基于智能制造模式的裝配式建筑構件智能生產系統建模研究

汪文津，黃凱倫，趙堅，劉進軍，田松齡

（天津城建大學 控制與機械工程學院，天津 300384)

0 引言

隨著新一代信息技術與制造技術的融合，現代工業已經進入智能制造發展階段，智能制造成為世界各國搶占新一輪科技革命和產業競爭的戰略制高點。為贏得智能制造戰略競爭的主動權，世界主要工業國家相繼提出各自的制造業戰略發展計劃，如德國“工業4.0”、我國“中國制造2025”和美國“工業互聯網”等。國內外的一些學者研究提出了“工業4.0”及智能制造架構模型和相關參考標準體系，旨在為規劃未來智能制造戰略提供參考和對接智能制造國際標準。國外學者V.Alcácer等分析在“工業4.0”架構下的商業模式、環境、生產系統、機器、人員、產品和服務之間的數字信息技術的應用[1]；Jian Qin和Hermann Meissner等研究用于“工業4.0”模式的相關架構模型[2，3]。國內學者李清、王春喜、梅恪、張映鋒等人對智能制造關鍵技術及體系架構、參考模型及標準化框架關系進行了研究[4～7]。同時國內以船舶、汽車、航空等為代表的制造行業紛紛進行企業轉型升級和智能生產管控創新，形成了一系列新生產模式和新興產業[8～11]。

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

裝配式建筑是一種新興建造方式，其特點是建筑由預制構件在工地裝配而成。由于裝配式建筑的建造速度快，節約勞動力，環境污染小，質量高，并且可以滿足客戶個性需求，符合了當前市場處于大批量定制、個性化量產發展趨勢，使客戶參與產品的制造過程，能夠與企業進行聯合創造和協同設計[12]。

在目前“工業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有建造方式，在裝配式建造中融合自動化技術、先進制造技術、人工智能等多種學科知識的復雜化、特殊化的信息處理，形成“智能+裝配式建筑”新型建造模式，從而實現裝配建筑大批量定制、個性化量產，提高產品的穩定性，并使企業工業化成本降低、提高生產效率和競爭力。由于學術界與相關業界對這種裝配式建造方式與智能制造模式結合起來的研究剛剛起步，因此有必要根據我國制造業企業的信息化與工業化融合的自身特性，針對中國建筑工業及信息化應用的現狀，深入研究裝配式建筑結構件的智能制造模式及生產過程建模，為推動建筑工業轉型升級具有重要的戰略意義。

1 裝配式建筑結構件的智能制造技術架構理論模型

裝配式建筑結構件是指在建筑結構中主要受力預制件，可經裝配/連接而成混凝土結構。基于智能制造模式下裝配式建筑工業化則具有以下特征：設計數字化標準化、構件部品智能化生產、構件部品商品化、施工裝配自動化及智能化、全生命周期信息化和統籌管理科學化，讓產品的研發、生產、渠道、銷售、管理等實現一體化，并賦予產品定制化、可視化、低碳化特性。本文根據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架構理論模型，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，分別是前端技術層和支撐技術層。前端技術層是基于智能制造等新技術組成并生產出智能產品，包括了智能服務、智能設計生產與施工裝配和它的延續—智能產品。其中智能設計生產與施工裝配由六個相關方面的相關技術支撐實現：1）垂直整合（即采用先進的通信技術實現從控制層到企業聯盟層之間的整合，減少生產各過程決策中的人為干預）；2）虛擬技術；3）自動化技術；4）可追溯性技術；5）柔性化技術；6）能源管理。具體包括的技術內容如表1所示。

圖2 智能制造技術架構理論模型

智能產品使用了嵌入式智能組件使產品實現數字功能和服務功能，其支持技術如表2所示。

表2 智能產品相關技術

智能服務則包括了供貨商的數字化平臺、顧客的數字化平臺、企業聯盟的數字化平臺技術。

支撐技術層是對前端技術層的實現起到支撐作用，包括了物聯網、云服務、大數據、分析和制造技術，其中物聯網解決工廠中物與物之間的信息交換與通訊；云服務則提供便捷的信息和服務；大數據包括了從系統和物體傳遞的各種數據，它與分析技術的集成實現了數據的挖掘和機器學習與決策（被認為是第四次工業革命的關鍵動力源），同時分析技術能夠實現生產過程精準預測，因此制造系統的智能性依賴于大量數據的積累（大數據）和先進的分析方法技術；制造技術是為了完成包括生產在內的一切活動所需的一切手段。

