夏 毅，陳作炳,包卿希，臧治年，毛 婭

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 4300070；2.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300)

水泥生產(chǎn)工藝過程可歸納為“兩磨一燒”，生產(chǎn)線包括原料配料、原料粉磨、生料均化、燒成系統(tǒng)、熟料儲(chǔ)存輸送、水泥粉磨、水泥包裝發(fā)送等。水泥工程建造中，工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式多樣，不同的設(shè)備安裝采用的施工技術(shù)和規(guī)范各不相同，施工中需要使用大量的大型工程設(shè)備。由于工程構(gòu)筑物排布密集、施工作業(yè)面小，工種交錯(cuò)，交叉施工現(xiàn)象較多，因此需要進(jìn)行細(xì)致的施工組織。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段[1-3]。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到水泥工程建造過程中，實(shí)現(xiàn)施工過程可視化動(dòng)態(tài)管理，有助于加快建設(shè)速度、降低生產(chǎn)成本、提高施工質(zhì)量，提高工地現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、智能化管理。

1 水泥工程層級(jí)分解

依據(jù)水泥工程施工操作規(guī)范，基于WBS(work breakdown structure)工作分解結(jié)構(gòu)的思想，歸納和定義施工項(xiàng)目的整體工作范圍，采用分層的結(jié)構(gòu)模式，對(duì)每層不同的施工等級(jí)進(jìn)行詳細(xì)定義，通過層級(jí)關(guān)系展示整個(gè)項(xiàng)目工程從大到小的解析過程。對(duì)水泥工程進(jìn)行層級(jí)分解，形成水泥工程多層次框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水泥工程層級(jí)分解框架圖

在圖1所示的框架結(jié)構(gòu)中，施工作業(yè)是項(xiàng)目施工的最小單元，是水泥工程層級(jí)分解中的最底層級(jí)。如圖1中施工準(zhǔn)備、煙室安裝、第一層塔架安裝等為水泥工程的施工作業(yè)。

2 施工單元數(shù)字孿生體

2.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生是物理對(duì)象的數(shù)字模型，該模型可以實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向虛擬數(shù)字化模型的反饋，通過接收來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)演化，從而保證數(shù)字與物理世界在全生命周期內(nèi)協(xié)調(diào)一致。與此同時(shí)，基于數(shù)字孿生可進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、模擬等仿真和智能計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果反饋給物理對(duì)象，從而對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化和決策[4]。

在水泥工程層級(jí)分解結(jié)構(gòu)框架中，施工作業(yè)是最小的單元。以單個(gè)施工作業(yè)為物理對(duì)象，建立的數(shù)字孿生體定義為施工單元數(shù)字孿生體。以施工單元數(shù)字孿生體為基本單元，可以構(gòu)建出水泥工程的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

施工單元數(shù)字孿生體是施工作業(yè)的信息載體，其核心是信息。為了全面復(fù)制水泥工程的物理信息，施工單元數(shù)字孿生體的信息包括：①作業(yè)工程對(duì)象的3D幾何信息及拓?fù)潢P(guān)系；②完整的作業(yè)工程信息描述，如施工工序、進(jìn)度、成本、質(zhì)量控制、工程量以及涉及人力、施工機(jī)具和材料資源等施工信息；③輔助施工決策信息，如幾何模型的長(zhǎng)、寬、高、體積、表面積、重量、圖紙編號(hào)、合同編號(hào)等[5-7]。施工單元數(shù)字孿生體的信息均以數(shù)字化的形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，隨著施工的進(jìn)行，實(shí)時(shí)接受施工現(xiàn)場(chǎng)的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大要素的采集數(shù)據(jù)，依靠交互、感知、決策、執(zhí)行和反饋，將信息技術(shù)與施工技術(shù)深度融合與集成，構(gòu)建建造過程信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，如圖2所示。

圖2 施工單元數(shù)字孿生體

2.2 施工作業(yè)與施工單元數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立表達(dá)的等同性，因此將單元孿生體與施工作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)映射和交互的關(guān)鍵。

2.2.1 編碼技術(shù)

編碼是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識(shí)，可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行分類識(shí)別，為數(shù)據(jù)流通提供基礎(chǔ)支撐。依據(jù)水泥工程施工過程規(guī)范，按層級(jí)制定編碼規(guī)則，最小層級(jí)為施工作業(yè)，保證每一個(gè)作業(yè)對(duì)應(yīng)唯一編碼。

基于水泥工程建造的特點(diǎn)，進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)構(gòu)分解，結(jié)合層次碼分類標(biāo)準(zhǔn)，按逐步細(xì)分的分類層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)水泥工程分解為5個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)與項(xiàng)目級(jí)，所述5個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)分別為子項(xiàng)工程、專業(yè)工程、分項(xiàng)工程、一級(jí)分部、二級(jí)分部，這5個(gè)層級(jí)每下層結(jié)構(gòu)都從屬于上層結(jié)構(gòu)，層層包含。圖3為工程編碼層次標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 水泥工程編碼層次標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

