王靈子,姜仁貴,朱記偉,張國紅,衛(wèi)星凱,劉新怡
(1.西安理工大學土木建筑工程學院,陜西 西安 710048; 2.中鐵十二局集團第一工程有限公司,陜西 西安 710038)
隨著信息技術快速發(fā)展,不同專業(yè)間的技術交叉融合,建設行業(yè)向裝配式大型化、復雜化方向發(fā)展[1],建筑產(chǎn)品逐漸趨于復雜,結構功能需求多樣,新型設備不斷涌現(xiàn),對智能化水平要求越來越高,建筑行業(yè)亟需尋求更加智慧化的發(fā)展模式。裝配式建筑是通過新型施工方式進行建造,將大部分需要在現(xiàn)場施工的構件轉移至特定裝配工廠預制,然后運至施工場地進行裝配[2],可提高建設項目的生產(chǎn)施工效率、經(jīng)濟效益和工程質(zhì)量,極大促進我國建筑行業(yè)轉型,加快城市化發(fā)展進程[3]。裝配式建筑具有建造效率高、減少浪費、降低環(huán)境污染等優(yōu)勢,可有效解決建筑業(yè)面臨的難題[4]。裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)是預制構件生產(chǎn),基于建筑行業(yè)信息化發(fā)展對構件生產(chǎn)管理提出新要求,研究基于數(shù)字孿生的預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。
裝配式建筑是建筑行業(yè)的發(fā)展方向,國內(nèi)外專家對裝配式建筑、建筑信息化、數(shù)字孿生及智能工廠等應用做了一定研究[5]。數(shù)字孿生是利用數(shù)字技術對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能等進行描述與建模的過程、方法,也稱為數(shù)字孿生技術[6]。陶飛等[7]總結數(shù)字孿生在理論研究和企業(yè)應用上的進展,分析探討數(shù)字孿生技術存在的問題與不足,同時基于數(shù)字孿生五維結構模型,設計數(shù)字孿生驅動的6條應用基本準則。Lin等[8]將智能制造控制系統(tǒng)作為智能工廠核心功能,并在該系統(tǒng)中應用數(shù)據(jù)分析、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術。Li等[9]開發(fā)用于裝配式建筑現(xiàn)場裝配服務,基于物聯(lián)網(wǎng)的BIM平臺,對智能建筑對象進行定義和設計后,利用射頻識別技術,在預制建筑現(xiàn)場組裝的工作過程中收集實時數(shù)據(jù)。在智慧工廠管理系統(tǒng)研究方面,閻偉[10]從大數(shù)據(jù)角度討論智慧工廠宏觀技術架構,構建基于交付三維模型machine information modal(MIM)+building information modeling (BIM)+geographic information system (GIS)三維空間的智慧工廠大數(shù)據(jù)云,提供各子系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)整合的技術可能性。
目前已有研究主要集中在基于BIM技術的智慧工廠管理中,為更好地動態(tài)管理和管控整個構件生產(chǎn)線,本文基于數(shù)字孿生設計預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng),綜合采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)系統(tǒng),結合云計算、BIM技術、大數(shù)據(jù)、傳感器等技術,在深入梳理和剖析預制構件自動化生產(chǎn)流程的基礎上,根據(jù)完整的構件生產(chǎn)流程與管理業(yè)務,搭建三維可視化虛擬預制構件生產(chǎn)線環(huán)境,解決生產(chǎn)流程中存在的管理問題,為預制構件生產(chǎn)線的日常管理工作提供便捷高效的服務,力求提高構件生產(chǎn)線的管理和決策水平。
鐵道工程預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)采用J2EE技術架構,通過Oracle EBS結合應用功能和用戶需求,遵循B/S系統(tǒng)開發(fā)模式,結構上劃分5層,如圖1所示。
圖1 預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)架構
1)感知層
