王靈子,姜仁貴,朱記偉,張國(guó)紅,衛(wèi)星凱,劉新怡
(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048; 2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司,陜西 西安 710038)
隨著信息技術(shù)快速發(fā)展,不同專業(yè)間的技術(shù)交叉融合,建設(shè)行業(yè)向裝配式大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展[1],建筑產(chǎn)品逐漸趨于復(fù)雜,結(jié)構(gòu)功能需求多樣,新型設(shè)備不斷涌現(xiàn),對(duì)智能化水平要求越來(lái)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(guò)新型施工方式進(jìn)行建造,將大部分需要在現(xiàn)場(chǎng)施工的構(gòu)件轉(zhuǎn)移至特定裝配工廠預(yù)制,然后運(yùn)至施工場(chǎng)地進(jìn)行裝配[2],可提高建設(shè)項(xiàng)目的生產(chǎn)施工效率、經(jīng)濟(jì)效益和工程質(zhì)量,極大促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型,加快城市化發(fā)展進(jìn)程[3]。裝配式建筑具有建造效率高、減少浪費(fèi)、降低環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì),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(yù)制構(gòu)件生產(chǎn),基于建筑行業(yè)信息化發(fā)展對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)管理提出新要求,研究基于數(shù)字孿生的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。
裝配式建筑是建筑行業(yè)的發(fā)展方向,國(guó)內(nèi)外專家對(duì)裝配式建筑、建筑信息化、數(shù)字孿生及智能工廠等應(yīng)用做了一定研究[5]。數(shù)字孿生是利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過(guò)程和性能等進(jìn)行描述與建模的過(guò)程、方法,也稱為數(shù)字孿生技術(shù)[6]。陶飛等[7]總結(jié)數(shù)字孿生在理論研究和企業(yè)應(yīng)用上的進(jìn)展,分析探討數(shù)字孿生技術(shù)存在的問(wèn)題與不足,同時(shí)基于數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型,設(shè)計(jì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的6條應(yīng)用基本準(zhǔn)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(yīng)用數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。Li等[9]開發(fā)用于裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)裝配服務(wù),基于物聯(lián)網(wǎng)的BIM平臺(tái),對(duì)智能建筑對(duì)象進(jìn)行定義和設(shè)計(jì)后,利用射頻識(shí)別技術(shù),在預(yù)制建筑現(xiàn)場(chǎng)組裝的工作過(guò)程中收集實(shí)時(shí)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(shù)架構(gòu),構(gòu)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合的技術(shù)可能性。
目前已有研究主要集中在基于BIM技術(shù)的智慧工廠管理中,為更好地動(dòng)態(tài)管理和管控整個(gè)構(gòu)件生產(chǎn)線,本文基于數(shù)字孿生設(shè)計(jì)預(yù)制構(gòu)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(jié)合云計(jì)算、BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)、傳感器等技術(shù),在深入梳理和剖析預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上,根據(jù)完整的構(gòu)件生產(chǎn)流程與管理業(yè)務(wù),搭建三維可視化虛擬預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線環(huán)境,解決生產(chǎn)流程中存在的管理問(wèn)題,為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的日常管理工作提供便捷高效的服務(wù),力求提高構(gòu)件生產(chǎn)線的管理和決策水平。
鐵道工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)采用J2EE技術(shù)架構(gòu),通過(guò)Oracle EBS結(jié)合應(yīng)用功能和用戶需求,遵循B/S系統(tǒng)開發(fā)模式,結(jié)構(gòu)上劃分5層,如圖1所示。
圖1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)架構(gòu)
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(duì)射傳感器等組成。通過(guò)高清攝像頭和各類傳感器全天候?qū)崟r(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)層提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。
2)數(shù)據(jù)層
