基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)建設(shè)

趙文廣， 王記濤

(河南金途科技集團(tuán)股份有限公司， 河南 鄭州 450000)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展成熟，工程行業(yè)受到數(shù)字化技術(shù)的沖擊，智能化的出現(xiàn)重新定義了施工標(biāo)準(zhǔn)、開拓了全新施工環(huán)境和顛覆了固有的施工方式[1]，不同規(guī)模和速度改變著施工組織結(jié)構(gòu)、施工流程和信息技術(shù)，也改變著在信息環(huán)境中工程人的工作模式。為實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的“過(guò)程跟蹤、強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)節(jié)約”，提高預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)施工管理工作的質(zhì)量和效率，形成養(yǎng)護(hù)全過(guò)程控制的閉環(huán)管理，豐富預(yù)制梁數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)全過(guò)程。該文就預(yù)制梁物聯(lián)網(wǎng)(IOTIPB:Internet of Things in Prefabricated Beam)環(huán)境下的智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)(IRM:Intelligent Robot Maintenance)展開論述，解決預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)存在的問(wèn)題并應(yīng)用IRM達(dá)到IOTIPB的養(yǎng)護(hù)節(jié)約、增效作用。

1 預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的重要性及存在的問(wèn)題

1.1 預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的重要性

養(yǎng)護(hù)是預(yù)制梁生產(chǎn)過(guò)程中影響質(zhì)量及達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性的關(guān)鍵工序，是在水泥水化反應(yīng)過(guò)程中控制混凝土內(nèi)水分損失速率和程度的方式，必須在合理的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，也是混凝土工程施工不可缺少的一部分。養(yǎng)護(hù)時(shí)間取決于混凝土設(shè)計(jì)要求，同時(shí)受到預(yù)制梁放置環(huán)境的大氣溫度和相對(duì)濕度的影響，預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的主要目的是通過(guò)在混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)期間防止混凝土水分流失來(lái)保持混凝土的持續(xù)濕潤(rùn)，為后序張拉作業(yè)提供混凝土強(qiáng)度保障條件，提高作業(yè)效率[2]。

1.2 預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)存在的問(wèn)題

養(yǎng)護(hù)工作不是簡(jiǎn)單的保濕、灑水工序可以概括的，高效的養(yǎng)護(hù)在于能夠?qū)崿F(xiàn)資源節(jié)約的前提下保證預(yù)制梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度效果，并用最小的時(shí)間成本實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁作業(yè)的流水化，確保有限臺(tái)座周轉(zhuǎn)利用的最大化。目前預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)存在如表1所示的問(wèn)題。

表1 預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)存在的問(wèn)題

2 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)

2.1 預(yù)制梁物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生

“數(shù)據(jù)是未來(lái)的石油，存量數(shù)據(jù)資產(chǎn)是新的石油”，數(shù)據(jù)是實(shí)施任何數(shù)字化舉措的原材料，物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，控制中心是數(shù)字化分析與管控的集散地。因此，數(shù)據(jù)信息是預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)的函數(shù)，建立信息任務(wù)共同的數(shù)據(jù)語(yǔ)言，構(gòu)建一個(gè)敏捷、快速、獨(dú)立的預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，需要一個(gè)自動(dòng)化的、實(shí)時(shí)的大數(shù)據(jù)分析引擎，實(shí)現(xiàn)端到端的物聯(lián)網(wǎng)信息過(guò)程控制，有利于解決預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)半自動(dòng)化問(wèn)題。利用各類傳感器通過(guò)終端模塊與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，終端模塊通過(guò) TCP/IP 協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸溫度、濕度等同步環(huán)境數(shù)據(jù)。使得控制單元可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)任務(wù)指標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算和指令反饋，同時(shí)可以視頻化地記錄作業(yè)過(guò)程及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)預(yù)制梁的集成應(yīng)用產(chǎn)生主要是通過(guò)在梁體安裝RFID(Radio Frequency IDentification)、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照規(guī)定的協(xié)議，將預(yù)制梁體的參數(shù)指標(biāo)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

