BIM技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程中的應(yīng)用與研究

摘 要：為進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程，通過文獻(xiàn)閱讀和問卷調(diào)查的方式識別工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計核心因素，總結(jié)出適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計流程。基于該設(shè)計流程，通過質(zhì)量屋方法分析優(yōu)化指標(biāo)，并深入研究BIM技術(shù)特點和優(yōu)勢，將BIM技術(shù)融入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程中，較好實現(xiàn)定位、識別、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能，進(jìn)一步發(fā)掘BIM技術(shù)在優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程方面的可行性。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)計流程；質(zhì)量屋；SPSS軟件；核心因素

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-04

0 引 言

2022年中央《政府工作報告》中明確提出了要加快發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，提升關(guān)鍵軟硬技術(shù)創(chuàng)新和供給能力，21個省區(qū)市在《政府工作報告》中將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)列入年度工作任務(wù)[1]。雖然市場前景一片大好，但是設(shè)計現(xiàn)狀令人堪憂，Rahmani Amir Masoud在研究中綜合分析了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目當(dāng)前的設(shè)計水平，認(rèn)為當(dāng)前的設(shè)計水平在一定程度上影響了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目的順利交付。由于設(shè)計經(jīng)驗不足，導(dǎo)致79%的案例出現(xiàn)了成本過大的問題，64%的案例因為存在大量變更，影響了項目質(zhì)量，57%的案例無法滿足客戶需求[2]。

BIM技術(shù)充分利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建工程數(shù)據(jù)模型，在設(shè)計階段持續(xù)更新，助力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的實現(xiàn)[3]。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計研究現(xiàn)狀

1.1.1 傳感層研究現(xiàn)狀

Dash Ranjan Kumar等為確保工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的可靠性，研究了新的智能部署技術(shù)，采用改進(jìn)的期望最大化方法，將傳感器坐標(biāo)位置導(dǎo)出供設(shè)計人員參考，減少了因人為因素導(dǎo)致的傳感器位置錯誤問題[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一個可長時間為傳感器供電的寬帶能量收集系統(tǒng)，通過補充傳感器電池，拓寬傳感器部署的空間。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)層研究現(xiàn)狀

考慮到多種類型設(shè)備處于同一網(wǎng)絡(luò)時造成網(wǎng)絡(luò)延時，文獻(xiàn)[6]提出在設(shè)計過程中通過UAV輔助設(shè)計平臺對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行評估及分析，實時匯總網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，降低延時風(fēng)險。為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，文獻(xiàn)[7]提出從數(shù)據(jù)、控制和應(yīng)用方面建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌纳凭W(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1.1.3 系統(tǒng)層研究現(xiàn)狀

Kontron公司研發(fā)了一款具備圖形和計算性能的軟件，能夠為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶展示人機交互界面[8]。文獻(xiàn)[9]研究了一款智能人機交互軟件，實現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)界面的優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]研究了一款融合應(yīng)用級防火墻的平臺，通過云組件和收集管理模塊的應(yīng)用確保系統(tǒng)各節(jié)點層消耗最少的資源，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到開放網(wǎng)絡(luò)空間。

1.2 BIM技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[11]針對埃及工業(yè)管理制度，對106名受訪者進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括圖紙編制、估算工程量、成本管理等，證實了應(yīng)用BIM技術(shù)可加強設(shè)計管理，如集中數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化信息流、改進(jìn)成本控制、維護進(jìn)度計劃、完善描述性信息以及處理不同背景利益相關(guān)方等。文獻(xiàn)[12]針對工業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜的行業(yè)背景，提出了基于BIM技術(shù)的3D設(shè)計模式，提高了設(shè)計人員在規(guī)劃、設(shè)計和管理方面的洞察力。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[13]通過BIM數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了工程信息共享，有效提高了設(shè)計管理效率。文獻(xiàn)[14]從信息模型的影響因素角度出發(fā)，利用問卷調(diào)查法和專家訪談，改進(jìn)了信息模型，解決了系統(tǒng)集成及“信息孤島”問題。文獻(xiàn)[15]利用BIM技術(shù)的模擬性、可視化和協(xié)同性特征，在設(shè)計階段實現(xiàn)了信息化管理。