由高清攝像頭、溫濕度傳感器、位移傳感器和光電對射傳感器等組成。通過高清攝像頭和各類傳感器全天候實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)層提供準確、實時的數(shù)據(jù)。
2)數(shù)據(jù)層
包括鋼筋庫存數(shù)據(jù)、構件庫存數(shù)據(jù)、托盤庫存數(shù)據(jù)、養(yǎng)護費溫濕度數(shù)據(jù)、構件尺寸數(shù)據(jù)和叉車路線數(shù)據(jù)等,分類整理實時收集的數(shù)據(jù)資源后進行入庫處理??紤]數(shù)據(jù)資源的異構性,采用數(shù)據(jù)集成和信息融合等技術整合數(shù)據(jù)資源,構建構件生產(chǎn)線相關數(shù)據(jù)的標準化數(shù)據(jù)資源庫,為應用層各項功能提供數(shù)據(jù)服務。
3)應用層
為構件生產(chǎn)線的不同用戶提供構件管理、生產(chǎn)計劃、動態(tài)監(jiān)控、庫存管理和二維碼追溯等服務,保證對構件生產(chǎn)中的材料供應、產(chǎn)品生產(chǎn)和庫存進行管理和查詢分析,提供系統(tǒng)實施和系統(tǒng)配置服務,確保整體管理構件生產(chǎn)線。
4)接口層
連接系統(tǒng)的應用層和客戶層,為不同用戶提供人機交互應用接口,包括PLC控制系統(tǒng)接口、視頻監(jiān)控接口、條碼打印機接口等。
5)客戶層
對面向預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)的使用者提供個性化的人機交互和三維可視化作業(yè)環(huán)境,并根據(jù)使用者要求、系統(tǒng)功能和技術可行性,將實現(xiàn)方案分為計算機客戶端、移動客戶端、LED顯示器。
智慧管理系統(tǒng)從功能上包括基礎信息管理、構件管理、生產(chǎn)計劃、庫存管理、二維碼追溯、動態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)實施和系統(tǒng)配置服務模塊,如圖2所示。每個管理模塊下設2~3個功能,各模塊相互獨立又相互補充,能夠全方位管理構件智能化生產(chǎn)線的質(zhì)量和進度,從而實現(xiàn)預制構件自動化生產(chǎn)管理工作的標準化、規(guī)范化和高效率目標。
圖2 預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)功能模塊
1)基于數(shù)字孿生的三維可視化建模
數(shù)字孿生指在信息化平臺內(nèi)建立、模擬物理實體、流程或系統(tǒng)。借助于數(shù)字孿生,可在信息化平臺上了解物理實體狀態(tài)[11]。預制構件生產(chǎn)線三維數(shù)字化設計基于數(shù)字孿生理論,采用BIM技術與3D建模技術,綜合運用數(shù)據(jù)儲存、轉換和分析等功能,為系統(tǒng)搭建高效運行且具有豐富表現(xiàn)力的數(shù)字模擬生產(chǎn)線,該數(shù)字化生產(chǎn)線隨實體生產(chǎn)線的變化而自動發(fā)生變化。利用BIM技術的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特性[12],整合數(shù)據(jù)和信息,對構件生產(chǎn)線的各項設備及生產(chǎn)流程三維建模,提供實用高效的可視化集成環(huán)境[13],實現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術對預制構件生產(chǎn)中各信息的自動采集、集中存儲和三維分析。利用數(shù)字孿生虛實交互反饋功能,通過虛擬操作面板實現(xiàn)生產(chǎn)線各方位即時工況的全方位視角查看,用戶可實時直觀查看整條生產(chǎn)線的運行狀況和每個工位的運行狀態(tài)。從面板上可及時觀察生產(chǎn)線當前設備狀態(tài)、實時生產(chǎn)動作及整條生產(chǎn)線物流系統(tǒng)運行情況,并通過及時反饋調(diào)整,保證生產(chǎn)線整體物流系統(tǒng)運行順暢。
2)PLC系統(tǒng)控制技術
