基于智能制造模式的装配式建筑构件智能生产系统建模研究

汪文津，黄凯伦，赵坚，刘进军，田松龄

（天津城建大学 控制与机械工程学院，天津 300384)

0 引言

随着新一代信息技术与制造技术的融合，现代工业已经进入智能制造发展阶段，智能制造成为世界各国抢占新一轮科技革命和产业竞争的战略制高点。为赢得智能制造战略竞争的主动权，世界主要工业国家相继提出各自的制造业战略发展计划，如德国“工业4.0”、我国“中国制造2025”和美国“工业互联网”等。国内外的一些学者研究提出了“工业4.0”及智能制造架构模型和相关参考标准体系，旨在为规划未来智能制造战略提供参考和对接智能制造国际标准。国外学者V.Alcácer等分析在“工业4.0”架构下的商业模式、环境、生产系统、机器、人员、产品和服务之间的数字信息技术的应用[1]；Jian Qin和Hermann Meissner等研究用于“工业4.0”模式的相关架构模型[2，3]。国内学者李清、王春喜、梅恪、张映锋等人对智能制造关键技术及体系架构、参考模型及标准化框架关系进行了研究[4～7]。同时国内以船舶、汽车、航空等为代表的制造行业纷纷进行企业转型升级和智能生产管控创新，形成了一系列新生产模式和新兴产业[8～11]。

而作为国民经济的支柱产业之一的建筑业，目前仍广泛采用现场浇筑的传统建造方式，造成资源浪费高、劳动强度大、现场管理混乱、污染严重、能源消耗大等诸多问题，尤其在当前面临国土资源稀缺、劳务人工价格上涨、节能环保要求不断提高的今天，迫切需要新型建造技术替代传统建造方式，利用先进工业化技术、智能管理模式改造自身，实现绿色化、智能化，更好地发挥建筑业拉动经济增长、促进社会就业以及提升居住环境的作用。因此，“装配式建筑”应运而生。

装配式建筑是一种新兴建造方式，其特点是建筑由预制构件在工地装配而成。由于装配式建筑的建造速度快，节约劳动力，环境污染小，质量高，并且可以满足客户个性需求，符合了当前市场处于大批量定制、个性化量产发展趋势，使客户参与产品的制造过程，能够与企业进行联合创造和协同设计[12]。

在目前“工业4.0”、两化深度融合与“中国制造2025”的智能制造形势下，以这种智能制造模式改造现有建造方式，在装配式建造中融合自动化技术、先进制造技术、人工智能等多种学科知识的复杂化、特殊化的信息处理，形成“智能+装配式建筑”新型建造模式，从而实现装配建筑大批量定制、个性化量产，提高产品的稳定性，并使企业工业化成本降低、提高生产效率和竞争力。由于学术界与相关业界对这种装配式建造方式与智能制造模式结合起来的研究刚刚起步，因此有必要根据我国制造业企业的信息化与工业化融合的自身特性，针对中国建筑工业及信息化应用的现状，深入研究装配式建筑结构件的智能制造模式及生产过程建模，为推动建筑工业转型升级具有重要的战略意义。

1 装配式建筑结构件的智能制造技术架构理论模型

装配式建筑结构件是指在建筑结构中主要受力预制件，可经装配/连接而成混凝土结构。基于智能制造模式下装配式建筑工业化则具有以下特征：设计数字化标准化、构件部品智能化生产、构件部品商品化、施工装配自动化及智能化、全生命周期信息化和统筹管理科学化，让产品的研发、生产、渠道、销售、管理等实现一体化，并赋予产品定制化、可视化、低碳化特性。本文根据中国智能制造模型概念（如图1所示）建立了一个智能制造技术架构理论模型，如图2所示。

图1 中国智能制造模型

在图2所示的模型中，分为两个层，分别是前端技术层和支撑技术层。前端技术层是基于智能制造等新技术组成并生产出智能产品，包括了智能服务、智能设计生产与施工装配和它的延续—智能产品。其中智能设计生产与施工装配由六个相关方面的相关技术支撑实现：1）垂直整合（即采用先进的通信技术实现从控制层到企业联盟层之间的整合，减少生产各过程决策中的人为干预）；2）虚拟技术；3）自动化技术；4）可追溯性技术；5）柔性化技术；6）能源管理。具体包括的技术内容如表1所示。

图2 智能制造技术架构理论模型

智能产品使用了嵌入式智能组件使产品实现数字功能和服务功能，其支持技术如表2所示。

表2 智能产品相关技术

智能服务则包括了供货商的数字化平台、顾客的数字化平台、企业联盟的数字化平台技术。

支撑技术层是对前端技术层的实现起到支撑作用，包括了物联网、云服务、大数据、分析和制造技术，其中物联网解决工厂中物与物之间的信息交换与通讯；云服务则提供便捷的信息和服务；大数据包括了从系统和物体传递的各种数据，它与分析技术的集成实现了数据的挖掘和机器学习与决策（被认为是第四次工业革命的关键动力源），同时分析技术能够实现生产过程精准预测，因此制造系统的智能性依赖于大量数据的积累（大数据）和先进的分析方法技术；制造技术是为了完成包括生产在内的一切活动所需的一切手段。

