數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式橋梁構(gòu)件生產(chǎn)中的應用

趙一丁 閆興非 姚嘉軼 宗 霏 茍 超 黃逸飛

（成都交投建筑工業(yè)化有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著城市化進程的加快,各省市的交通、市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸進入高潮,而市政項目一般都存在工程量大、建設(shè)周期長的特點。對于市政橋梁項目,由于多數(shù)跨越市區(qū),傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工極易導致施工區(qū)域通行能力驟降,嚴重影響道路交通的暢通與安全。此外,傳統(tǒng)現(xiàn)澆現(xiàn)場作業(yè)量大、建造效率低、整體能耗高,且擾民嚴重。因此，裝配式橋梁通過構(gòu)件工業(yè)化制造、裝配化施工,可顯著加快施工進度,減小對既有交通的干擾,且有利于環(huán)境保護。如今在行業(yè)政策的支持下,全裝配式橋梁得以快速發(fā)展[1]。本文將數(shù)字孿生技術(shù)應用在裝配式橋梁構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，通過虛擬空間的仿真，形成交互式的三維數(shù)字鏡像，為掌控生產(chǎn)要素，快速定位管理問題提供虛擬決策參考工具。數(shù)字孿生技術(shù)作為新基建中關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)之一，在各業(yè)務領(lǐng)域得到有效的應用。數(shù)字孿生（Digital Twin,DT），即通過建立數(shù)字化的虛擬模型，通過利用物理實體在工作過程中反饋的數(shù)據(jù)來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，以避免產(chǎn)品使用過程中可能出現(xiàn)的故障，目前已在智能車間運行、智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)、智能裝備數(shù)字孿生模型構(gòu)建、產(chǎn)品全生命周期管理等方面得到了較為深入的探索應用，本文就數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式橋梁構(gòu)件生產(chǎn)中的應用進行簡單介紹。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式橋梁構(gòu)件生產(chǎn)中的應用原理

1.1 裝配式橋梁生產(chǎn)工藝流程

裝配式橋梁的生產(chǎn)工藝工序相對復雜，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要對工藝進行嚴格控制，傳統(tǒng)的線下人工管理模式在數(shù)據(jù)的實時性、問題排查的可視化層面還存在一定的問題，需要借助數(shù)字化的手段進行輔助管理，以提高整體質(zhì)量管控的效率。

如圖1所示，裝配式橋梁在車間生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝質(zhì)量控制主要集中在半成品加工控制、澆筑脫模環(huán)節(jié)工藝質(zhì)量控制，以及出廠成品檢驗。目前以上各個生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)均設(shè)置有工序管控節(jié)點，通過工序質(zhì)量檢驗并留存質(zhì)檢記錄，質(zhì)量管控部門通過對檢驗數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析來確保成品的質(zhì)量安全可控。

圖1 裝配式橋梁生產(chǎn)工藝流程

1.2 裝配式橋梁數(shù)字孿生體系架構(gòu)

傳統(tǒng)的預制生產(chǎn)線主要是為完成生產(chǎn)任務建設(shè)，不具備數(shù)字孿生建設(shè)的基礎(chǔ)條件，在本文的方案中，對傳統(tǒng)的裝配式橋梁生產(chǎn)車間進行數(shù)字化改造，增加關(guān)鍵工序傳感器設(shè)備，預設(shè)加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口，從而滿足多源異構(gòu)實時數(shù)據(jù)感知和融合的需求。裝配式橋梁車間數(shù)字孿生架構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 裝配式橋梁數(shù)字孿生體系架構(gòu)

（1）執(zhí)行層：執(zhí)行層主要由I/O設(shè)備和生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備組成，其中I/O設(shè)備一方面負責自動采集車間實時數(shù)據(jù)并按照標準格式加工上傳；另一方面負責向生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備下達執(zhí)行命令，由生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備按照指令進行對應的操作。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，把I/O設(shè)備和生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備組成內(nèi)部高速通訊工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)對采集的實時數(shù)據(jù)上傳到控制中心，同時把控制指令下達到執(zhí)行層。

