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)

0 引言

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。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

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。

1.2 系統(tǒng)功能

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

1.3 關鍵技術

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。

2 應用實例

2.1 工程概況

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

2.2 系統(tǒng)應用

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。

3 結語

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。