包括鋼筋庫(kù)存數(shù)據(jù)、構(gòu)件庫(kù)存數(shù)據(jù)、托盤庫(kù)存數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)溫濕度數(shù)據(jù)、構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)和叉車路線數(shù)據(jù)等,分類整理實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)資源后進(jìn)行入庫(kù)處理。考慮數(shù)據(jù)資源的異構(gòu)性,采用數(shù)據(jù)集成和信息融合等技術(shù)整合數(shù)據(jù)資源,構(gòu)建構(gòu)件生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)資源庫(kù),為應(yīng)用層各項(xiàng)功能提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
3)應(yīng)用層
為構(gòu)件生產(chǎn)線的不同用戶提供構(gòu)件管理、生產(chǎn)計(jì)劃、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、庫(kù)存管理和二維碼追溯等服務(wù),保證對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)中的材料供應(yīng)、產(chǎn)品生產(chǎn)和庫(kù)存進(jìn)行管理和查詢分析,提供系統(tǒng)實(shí)施和系統(tǒng)配置服務(wù),確保整體管理構(gòu)件生產(chǎn)線。
4)接口層
連接系統(tǒng)的應(yīng)用層和客戶層,為不同用戶提供人機(jī)交互應(yīng)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(jī)接口等。
5)客戶層
對(duì)面向預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)的使用者提供個(gè)性化的人機(jī)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(shù)可行性,將實(shí)現(xiàn)方案分為計(jì)算機(jī)客戶端、移動(dòng)客戶端、LED顯示器。
智慧管理系統(tǒng)從功能上包括基礎(chǔ)信息管理、構(gòu)件管理、生產(chǎn)計(jì)劃、庫(kù)存管理、二維碼追溯、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)實(shí)施和系統(tǒng)配置服務(wù)模塊,如圖2所示。每個(gè)管理模塊下設(shè)2~3個(gè)功能,各模塊相互獨(dú)立又相互補(bǔ)充,能夠全方位管理構(gòu)件智能化生產(chǎn)線的質(zhì)量和進(jìn)度,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)管理工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和高效率目標(biāo)。
圖2 預(yù)制構(gòu)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(tái)內(nèi)建立、模擬物理實(shí)體、流程或系統(tǒng)。借助于數(shù)字孿生,可在信息化平臺(tái)上了解物理實(shí)體狀態(tài)[11]。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線三維數(shù)字化設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生理論,采用BIM技術(shù)與3D建模技術(shù),綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和分析等功能,為系統(tǒng)搭建高效運(yùn)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(shí)體生產(chǎn)線的變化而自動(dòng)發(fā)生變化。利用BIM技術(shù)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(duì)構(gòu)件生產(chǎn)線的各項(xiàng)設(shè)備及生產(chǎn)流程三維建模,提供實(shí)用高效的可視化集成環(huán)境[13],實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中各信息的自動(dòng)采集、集中存儲(chǔ)和三維分析。利用數(shù)字孿生虛實(shí)交互反饋功能,通過(guò)虛擬操作面板實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各方位即時(shí)工況的全方位視角查看,用戶可實(shí)時(shí)直觀查看整條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況和每個(gè)工位的運(yùn)行狀態(tài)。從面板上可及時(shí)觀察生產(chǎn)線當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)生產(chǎn)動(dòng)作及整條生產(chǎn)線物流系統(tǒng)運(yùn)行情況,并通過(guò)及時(shí)反饋調(diào)整,保證生產(chǎn)線整體物流系統(tǒng)運(yùn)行順暢。
2)PLC系統(tǒng)控制技術(shù)
PLC是可運(yùn)用數(shù)字運(yùn)算進(jìn)行操作的電子控制系統(tǒng)[14]。PLC系統(tǒng)中運(yùn)行著整條生產(chǎn)線的自動(dòng)生產(chǎn)控制指令,可集合計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件,并能結(jié)合數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)、傳感器和信號(hào)處理信息技術(shù)?;赑LC系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù),建立實(shí)時(shí)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出,控制設(shè)備生產(chǎn)過(guò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài),供管理人員隨時(shí)監(jiān)督查看生產(chǎn)線作業(yè)情況。自動(dòng)更新如原材庫(kù)存剩余量等數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)更新成品庫(kù)存剩余量等,并對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)度與預(yù)設(shè)生產(chǎn)計(jì)劃,統(tǒng)計(jì)每種構(gòu)件的生產(chǎn)完成情況,便于生產(chǎn)進(jìn)度控制。
