基于物聯網的預制建筑信息管理系統設計

摘要：近年來隨著我國建筑工業化的不斷推進，裝配式建筑成為發展趨勢。為加快房屋交付，相關建設公司常在預制建筑項目中采用建筑信息模型（BIM）和射頻識別（RFID）等先進技術。為使利用BIM系統和RFID獲得的信息在建筑相關方之間實現共享，通過使用RFID網關操作系統提供數據源互操作性服務及決策支持服務等系統服務，開發一種基于物聯網（IoT）的多維預制建筑信息管理系統平臺，實現預制結構實時可見性和可追溯性。對該系統先進性和有效性進行試點工程實踐，結果表明通過使用該系統，信息記錄使用紙張數量平均降低48.3%，物流等待時間縮短25%，現場裝配時間縮短6.67%。

關鍵詞：物聯網;射頻識別;預制建筑;信息管理

DOI： 10. 11907/rjdk.191452

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0195-05

0 引言

預制指在工廠中制造結構部件，并將完整或半完整的組件運輸到施工現場進行現場組裝施工。相關研究發現預制的建筑構件在房屋住宅建設中具有工期短、質量可控、施工過程安全、節能環保等優勢[1]，相比傳統建筑，預制建筑在降低施工成本與施工勞動力投入上有較好效果[2]。Pan等[3]通過對各類建筑結構成本進行對比分析，認為預制建筑結構有較大的成本優勢;張紅霞等[4]比較分析了幾種常見的裝配式建筑和傳統建筑的經濟性，認為預制建筑的效益優勢較為明顯;Jeroen等[5]對建筑構件生產商與建筑施工方之間的合作關系進行研究，分析其中存在的相關問題，并針對性提出相應解決方案;Wallbaum等[6]提出裝配式建筑技術與其它技術相互集成，是房屋建設可持續發展的重要策略之一;齊寶庫等[7]對裝配式住宅建筑的綜合效益進行了相關分析;李紅兵等[8]通過對住宅產業鏈上的利益關系及相關因素進行分析，從而提出并建立了建筑產業化發展的動力學模型。有學者在預制建筑生產、運輸及裝配管理上開展了研究，如Richard[9]提出建筑業未來應該以建筑工業化為主要發展手段，從而確保房屋市場的穩定供應;劉猛、黃春[10]針對加班在生產調度當中的作用，運用合整數線性規劃，建立了預制混凝土建筑構件的生產調度優化模型;李瑞等[11]通過實地調研，提出結構化的生產模式，構建出精益生產管理機制;羅少帥[12]對資源受限的預制構件生產調度問題進行了研究，提出基于Pareto的向量評價粒子群算法;楊立勝[13]針對住宅產業化中PC預制構件技術的應用進行研究，提出對應的廠區布置、生產工業流程與相關評價標準;宋華明等[14]對壓縮提前期進行研究，發現通過對提前期進行管理，可以讓相關成員的收益獲得Pareto最優;覃愛民等[15]認為裝配式建筑的生產裝配模式應基于訂貨最優的角度建立相應模型，從而實施供應鏈集成管理。

由于具有強大的物理和數字演示與管理功能，建筑信息模型（BIM）在支持預制構造方面起著重要作用。BIM目前支持包括公寓樓、橋梁等大多數物理基礎設施的規劃、設計、建造、運營和維護[16]。但在實際項目中使用BIM時存在一些問題。首先，從建筑構件預制到現場施工，數據收集通常是基于紙張的手動操作[17]，因此收集的數據項不完整、不準確、不充分;其次，由于采用傳統通信方式，如電子郵件、電話和傳真，相關施工方之間信息共享受到限制，從而導致信息丟失、溝通低效等問題[18];第三，預制件制造商、運輸方和現場裝配商之間的協作嚴重依賴于實時信息[19]。例如預制組件狀態、交付運輸進度以及組件位置，這些信息通過某種方式反饋給BIM時，通常會產生一定的延遲，進而使建筑施工相關方在信息同步方面存在差距，最終導致施工進度可見性和可追溯性較差。

