研究的背景、意义及主要内容
背景
当今世界面临百年未有之大变局，变局之下既有挑战，也有机遇，随着中美贸易战、科技战的全面升级，以美国为首的欧美国家对华技术封锁将成为新常态。煤炭是我国主要能源，在一次能源生产和消费结构中占比将长期为60%左右，是我国能源供应安全保障的压舱石和稳定器。煤矿智能化是煤炭行业发展的必由之路和我国能源发展的战略， 是煤炭行业高质量发展的核心技术支撑，代表着煤炭先进生产力的发展方向。选煤厂作为煤炭生产加工和高效利用中不可或缺的一个重要环节，是实现清洁煤炭利用、节能降耗和可持续发展的基础和前提。
2020年3月印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中明确指出：推广新一代信息技术应用，探索建立国家级煤矿信息大数据平台，推进相关企业建立智能化大数据应用平台；要加强化标准引领，提升智能化基础能力，加快基础性、关键技术标准和规范修订，开展智能化标准体系建设专项工作；要加强基础理论研究与科技创新，实现关键核心技术自主可控。
BIM技术在建造过程中可提供精确的三维模型便捷虚拟施工指导，精确计划施工材料，进行可控阶段性成本控制，适用于选煤厂的全生命周期，能够解决多源异构数据融合建模、模数关联、设计数据的传递与交互等难题。在当前BIM软件和基于BIM的数字化平台以AV EVA、鹰图为代表的欧美厂商在能源行业占据大部分市场的背景下，需改变关键核心技术被西方国家垄断的现状。由此开展应用BIM技术建设智能选煤厂三维可视化管理平台研究，重点解决BIM技术在选煤应用领域的“卡脖子”问题。中国中煤能源集团有限公司（以下简称中煤集团）作为能源行业的国家队，深刻认识到数字经济和能源革命带来的严峻挑战及新常态下行业产业变革的紧迫性，决定以BIM技术为基础、选煤厂为试点，研发基于BIM技术的贯穿设计、施工、运维一体化应用的国产化管理平台。
研究意义及主要内容
传统工业的发展经历了机械化、电气化、自动化、信息化4个阶段，其发展速度已经不能满足如今迅速增长的社会需求。以大数据、云计算、物联网、人工智能等技术为代表的信息技术的进步，将工业生产带入了智能化时代。在过去近20 年里，能源数字化转型已经取得了一定成果，但煤炭行业起步较晚，目前仍处于智能化转型阶段，还未进入全面数字化转型阶段。在电网、石油化工领域，数字化转型虽已取得了一定的成绩，但对于国外企业的依赖程度较高，导致自主可控能力较弱， 也增加了被欧美国家限制发展的风险。在工业化经济向数字化经济转型过渡的大变革时代，数据成为驱动社会发展的新资源、新要素和新引擎。
同时，针对选煤厂智能化建设、管理、运维的需求，研发了基于BIM的大数据系统，大幅减轻选煤厂生产经营运维部门的工作量，实现了自动化、智能化和科学化的管理体系。BIM技术具有的可视化、协调性、模拟性、优化性等突出特点，能够真实地将建筑或工厂的外部规划和内部结构准确反映出来，构建三维实体，真实反映整个项目；更好地解决建设单位、设计单位、施工单位之间的协调沟通问题，实现对不同阶段和不同时间状态下的建筑，进行模拟配合设计、施工和进度管理，通过模拟提前发现影响不合理的施工布置，并对施工策划提出修改方案；提供建筑物的实际信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的实际信息。
借助BIM对施工组织的模拟，项目管理方能够直观地了解整个施工安装环节的时间节点和安装工序，并清晰把握安装过程中的难点和要点，及时排除矛盾,显著减少由此产生的变更单。BIM模型直观的表现力，也为机构和专业人员之间的交流减少了语言交流障碍。施工方也可以进一步对原有安装方案进行优化和改善，这些都有助于缩短施工时间，降低由于设计协调导致的成本增长，以提高施工现场生产效率和施工方案的安全性。
以技术国产化为立足点，进行自主创新研究，打造了自主可控的选煤厂工程CPIM全生命周期一体化管理平台，实现了国产硬件、操作系统、数据库等关键软硬件的适配，有效保护了企业数据安全，保障能源行业信息安全，并且逐渐替代数字化软件对于国外厂商的依赖，破解了能源行业在BIM应用数字化平台建设方面受制于欧美国家限制的问题，突破煤炭行业数字化核心技术，扩大内需加快国产水平，推动煤炭行业数字化转型，发展助力国家能源行业的“双碳”建设数字化转型。
关键技术突破与创新
完成了工业级BIM轻量化引擎、CPIM大数据平台构建及CPIM全生命周期应用、自主可控与国产化4项关键技术攻关。以BIM技术为基础，借鉴大数据和工业互联网等技术，立足于自主研发和软硬件国产化配套，研发了国内首个以国产轻量化BIM引擎、大数据、工程全周期应用等关键技术为支撑的煤炭洗选工程CPIM三维可视化全生命周期管理平台，创建了覆盖选煤厂设计、施工、生产运维的全流程管理模式，实现煤炭洗选行业设计、施工与生产运维全过程、全价值链的数据标准化、共享化、模型三维可视化、平台功能一体化、洗选业务全生命周期化、管理功能生态化、软硬件国产自主可控化的目标，主要创新点如下：
(1) 突破能源行业大型复杂工程协同所需要的BIM三维引擎技术。三维引擎性能指标达到1亿三角面片/40FPS，解决了BIM模型数据量大、结构复杂所带来的性能问题，以优异的交互体验促进大型能源工程全专业全流程的三维协同作业模式。BIM轻量化引擎平台浏览器端架构与引擎性能对比，如图1所示。