3)全過(guò)程感知、追溯及預(yù)警
系統(tǒng)將各類傳感器收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù),以實(shí)時(shí)感知風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行識(shí)別與評(píng)估,對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度及構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行分析預(yù)警。通過(guò)建立預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線生產(chǎn)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、庫(kù)存數(shù)據(jù)資源庫(kù),以保證生產(chǎn)過(guò)程中的信息完備、可溯源及信息一致。將構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中涉及的信息,如構(gòu)件類型、布料日期、強(qiáng)度等級(jí)及安裝位置等,利用數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成唯一的二維碼,保證后期能夠動(dòng)態(tài)追溯。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)、溫濕度等,通過(guò)結(jié)合PLC系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù),當(dāng)原材庫(kù)存量低于設(shè)定閾值時(shí)生成報(bào)警信息。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)于每道工序的生產(chǎn)設(shè)備中,通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出數(shù)據(jù)采集位置是否存在構(gòu)件停工等待、阻塞的問(wèn)題,反映生產(chǎn)線各設(shè)備正常生產(chǎn)、待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和等待設(shè)備等狀態(tài),當(dāng)個(gè)別設(shè)備發(fā)生停工等待、阻塞現(xiàn)象時(shí),可通過(guò)數(shù)據(jù)集成看板直接調(diào)整設(shè)備運(yùn)行速度,進(jìn)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(yáng)區(qū),南至桐廬縣,是2022年杭州亞運(yùn)會(huì)重點(diǎn)配套工程。該鐵路項(xiàng)目為滿足小型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)需求,梁場(chǎng)內(nèi)設(shè)置1座智能化小型預(yù)制構(gòu)件廠。構(gòu)件廠主要?jiǎng)澐譃榭偪厥覅^(qū)、生產(chǎn)區(qū)、養(yǎng)護(hù)區(qū),生產(chǎn)區(qū)分為碼垛運(yùn)輸線、模具回流區(qū)、脫模區(qū)、布料區(qū)、養(yǎng)護(hù)區(qū),主要生產(chǎn)標(biāo)段內(nèi)的各類小型預(yù)制構(gòu)件,如圖3所示。面對(duì)工期緊迫、構(gòu)件廠生產(chǎn)管理和人員管理復(fù)雜等問(wèn)題,將智慧管理系統(tǒng)應(yīng)用到該廠,以驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性、可操作性與應(yīng)用價(jià)值。
圖3 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線區(qū)域劃分
按照模塊化思想研發(fā)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng),結(jié)合湖杭鐵路預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線實(shí)際情況,重點(diǎn)從基礎(chǔ)信息管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字孿生管理等功能進(jìn)行應(yīng)用。
2.2.1基礎(chǔ)信息管理
基礎(chǔ)信息管理位于智慧管理系統(tǒng)首頁(yè),工廠信息模塊記錄構(gòu)件廠基本信息,包括構(gòu)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(kù)存不足、設(shè)備狀態(tài)異常等預(yù)警信息和設(shè)備定檢提示信息。
預(yù)警信息按報(bào)警時(shí)間順序進(jìn)行排列,并逐條顯示報(bào)警內(nèi)容,包括報(bào)警區(qū)域、控制器編號(hào)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(shí)名制管理、工程質(zhì)量安全等業(yè)務(wù)的子系統(tǒng),能實(shí)時(shí)采集構(gòu)件廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵要素的數(shù)據(jù)信息,并能利用云計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行快速分析處理,以推動(dòng)項(xiàng)目管理技術(shù)的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,提高綜合技術(shù)和管理能力,優(yōu)化管理與決策水平,實(shí)現(xiàn)信息化施工、標(biāo)準(zhǔn)化工作流程和規(guī)范化技術(shù)管理,為構(gòu)件生產(chǎn)線的智慧化信息管理提供科學(xué)決策依據(jù)。
2.2.2動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)