眾多研究顯示對于預制建筑的生產、運輸以及裝配進行信息化管理是非常有必要的，但是如何使預制建筑在建設過程中實現信息實時共享存在諸多難點，暫時沒有出現針對該問題的相關方法或系統。因此本文嘗試使用相關技術提高建筑項目信息收集效率，其中一項核心技術是物聯網（IoT）。RFID電子標簽作為物聯網的一項核心技術，可以用于促進供應鏈管理、安全管理、設施管理和活動監控等[20]。利用RFID技術可以實現建筑工地中的建筑材料信息生命周期管理。此外還提出使用激光掃描技術，用于收集BIM幾何和空間數據。同時溫度、力和定位等相關傳感器也被用于施工現場，收集相關實時信息以便更好地構造一個智能建筑施工環境[21]。

2 系統構建

基于物聯網的多維度預制建筑信息管理系統基本架構如圖1所示，該系統涉及生產過程、建筑項目相關者的信息流交換、實時信息可見性與可追溯性的實現。

基于物聯網的多維度預制建筑信息管理系統在BIM系統基礎上集成了額外的維度信息（例如項目進度和成本），將原有的三維平臺擴展為多維平臺，使用面向服務的架構（SOA）作為關鍵創新，使平臺即服務成為可能（ PaaS）。基于物聯網的多維度BIM平臺包含3個層次：

（1）底部IaaS級別包括硬件和軟件層。硬件層由智能建筑對象（ Smart Construction Objects SCO，SCOs）和多維度BIM平臺網關組成，軟件層包括網關操作系統和管理sc0的管理工具。

（2）系統數據源管理服務層。該層不僅提供用于管理平臺的基礎架構和提供服務的自助服務門戶，還提供跨BIM系統服務以支持和處理IaaS。

（3）系統決策支持服務層。該層級包含3個主要的管理服務，從而為不同相關方提供不同服務。

在系統中，SCO來自建筑工地的建筑物，其中重要的建筑資源配備RFID電子標簽，從而轉換成“智能”物體。而多維度BIM平臺網關通過定義、配置和執行構造操作，連接和管理建筑項目中的智能建筑對象。系統的決策支持服務層服務于預制房屋建設的3個關鍵階段：預制生產、預制物流運輸和現場組裝。同時，為了增強本系統與其它BIM操作系統之間的數據共享和互操作性，系統內部可見性和可追溯性工具以及數據源互操作性服務依據基于XML的數據共享機制實現數據共享和流動。

2.1智能建筑對象、系統網關設備、網關操作系統構建與應用

智能建筑對象是典型的建筑資源，例如工具、機器和材料，通過將它們綁定到不同的RFID設備中從而轉換為智能對象。

首先，對關鍵預制組件，如容量廚房、廁所和預制外墻進行單獨標記，并采用項目級標簽方案，因為這些構件很容易影響預制建筑進展。

對于非關鍵材料，如干墻和積木，采用托盤級或批量標簽方案，即標簽附著在托盤上，托盤上帶有多個小型預制組件。機器操作員、車輛駕駛員、物流操作員和現場裝配工人等工作人員身上均貼有基于RFID功能的員工卡。上面這些建筑資源附帶標簽是被動的智能建筑對象。

通過在不同的關鍵場所，如生產組件的工位、轉運或卸貨場地設置RFID閱讀器，可以實時感知上方的被動智能建筑對象，讀取相關信息，從而創建了一個智能的建筑環境。

系統網關是一個支持物聯網的工業計算機，在項目中執行若干關鍵功能，以便建立易于部署和使用的信息基礎設施。首先，它通過有線或無線通信網絡連接并托管一組智能建筑對象，從而允許工人或操作人員訪問相關信息;其次，通過XML標準化格式提供有價值的實時信息，與高層決策系統進行溝通和互動;第三，對實時數據和事件進行處理、緩存和交換，使相關信息可以被重復查詢和使用。

