基于BIM技術的智能化住宅部品生產作業計劃與控制系統功能需求分析

馬智亮 楊之恬

(清華大學，北京 100084)

基于BIM技術的智能化住宅部品生產作業計劃與控制系統功能需求分析

馬智亮 楊之恬

(清華大學，北京 100084)

本文分析基于BIM技術的智能化住宅部品生產計劃與控制系統的功能需求。首先，建立現行住宅部品生產作業計劃與控制過程模型；其次，在總結現行管理模式中所存問題的基礎上，基于BIM等新信息技術所帶來的可能性，提出改進的過程模型；最后，基于所提出的新模型，分析基于BIM技術的智能化住宅部品生產作業計劃與控制系統功能需求。依據上述方法，本研究共提出了37項功能需求，為進一步進行系統設計和開發奠定了基礎。

生產作業計劃; 計劃執行; 生產管理; BIM; 住宅部品

1 引言

改革開放后我國建筑業迅速發展，僅2013年間全國房屋竣工面積就高達34.6億m2，其中住宅竣工面積超過半數，達19.3億m2[1]，然而目前我國住宅建設仍普遍采用以現澆為主的粗放式建造方式，日益難以滿足建筑市場的需求。與現澆式建造相比，裝配式建造通過采用工業化的部品生產和管理方式，可縮短項目周期，提高建設質量。裝配式建造的優點主要源自其部品生產和現場施工分離，因此住宅部品生產階段是該建造方式中的一個重要階段。

工業化的部品生產需要制定工廠計劃。它包括主生產計劃、車間產出計劃、生產作業計劃等層次。其中，生產作業計劃是車間產出計劃的細化與具體化，通過將生產任務分配到工段甚至個人，對車間投產、生產和產出進行規劃。其制定和執行是部品生產管理中一項重要內容，直接關系到部品交付周期和質量，進而影響整個建設項目的周期。

現行作業計劃與控制過程尚存在下列問題：首先，現行作業計劃制定主要依據最早交付日期規則，采用人工方式進行，難以在考慮生產資源(如生產運輸設備、原料等)限制的情況下進行充分利用產能[2]。其次，圖表化的計劃展現方式難以直觀地向車間主管展現該生產計劃的實際執行效果，影響管理人員的決策效率。再次，目前應對生產外界環境突變(訂單變更、供應不足等)的對策主要包括制定計劃時設置產能余量、業務外包、延長工人工作時間或與業主協商降低工藝要求等，而運用此類方法都會增加成本或降低質量。另外，基于紙質化派工單的生產作業計劃下達方式信息傳遞效率低下，例如，但當生產條件發生變化時，需要再次進行派工單和圖紙等資料整理及下發。最后，現行的生產管理模式中，生產管理者只能依據定期報告得知車間的生產情況，而無法獲得生產實時信息，影響決策效果。

近幾年國內外學者已對上述問題進行了研究。例如，2000年Leu等提出了在考慮生產資源有限的情況下，利用遺傳算法進行單條生產流水線自動化生產作業計劃方法[3]。Ko等提出了在自動制定作業計劃的同時，考慮各工序間緩存空間有限的方法，提高了作業計劃的可執行性[4]。其他學者也做了相關的研究[2][5]。但目前該領域的研究主要集中于靜態計劃制定，而未考慮生產條件變化時作業計劃的自適應性，故此類計劃無法針對動態的生產外界環境做出調整，當生產條件發生變化后，先前制定的計劃難以執行。另外，因目前研究尚未能提供計劃控制方法，在制定了精細的生產作業計劃后，廠家實際利用該計劃也存在一定難度。

通過利用多智能體系統技術，制造業相關領域研究者提出了根據生產實際情況動態擬定計劃的方法[6]。但目前研究都是針對特定類型產品制造，尚無普適性的計劃方法提出?？紤]到住宅部品生產的特殊性，如由于單個產品體積和重量較大，需考慮工序間生產緩存的限制等，目前制造業相關研究尚不能應用于住宅部品生產。

作為建筑領域的前沿信息技術，BIM技術以三維模型為基礎，對建筑全生命期各階段的信息進行結構化的表達，在部品生產作業計劃與控制方面有著巨大應用潛力?？深A見通過結合BIM技術、物聯網技術、人工智能技術及多智能體系統技術，開發住宅部品生產作業計劃與控制系統，可有效地解決上述問題。