動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)匯總統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)中關(guān)于生產(chǎn)線的質(zhì)量、進(jìn)度等信息,并利用圖表等表現(xiàn)形式,在電子顯示設(shè)備中進(jìn)行動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)管并及時(shí)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(jì)劃產(chǎn)量、預(yù)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(shè)備中進(jìn)行展示。
系統(tǒng)預(yù)警模塊可配置各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值,用于比對(duì)PLC獲取的數(shù)據(jù),當(dāng)獲取的數(shù)據(jù)不在配置閾值范圍時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警信息,并傳至綜合展示服務(wù)模塊,提醒管理人員及時(shí)處理。在配置參數(shù)時(shí)需添加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組織機(jī)構(gòu)名稱、配置項(xiàng)名稱、單位,并為每項(xiàng)內(nèi)容設(shè)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(shù),對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì),基于數(shù)字孿生理論搭建虛擬的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線。該虛擬生產(chǎn)線按照一定比例真實(shí)展現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)線的各項(xiàng)設(shè)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(shè)備的即時(shí)工況。依據(jù)虛擬生產(chǎn)線生成的虛擬工廠看板,能夠動(dòng)態(tài)化展示生產(chǎn)線的當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)生產(chǎn)動(dòng)作及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
從進(jìn)度角度展示虛擬工廠看板當(dāng)日生產(chǎn)數(shù)據(jù)面板和養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)面板完成情況,實(shí)時(shí)展示各類預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)及滯后進(jìn)度,以便跟進(jìn)生產(chǎn)工作,按原計(jì)劃完成生產(chǎn)目標(biāo),預(yù)警信息面板包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警、溫度預(yù)警、濕度預(yù)警、閑置托盤數(shù)量預(yù)警及材料庫(kù)存預(yù)警,對(duì)生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),便于生產(chǎn)線協(xié)調(diào)管理及突發(fā)情況的及時(shí)決策;視頻監(jiān)控面板運(yùn)用多個(gè)球形可360°轉(zhuǎn)動(dòng)高清攝像頭監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線;現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備信息面板詳細(xì)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、送檢日期等;養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)面板實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度,以保證構(gòu)件順利養(yǎng)護(hù)。該看板將人員、設(shè)備、材料及廠區(qū)環(huán)境集于一體進(jìn)行直觀展示,全方位對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線進(jìn)行智慧管理,從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)線智慧化管理目標(biāo)。
考慮構(gòu)件廠容易導(dǎo)致信息傳遞不通暢,傳統(tǒng)管理模式效率較低等問(wèn)題,本文構(gòu)建基于數(shù)字孿生的預(yù)制構(gòu)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(jìn)行監(jiān)督管理,以實(shí)現(xiàn)智能化、信息化,優(yōu)化構(gòu)件生產(chǎn)線的管理流程和模式,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)和全面的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。提供過(guò)程可視、快速高效的管理服務(wù),有效實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)與智慧化管理間的結(jié)合,從而提高項(xiàng)目整體施工和管理質(zhì)量。
隨著國(guó)家提高對(duì)裝配式建筑和智慧管理的要求,通過(guò)多學(xué)科發(fā)展,開展多技術(shù)集成應(yīng)用成為智能建造領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向。在鐵道工程專業(yè)領(lǐng)域,通過(guò)將人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)結(jié)合鐵道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)的全生命周期,將推動(dòng)我國(guó)鐵道工程進(jìn)一步向安全、長(zhǎng)壽、綠色、高效、智能的可持續(xù)方向發(fā)展。