（3）控制層：控制層主要由生產(chǎn)控制器組成，通過實時數(shù)據(jù)在決策樹中進行決策判斷，并自動下達決策指令，由網(wǎng)絡(luò)層傳達到執(zhí)行層，完成對生產(chǎn)設(shè)備的實時反饋和控制。同時控制層還負責對收集到實時多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行處理和應用。

（4）決策層：決策層主要輔助管理人員進行生產(chǎn)管理決策，通過實時生產(chǎn)狀態(tài)和可視化數(shù)據(jù)的分析，掌握生產(chǎn)的執(zhí)行狀況，同時將實時采集到的數(shù)據(jù)映射到虛擬空間模型中。

1.3 數(shù)字孿生車間多維模型構(gòu)建與融合

數(shù)字孿生車間的實現(xiàn)過程，就是建立完整的物理車間到虛擬車間的映射過程，如圖3所示，需要從幾何模型、行為模型、規(guī)則模型多個角度對物理模型空間進行建模，并對所建立的模型進行評估和驗證保證模型的正確性和有效性；在此基礎(chǔ)上將各維度模型進行關(guān)聯(lián)、組合與集成，從而實現(xiàn)現(xiàn)實車間與虛擬空間的全面融合，形成一個完整的、實時的虛擬車間模型[2]。

圖3 裝配式橋梁數(shù)字孿生車間多維模型構(gòu)建與融合

（1）幾何模型：對物理車間進行幾何建模，包括鋼筋加工設(shè)備、生產(chǎn)線、拌合站、鍋爐房等各種物理生產(chǎn)要素。通過BIM、3DMax、UG等三維建模軟件，建立物理車間的全部3D可視化模型，并導入3D模型引擎中，作為后續(xù)數(shù)字孿生車間的可視化展示基礎(chǔ)。

（2）行為模型：對幾何模型中的各生產(chǎn)設(shè)備的執(zhí)行動作和響應規(guī)則進行定義，把各種機械設(shè)備、人員操作動作、產(chǎn)品工藝工序推動等活動在虛擬數(shù)字模型中進行映射和描述。用以在虛擬空間中接收到指令之后，進行對應的操作。

（3）規(guī)則模型：定義幾何模型的關(guān)聯(lián)規(guī)則、物理車間的生產(chǎn)要素的實際操作規(guī)則和演化規(guī)則。建立起物理生產(chǎn)線和數(shù)字生產(chǎn)線之間的全面仿真，確保虛擬空間與物理空間完全同步和吻合，保證數(shù)字孿生車間能夠?qū)ξ锢碥囬g的行為、運行和演化進行全面、實時地模擬和仿真。只有在此基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生車間具備對物理車間的生產(chǎn)執(zhí)行情況進行管理和優(yōu)化。為使虛擬車間模型與物理車間及其復雜生產(chǎn)活動保持真實完全鏡像和同步，必須保證幾何、物理、行為、規(guī)則等各維模型與其所刻畫的實際對象之間的一致性，以及同一實際對象對應的不同維度模型間的一致性。

1.4 數(shù)字孿生車間實現(xiàn)過程

數(shù)字孿生車間的本質(zhì)就是創(chuàng)建物理車間的虛擬副本，并建立起虛擬副本和物理車間之間的雙向?qū)崟r數(shù)據(jù)映射，通過虛擬的數(shù)字孿生車間的建模和分析來模擬和反映物理車間的狀態(tài)和行為，從而協(xié)助管理人員更便捷、高效地對實際的生產(chǎn)進行分析、預測和管控。