本文通過智能制造技術架構理論模型分析進而搭建出面向裝配式建筑結構件的智能制造系統架構模型，如圖3所示。該系統架構模型由智能裝備組成的制造模型、生產管理信息系統組成的生產管理模型、云服務和大數據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件生產工藝過程，在這個層面上，物聯網連接各個智能生產裝備，在這個過程中將產生大量的包括操作者、設備等的數據，這些數據由數據采集與監控系統（SCADA）采集，并通過網絡與生產管理模型通信；生產管理模型由企業資源計劃（ERP）、制造企業生產過程執行系統（MES）、建筑信息模型（BIM）、客戶關系管理（CRM）組成，完成對生產過程進度、現場管理、產品技術狀態的監控以及對生產計劃及資源的智能管控，通過網絡與智能分析模型進行信息傳輸；智能分析模型由數據收集、集成、處理、分析和可視化設計五個模塊組成，完成對產品制造全生命周期中的數據分析與可視優化設計，制造模型產生的數據、生產管理模型產生的數據都由智能分析模型進行深度的分析與優化設計，并通過網絡對設計、生產管理和制造過程等進行實時優化控制。

圖3 面向裝配式建筑結構件的智能制造系統架構模型

2 裝配式建筑結構件的智能生產過程模型

2.1 智能生產過程構建方法

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

圖4 智能生產過程構建方法

智能生產系統的核心要素包括智能生產設備、智能決策處理系統、分布式控制、物聯網絡，這些裝備是支持生產信息及時處理、資源優化利用、質量實時跟蹤控制的基礎。生產系統中生產設備、工裝模具、檢驗設備及儀器等物理設備的智能化則是建立智能生產系統的必要前提，物聯網、智能決策處理系統、分布式控制是支持整個系統運行邏輯實現的基本條件，其中在工藝規劃、運行控制、生產加工等活動層面上都配有智能決策系統。智能設備和功能系統作為智能單元個體，可以實現局部環節的智能處理；另外系統通過分布式控制、物聯網對智能設備、功能系統的集成協同運行及實時信息采集監測與控制，實現人機互聯的智能化生產環境，從而完成從單元智能個體到智能化整體系統的轉化，進而實現物質流、信息流的實時精準管理和動態優化運行。

2.2 裝配式建筑結構件的智能生產過程仿真模型

以裝配式建筑結構件—預制板中鋼筋網的生產過程為例建立智能生產過程模型，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，生產設備中的傳感器感知設備運行的信息及獲得質量信息，通過云服務及大數據中心的人工智能方法實現實時分析，進而通過可視化設計生成優化決策信息，再反饋執行運行控制系統，控制現場物理生產系統，其工藝過程是一個閉環控制的智能邏輯模型。模型的中生產現場是控制對象，SCADA提供數據采集與監控，整個工藝生產的執行過程以運行控制系統為核心實現信息流的流動，并圍繞“原材料—在制品—產品”進行重復的過程。圖6～圖8是設計的智能生產系統生產構件過程的仿真圖。

圖5 鋼筋網的智能生產過程模型

圖6 鋼筋構件的無人化焊接與切斷

圖7 機械人抓取鋼筋構件

圖8 混凝土自動澆筑過程

3 結語

中國建筑業目前仍然廣泛使用的粗放式生產建設模式導致自動化施工程度低，資源浪費和環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、人工智能等多種學科知識的新型建造模式（即“智能+裝配式建造”）解決傳統建造施工問題。因此本項目主要對裝配式建筑結構件的智能制造模式下的生產過程開展研究，針對大批量定制、個性化量產發展趨勢，分析了其智能生產系統的結構、組成，討論了智能化關鍵技術，提出了裝配式建筑結構件的智能生產過程模型，為裝配式建筑結構件智能制造的應用提供參考。