一种BIM结合GIS的数字孪生长距离管带机的建模方法与流程

本发明提供了一种bim结合gis的数字孪生长距离管带机的建模方法，属于管带机建模。

背景技术：

1、常见的内陆矿物运输方式包括公路运输、铁路运输和带式输送机运输等。公路运输虽然机动灵活，但受制于其环境污染严重、运输能耗高、成本高效率低和运输能力不足等缺点，已经不是一个可行的选项。铁路深入矿区设站工程代价太大，而且铁路运输投资高建设周期长，同时会压占大量矿物资源。因此仅考虑带式输送机运输方式。

2、带式输送机按结构形式又分为普通直线带式输送机、普通曲线带式输送机、管状带式输送机等。

3、普通直线带式输送机虽然结构简单，但由于线路地形复杂、河沟落差大导致输送角度大，受爬升角度和平面转弯半径制约，普通直线带式输送机转载环节过多、施工难度极大、造价高、性价比相对较低。如果采用普通曲线带式输送机，平面转弯半径最小能达到约200倍带宽，能解决崎岖山地平面转弯的问题，但立面倾角不能超过16°，而且在野外布置露天皮带机还必须单独考虑通廊封闭的问题。

4、管状带式输送机可以实现线路在空间的水平和立面弯曲布置，平面转弯半径最小能达到约1000倍管径（约300倍带宽），倾角最大能达到36°，更能适应复杂的地形条件，支撑管状带式输送机的钢结构的桁架与设备为一整体，整体结构相对简单轻便，便于实现且经济合理，与普通带式输送机结合通廊的结构相比更为经济实用。设备运行时产生噪音较小，输送带与托辊等部件使用寿命相对较长。更为重要的是管状带式输送机的输送带成管特性，使散料得以在密封管内输送，没有粉尘的扩散，有效的避免了散料飞尘和撒落对环境的污染，且保证了操作人员的工作环境清洁、卫生。

5、bim（building information modeling）技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥了重要作用。

6、地理信息系统（gis）是一个创建、管理、分析和绘制所有类型数据的系统。gis将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起。这可以为适用于自然科学和几乎所有行业的制图和分析提供基础。gis帮助用户了解模式、关系和地理环境。其优势包括改善沟通、提高效率以及更好地管理和决策。

7、数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

8、承载和回程分支的输送带卷曲成管形的带式输送机。它是一种兼有管道输送和带式输送的新型输送机，具有输送倾角大，曲率半径小，机身横截面积小，三维空间弯曲输送，输送带不跑偏，便于输送线路布置、维护、管理等优点。

9、管状带式输送机（简称管带机）与普通带式输送机采用完全一样的输送原理，即采用输送胶带作为传力和物料的输送载体；所不同的是，普通带式输送机物料在形成平形或槽形截面的胶带上进行输送，而管状带式输送机是由呈六边形的托辊把胶带裹成边缘互相搭接的圆管，使物料在形成管状截面的胶带内进行输送。

10、密闭输送物料、布置灵活、生产效率高、运营成本低，最重要的是管状带式输送机是一种绿色节能环保的输送方式。

11、管带机因为一般应用在长距离散状物料连续运输领域，在方案设计阶段，需要投入大量的人力物力财力对选址、线路走向等进行布置设计，这往往需要经过现场勘测和测绘设计，才能比较准确地掌握现场地形、周边公路、铁路、河流、基本农田、村庄分布等信息，而一般项目在可行性研究论证之前很难实现如此大的投入。

12、而且因为管带机线路较长，即使经过勘测、初步设计后，在后续设计或施工过程中难免会遇到线路调整的情况，线路调整后，往往管带机设计要重新开始，比如勘测范围变化，地形变化，相应地运输工艺调整，配套辅助专业调整，比较影响设计进度和效率。

13、设计过程中由于涉及的专业较多，包括总图专业、机制专业、土建专业、电气专业、水暖专业，各个专业需要相互配合协同设计，但很难实现设计信息的实时沟通。

14、同时，管带机竣工投入使用后，因为管带机线路较长，沿线管理和维护检修不便。

技术实现思路

1、本发明为了解决目前管带机设计过程复杂、管理和维护不便的问题，提出了一种bim结合gis的数字孪生长距离管带机的建模方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种bim结合gis的数字孪生长距离管带机的建模方法，包括如下步骤：