PLC是可運用數(shù)字運算進行操作的電子控制系統(tǒng)[14]。PLC系統(tǒng)中運行著整條生產(chǎn)線的自動生產(chǎn)控制指令,可集合計算機資源與儀器硬件,并能結合數(shù)據(jù)采集、計算機、傳感器和信號處理信息技術?;赑LC系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù),建立實時自動數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出,控制設備生產(chǎn)過程。PLC系統(tǒng)控制裝置控制管理整條生產(chǎn)線生產(chǎn)作業(yè),并記錄生產(chǎn)中的實時數(shù)據(jù)及設備狀態(tài),供管理人員隨時監(jiān)督查看生產(chǎn)線作業(yè)情況。自動更新如原材庫存剩余量等數(shù)據(jù),實時統(tǒng)計更新成品庫存剩余量等,并對比實際生產(chǎn)進度與預設生產(chǎn)計劃,統(tǒng)計每種構件的生產(chǎn)完成情況,便于生產(chǎn)進度控制。
3)全過程感知、追溯及預警
系統(tǒng)將各類傳感器收集的實時數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫,以實時感知風險并進行識別與評估,對生產(chǎn)進度及構件質(zhì)量進行分析預警。通過建立預制構件生產(chǎn)線生產(chǎn)、動態(tài)監(jiān)控、庫存數(shù)據(jù)資源庫,以保證生產(chǎn)過程中的信息完備、可溯源及信息一致。將構件生產(chǎn)過程中涉及的信息,如構件類型、布料日期、強度等級及安裝位置等,利用數(shù)據(jù)庫自動生成唯一的二維碼,保證后期能夠動態(tài)追溯。動態(tài)監(jiān)測生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)、溫濕度等,通過結合PLC系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫,當原材庫存量低于設定閾值時生成報警信息。數(shù)據(jù)庫結合動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點設于每道工序的生產(chǎn)設備中,通過數(shù)據(jù)分析得出數(shù)據(jù)采集位置是否存在構件停工等待、阻塞的問題,反映生產(chǎn)線各設備正常生產(chǎn)、待機運轉和等待設備等狀態(tài),當個別設備發(fā)生停工等待、阻塞現(xiàn)象時,可通過數(shù)據(jù)集成看板直接調(diào)整設備運行速度,進而調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍。
湖杭鐵路北起湖州市,途經(jīng)湖州市德清縣和杭州市余杭區(qū)、富陽區(qū),南至桐廬縣,是2022年杭州亞運會重點配套工程。該鐵路項目為滿足小型預制構件生產(chǎn)需求,梁場內(nèi)設置1座智能化小型預制構件廠。構件廠主要劃分為總控室區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、養(yǎng)護區(qū),生產(chǎn)區(qū)分為碼垛運輸線、模具回流區(qū)、脫模區(qū)、布料區(qū)、養(yǎng)護區(qū),主要生產(chǎn)標段內(nèi)的各類小型預制構件,如圖3所示。面對工期緊迫、構件廠生產(chǎn)管理和人員管理復雜等問題,將智慧管理系統(tǒng)應用到該廠,以驗證系統(tǒng)可靠性、可操作性與應用價值。
圖3 預制構件生產(chǎn)線區(qū)域劃分
按照模塊化思想研發(fā)預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng),結合湖杭鐵路預制構件生產(chǎn)線實際情況,重點從基礎信息管理、動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字孿生管理等功能進行應用。
2.2.1基礎信息管理
基礎信息管理位于智慧管理系統(tǒng)首頁,工廠信息模塊記錄構件廠基本信息,包括構件廠名稱、描述、經(jīng)緯度、地址及模具數(shù)量等信息。其余模塊包括溫濕度異常、原材料庫存不足、設備狀態(tài)異常等預警信息和設備定檢提示信息。
預警信息按報警時間順序進行排列,并逐條顯示報警內(nèi)容,包括報警區(qū)域、控制器編號及所處狀態(tài)等。該功能還包含綜合分析管理子系統(tǒng)和涉及人員實名制管理、工程質(zhì)量安全等業(yè)務的子系統(tǒng),能實時采集構件廠生產(chǎn)現(xiàn)場關鍵要素的數(shù)據(jù)信息,并能利用云計算等技術進行快速分析處理,以推動項目管理技術的信息化、標準化、規(guī)范化,提高綜合技術和管理能力,優(yōu)化管理與決策水平,實現(xiàn)信息化施工、標準化工作流程和規(guī)范化技術管理,為構件生產(chǎn)線的智慧化信息管理提供科學決策依據(jù)。
