所示。

圖2 部分井下設備模型

陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司（簡稱巴拉素煤礦）BIM三維模型導入UE4引擎可視化，進行標準化處理主要包括6個方面。

（1）以標準格式提交模型，并將構件信息補充完整，以便后期在UE4引擎中進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理和信息管理，建模時選用的族類別與其對應專業(yè)相同，嚴格按照圖紙說明進行系統(tǒng)創(chuàng)建和分類。

（2）規(guī)定BIM模型架構、精細度、單元分級，精細度分為4個等級，模型單元分級見表1。

表1 模型單元分級

（3）命名規(guī)則和顏色設置規(guī)則應根據(jù)項目和對象特征命名，簡潔、易于辨識、符合常識，同一項目中表達相同設備對象的模型單元命名和顏色設置應具有一致性，并遵守相關規(guī)定。

（4）做好版本管理，設備模型交付時的文件夾類型中要標識版本號，以便根據(jù)應用類別存檔管理設備模型。

（5）模型應包含模型單元幾何信息及幾何表達精度、單元屬性信息及信息深度等，幾何信息表達包括空間定位、空間占位和幾何表達精度；根據(jù)需求選取合適信息深度體現(xiàn)模型單元屬性信息。

（6）規(guī)范化建模，模型繪制應按照一定順序和規(guī)則，統(tǒng)一各階段材質，嚴格按照設備圖紙及現(xiàn)場實際情況進行；根據(jù)不同模型單元分級的項目級、功能級、構件級和零件級，對各類設備系統(tǒng)按照精細度等級規(guī)定進行分類建模。

通過GIS提供的實時更新空間信息定位設備模型，整合BIM模型，集成監(jiān)控監(jiān)測、人員定位等實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于GIS和BIM技術的礦山設備全生命周期信息集成應用，實現(xiàn)礦山設備數(shù)據(jù)管理，為智能開采遠程井下設備巡檢和可視化控制提供技術保證。

3.3 礦山設備運行監(jiān)測與故障分析診斷

研究煤機裝備實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)集成、傳輸技術及設備運行數(shù)據(jù)智能分析和遠程動態(tài)診斷技術，集成在線監(jiān)測和視頻監(jiān)控信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、遠程控制、智能報警與聯(lián)動，實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)，并進行智能分析和動態(tài)診斷，為用戶提供及時、智能、準確、高效的服務反饋和故障評估預測，提升設備使用效率。

（1）設備運行監(jiān)測

礦山設備故障監(jiān)測是利用點檢系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)等，根據(jù)設備開停、輸出參數(shù)變化、設備振動或聲響異常、溫度過熱、磨損殘留物激增、表面裂紋、工作電流電壓及軸承轉速異常等特征判斷設備的運行狀況。

通過接入礦山設備的監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)，運用故障診斷及預警分析模型分析數(shù)據(jù)，實時智能診斷設備故障原因、類型、嚴重程度，及時發(fā)現(xiàn)設備潛在故障風險，實現(xiàn)機電設備的故障預測預判功能；結合不同類型設備配件損耗情況，提前發(fā)出維修、更換、保養(yǎng)預警，指導機電業(yè)務人員按時有序地完成，減少設備故障率，提高設備生產(chǎn)效率。

（2）故障分析診斷

重大設備運行監(jiān)測和動態(tài)診斷系統(tǒng)，分析機電設備運行時間及效能，提供避峰填谷分析方案，診斷和評估預測機電設備故障，進行全生命周期管理分析和系統(tǒng)智能派單維修或維護；自動生成各類診斷報告和報表，實現(xiàn)任意圖譜的自動添加和編輯，為設備人員出具設備故障診斷報告和日常報告提供決策支持，巴拉素煤礦基于BIM模型的設備運行監(jiān)測界面如圖3所示。

圖3 巴拉素煤礦基于BIM模型的設備運行監(jiān)測界面

（3）虛實結合的數(shù)字孿生系統(tǒng)

礦山設備全生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)是通過仿真與可視化技術建立設備和場景的三維模型，形成虛擬空間模型與物理空間實體之間的映射反饋，利用三維可視化平臺獲取礦山設備實時運行數(shù)據(jù)和精確信息，通過實時數(shù)據(jù)共享、人機界面、智能分析等，實現(xiàn)對礦山設備全工作流程的實時精確模擬和分析，滿足設備作業(yè)中的每個動作和整個工作流程、物理空間實際場景與對應虛擬空間的虛實交互，實現(xiàn)了礦山設備的遠程可視化實時監(jiān)測與操作、健康狀況評估、故障診斷與預警等功能，虛實結合的礦山設備數(shù)字孿生技術框架如圖4所示。

圖4 虛實結合的礦山設備數(shù)字孿生技術框架

礦山設備全生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)主要利用故障特征的提取與消除、故障過程建模與原因分析、實時數(shù)據(jù)模型預測、參數(shù)動態(tài)調整、礦井圖像重構為映射、5G高速通信等技術，實時采集設備運行數(shù)據(jù)，驅動虛擬場景進行同步，直觀展示監(jiān)測整體設備運行狀態(tài)；對監(jiān)測系統(tǒng)進行二次開發(fā)，接入MATLAB、ADAMS、ANSYS、AMESim等工程分析軟件處理分析數(shù)據(jù)；利用局域網(wǎng)協(xié)同技術，分布式處理設備實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，各監(jiān)測主機實時分享和同步狀態(tài)，減小網(wǎng)絡壓力，實現(xiàn)了實時監(jiān)測與故障分析診斷。

