基于智能制造模式的裝配式建筑構(gòu)件智能生產(chǎn)系統(tǒng)建模研究

汪文津，黃凱倫，趙堅，劉進軍，田松齡

（天津城建大學(xué) 控制與機械工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合，現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)進入智能制造發(fā)展階段，智能制造成為世界各國搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點。為贏得智能制造戰(zhàn)略競爭的主動權(quán)，世界主要工業(yè)國家相繼提出各自的制造業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展計劃，如德國“工業(yè)4.0”、我國“中國制造2025”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等。國內(nèi)外的一些學(xué)者研究提出了“工業(yè)4.0”及智能制造架構(gòu)模型和相關(guān)參考標準體系，旨在為規(guī)劃未來智能制造戰(zhàn)略提供參考和對接智能制造國際標準。國外學(xué)者V.Alcácer等分析在“工業(yè)4.0”架構(gòu)下的商業(yè)模式、環(huán)境、生產(chǎn)系統(tǒng)、機器、人員、產(chǎn)品和服務(wù)之間的數(shù)字信息技術(shù)的應(yīng)用[1]；Jian Qin和Hermann Meissner等研究用于“工業(yè)4.0”模式的相關(guān)架構(gòu)模型[2，3]。國內(nèi)學(xué)者李清、王春喜、梅恪、張映鋒等人對智能制造關(guān)鍵技術(shù)及體系架構(gòu)、參考模型及標準化框架關(guān)系進行了研究[4～7]。同時國內(nèi)以船舶、汽車、航空等為代表的制造行業(yè)紛紛進行企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智能生產(chǎn)管控創(chuàng)新，形成了一系列新生產(chǎn)模式和新興產(chǎn)業(yè)[8～11]。

而作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一的建筑業(yè)，目前仍廣泛采用現(xiàn)場澆筑的傳統(tǒng)建造方式，造成資源浪費高、勞動強度大、現(xiàn)場管理混亂、污染嚴重、能源消耗大等諸多問題，尤其在當(dāng)前面臨國土資源稀缺、勞務(wù)人工價格上漲、節(jié)能環(huán)保要求不斷提高的今天，迫切需要新型建造技術(shù)替代傳統(tǒng)建造方式，利用先進工業(yè)化技術(shù)、智能管理模式改造自身，實現(xiàn)綠色化、智能化，更好地發(fā)揮建筑業(yè)拉動經(jīng)濟增長、促進社會就業(yè)以及提升居住環(huán)境的作用。因此，“裝配式建筑”應(yīng)運而生。

裝配式建筑是一種新興建造方式，其特點是建筑由預(yù)制構(gòu)件在工地裝配而成。由于裝配式建筑的建造速度快，節(jié)約勞動力，環(huán)境污染小，質(zhì)量高，并且可以滿足客戶個性需求，符合了當(dāng)前市場處于大批量定制、個性化量產(chǎn)發(fā)展趨勢，使客戶參與產(chǎn)品的制造過程，能夠與企業(yè)進行聯(lián)合創(chuàng)造和協(xié)同設(shè)計[12]。

在目前“工業(yè)4.0”、兩化深度融合與“中國制造2025”的智能制造形勢下，以這種智能制造模式改造現(xiàn)有建造方式，在裝配式建造中融合自動化技術(shù)、先進制造技術(shù)、人工智能等多種學(xué)科知識的復(fù)雜化、特殊化的信息處理，形成“智能+裝配式建筑”新型建造模式，從而實現(xiàn)裝配建筑大批量定制、個性化量產(chǎn)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，并使企業(yè)工業(yè)化成本降低、提高生產(chǎn)效率和競爭力。由于學(xué)術(shù)界與相關(guān)業(yè)界對這種裝配式建造方式與智能制造模式結(jié)合起來的研究剛剛起步，因此有必要根據(jù)我國制造業(yè)企業(yè)的信息化與工業(yè)化融合的自身特性，針對中國建筑工業(yè)及信息化應(yīng)用的現(xiàn)狀，深入研究裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能制造模式及生產(chǎn)過程建模，為推動建筑工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能制造技術(shù)架構(gòu)理論模型

裝配式建筑結(jié)構(gòu)件是指在建筑結(jié)構(gòu)中主要受力預(yù)制件，可經(jīng)裝配/連接而成混凝土結(jié)構(gòu)。基于智能制造模式下裝配式建筑工業(yè)化則具有以下特征：設(shè)計數(shù)字化標準化、構(gòu)件部品智能化生產(chǎn)、構(gòu)件部品商品化、施工裝配自動化及智能化、全生命周期信息化和統(tǒng)籌管理科學(xué)化，讓產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、渠道、銷售、管理等實現(xiàn)一體化，并賦予產(chǎn)品定制化、可視化、低碳化特性。本文根據(jù)中國智能制造模型概念（如圖1所示）建立了一個智能制造技術(shù)架構(gòu)理論模型，如圖2所示。