3、s1：确定管带机设计线路的基础资料；

4、s2：在gis软件中初步确定管带机的线路走向；

5、s3：利用gis软件获取数字地图影像以及数字高程模型dem，并将两种图层叠加；

6、s4：利用gis软件在数字地图影像与数字高程模型dem叠加好后的图层上绘制管带机的具体线路矢量图，得到管带机理论中心线的水平投影线；

7、s5：将上述所有图层利用gis软件由地图软件所使用的横轴墨卡托投影经纬度坐标转换为工程所使用的高斯克吕格投影2000国家大地坐标系坐标；

8、s6：利用gis软件将数字高程模型dem转换为地形等高线矢量图，得到管带机水平投影线与地形等高线的各交点的坐标、高程数据，绘制沿管带机水平投影线展开后的地形断面图，得到地形折线图；

9、s7：在得到的地形折线图上绘制管带机的理论中心线剖面图；

10、s8：在管带机的理论中心线剖面图的基础上根据倾角α将管带机划分为n段，根据每段的张力分布来确定管带机每个部件的型号以及参数；

11、s9：将步骤s3得到的数字地图影像和数字高程模型dem、步骤s4得到的管带机理论中心线的水平投影线、步骤s7得到的管带机理论中心线剖面图导入bim三维建模软件，得到管带机理论中心空间曲线与实体三维地形模型，在此基础上利用bim三维建模软件建立管带机的数字孪生模型；

12、s10：利用数字孪生模型来生成管带机各部件的零部件图、总装配图、非标件零件图、供配电施工图、建筑物施工图、除尘系统图，完成管带机整个系统设计。

13、所述步骤s1中的基础资料包括运输物料特性、管带机的起点、终点、运量、工作制度。

14、所述步骤s2具体如下：

15、利用gis软件获取管带机起点、终点的经纬度，并在gis软件中大致确定管带机的线路走向，其中线路走向的确定原则包括线路整体上尽量采取距离最近的直线，同时尽量避开地势变化较大的高山、峡谷、避开压覆矿产资源、避开建筑密集的城镇乡村和工业场地、避开基本农田、林地、尽量少跨越铁路、公路、河流、高压线，直线和直线之间需要平滑的弧段来衔接，衔接的弧段半径大于1000倍管径。

16、所述步骤s4中线路矢量图的确定原则与步骤s2中的线路走向的确定原则一致。

17、所述步骤s7中在得到的地形折线图上绘制管带机理论中心线剖面图的原则如下：

18、（1）在保证管带机理论中心线沿地形折线布置的情况下，将管带机理论中心线控制在地形折线上方并且距离地形折线的高差控制在5m~50m的范围内；

19、（2）当地形折线起伏变化不大时，管带机理论中心线采用水平直线布置；

20、（3）当地形折线的起伏高差范围在40米之内时，管带机理论中心线采用凸弧凹弧过渡来改变管带机理论中心线的倾角，凸弧半径需要小于1000倍管径，管带机理论中心线的倾角，即管带机理论中心线与水平线的夹角小于30°；

21、（4）当地形折线起伏过大或过快，即地形折线的起伏高差在40m以上时，记录该处起伏过大或过快地形的坐标，返回步骤s4调整水平投影线的走向，使之绕开该处起伏过大或过快的地形；如果绕不开的，决定该处地形采用隧道或暗涵形式通过；

22、（5）管带机理论中心线与机头、机尾连接的方式、拉紧装置的布置与普通带式输送机相同。

23、在步骤s8中，管带机的每段对应一个倾角α数据，得到每段的水平运输距离lh数据以及提升高度h数据，结合管带机的每小时运量q、带速v、管径φ、预选托辊参数、预选胶带参数来计算出每段管带机运行阻力从而确定总驱动功率，并分段分工况计算出管带机各段最大张力，并校核是否满足输送带下垂度条件以及驱动滚筒不打滑条件，从而根据各段张力分布确定驱动滚筒、改向滚筒、托辊、拉紧装置、逆止器、制动器、头架、尾架、中间架、支腿型号，同时确定驱动电机的分布及型号功率。

24、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明的方法充分发挥了bim技术中可视化、协调性的优点，“所见即所得”的设计将管带机设备、土建结构等与现场环境的互动和反馈进行了可视化，这种可视化实现了管带机设备设计过程中自身的结构干涉检测、实现了不同专业如供配电设备、除尘通风设备在同一管带机运输系统中空间上的合理布置，同时，在bim结合gis的基础上可以将管带机整个设计、施工、运营的过程不断优化，将制约优化的信息因素、复杂程度因素和时间因素等集合到一组图层一个模型上综合分析解决，大大提高了线路优化、投资优化、运营管理优化的效果。