本文通过智能制造技术架构理论模型分析进而搭建出面向装配式建筑结构件的智能制造系统架构模型，如图3所示。该系统架构模型由智能装备组成的制造模型、生产管理信息系统组成的生产管理模型、云服务和大数据组成的智能分析模型三个模型组成。其中制造模型完成装配式建筑构件生产工艺过程，在这个层面上，物联网连接各个智能生产装备，在这个过程中将产生大量的包括操作者、设备等的数据，这些数据由数据采集与监控系统（SCADA）采集，并通过网络与生产管理模型通信；生产管理模型由企业资源计划（ERP）、制造企业生产过程执行系统（MES）、建筑信息模型（BIM）、客户关系管理（CRM）组成，完成对生产过程进度、现场管理、产品技术状态的监控以及对生产计划及资源的智能管控，通过网络与智能分析模型进行信息传输；智能分析模型由数据收集、集成、处理、分析和可视化设计五个模块组成，完成对产品制造全生命周期中的数据分析与可视优化设计，制造模型产生的数据、生产管理模型产生的数据都由智能分析模型进行深度的分析与优化设计，并通过网络对设计、生产管理和制造过程等进行实时优化控制。

图3 面向装配式建筑结构件的智能制造系统架构模型

2 装配式建筑结构件的智能生产过程模型

2.1 智能生产过程构建方法

智能生产过程的建立是按照“智能+”生产工艺流程模式实现的，未来的市场将是大批量定制、个性化量产形势，因此充分借助云端服务优势（智能工艺策略、MRP、ERP等），从产品需求和种类出发进行分析和产品工艺设计，形成工艺实施路线（①→③）。然后基于优化控制、人工智能、大数据进行设备的优化配置、自动化生产线与物流仓储系统的组建、管理控制整个生产工艺流程的智能控制系统建立及生产流程方案的优化可行性评价（④→⑦），进而实现智能生产线的建立与运行实施，整个过程是一个闭环智能控制过程。而作为建筑数字化信息模型（BIM）数据流则贯穿于整个生产工艺过程。其智能生产工艺过程构建方法如图4所示。

图4 智能生产过程构建方法

智能生产系统的核心要素包括智能生产设备、智能决策处理系统、分布式控制、物联网络，这些装备是支持生产信息及时处理、资源优化利用、质量实时跟踪控制的基础。生产系统中生产设备、工装模具、检验设备及仪器等物理设备的智能化则是建立智能生产系统的必要前提，物联网、智能决策处理系统、分布式控制是支持整个系统运行逻辑实现的基本条件，其中在工艺规划、运行控制、生产加工等活动层面上都配有智能决策系统。智能设备和功能系统作为智能单元个体，可以实现局部环节的智能处理；另外系统通过分布式控制、物联网对智能设备、功能系统的集成协同运行及实时信息采集监测与控制，实现人机互联的智能化生产环境，从而完成从单元智能个体到智能化整体系统的转化，进而实现物质流、信息流的实时精准管理和动态优化运行。

2.2 装配式建筑结构件的智能生产过程仿真模型

以装配式建筑结构件—预制板中钢筋网的生产过程为例建立智能生产过程模型，如图5所示。其制造工艺过程包括：钢筋的拉直、折弯、焊接、切断和绑扎。基于智能制造的模式，生产设备中的传感器感知设备运行的信息及获得质量信息，通过云服务及大数据中心的人工智能方法实现实时分析，进而通过可视化设计生成优化决策信息，再反馈执行运行控制系统，控制现场物理生产系统，其工艺过程是一个闭环控制的智能逻辑模型。模型的中生产现场是控制对象，SCADA提供数据采集与监控，整个工艺生产的执行过程以运行控制系统为核心实现信息流的流动，并围绕“原材料—在制品—产品”进行重复的过程。图6～图8是设计的智能生产系统生产构件过程的仿真图。

图5 钢筋网的智能生产过程模型

图6 钢筋构件的无人化焊接与切断

图7 机械人抓取钢筋构件

图8 混凝土自动浇筑过程

3 结语

中国建筑业目前仍然广泛使用的粗放式生产建设模式导致自动化施工程度低，资源浪费和环境破坏严重等很多问题。因此，急需采用融合自动化制造技术、人工智能等多种学科知识的新型建造模式（即“智能+装配式建造”）解决传统建造施工问题。因此本项目主要对装配式建筑结构件的智能制造模式下的生产过程开展研究，针对大批量定制、个性化量产发展趋势，分析了其智能生产系统的结构、组成，讨论了智能化关键技术，提出了装配式建筑结构件的智能生产过程模型，为装配式建筑结构件智能制造的应用提供参考。