圖1 中國智能制造模型

在圖2所示的模型中，分為兩個層，分別是前端技術(shù)層和支撐技術(shù)層。前端技術(shù)層是基于智能制造等新技術(shù)組成并生產(chǎn)出智能產(chǎn)品，包括了智能服務(wù)、智能設(shè)計生產(chǎn)與施工裝配和它的延續(xù)—智能產(chǎn)品。其中智能設(shè)計生產(chǎn)與施工裝配由六個相關(guān)方面的相關(guān)技術(shù)支撐實現(xiàn)：1）垂直整合（即采用先進的通信技術(shù)實現(xiàn)從控制層到企業(yè)聯(lián)盟層之間的整合，減少生產(chǎn)各過程決策中的人為干預(yù)）；2）虛擬技術(shù)；3）自動化技術(shù)；4）可追溯性技術(shù)；5）柔性化技術(shù)；6）能源管理。具體包括的技術(shù)內(nèi)容如表1所示。

圖2 智能制造技術(shù)架構(gòu)理論模型

智能產(chǎn)品使用了嵌入式智能組件使產(chǎn)品實現(xiàn)數(shù)字功能和服務(wù)功能，其支持技術(shù)如表2所示。

表2 智能產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)

智能服務(wù)則包括了供貨商的數(shù)字化平臺、顧客的數(shù)字化平臺、企業(yè)聯(lián)盟的數(shù)字化平臺技術(shù)。

支撐技術(shù)層是對前端技術(shù)層的實現(xiàn)起到支撐作用，包括了物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、分析和制造技術(shù)，其中物聯(lián)網(wǎng)解決工廠中物與物之間的信息交換與通訊；云服務(wù)則提供便捷的信息和服務(wù)；大數(shù)據(jù)包括了從系統(tǒng)和物體傳遞的各種數(shù)據(jù)，它與分析技術(shù)的集成實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的挖掘和機器學(xué)習(xí)與決策（被認為是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵動力源），同時分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程精準預(yù)測，因此制造系統(tǒng)的智能性依賴于大量數(shù)據(jù)的積累（大數(shù)據(jù)）和先進的分析方法技術(shù)；制造技術(shù)是為了完成包括生產(chǎn)在內(nèi)的一切活動所需的一切手段。

本文通過智能制造技術(shù)架構(gòu)理論模型分析進而搭建出面向裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)模型，如圖3所示。該系統(tǒng)架構(gòu)模型由智能裝備組成的制造模型、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)組成的生產(chǎn)管理模型、云服務(wù)和大數(shù)據(jù)組成的智能分析模型三個模型組成。其中制造模型完成裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)工藝過程，在這個層面上，物聯(lián)網(wǎng)連接各個智能生產(chǎn)裝備，在這個過程中將產(chǎn)生大量的包括操作者、設(shè)備等的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）采集，并通過網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)管理模型通信；生產(chǎn)管理模型由企業(yè)資源計劃（ERP）、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、建筑信息模型（BIM）、客戶關(guān)系管理（CRM）組成，完成對生產(chǎn)過程進度、現(xiàn)場管理、產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控以及對生產(chǎn)計劃及資源的智能管控，通過網(wǎng)絡(luò)與智能分析模型進行信息傳輸；智能分析模型由數(shù)據(jù)收集、集成、處理、分析和可視化設(shè)計五個模塊組成，完成對產(chǎn)品制造全生命周期中的數(shù)據(jù)分析與可視優(yōu)化設(shè)計，制造模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都由智能分析模型進行深度的分析與優(yōu)化設(shè)計，并通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)計、生產(chǎn)管理和制造過程等進行實時優(yōu)化控制。