本研究對基于BIM技術的智能化住宅部品生產作業計劃與控制系統進行研發，其中本文對該系統進行功能需求分析?；谏鲜鲅芯勘尘?，本文首先歸納現行住宅部品生產作業計劃與控制過程模型。接著分析可用的關鍵技術，以解決上述問題。然后以此為基礎，提出改進的宅部品生產作業計劃與控制過程模型。最后基于新過程模型提出系統功能需求。

2 現行住宅部品生產作業計劃與控制過程模型及相關信息

Lee等在開發建筑領域產品信息建模軟件Georgia Tech Process to Product Modeling(GTPPM)的過程中對裝配式建設過程進行了建模[7-11]。但從公開發布的該模型內容來看，雖然他們對生產計劃的流程有較為細致的歸納，但對于作業計劃的執行部分(如進度執行的監控和反饋等)缺少歸納。

為把握現行住宅部品生產作業計劃與控制過程，在前人研究的基礎上，本研究開展了充分的文獻和實際調研，對該過程進行了建模，如圖1所示。該過程主要包括以下四步：首先，依據車間產出計劃制定生產作業計劃，并在進行車間產能分析后審批；其次，依據生產作業計劃編制并下達投產計劃、派工單和產出計劃；然后，按派工單組織生產，記錄臺賬并定期反饋進度，遇到突發性嚴重生產問題時，及時向生產調度部門反饋；在完成生產任務后，填寫派工單和產出計劃回執。

圖1 現行生產作業計劃與控制過程模型

以該過程模型為依據，通過檢索相關專業書籍，本研究對過程模型中各步驟的主要責任人、輸入信息、信息處理與輸出信息也進行了歸納，如表1所示。以“生產作業計劃”步驟為例，本研究首先檢索了專業書籍[12]，然后對Dawood等學者進行的最新研究中所提及制定生產作業計劃所需的信息內容進行歸納[2][5]，形成了該步驟的輸入信息。

3 可用關鍵技術分析

為解決現行生產作業計劃和控制過程中存在的問題，本研究對可能運用的信息技術技術進行了分析，包括BIM技術、離散事件模擬技術、RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術、遺傳算法、多智能體系統等。

離散事件仿真是通過將系統離散為一系列事件，通過按照一定順序推演事件進行仿真的技術[14]，已被用于部品成品倉庫規劃方案的優化和效果展示。例如，預制構件生產和庫存管理過程具有相對離散性，可以用離散事件仿真技術對生產線及庫存規劃方案進行仿真，以展示方案正常運行的效果[15][16]。在本研究中，該技術將用于生產作業計劃模擬，以展示其實際性能，便于審批人員決策。

RFID技術是通過利用接收器讀取被識別物體上RFID標簽主動或者被動發射的無線電信號，識別物體并讀取信息的一項技術[17]，可用于部品生產、吊裝及倉儲過程中的跟蹤管理。例如，通過運用RFID標簽進行部品標識，Nenad開發了部品生產與安裝信息管理系統，實現了部品生產安裝全過程的管理[13]。在本研究中，該技術將用于生產過程中部品跟蹤管理，以實現生產信息實時反饋。

遺傳算法是借鑒了生物學中遺傳現象開發的，解決最優化問題的一種搜索啟發式算法[18]，可用于生產計劃和生產線資源配置方案優化。在本研究中，該技術將用于生產作業計劃的自動擬定。

表1 現行過程模型中各步驟信息明細表

多智能體系統技術是通過多個智能體相互協作，組成分布式智能系統解決實際問題的技術[19]，在制造業中該技術已用于生產過程的動態計劃與管控。例如，為適應動態變化的制造條件，Wang通過運用多智能體系統的群體智能性，開發了敏捷制造計劃與控制系統，實現了生產任務的智能化分配[6]。本研究結合部品生產特點，將該技術運用于部品作業計劃的擬定、調整和控制。

4 新住宅部品生產作業計劃與控制過程模型及相關信息

針對現行生產作業計劃與控制流程中的問題，考慮新信息技術帶來的可能性，本研究提出住宅部品生產管理模式改進對策。首先，通過利用系統進行自動生產作業計劃擬定，解決人工制定作業計劃難以充分利用產能的問題；其次，通過利用離散事件模擬進行作業計劃性能的展示，以提高計劃審批效率；再次，當發生生產事故時，利用系統自動調整生產作業計劃，使得在維持產出計劃不變的情況下，通過合理地整合車間資源，盡量抵消突發事件帶來的不利影響，從而一定程度上避免采用業務外包等以成本或質量換產量的對策；另外，利用信息系統下達實時生產任務，可避免利用紙質化派工單帶來的信息傳遞效率低下；最后，通過RFID傳感器監測生產進度，以為管理者提供實時生產信息?；谏鲜鰧Σ撸狙芯刻岢隽诵伦≌科飞a作業計劃與控制過程模型，如圖2所示。

