基于BIM和GIS的数字孪生钢厂建造与安全管控关键技术研究及应用

来源：冶金智造安全

在工业4.0时代，数字孪生是加速制造业数字化转型的关键使能技术，工业和信息化部印发的《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》与《“十四五”智能制造发展规划》等文件中，提出：要推动智能制造、绿色制造示范工厂建设，构建面向工业生产全生命周期的数字孪生系统，探索形成数字孪生技术智能应用场景。同时，国家高度重视安全生产工作，发布了《“十四五”国家安全生产规划》，要求：大幅提升重大安全风险防控能力，加强重点行业领域企业安全生产风险监测预警系统建设。

当前，随着钢铁行业智能制造的不断深入，数字化、智能化水平得到快速提升，但仍存在以下问题：钢铁企业各系统相对独立，数据融合与信息集成度不够高，生产过程不透明，缺乏支撑钢铁企业智能制造全要素、全流程、高精度的数字底座；在钢铁企业安全管控方面，高温熔融金属和煤气的安全环节多、风险大、防控难，亟需进一步提高智能化监管水平。

基于以上政策背景与行业现状，本成果基于BIM和GIS打造了数字孪生钢厂，实现了静态展现到动态感知的转变以及虚拟场景与现实环境的实时协同联动，为安全管控提供生动的三维仿真场景，提高安全管控的效率，同时也为钢铁企业的能源、环保与物流等智能制造提供全要素、全流程、高精度的数字底座；另一方面：基于真实、精准、动态、客观的全流程生产安全数据采集与分析，研究构建了钢铁企业高温熔融金属与煤气安全风险智能管控技术，研发了液态金属安全管控平台和煤气安全管控平台，实现“以数据为中心”的智慧化管控方式，确保安全风险管控实现全面覆盖、全局联防。

基于实时动态数字孪生体构建、三维模型云端实时渲染、物联网、室内外一体化定位等技术，开发数字孪生基础平台，建立钢铁企业总部、基地级、产线级、设备级的数字孪生钢厂，并以钢铁企业重大安全风险管控为主线，研究高温熔融金属与煤气安全管控关键技术，构建钢铁企业高温熔融金属与煤气安全智能管控技术体系，研发高温熔融金属安全监管可视化平台与液态金属安全可视化平台，从而推动钢铁企业安全生产从“静态分析”向“动态感知”、从“事后应急”向“事前预防”、从“单点防控”向“全局联防”的转变，提升钢铁企业本质安全管控水平。

图1总体思路

针对钢铁企业工艺多、流程长、现场复杂的难题，融合BIM、GIS与IOT等多源数据，研究并实现基于数据驱动的实时动态数字孪生体构建技术，成功建立了精准复刻、虚实同步的虚拟钢厂；针对厂区难以实现室内外一体化无缝定位、定位精度不高、数据易缺失等问题，研发了室内外一体化的高精度定位技术及装备，建立了定位大数据的自动匹配与补全模型，实现北斗与UWB相融合的室内外一体化定位，定位精度达到厘米级；同时，基于面向海量数据的三维模型云端实时渲染技术，研发了数字孪生基础平台，为高温熔融金属与煤气安全可视化管控提供全要素、高精度的全厂数字基座。

首先，研发了高温熔融金属转运安全监控预警与防倾翻技术装备，解决了传统线性系统理论无法彻底解决熔融金属吊运系统非线性和时变性控制难题，实现了最大摆角控制在1°以内、频率不大于 0.1 Hz；其次，研究了复杂场景下安全风险的图像智能识别方法及安全预警技术，实现了天车吊钩与铁水包耳轴就位、铁路交通岔口障碍物、危险作业区人员穿戴等智能识别及预警；然后，研发了高温熔融金属安全监管可视化平台，实现了熔融金属生产全过程安全管控与作业场景实时动态可视化。

钢铁企业厂区范围广，煤气作业频繁、风险因素多，全面监管难度大，因此，研究了煤气安全风险智能监测与煤气作业人员的安全防控技术，提出了网格化管理机制，建立了煤气全区域全流程安全风险智能监管体系，开发了煤气安全监管可视化平台，解决了煤气管网风险因素全流程智能监控问题与煤气作业人员安全管控问题，实现了煤气发生、输送，再到煤气利用的全过程全流程监管与可视化。

 图8 煤气安全风险因素分析

1、本研究成果已在宝武集团鄂城钢铁有限公司（简称鄂钢）新建全厂可视化系统项目中得到成功应用与推广，并助力鄂钢成为全国冶金行业第一家建成安全可视化平台系统的企业。自项目投运以来运行正常，利用地理空间信息技术、视频监控技术、物联网技术、定位技术等，1：1建模渲染打造全厂室内外、地上地下一体化的高精度全要素三维数字孪生体，展示效果逼真流畅。一方面基于能介管网可视化系统以直观高效的方式实现对全厂能介管网的可视化管控，包括全厂能介管网可视化展现、煤气系统和水系统等的可视化动态监测和煤气作业安全管理，另一方面利用液态金属可视化系统的机车定位、机车轨迹回放、铁水运输时间自动统计功能，为液态金属运输调度计划提供决策依据，优化铁水运输效率。

 图11 鄂钢液态金属总线三维动态展示

2、本成果亦在昆明钢铁控股有限公司（简称昆钢）总图信息化与重大安全智慧监管系统项目中得到全面应用。基于本成果中时空大数据子平台所提供的二、三维地图数据和相关功能接口共享服务，可为后续环保、能源、消防、物流等各类智慧制造应用提供数据支撑和可视化支撑，避免重复投资；实现了对煤气工艺总线与液态金属工艺总线生产现场“所见即所得”的实时监管，通过标定生产工艺当前的重点监管区域（薄弱环节），实现异常情况及时报警，并动态调用周边视频信号，便于远程调度和处置。该成果的成功应用，实现了昆钢安全生产由被动防范向源头管理、主动管理的根本性转变，提高昆钢的整体安全预警体系能力和监控管理水平。

3、成果部分关键技术陆续成功被推广到宝钢德盛、宁钢、韶钢、湛钢、宝钢等多家同类企业中，自2019年起，陆续实施了宝钢德盛智慧能介运行可视化平台、宝钢德盛总图及时空信息基础平台、宝钢德盛煤气阀门远程自动化改造、宁钢总图信息化及智慧物流管控系统、宁钢智慧环保管控系统、韶钢涉煤气作业安全管控系统、韶钢时空信息基础平台、韶钢智慧消防改造之火灾自动报警系统、湛江钢铁地理信息共享服务平台、湛江钢铁超低排无组织排放监测设施及功能提升改造、宝山基地地理信息基础服务平台、宝山基地三维总图数字化建设等项目，服务于各企业安全监管领域与企业信息化、数字化建设。本成果于2022年通过中国钢铁工业协会科技成果评价，经鉴定达到国际先进水平。依托该成果，授权专利11项，受理专利8项，完成软著14项，发表论文10篇，参编标准2项。同时，成果在昆钢的应用案例，入选了钢协2022年度“智能制造优秀解决方案推荐目录”。