圖3 面向裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)模型

2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能生產(chǎn)過程模型

2.1 智能生產(chǎn)過程構(gòu)建方法

智能生產(chǎn)過程的建立是按照“智能+”生產(chǎn)工藝流程模式實現(xiàn)的，未來的市場將是大批量定制、個性化量產(chǎn)形勢，因此充分借助云端服務(wù)優(yōu)勢（智能工藝策略、MRP、ERP等），從產(chǎn)品需求和種類出發(fā)進行分析和產(chǎn)品工藝設(shè)計，形成工藝實施路線（①→③）。然后基于優(yōu)化控制、人工智能、大數(shù)據(jù)進行設(shè)備的優(yōu)化配置、自動化生產(chǎn)線與物流倉儲系統(tǒng)的組建、管理控制整個生產(chǎn)工藝流程的智能控制系統(tǒng)建立及生產(chǎn)流程方案的優(yōu)化可行性評價（④→⑦），進而實現(xiàn)智能生產(chǎn)線的建立與運行實施，整個過程是一個閉環(huán)智能控制過程。而作為建筑數(shù)字化信息模型（BIM）數(shù)據(jù)流則貫穿于整個生產(chǎn)工藝過程。其智能生產(chǎn)工藝過程構(gòu)建方法如圖4所示。

圖4 智能生產(chǎn)過程構(gòu)建方法

智能生產(chǎn)系統(tǒng)的核心要素包括智能生產(chǎn)設(shè)備、智能決策處理系統(tǒng)、分布式控制、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這些裝備是支持生產(chǎn)信息及時處理、資源優(yōu)化利用、質(zhì)量實時跟蹤控制的基礎(chǔ)。生產(chǎn)系統(tǒng)中生產(chǎn)設(shè)備、工裝模具、檢驗設(shè)備及儀器等物理設(shè)備的智能化則是建立智能生產(chǎn)系統(tǒng)的必要前提，物聯(lián)網(wǎng)、智能決策處理系統(tǒng)、分布式控制是支持整個系統(tǒng)運行邏輯實現(xiàn)的基本條件，其中在工藝規(guī)劃、運行控制、生產(chǎn)加工等活動層面上都配有智能決策系統(tǒng)。智能設(shè)備和功能系統(tǒng)作為智能單元個體，可以實現(xiàn)局部環(huán)節(jié)的智能處理；另外系統(tǒng)通過分布式控制、物聯(lián)網(wǎng)對智能設(shè)備、功能系統(tǒng)的集成協(xié)同運行及實時信息采集監(jiān)測與控制，實現(xiàn)人機互聯(lián)的智能化生產(chǎn)環(huán)境，從而完成從單元智能個體到智能化整體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，進而實現(xiàn)物質(zhì)流、信息流的實時精準管理和動態(tài)優(yōu)化運行。

2.2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能生產(chǎn)過程仿真模型

以裝配式建筑結(jié)構(gòu)件—預(yù)制板中鋼筋網(wǎng)的生產(chǎn)過程為例建立智能生產(chǎn)過程模型，如圖5所示。其制造工藝過程包括：鋼筋的拉直、折彎、焊接、切斷和綁扎。基于智能制造的模式，生產(chǎn)設(shè)備中的傳感器感知設(shè)備運行的信息及獲得質(zhì)量信息，通過云服務(wù)及大數(shù)據(jù)中心的人工智能方法實現(xiàn)實時分析，進而通過可視化設(shè)計生成優(yōu)化決策信息，再反饋執(zhí)行運行控制系統(tǒng)，控制現(xiàn)場物理生產(chǎn)系統(tǒng)，其工藝過程是一個閉環(huán)控制的智能邏輯模型。模型的中生產(chǎn)現(xiàn)場是控制對象，SCADA提供數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，整個工藝生產(chǎn)的執(zhí)行過程以運行控制系統(tǒng)為核心實現(xiàn)信息流的流動，并圍繞“原材料—在制品—產(chǎn)品”進行重復(fù)的過程。圖6～圖8是設(shè)計的智能生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)構(gòu)件過程的仿真圖。

圖5 鋼筋網(wǎng)的智能生產(chǎn)過程模型

圖6 鋼筋構(gòu)件的無人化焊接與切斷

圖7 機械人抓取鋼筋構(gòu)件

圖8 混凝土自動澆筑過程

3 結(jié)語

中國建筑業(yè)目前仍然廣泛使用的粗放式生產(chǎn)建設(shè)模式導(dǎo)致自動化施工程度低，資源浪費和環(huán)境破壞嚴重等很多問題。因此，急需采用融合自動化制造技術(shù)、人工智能等多種學(xué)科知識的新型建造模式（即“智能+裝配式建造”）解決傳統(tǒng)建造施工問題。因此本項目主要對裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能制造模式下的生產(chǎn)過程開展研究，針對大批量定制、個性化量產(chǎn)發(fā)展趨勢，分析了其智能生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成，討論了智能化關(guān)鍵技術(shù)，提出了裝配式建筑結(jié)構(gòu)件的智能生產(chǎn)過程模型，為裝配式建筑結(jié)構(gòu)件智能制造的應(yīng)用提供參考。