基于上述硬件工具和軟件操作平臺，系統為使用者提供可見性和可追溯性工具，將建筑解決方案從通常的3D維度拓展為SD維度。可追溯性工具使用RFID技術，通過無線電波以全自動的方式識別各種物體。RFID標簽嵌入預制組件中，可貫穿制造、運輸、裝配和維護的整個生命周期。系統網關設備將在預制車間、運輸車輛、路徑檢查站和施工現場被設置為數據收集器。所有RFID標簽被網關設備捕獲并存儲在系統跟蹤服務器上，收集的信息可以在多方之間進行共享，還利用系統可見性工具將系統網關設備收集的相關信息在系統軟件上進行展示，使整個建設項目的情況清晰明了。

2.2 基于物聯網的數據源互操作系統

數據源互操作系統作為信息共享適配器，可以無縫集成所有異構數據源。其操作步驟為：

（1）數據請求者向服務發送數據請求令牌。令牌是結構化查詢語言（SQL）語句，其指示對象包括待檢索的數據信息模型（ DIM）、待查詢的目標數據源及“SELECT”、“FROM“和“WHERE”聲明分別過濾指定記錄的標準。

（2）數據源互操作系統接收并解析令牌。

（3）基于“SELET”語法，在數據庫中檢索相應數據信息模型。其中數據庫中的信息可以包含來自多個數據源的不同信息集。

2.3 基于物聯網的決策支持服務

系統決策支持服務作為SaaS，適用于預制房屋建設的3個典型過程，包含從預制生產、預制物流運輸和施工現場的裝配。

2.3.1 預制構件生產管理服務

預制構件生產服務負責使用高級模型或算法（如遺傳算法、蟻群算法和粒子群優化）制定最佳計劃和時間表，其中包含生產規劃服務、生產調度服務、內部物流服務、生產執行服務。

生產計劃服務的目的是從BIM軟件中選擇一組待預制的組件并將其翻譯成所需格式（例如圖紙和數量）用于預制公司的生產當中，并生成標準化的生產訂單。生產調度服務的目的是為預制公司調度員或主管選定模塊及相應任務。內部物流服務目的是為預制構件生產安排材料或設施。

2.3.2 預制建筑構件物流服務

預制件物流服務負責管理和控制從生產現場到最終目的地的預制物流，使用蟻群算法確定最佳解決方案。其中包含交通規劃和調度服務、實時運輸監控服務、車隊管理服務等子服務。

交通規劃和調度服務的目的是制訂與預制組件交付相關的最佳決策。預制組件完成后，預制生產服務將觸發與BIM系統同步的物流任務。實時運輸監控服務的目的是跟蹤整個物流和供應鏈中預制組件的當前狀態和位置。車隊管理服務的目的是管理運輸預制組件的車輛，以便在不同方面共享資源。

2.3.3 預制建筑構件現場組裝服務

現場裝配服務負責協助預制建筑構件裝配現場的各種操作，主要包括4個子服務：現場資產管理服務、實時監督服務、數據收集服務和實時反饋服務。

現場資產管理服務的目的是優化管理建筑項目資源，包括工人、工具和機器;實時監督服務的目的是監控各種工人、機器和建筑工地上材料的狀態;數據收集服務的目的是收集有用的RFID數據，以便提取有意義的信息，輔助現場施工負責人根據相關信息制定措施，協調各方完成項目;實時反饋的目的是向相關方和政府監督管理部門報告當前現場裝配情況。

3 案例分析

本部分以某建筑工地的施工項目作為案例進行分析。參與建設階段的項目主要參與者包括建設項目的開發商、作為項目主要承包商的建筑公司、生產裝配式建筑構件的生產工廠，以及第三方物流公司。

