基于數(shù)字孿生的鐵道工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線智慧管理系統(tǒng)研究*

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(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)

0 引言

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(jìn)行建造，將大部分需要在現(xiàn)場施工的構(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，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(yīng)用做了一定研究[5]。數(shù)字孿生是利用數(shù)字技術(shù)對物理實(shí)體對象的特征、行為、形成過程和性能等進(jìn)行描述與建模的過程、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)存在的問題與不足，同時基于數(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)場裝配服務(wù)，基于物聯(lián)網(wǎng)的BIM平臺，對智能建筑對象進(jìn)行定義和設(shè)計(jì)后，利用射頻識別技術(shù)，在預(yù)制建筑現(xiàn)場組裝的工作過程中收集實(shí)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(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，為更好地動態(tài)管理和管控整個構(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。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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射傳感器等組成。通過高清攝像頭和各類傳感器全天候?qū)崟r采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)層提供準(zhǔn)確、實(shí)時的數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)層

包括鋼筋庫存數(shù)據(jù)、構(gòu)件庫存數(shù)據(jù)、托盤庫存數(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)時收集的數(shù)據(jù)資源后進(jìn)行入庫處理。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，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、動態(tài)監(jiān)控、庫存管理和二維碼追溯等服務(wù)，保證對構(gòu)件生產(chǎn)中的材料供應(yīng)、產(chǎn)品生產(chǎn)和庫存進(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(chǔ)信息管理、構(gòu)件管理、生產(chǎn)計(jì)劃、庫存管理、二維碼追溯、動態(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。每個管理模塊下設(shè)2～3個功能，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

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)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(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)對預(yù)制構(gòu)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(shí)交互反饋功能，通過虛擬操作面板實(shí)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(shí)時直觀查看整條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況和每個工位的運(yùn)行狀態(tài)。從面板上可及時觀察生產(chǎn)線當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時生產(chǎn)動作及整條生產(chǎn)線物流系統(tǒng)運(yùn)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(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)、傳感器和信號處理信息技術(shù)?；赑LC系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，建立實(shí)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(shè)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(shí)時數(shù)據(jù)及設(shè)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(shí)時統(tǒng)計(jì)更新成品庫存剩余量等，并對比實(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)全過程感知、追溯及預(yù)警

系統(tǒng)將各類傳感器收集的實(shí)時數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，以實(shí)時感知風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行識別與評估，對生產(chǎn)進(jìn)度及構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行分析預(yù)警。通過建立預(yù)制構(gòu)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(gòu)件生產(chǎn)過程中涉及的信息，如構(gòu)件類型、布料日期、強(qiáng)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(jié)合PLC系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫，當(dāng)原材庫存量低于設(shè)定閾值時生成報(bào)警信息。數(shù)據(jù)庫結(jié)合動態(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)個別設(shè)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(shè)備運(yùn)行速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍。

2 應(yīng)用實(shí)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(yùn)會重點(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)件廠主要劃分為總控室區(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。面對工期緊迫、構(gòu)件廠生產(chǎn)管理和人員管理復(fù)雜等問題，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

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

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、動態(tài)監(jiān)測、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，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)時采集構(gòu)件廠生產(chǎn)現(xiàn)場關(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動態(tài)監(jiān)控服務(wù)

動態(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(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)測數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值，用于比對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，系統(tǒng)會自動生成報(bào)警信息，并傳至綜合展示服務(wù)模塊，提醒管理人員及時處理。在配置參數(shù)時需添加監(jiān)測點(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(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時生產(chǎn)動作及各項(xiàng)監(jiān)測數(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)警及材料庫存預(yù)警，對生產(chǎn)線實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)用多個球形可360°轉(zhuǎn)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(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)。

3 結(jié)語

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)動態(tài)、系統(tǒng)和全面的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。提供過程可視、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。

隨著國家提高對裝配式建筑和智慧管理的要求，通過多學(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，將推動我國鐵道工程進(jìn)一步向安全、長壽、綠色、高效、智能的可持續(xù)方向發(fā)展。