圖2 新住宅部品生產作業計劃與控制過程模型

通過分析新舊過程模型，可發現兩個模型中的一些步驟存在對應關系。例如，新模型中的“自動擬定生產作業計劃”對應于現行模型中的“生產作業計劃”和“車間產能分析”?；谶@種對應關系，不難得出以下3條推論：首先，新過程模型中各步驟的輸入信息內容必涵蓋現行過程模型中對應步驟的輸入信息內容，但信息表現形式未必一致。這主要是因為，一方面利用信息系統模擬人進行決策時，需要包含人工決策時會考慮的各項因素；另一方面，由于信息系統具有更高的計算性能，能考慮人腦難以考慮的更多因素。其次，對應步驟的信息處理方式較為不同，現行模型中以人工處理為主，新模型中以自動處理為主。最后，對應步驟的輸出信息內容差異不大，但表現形式存在較大差異，因為各步驟的輸出信息內容主要由該步驟目的決定，而與信息的形成和表現方式無關。例如，現行過程模型“派工單編制”與新過程模型中“實時發布生產指令”的作用都是向工人下達生產作業計劃中的內容并提供相關信息，雖然形式卻不同，但內容類似。

依據上述推論，本研究對新過程模型中各步驟的輸入信息、信息處理、輸出信息和責任人進行歸納，如表2所示。以新過程模型中“自動擬定作業計劃”步驟為例，其輸入信息應繼承現行過程模型中“生產作業計劃”和“車間產能分析”的輸入信息中內容(詳見表1)，但與原過程模型相比部分信息表現形式發生變化，例如原模型中“前期計劃完成情況”變為“生產案例庫”，還增加了部分必備信息，如“各項計算參數”。

5 系統的功能需求分析

本研究基于改進的住宅部品生產作業計劃與控制過程模型，以及模型中各步驟信息明細表，進行系統的功能需求分析。其中表中的“所需信息”反映系統的輸入功能需求，“信息處理”反映系統的分析功能需求，“產生信息”反映系統的展示功能需求。例如，“自動擬定作業計劃”步驟需求信息“設計及工藝信息”，因此部品生產計劃和控制系統應具有“BIM模型導入”及“部品生產工藝路線選擇”功能。由此，形成了該系統的功能需求，如表3所示。

表2新過程模型中各步驟信息明細表

表3 系統功能需求表

續表

住宅部品生產作業計劃與控制系統功能需求共有37項，可分6類，包括常規類功能，即用戶登入登出管理；工廠信息設置類功能，主要涵蓋車間人、機、材等生產信息設置和生產案例庫的管理；訂單信息錄入類功能，主要涵蓋訂單及部品相關信息導入和車間產出

計劃及物料供應計劃的導入；自動擬定生產作業計劃類功能，主要涵蓋生產作業計劃自動生成、模擬和報批功能；生產實時信息查詢類功能，主要涵蓋生產相關信息查詢及生成報表功能；生產現場應用功能類功能，主要涵蓋部品自動識別、任務領取、配套信息顯示及事故報告功能。

6 結語

本研究通過調研現行住宅部品生產作業計劃與控制過程，建立了對應模型，然后針對現存問題，考慮新信息技術提供的可能性，提出了該模型改進模型，進而了分析獲得智能化住宅部品生產作業計劃與控制系統的功能需求。基于本文所提出的功能需求，本研究將繼續進行系統設計與開發。預期通過運用本研究所提出的系統，部品生產廠能解決作業計劃與控制領域現存問題。

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Functional Requirements Analysis of BIM Intelligent Scheduling and Control System for Precast Production of Prefabricated Residential Buildings

Ma Zhiliang, Yang Zhitian

(TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

This paper analyzes the functional requirements of a BIM based intelligent scheduling and control system for precast production of prefabricated residential buildings. First, the current process of scheduling and control of precast production is analyzed and modeled. Then, based on the problems existing in the current process and the latest technologies such as BIM and multi-agent systems, the process is updated and a new process model is established. Finally, the functional requirements of the system are analyzed based on the new process model. Consequently, 37 functional requirements are obtained and presented, which lays the foundation for further development of the system.

Production Scheduling; Schedule Execution; Production Management; BIM; Housing Parts

國家高技術研究發展計劃資助(2013AA041307)

馬智亮(1963-)，男，教授。主要從事信息技術在土木工程中的應用研究。

F406·2；TU746·4

A

1674-7461(2015)01-0001-07