1.3 BIM技術(shù)優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[16]選擇了55項物聯(lián)網(wǎng)集成相關(guān)研究，梳理了BIM技術(shù)在拓展物理世界與虛擬環(huán)境時兩者之間的關(guān)系，證明了其應(yīng)用在設(shè)計階段的可行性。文獻(xiàn)[17]分析了設(shè)計過程中存在的大量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)利用BIM技術(shù)信息模型能夠提高設(shè)計管理效率，解決設(shè)計協(xié)同和數(shù)據(jù)共享方面存在的問題。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程

2.1 核心因素選取

為改善工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程，需準(zhǔn)確識別設(shè)計過程的核心因素。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新穎，工程實踐的深度和廣度還有待挖掘，最終本文采用定性及定量相結(jié)合的方法。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計核心因素選取見表1。采取文獻(xiàn)分析法對核心因素進(jìn)行選擇，運用頻數(shù)統(tǒng)計的基本原理和方法，將文獻(xiàn)涉及的6個主要因素匯總。實施問卷調(diào)查，驗證調(diào)查問卷指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性和相似性，文章通過SPSS軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了信度和效度驗證，最終得到了準(zhǔn)確的核心因素。

2.1.1 調(diào)查問卷方法

對位于北京、天津和上海的三家國際工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)公司的設(shè)計師及管理專家（工作年限均在5年以上）發(fā)放調(diào)查問卷。問卷內(nèi)容涵蓋了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備檢測、系統(tǒng)集成及項目管理等。參考李克特量表進(jìn)行五級打分，打分規(guī)則為：重要程度最高為5分、較高為4分、一般為3分、較低為2分、無影響為1分。

2.1.2 調(diào)查問卷回收

共計發(fā)放調(diào)查問卷67份，收回有效問卷62份。調(diào)查結(jié)果見表2。

2.2 核心因素驗證

2.2.1 信度驗證

本研究采用克隆巴赫系數(shù)方法來驗證調(diào)查問卷的內(nèi)在信度。克隆巴赫系數(shù)公式如下：

α﹦（n/n-1）（1-Si2/St2）" " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：α為信度系數(shù)；n為測驗題目數(shù)；Si2為每題被試得分的方差；St2為所有題被試所得總分的方差。在探索性研究中，信度達(dá)到0.7便可接受，經(jīng)測算，該問卷調(diào)查表的信度為0.786，證明調(diào)查結(jié)果可靠。

2.2.2 效度驗證

調(diào)查效度檢驗如圖1所示。通過SPSS軟件對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行降維因子分析，導(dǎo)出KMO和巴特利特檢驗數(shù)據(jù)，使用近似卡方、自由度及顯著性分析得出結(jié)構(gòu)效度。當(dāng)KMO大于0.50，且顯著性小于0.05時，證明調(diào)查問卷有效。

2.3 核心因素分析

主要問題調(diào)查描述統(tǒng)計見表3。對用戶需求不明確的打分為4.45，對專業(yè)間信息協(xié)調(diào)度打分為4.17，對應(yīng)用層協(xié)議整合度打分為2.35，對網(wǎng)絡(luò)層路由規(guī)劃打分為2.75，對綜合布線碰撞分析打分為3.61，對傳感器位置覆蓋率打分為3.46。

2.4 設(shè)計流程搭建

通過核心因素分析，完成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程，具體見表4。

3 BIM技術(shù)優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程

3.1 分析改善指標(biāo)

引入質(zhì)量屋，挖掘各類指標(biāo)。質(zhì)量屋QFD分析見表5。邀請了H公司的5名工程師（設(shè)計年限10年以上），針對表6的設(shè)計流程搭建質(zhì)量屋。

3.2 優(yōu)化設(shè)計流程

基于質(zhì)量屋找到設(shè)計流程優(yōu)化方向及BIM技術(shù)優(yōu)化設(shè)計流程的切入點。如圖2所示，在初設(shè)階段，利用BIM虛擬設(shè)計功能優(yōu)化現(xiàn)場傳感設(shè)備位置及參數(shù)選型；在施工圖階段，利用BIM沖突檢測功能解決綜合布線系統(tǒng)沖突；在系統(tǒng)融合階段，利用BIM三維建模功能實現(xiàn)系統(tǒng)操作界面可視化；在設(shè)計校審及變更流程階段，利用BIM共享平臺解決設(shè)計交叉和溝通不暢等問題。

4 結(jié) 語

本文總結(jié)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計特點，從提出問題、分析問題和解決問題的角度出發(fā)，搭建了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程，打通了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計、溝通的最后“一公里”，進(jìn)一步優(yōu)化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。

注：本文通訊作者為崔江。

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