基于預制的建筑工藝過程包括3個主要階段：預制構件生產、構件物流運輸和現場裝配。作為項目客戶，項目開發商負責協調和監督項目質量、成本和進度，包括從項目開始階段到項目實質性完成。主承包商將BIM模型應用于預制工作的設計，并在批量生產和建造之前進行模型試驗。在模型樣品檢驗合格后，分包商可批量生產，物流公司和主承包商可在獲得開發商批準后運輸和組裝預制構件。

3.1 實際項目過程中的問題

傳統預制構件制造方法難以有效檢索生產、庫存管理及運輸等相關數據，造成有些部件可能被錯誤地運送到其它建筑工地，導致項目嚴重延誤。預制造中的決策基于不定時、不準確的數據以及經驗法則，且相關方之間的通信以傳統方式進行，如電話和傳真，實時性較差。

在物流運輸過程中，預制生產和物流公司之間沒有進行信息共享，且用于協調的時間開銷十分影響物流效率，影響整體建設規劃和進度。

在現場裝配時，由于建筑工地越來越小，因此現場管理規劃需要更高的效率，例如為實現準時交付預制構件，必須提供有關產品的實時信息。

綜上所述，為項目相關方構建一個管理系統以實現各方信息共享十分重要，該系統需具有可視性和可追溯性的特性，在整個預制生產、運輸和裝配過程中跟蹤裝配組件，其收集的數據可對項目相關方提供決策支持，包括成本估算、持續時間安排和建筑物三維信息展示等。

3.2 基于物聯網的預制建筑系統構建

首先將超高頻RFID電子標簽嵌入到預制組件中，并配有塑料保護殼，用于收集預制構件生產工廠的關鍵性實時信息，包括生成用于生產、脫模、質量控制和物流可用性等的相關信息。操作人員通過使用手持RFID閱讀器收集RFID和CPS等相關數據。例如，物流卡車的RFID和GPS數據由駕駛員收集，以獲得物流過程中相關實時信息，包括在卡車上裝載預制組件、離開預制廠、運輸路線、施工現場交接和預制組件確認。所有收集的RFID和GPS實時信息都與BIM系統相關聯。客戶和承包商在整個施工過程中可對物理建筑信息、施工進度和成本可追溯性與可見性進行監控。

3.3 系統帶來的相關改變

通過基于物聯網的多維度預制建筑信息管理系統，成功解決了傳統項目施工中存在的問題。

首先施工過程中取消了紙質記錄的操作，利用RFID電子標簽和讀寫器收集相關數據，僅在關鍵驗證過程中保留相關紙質數據。同時系統保存了建筑構件和項目的歷史信息，方便之后對項目進行維護和修整，并通過應用程序和短信通知指導相關工作人員。

由于實時信息共享，工廠管理更加高效。項目管理者根據來自生產現場的實時數據作出決策，優化施工資源。物流供應商充分利用生產數據為工廠提供更好的服務，物流公司可實施動態跟蹤和控制，使可視化預制組件的交付，物流運輸和供應鏈管理變得更加高效。開發商也從系統中獲益，可見性和可追溯性工具使項目開發商或負責機構能夠實時監控組件狀態。系統提供的成本和進度等多維信息幫助開發商管理進度并安排相應項目付款，從而提高整個項目進度和效率，系統布置實施前后相關指標對比如表1所示，其中所有數據指標均取其平均數。

4 結語

本文提出了一個基于物聯網的多維度預制建筑信息管理系統，實現了預制建筑行業基于物聯網的實時可見性和可追溯性。通過使用物聯網技術創建智能建筑對象，利用智能建筑對象實時收集數據，提高各方信息共享能力，從而作出正確決策，為預制建筑項目創建了一個智能建筑環境。但是因為在項目中相關數據收集量不是很大，因此在相關模型適宜程度及算法選取上還有進一步提高空間，未來可以在更多數據量的基礎上，對系統調度規劃模型進行更充分的訓練，獲得效果更佳的管理信息模型。

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（責任編輯：江艷）

作者簡介：宋汶璟（1993-），男，廣東工業大學機電工程學院碩士研究生，研究方向為物聯網、工業信息化。