3.4 跨平臺多系統(tǒng)全流程協(xié)同管理

研究基于SOA和微服務架構的系統(tǒng)集成和業(yè)務協(xié)同相關技術，開發(fā)礦山設備全生命周期管理平臺為跨平臺的數(shù)據(jù)和過程的協(xié)同管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝備制造與服務全業(yè)務、全流程的管理，縮短生命周期，降低成本，提高產(chǎn)品與服務質量。

（1）異構應用系統(tǒng)集成

礦山設備全生命周期管理系統(tǒng)是集成現(xiàn)有應用系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的同步更新，實現(xiàn)了全流程管理、業(yè)務協(xié)同?；赟OA體系結構開發(fā)數(shù)據(jù)服務，建立數(shù)據(jù)交換共享平臺，實現(xiàn)了與CAD、ERP、OMS等系統(tǒng)的集成。

（2）全流程業(yè)務協(xié)同管理

設備通過統(tǒng)一編碼管理、供應商管理、設備采購管理、智能倉儲管理、資產(chǎn)管理、設備運維管理、備件管理、設備報表管理、共享業(yè)務流程管理等，實現(xiàn)了生產(chǎn)廠家和使用單位的設備統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)全流程管理，各企業(yè)設備信息按照統(tǒng)一編碼標準聯(lián)網(wǎng)到云數(shù)據(jù)中心，并在數(shù)據(jù)制造廠商和用戶間共享，為設備采購、調撥和租賃使用提供指導；設備全生命周期管理標準，實現(xiàn)設備維修、故障、報廢的預測、預警、預報提示功能。

3.5 移動互聯(lián)網(wǎng)的智能終端

礦山設備全生命周期管理系統(tǒng)是服務化、協(xié)同化、分布式的數(shù)據(jù)及業(yè)務管理基礎平臺，移動終端與全生命周期管理平臺無縫集成。基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能終端及遠程診斷實現(xiàn)了在線設備巡檢、井下設備日檢及專家遠程診斷。智能終端APP實現(xiàn)移動端設備全生命周期管理，設備質檢全部使用手機端在線報檢、質檢及信息查詢；煤礦井下采煤工作面、掘進工作面日常班組設備檢查采用防爆手機現(xiàn)場完成。

礦山設備全生命周期管理系統(tǒng)應用

巴拉素煤礦設備全生命周期管理系統(tǒng)建設涵蓋了設備全生命周期管理各階段，并延伸到設備資產(chǎn)管理、設備運行管理、備品備件管理，具體建設內容包括5個方面，巴拉素煤礦設備全生命周期管理平臺界面如圖5所示。

圖5 巴拉素煤礦設備全生命周期管理平臺界面

（1）建立并完善設備臺賬體系，構建從設備規(guī)劃、選型、購置、安裝、使用、維護、維修、改造、更新等過程的全生命周期閉環(huán)管理。

（2）建立設備清單檢修、潤滑標準、計劃、工單執(zhí)行閉環(huán)管理；建立有效的計劃、工單控制體系，提高設備檢修效率和質量，降低設備維修成本；并對檢修人員工單進行績效管理；建立故障缺陷的上報、處理、維修、到驗收的閉環(huán)管理，統(tǒng)計分析設備故障類型；提供設備技術資料管理、維修臺賬管理、故障知識庫管理，指導設備維修工作。

（3）建立大型設備運行管理、運行監(jiān)測和故障診斷，對主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)設備健康狀況、負荷率、故障停機率、能源消耗等指標進行智能分析；并集成安全生產(chǎn)管控平臺，通過接口提供設備健康狀況、設備臺賬、點巡檢和設備分類等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了BIM+GIS的設備運行展示，巴拉素煤礦基于BIM礦山設備監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 巴拉素煤礦基于BIM礦山設備監(jiān)控界面

（4）實現(xiàn)了H5移動端功能，維修人員利用手機移動端對設備快速點巡檢、失爆工單填報、設備缺陷上報、設備維修填報，方便用戶操作。

（5）實現(xiàn)了設備主數(shù)據(jù)管理，包括設備基本信息、技術參數(shù)信息、隨機備品備件、設備點檢標準、設備故障分類、設備分類、設備位置、文檔數(shù)據(jù)等基礎數(shù)據(jù)規(guī)范的建立，促進數(shù)據(jù)共享。

巴拉素煤礦使用該系統(tǒng)管理井下設備以來，實現(xiàn)了全部設備的信息化管理，建立了部分設備BIM模型，具有完善的設備及其歷史信息跟蹤功能，將設備維修由現(xiàn)在的事后維修和定期預防性維修，逐步向設備全員生產(chǎn)維修、狀態(tài)維修和健康管理模式過渡，提高設備可靠性，降低故障性停機比率，減少事后維護的成本，提高工作效率。

結語

融合BIM和GIS構建了基于三維數(shù)字技術的礦山設備全生命周期管理平臺，巴拉素煤礦的應用實踐表明設備采購成本控制更加經(jīng)濟可靠，基于三維技術的設備模擬安裝功能簡捷有效，設備故障診斷分析實現(xiàn)了實時有效診斷，移動端系統(tǒng)井上井下同步使用，提高了設備管理效率。

基于BIM和GIS的礦山設備全生命周期管理平臺目前還在處于技術攻關階段，未來礦井設備的全生命周期管理真正實現(xiàn)煤礦設備使用過程可管控、質量問題可追溯、運行狀態(tài)透明化、維修服務專業(yè)化，保證煤礦項目高效、穩(wěn)定、安全運行，為智能開采、智慧礦山建設提供支撐。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

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月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

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