图1 BIM轻量化引擎平台浏览器端架构与引擎性能对比
(2) 建立了基于大数据的技术支撑平台（图2），实现了多源异构数据源共享交换和关联融合，构建了基于机器学习和人工智能的选煤知识图谱（图3），为综合运用知识融合与推理技术实现选煤生产管理智能语义搜索、关联查询、运行预警分析奠定了数据和知识基础（图4）。
图2 面向CPIM全生命周期的大数据采集融合分析与平台构建技术体系
图3 面向CPIM全生命周期的大数据采集融合分析的选煤厂知识图谱构建技术架构
图4 知识图谱在选煤厂设备状态监测及故障预警应用效果
(3) 面向智能选煤厂数据与业务需求，研发了基于CPIM的智能选煤厂全生命周期三维可视化管理基础平台，创建了覆盖煤炭洗选行业设计、施工、生产运维的全流程管理模式，构建煤炭洗选工程CPIM三维可视化全生命周期管理平台。煤炭洗选工程CPIM三维可视化全生命周期管理平台技术架构（图5）、数字化设计管理系统首页（图6）、数字化建设管理系统—进度管理与模拟（图7）、数字化生产管理系统—工程档案查询（ 图8）、数字化生产管理系统—工业网集成可视化（图9）、数字化生产管理系统—工艺管道孪生（图10）、数字化生产管理系统—3D仓位可视化（图11）。
图5 煤炭洗选工程CPIM三维可视化全生命周期管理平台技术架构
图6 数字化设计管理系统首页
图7 数字化建设管理系统—进度管理与模拟
图8 数字化生产管理系统—工程档案查询
图9 数字化生产管理系统—工业网集成可视化
图10 数字化生产管理系统—工艺管道孪生
图11 数字化生产管理系统—3D仓位可视化
图11 大海则、王家岭选煤厂国产设备及认证证书
(4) 进行了平台软件同“麒麟”国产操作系统、南大通用数据库和基于飞腾的“长城”国产服务器适配技术攻关（图12），实现了CPIM平台软件与底层基础国产软硬件的全面兼容，具有自主可控、安全可靠的优势。
难题攻克与解决方案
当前，在选煤厂数字智能化建设过程中缺乏对于选煤厂从设计到施工到运营业务过程综合应用管理的数字化手段，本项目立足BIM技术，为提高选煤厂智能化与数字化建设水平，将BIM技术优势与智能化、数字化技术相结合，研发“煤炭洗选工程CPIM三维可视化全生命周期管理平台”为研究目标，开展以下一系列研究和技术攻关工作。
(1）利用选煤厂三维模型格式解析与融合技术、三维模型对软硬件和网络资源使用算法、三维可视化算法以及三维模型数据信息的自组织算法， 突破基于Web的BIM轻量化技术，形成了面向煤炭行业复杂工程的工业级BIM三维可视化引擎。
(2）进行选煤厂流批融合处理技术、选煤厂CPIM数据模型管理引擎和选煤厂多模态数据关联融合分析等关键技术的研究，研发面向CPIM全生命周期的大数据采集融合分析与平台构建技术，构建了煤炭洗选工程知识图谱，形成全面支撑煤炭洗选工程智能化的数据服务。
(3）结合国家相关标准，进行煤炭洗选行业数字化标准体系建设，完成四类八项企业标准编制， 其中《煤炭洗选工程数字化交付标准》为中国煤炭工业协会团标，用于指导数字化选煤厂建设工作。项目以BIM模型为数据底座，创新BIM技术在煤炭洗选工程设计、施工到生产运营的关键技术，形成基于CPIM标准体系的煤炭洗选工程全生命周期应用新模式实现了煤炭洗选工程从设计、施工到生产运维的全生命周期三维可视化管理。
(4）面向自主可控，进行国产化软硬件适配攻关，研发CPIM煤炭洗选工程全生命周期三维可视化管本项目以实现自主可控为底线，数据安全为红线，BIM应用为核心，在王家岭及大海则选煤厂生产运行系统应用，该系统不仅打通了设备从入库到报废的整个管理流程，同时对设备的预测性维护更可以在早期获得故障的诊断结果，有利于现场设备维护和避免非计划停产带来的损失， 初步预估，被监测的设备故障率降低10%以上。通过基于知识图谱的设备故障预警，实现机电装理平台，形成了自主可控的国产BIM应用基础软件。
应用效果与推广前景
应用效果
本项目以实现自主可控为底线，数据安全为 红线，BIM应用为核心，在王家岭及大海则选煤 厂生产运行系统应用，该系统不仅打通了设备从 入库到报废的整个管理流程，同时对设备的预测 性维护更可以在早期获得故障的诊断结果，有利 于现场设备维护和避免非计划停产带来的损失， 初步预估，被监测的设备故障率降低10%以上。 通过基于知识图谱的设备故障预警，实现机电装备状态感知、分析、推理、诊断和决策的一体化运行工况监测与故障智能预警，将故障消除在萌芽状态，优化设备运行环境，保证系统长期可靠运行，运行周期提升15%以上，创造了较好的经济效益。
推广前景
据统计，目前国内已建成选煤厂约2000 余座，绝大多数尚未完成智能化升级改造，数字孪生和BIM技术应用较少，智能选煤厂三维可视化管理平台以BIM技术进行选煤厂全周期建设运维的优势明显，市场前景较好。实现了煤炭工程全要素、全生产链、全价值链的新型数据采集标准和治理体系，支撑煤炭工程进行基于BIM全生命周期管理的业务应用，为选煤厂高质量发展提供数字化支撑， 在数字化转型方向上引领煤炭行业技术创新, 推动煤炭行业数字化转型发展。
阅读原文：http://www.chinacaj.net/i,2,467920,0.html?stem_from=lastest