如圖4所示，通過集成幾何、物理、行為、規(guī)則等元素的模型，為生產(chǎn)元素和過程的數(shù)字化、可視化奠定了基礎(chǔ)。通過傳感器、RFID、嵌入式設(shè)備、I/O設(shè)備等數(shù)據(jù)感知手段，從物理車間采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，在進行進一步加工處理之后，根據(jù)行為規(guī)則模型的定義，進行自動決策判斷，并形成操作指令，有控制設(shè)備向物理生產(chǎn)要素進行指令操作。

圖4 數(shù)字孿生車間實現(xiàn)過程

在虛擬模型和物理模型的共同演化過程中，模型也會產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，這些模型用作通信和記錄機制，幫助解釋機器或者系統(tǒng)的行為，比根據(jù)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗知識以及模型數(shù)據(jù)預測未來的狀態(tài)。數(shù)字孿生車間在數(shù)據(jù)和模型的基礎(chǔ)上，進行自治運轉(zhuǎn)，形成孿生鏡像。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在裝配式橋梁中的實際應用

在數(shù)字孿生車間的理論基礎(chǔ)上，成都交投建筑工業(yè)化有限公司與成都五言信息技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)了裝配式橋梁數(shù)字孿生管理平臺，并在邛崍裝配式橋梁基地進行試點應用，選取車間生產(chǎn)過程和橋梁現(xiàn)場地吊裝施工兩個典型場景進行實踐和驗證。

2.1 車間應用

（1）在數(shù)字孿生車間中，可直接通過設(shè)備上的狀態(tài)標識掌握設(shè)備實時運行狀態(tài)，漫游到該設(shè)備可查看設(shè)備的臺賬信息、當前的操作情況以及設(shè)備的維修、保養(yǎng)、吊裝等記錄的詳細信息，如有設(shè)備故障，自動采取控制措施，并通知中控進行預警。

（2）在數(shù)字孿生車間中，可查看各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)當前的生產(chǎn)內(nèi)容，使生產(chǎn)任務的進度變得可視化，直觀的了解工廠生產(chǎn)情況。

（3）在數(shù)字孿生車間的堆場中，根據(jù)實際堆場情況生成相應的堆場模型，直觀的了解堆場使用情況以及堆場成品的狀態(tài)；點擊成品構(gòu)件，將展示成品的詳細信息，從最近的保養(yǎng)情況到生成工序再到原材料溯源；將成品的質(zhì)量追溯直接和可視化場景進行聯(lián)結(jié)。

（4）通過在數(shù)字孿生車間中查看工廠生產(chǎn)情況時，如果發(fā)現(xiàn)安全隱患、違章操作、生產(chǎn)進度偏差等異常情況，自動按照規(guī)則進行管理操作，下達管理指令，管理指令通過MES系統(tǒng)直接通知到相應的負責人進行處理，見圖5。

圖5 數(shù)字孿生車間效果圖

2.2 施工應用

針對施工現(xiàn)場進行建模后，在可視化場景中將施工情況按不同的顏色進行區(qū)分標識，使整個施工現(xiàn)場的進度一目了然；構(gòu)件的質(zhì)量溯源信息和施工現(xiàn)場模型互通，施工方可直接點擊現(xiàn)場模型中已交付的構(gòu)件成品，查看構(gòu)件的產(chǎn)品信息、生產(chǎn)工序和原材料質(zhì)檢等信息，見圖6。

圖6 數(shù)字孿生施工效果圖

3 結(jié)束語

本文結(jié)合實際生產(chǎn)和施工過程就數(shù)字孿生技術(shù)進行了基本的應用驗證，通過裝配式橋梁數(shù)字孿生技術(shù)的應用，有效地提高了裝配式橋梁生產(chǎn)和施工管理的效率，提高了數(shù)據(jù)的及時性和準確性，為管理決策提供了良好的輔助工具。在未來的研究中，將重點研究人工智能決策和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)自動化控制的課題，提高智能化技術(shù)在裝配式橋梁中的應用程度，把數(shù)字孿生技術(shù)更加全面地應用在裝配式橋梁業(yè)務領(lǐng)域，全面提高裝配式橋梁的管理效率。