2.2 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)原理

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由“物端(數(shù)據(jù)采集層)-網(wǎng)端(信息傳輸層)-云端(存儲(chǔ)應(yīng)用層)”三大部分組成[3]，是建立在互聯(lián)網(wǎng)之上的疊加網(wǎng)絡(luò)(Overlay Network)。預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)端的信息反饋與指令下達(dá)：① 物端：由分布在互聯(lián)網(wǎng)邊緣的、具有不同感知和執(zhí)行能力的不同物體或服務(wù)對(duì)象等物端資源構(gòu)成，該系統(tǒng)中為預(yù)制梁體、智能機(jī)器人、蓄水池和充電倉(cāng)；② 網(wǎng)端：是將物端資源與云端資源互聯(lián)起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，包含了該系統(tǒng)中的智能控制模塊、指令授權(quán)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、任務(wù)安排模塊及設(shè)備加載模塊；③ 云端：由控制中心任務(wù)指令的應(yīng)用提供計(jì)算、分析、存儲(chǔ)和信息處理服務(wù)的云端資源構(gòu)成，該系統(tǒng)包含信息網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)支撐及交互層與應(yīng)用層的指令下達(dá)、信息反饋(圖1)。

圖1 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)原理

2.3 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)管理

預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中主要融合了數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、信息化處理技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、智能移動(dòng)技術(shù)以及智能養(yǎng)護(hù)操作技術(shù)，讓預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)向智能化、自動(dòng)化以及標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。在通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，其主要的控制目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁規(guī)范時(shí)間內(nèi)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁后續(xù)環(huán)節(jié)的張拉、壓漿施工及臺(tái)座的周轉(zhuǎn)利用及時(shí)性和最大化。

通過(guò)抽象化的預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的操作原理和應(yīng)用系統(tǒng)的信息表述，明確了預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸、分析及指令下達(dá)上的優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)需要在此系統(tǒng)上解決海量傳感器多源數(shù)據(jù)融合、信息安全防護(hù)等問(wèn)題。同時(shí)他明確了預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人、蓄水池及充電樁的智能感知技術(shù)在通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、控制中心的數(shù)據(jù)分析計(jì)算、預(yù)制梁的強(qiáng)度信息反饋3個(gè)維度的應(yīng)用發(fā)展思路，以及預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)場(chǎng)景中，通過(guò)在預(yù)制梁體、智能機(jī)器人、蓄水池及充電倉(cāng)安裝高精度衛(wèi)星定位主機(jī)和傳感器，使得控制中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)梁體養(yǎng)護(hù)是否達(dá)到任務(wù)要求。同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，智能機(jī)器人將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳并存儲(chǔ)至云服務(wù)器，項(xiàng)目管理人員通過(guò)云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，為施工質(zhì)量管理決策提供高效、可靠的數(shù)據(jù)支持。

梁體設(shè)置精密傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制梁溫度、濕度、強(qiáng)度數(shù)據(jù)[4]，完成數(shù)據(jù)提取并同步反饋給中央控制單元進(jìn)行分析判斷并設(shè)定指令，傳輸至智能機(jī)器人分控制單元，其根據(jù)預(yù)制梁體反饋參數(shù)依據(jù)內(nèi)置算法系統(tǒng)計(jì)算用水量及養(yǎng)護(hù)路徑，啟動(dòng)蓄水池、充電平臺(tái)分控制單元保證智能機(jī)器人水量及電量的充足性，在約定的時(shí)間內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)化智能養(yǎng)護(hù)，形成養(yǎng)護(hù)臺(tái)賬表及預(yù)制梁強(qiáng)度上升曲線圖，從而達(dá)到預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的事先預(yù)控、事中監(jiān)控、事后分析的工程管理目標(biāo)。

智能機(jī)器人根據(jù)預(yù)制梁養(yǎng)生表面溫度、天氣晴雨、濕度信息智能計(jì)算噴淋養(yǎng)護(hù)參數(shù)(噴淋時(shí)間、噴淋水量、噴淋間歇、臺(tái)座狀態(tài)及養(yǎng)生周期)反饋給中央控制單元，確定預(yù)制梁場(chǎng)智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)的總體方案，指令設(shè)定于智能移動(dòng)路徑控制，現(xiàn)場(chǎng)噴淋控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，BIM強(qiáng)度曲線顯示控制，供水、供電控制，蓄水池水位控制，養(yǎng)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制7個(gè)控制模塊，同時(shí)，123信息化預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)模式具備移動(dòng)端、電腦端互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)及控制功能，在預(yù)制梁有效、實(shí)用的養(yǎng)護(hù)基礎(chǔ)前提下實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的全自動(dòng)、全方位、全智能的綠色養(yǎng)護(hù)節(jié)約發(fā)展(圖2)。

圖2 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)“1個(gè)中央控制單元、2個(gè)控制對(duì)象、3套系統(tǒng)”功能圖