將設(shè)計(jì)模型以施工作業(yè)為單位進(jìn)行模型拆分，得到的單元模型是施工過程最小單元的信息載體。將施工工序、進(jìn)度、成本、質(zhì)量控制以及人、機(jī)、材等施工信息賦予單元模型，構(gòu)成施工單元數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)完整的施工作業(yè)工程信息描述。該單元體是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，單元體數(shù)據(jù)信息隨著施工進(jìn)度更新，能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)施工過程在不同階段的狀態(tài)。施工單元數(shù)字孿生體的信息均以數(shù)字化的形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過編碼將施工作業(yè)與單元體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、材等施工數(shù)據(jù)的交換與流動(dòng)，隨著施工的進(jìn)行，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新和共享，其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如圖4所示。

圖4 施工作業(yè)與單元孿生體的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

3 水泥工程施工過程可視化

以施工單元數(shù)字孿生體為信息集成的單元載體，系統(tǒng)可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目總體工程量、人力、材料、機(jī)械消耗和實(shí)施成本，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。并能夠通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，直觀的查詢和分析任意施工層級(jí)的狀態(tài)，從而合理調(diào)配和控制施工人員的安排、工程材料的采購(gòu)以及大型施工機(jī)械的使用與協(xié)調(diào)[8]。

水泥工程建造數(shù)字孿生系統(tǒng)是由成千上萬個(gè)施工單元孿生體構(gòu)成，數(shù)據(jù)量龐大，同時(shí)具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)。施工過程可視化依托于依據(jù)水泥工程特點(diǎn)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過數(shù)據(jù)提取、清理和轉(zhuǎn)換、使用數(shù)據(jù)庫(kù)索引、事務(wù)等技術(shù)，增加數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行速度以及數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性。同時(shí)使用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)redis，通過對(duì)SQL(structured query language)的查詢結(jié)果進(jìn)行緩存，減輕服務(wù)器的壓力，減少服務(wù)響應(yīng)時(shí)間[9]。

施工數(shù)據(jù)的可視化以數(shù)據(jù)看板和孿生場(chǎng)景兩種方式展示。

數(shù)據(jù)看板可以清晰直觀地展現(xiàn)子項(xiàng)中各作業(yè)的進(jìn)度和資源使用狀態(tài)，如圖5所示。也可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目整體的資源使用情況，如圖6所示。

圖5 “預(yù)熱器安裝”子項(xiàng)數(shù)據(jù)看板

圖6 項(xiàng)目整體資源數(shù)據(jù)看板

應(yīng)用WebGL(Web graphics library)和Threejs技術(shù)，將輕量化處理后的施工數(shù)字孿生系統(tǒng)加載到WEB端。水泥工程施工數(shù)字孿生系統(tǒng)三維可視化以施工作業(yè)孿生體為基本單元展開，可以在作業(yè)級(jí)別，對(duì)施工過程的物理信息進(jìn)行直觀的展示[10-11]。以水泥工程中“燒成窯中及三次風(fēng)管”子項(xiàng)為例可視化過程，如圖7所示，模型狀態(tài)分別為未開始、正在施工、已完成3種，分別對(duì)應(yīng)顏色為半透明、綠色發(fā)亮、模型實(shí)體3種顏色。根據(jù)可視化顯示，可清楚地了解當(dāng)前工程進(jìn)度情況，并進(jìn)行實(shí)際工程完成情況與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行資源的實(shí)時(shí)調(diào)整。圖8為該子項(xiàng)下“筒體/輪帶組裝”作業(yè)的人員配置數(shù)據(jù)界面圖。

圖7 “燒成窯中及三次風(fēng)管”子項(xiàng)進(jìn)度對(duì)比可視化界面圖

圖8 “筒體/輪帶組裝”作業(yè)的人員配置數(shù)據(jù)界面圖

施工單元數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)信息隨著項(xiàng)目進(jìn)度的延伸，實(shí)時(shí)與施工實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與更新，因此水泥工程施工過程的可視化管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，既可以從項(xiàng)目總體進(jìn)行進(jìn)度的監(jiān)測(cè)、調(diào)度施工資源，也可以在施工作業(yè)層面進(jìn)行精細(xì)化管理，有助于提高工地現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力。

4 結(jié)論

筆者以水泥工程建造過程的作業(yè)為基礎(chǔ)單元，建立施工數(shù)字孿生體，并以單元孿生體為施工數(shù)據(jù)的載體，構(gòu)建出水泥工程施工的數(shù)字孿生系統(tǒng)?；谒喙こ淌┕ひ?guī)范，制定數(shù)字孿生系統(tǒng)的編碼規(guī)則，將施工作業(yè)的物理對(duì)象與數(shù)字單元體進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互與更新，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、材等施工數(shù)據(jù)的映射、交換與流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水泥工程建造過程全階段、多維度的施工可視化動(dòng)態(tài)管理。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于水泥工程建造的管理中，不僅能為項(xiàng)目精細(xì)化管理體系的構(gòu)建和智慧建造提供完整可靠的信息和數(shù)據(jù)支撐，更能為中國(guó)水泥工程由“中國(guó)建造”走向“中國(guó)智造”賦予高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)的新動(dòng)能。