基于施工單元數(shù)字孿生體的水泥工程建造可視化管理研究

夏 毅，陳作炳,包卿希，臧治年，毛 婭

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 4300070；2.蘇州中材建設有限公司，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，工程構筑物結構形式多樣，不同的設備安裝采用的施工技術和規(guī)范各不相同，施工中需要使用大量的大型工程設備。由于工程構筑物排布密集、施工作業(yè)面小，工種交錯，交叉施工現(xiàn)象較多，因此需要進行細致的施工組織。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段[1-3]。將數(shù)字孿生技術應用到水泥工程建造過程中，實現(xiàn)施工過程可視化動態(tài)管理，有助于加快建設速度、降低生產(chǎn)成本、提高施工質量，提高工地現(xiàn)場的生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力，實現(xiàn)精細化、智能化管理。

1 水泥工程層級分解

依據(jù)水泥工程施工操作規(guī)范，基于WBS(work breakdown structure)工作分解結構的思想，歸納和定義施工項目的整體工作范圍，采用分層的結構模式，對每層不同的施工等級進行詳細定義，通過層級關系展示整個項目工程從大到小的解析過程。對水泥工程進行層級分解，形成水泥工程多層次框架結構，如圖1所示。

圖1 水泥工程層級分解框架圖

在圖1所示的框架結構中，施工作業(yè)是項目施工的最小單元，是水泥工程層級分解中的最底層級。如圖1中施工準備、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)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可以實現(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象的數(shù)據(jù)而實時演化，從而保證數(shù)字與物理世界在全生命周期內協(xié)調一致。與此同時，基于數(shù)字孿生可進行分析、預測、診斷、模擬等仿真和智能計算，并將計算結果反饋給物理對象，從而對物理對象進行優(yōu)化和決策[4]。

在水泥工程層級分解結構框架中，施工作業(yè)是最小的單元。以單個施工作業(yè)為物理對象，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)工程對象的3D幾何信息及拓撲關系；②完整的作業(yè)工程信息描述，如施工工序、進度、成本、質量控制、工程量以及涉及人力、施工機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、寬、高、體積、表面積、重量、圖紙編號、合同編號等[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)庫中，隨著施工的進行，實時接受施工現(xiàn)場的“人、機、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，將信息技術與施工技術深度融合與集成，構建建造過程信息物理系統(tǒng)，實現(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)關聯(lián)

數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉換、合并和建立表達的等同性，因此將單元孿生體與施工作業(yè)進行數(shù)據(jù)關聯(lián)是實現(xiàn)映射和交互的關鍵。

2.2.1 編碼技術

編碼是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的唯一標識，可以對目標對象進行分類識別，為數(shù)據(jù)流通提供基礎支撐。依據(jù)水泥工程施工過程規(guī)范，按層級制定編碼規(guī)則，最小層級為施工作業(yè)，保證每一個作業(yè)對應唯一編碼。

基于水泥工程建造的特點，進行項目結構分解，結合層次碼分類標準，按逐步細分的分類層級結構對水泥工程分解為5個層級結構與項目級，所述5個層級結構分別為子項工程、專業(yè)工程、分項工程、一級分部、二級分部，這5個層級每下層結構都從屬于上層結構，層層包含。圖3為工程編碼層次標準結構圖。

圖3 水泥工程編碼層次標準結構圖

2.2.2 數(shù)據(jù)關聯(lián)

將設計模型以施工作業(yè)為單位進行模型拆分，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、進度、成本、質量控制以及人、機、材等施工信息賦予單元模型，構成施工單元數(shù)字孿生體，實現(xiàn)完整的施工作業(yè)工程信息描述。該單元體是一個動態(tài)模型，單元體數(shù)據(jù)信息隨著施工進度更新，能夠實時展現(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)庫中，通過編碼將施工作業(yè)與單元體進行關聯(lián)，實現(xiàn)人、機、材等施工數(shù)據(jù)的交換與流動，隨著施工的進行，實時動態(tài)更新和共享，其數(shù)據(jù)關聯(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)可以自動統(tǒng)計和計算任意時間節(jié)點項目總體工程量、人力、材料、機械消耗和實施成本，實現(xiàn)動態(tài)管理。并能夠通過數(shù)據(jù)可視化技術，直觀的查詢和分析任意施工層級的狀態(tài)，從而合理調配和控制施工人員的安排、工程材料的采購以及大型施工機械的使用與協(xié)調[8]。

水泥工程建造數(shù)字孿生系統(tǒng)是由成千上萬個施工單元孿生體構成，數(shù)據(jù)量龐大，同時具有多源異構的特點。施工過程可視化依托于依據(jù)水泥工程特點構建的數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)提取、清理和轉換、使用數(shù)據(jù)庫索引、事務等技術，增加數(shù)據(jù)庫執(zhí)行速度以及數(shù)據(jù)庫的安全性。同時使用內存數(shù)據(jù)庫redis，通過對SQL(structured query language)的查詢結果進行緩存，減輕服務器的壓力，減少服務響應時間[9]。

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

數(shù)據(jù)看板可以清晰直觀地展現(xiàn)子項中各作業(yè)的進度和資源使用狀態(tài)，如圖5所示。也可以實時統(tǒng)計項目整體的資源使用情況，如圖6所示。

圖5 “預熱器安裝”子項數(shù)據(jù)看板

圖6 項目整體資源數(shù)據(jù)看板

應用WebGL(Web graphics library)和Threejs技術，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)級別，對施工過程的物理信息進行直觀的展示[10-11]。以水泥工程中“燒成窯中及三次風管”子項為例可視化過程，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，分別對應顏色為半透明、綠色發(fā)亮、模型實體3種顏色。根據(jù)可視化顯示，可清楚地了解當前工程進度情況，并進行實際工程完成情況與計劃進度進行對比，進行資源的實時調整。圖8為該子項下“筒體/輪帶組裝”作業(yè)的人員配置數(shù)據(jù)界面圖。

圖7 “燒成窯中及三次風管”子項進度對比可視化界面圖

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)信息隨著項目進度的延伸，實時與施工實際狀態(tài)進行數(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動態(tài)的過程，既可以從項目總體進行進度的監(jiān)測、調度施工資源，也可以在施工作業(yè)層面進行精細化管理，有助于提高工地現(xiàn)場的生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力。

4 結論

筆者以水泥工程建造過程的作業(yè)為基礎單元，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)的物理對象與數(shù)字單元體進行實時數(shù)據(jù)交互與更新，實現(xiàn)人、機、材等施工數(shù)據(jù)的映射、交換與流動，從而實現(xiàn)水泥工程建造過程全階段、多維度的施工可視化動態(tài)管理。數(shù)字孿生技術應用于水泥工程建造的管理中，不僅能為項目精細化管理體系的構建和智慧建造提供完整可靠的信息和數(shù)據(jù)支撐，更能為中國水泥工程由“中國建造”走向“中國智造”賦予高質量轉型升級的新動能。