3 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用效果分析

構(gòu)建新的預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)CACT模式生態(tài)系統(tǒng)，即“聯(lián)結(jié)”connected、“自動(dòng)”autonomous、“控制”control、“跟蹤”tracking，確立養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)互聯(lián)互通操作架構(gòu)，通過(guò)技術(shù)、數(shù)據(jù)賦能，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，重塑預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)程序[5]；強(qiáng)化控制中心數(shù)據(jù)信息技術(shù)基礎(chǔ)，基于預(yù)制梁傳感信息，定向推送養(yǎng)護(hù)需求任務(wù)，并跟蹤預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度上升效果。

另外，BIM的可視化養(yǎng)護(hù)模擬功能充分發(fā)揮了BIM三維速度優(yōu)勢(shì)，預(yù)制梁混凝土強(qiáng)度上升可以三維動(dòng)態(tài)展示，有效鏈接養(yǎng)護(hù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)頻次，保證預(yù)制梁綠色節(jié)約養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，融合了人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行集成化的平臺(tái)指令操作，豐富預(yù)制梁在定量化的跟蹤狀態(tài)下CACT養(yǎng)護(hù)模式環(huán)境構(gòu)建。

3.2 應(yīng)用效果改變

采用“信息服務(wù)包管家”的智能機(jī)器人對(duì)預(yù)制梁按照公路工程施工規(guī)范進(jìn)行有效的養(yǎng)護(hù)，確保強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，這在預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)是一個(gè)“包交換人”(packetswitched humans)的未來(lái)，可以選擇預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的優(yōu)先級(jí)，養(yǎng)護(hù)的頻次，養(yǎng)護(hù)的速度，指定智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后信息服務(wù)包管家將完成系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)工作，并且不會(huì)有任何遺漏的細(xì)節(jié)和間斷，提高了過(guò)程資源匹配的效率；養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)資源提升了分析的細(xì)度和時(shí)效性，大幅提升了養(yǎng)護(hù)用水利用效率；自動(dòng)化的智能機(jī)器人顛覆了人力勞動(dòng)作業(yè)的粗糙性和非及時(shí)性，保證預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化及科學(xué)化。具體系統(tǒng)功能價(jià)值如表2所示。

表2 預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)功能價(jià)值

4 結(jié)論與展望

(1) 結(jié)論

積極采用數(shù)字化科技手段改革傳統(tǒng)預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)模式，充分研究基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)制梁智能機(jī)器人養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)建設(shè)，有效發(fā)揮傳感器采集信息系統(tǒng)傳輸反饋的數(shù)據(jù)資源分析整合能力，高效應(yīng)用“1個(gè)中央控制單元、2個(gè)控制對(duì)象、3套系統(tǒng)”作用功能，有利實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)過(guò)程可視化跟蹤、預(yù)制梁強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)水源節(jié)約，有效提升預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)效果科學(xué)化、節(jié)約化、信息化，充分體現(xiàn)信息化服務(wù)操作系統(tǒng)的功能應(yīng)用價(jià)值。

(2) 展望

在這個(gè)日益增長(zhǎng)的互聯(lián)性和指數(shù)型擴(kuò)張的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，想象力的極限是現(xiàn)實(shí)建設(shè)過(guò)程的唯一障礙，技術(shù)的融合增強(qiáng)破除障礙的信念，這是機(jī)器人與其他智能化施工技術(shù)的融合，是由傳感器構(gòu)成的電子皮膚與在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)下的人工智能在云中碰撞，同時(shí)人工智能又與越來(lái)越多且越來(lái)越靈巧、越來(lái)越智能化的機(jī)器入碰撞，會(huì)存在一個(gè)強(qiáng)強(qiáng)技術(shù)聯(lián)合促需求的智慧化施工環(huán)境常態(tài)。彼得·戴曼迪斯和史蒂芬·科特勒在《未來(lái)呼嘯而來(lái)》總結(jié)到“在指數(shù)級(jí)發(fā)展的世界中，當(dāng)某些獨(dú)立加速發(fā)展的技術(shù)與其他獨(dú)立加速發(fā)展的技術(shù)融合時(shí)，奇跡就產(chǎn)生了”[6]。物聯(lián)網(wǎng)是一種傳輸工具，能夠?qū)⒉煌奈矬w聯(lián)系起來(lái)，更重要的是，它們能夠使信息和創(chuàng)新從一個(gè)地方擴(kuò)展到另一個(gè)地方，智能機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合對(duì)預(yù)制梁的節(jié)約化養(yǎng)生起到了助力的作用，并提高了綠色建造的過(guò)程占比，有效降低了生產(chǎn)成本，對(duì)后序預(yù)制梁施工環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)與BIM交互技術(shù)、云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)等智能化施工技術(shù)的應(yīng)用起到了借鑒、引導(dǎo)作用。