2.2.2動態(tài)監(jiān)控服務
動態(tài)監(jiān)控服務匯總統(tǒng)計管理系統(tǒng)中關于生產(chǎn)線的質(zhì)量、進度等信息,并利用圖表等表現(xiàn)形式,在電子顯示設備中進行動態(tài)可視化展示,使數(shù)據(jù)信息更加直觀,便于管理人員實時監(jiān)管并及時調(diào)整。數(shù)據(jù)集成看板將管理人員在系統(tǒng)中配置的數(shù)據(jù),如計劃產(chǎn)量、預警限值等整合生產(chǎn)線中采集的數(shù)據(jù),并利用圖表等形式在電子設備中進行展示。
系統(tǒng)預警模塊可配置各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的報警閾值,用于比對PLC獲取的數(shù)據(jù),當獲取的數(shù)據(jù)不在配置閾值范圍時,系統(tǒng)會自動生成報警信息,并傳至綜合展示服務模塊,提醒管理人員及時處理。在配置參數(shù)時需添加監(jiān)測點的組織機構名稱、配置項名稱、單位,并為每項內(nèi)容設置參數(shù)范圍的最小值或最大值。
2.2.3數(shù)字孿生管理
基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)采用BIM和3D建模技術,對預制構件生產(chǎn)線進行三維可視化設計,基于數(shù)字孿生理論搭建虛擬的預制構件生產(chǎn)線。該虛擬生產(chǎn)線按照一定比例真實展現(xiàn)構件生產(chǎn)線的各項設備及生產(chǎn)流程,可放大、縮小查看其中任一環(huán)節(jié),并支持從各方位視角檢查生產(chǎn)線中設備的即時工況。依據(jù)虛擬生產(chǎn)線生成的虛擬工廠看板,能夠動態(tài)化展示生產(chǎn)線的當前設備狀態(tài)、實時生產(chǎn)動作及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。
從進度角度展示虛擬工廠看板當日生產(chǎn)數(shù)據(jù)面板和養(yǎng)護數(shù)據(jù)面板完成情況,實時展示各類預制構件的生產(chǎn)及滯后進度,以便跟進生產(chǎn)工作,按原計劃完成生產(chǎn)目標,預警信息面板包括設備運行狀態(tài)預警、溫度預警、濕度預警、閑置托盤數(shù)量預警及材料庫存預警,對生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,便于生產(chǎn)線協(xié)調(diào)管理及突發(fā)情況的及時決策;視頻監(jiān)控面板運用多個球形可360°轉動高清攝像頭監(jiān)控整個生產(chǎn)線;現(xiàn)場人員數(shù)據(jù)面板從人員角度出發(fā),記錄值班人員工作情況、督促管理工作;設備信息面板詳細展示設備運行狀態(tài)、送檢日期等;養(yǎng)護數(shù)據(jù)面板實時監(jiān)控溫濕度,以保證構件順利養(yǎng)護。該看板將人員、設備、材料及廠區(qū)環(huán)境集于一體進行直觀展示,全方位對預制構件生產(chǎn)線進行智慧管理,從而實現(xiàn)構件生產(chǎn)線智慧化管理目標。
考慮構件廠容易導致信息傳遞不通暢,傳統(tǒng)管理模式效率較低等問題,本文構建基于數(shù)字孿生的預制構件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)。采用數(shù)字孿生、BIM和PLC系統(tǒng)等進行監(jiān)督管理,以實現(xiàn)智能化、信息化,優(yōu)化構件生產(chǎn)線的管理流程和模式,實現(xiàn)動態(tài)、系統(tǒng)和全面的風險預警。提供過程可視、快速高效的管理服務,有效實現(xiàn)預制構件生產(chǎn)與智慧化管理間的結合,從而提高項目整體施工和管理質(zhì)量。
隨著國家提高對裝配式建筑和智慧管理的要求,通過多學科發(fā)展,開展多技術集成應用成為智能建造領域重點研究方向。在鐵道工程專業(yè)領域,通過將人工智能、區(qū)塊鏈等技術結合鐵道工程規(guī)劃、設計、建造和維護的全生命周期,將推動我國鐵道工程進一步向安全、長壽、綠色、高效、智能的可持續(xù)方向發(fā)展。