基于施工单元数字孪生体的水泥工程建造可视化管理研究

夏 毅，陈作炳,包卿希，臧治年，毛 娅

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 4300070；2.苏州中材建设有限公司，江苏 昆山 215300)

水泥生产工艺过程可归纳为“两磨一烧”，生产线包括原料配料、原料粉磨、生料均化、烧成系统、熟料储存输送、水泥粉磨、水泥包装发送等。水泥工程建造中，工程构筑物结构形式多样，不同的设备安装采用的施工技术和规范各不相同，施工中需要使用大量的大型工程设备。由于工程构筑物排布密集、施工作业面小，工种交错，交叉施工现象较多，因此需要进行细致的施工组织。数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[1-3]。将数字孪生技术应用到水泥工程建造过程中，实现施工过程可视化动态管理，有助于加快建设速度、降低生产成本、提高施工质量，提高工地现场的生产效率、管理效率和决策能力，实现精细化、智能化管理。

1 水泥工程层级分解

依据水泥工程施工操作规范，基于WBS(work breakdown structure)工作分解结构的思想，归纳和定义施工项目的整体工作范围，采用分层的结构模式，对每层不同的施工等级进行详细定义，通过层级关系展示整个项目工程从大到小的解析过程。对水泥工程进行层级分解，形成水泥工程多层次框架结构，如图1所示。

图1 水泥工程层级分解框架图

在图1所示的框架结构中，施工作业是项目施工的最小单元，是水泥工程层级分解中的最底层级。如图1中施工准备、烟室安装、第一层塔架安装等为水泥工程的施工作业。

2 施工单元数字孪生体

2.1 数字孪生的定义

数字孪生是物理对象的数字模型，该模型可以实现物理系统向虚拟数字化模型的反馈，通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而保证数字与物理世界在全生命周期内协调一致。与此同时，基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、模拟等仿真和智能计算，并将计算结果反馈给物理对象，从而对物理对象进行优化和决策[4]。

在水泥工程层级分解结构框架中，施工作业是最小的单元。以单个施工作业为物理对象，建立的数字孪生体定义为施工单元数字孪生体。以施工单元数字孪生体为基本单元，可以构建出水泥工程的数字孪生系统。

施工单元数字孪生体是施工作业的信息载体，其核心是信息。为了全面复制水泥工程的物理信息，施工单元数字孪生体的信息包括：①作业工程对象的3D几何信息及拓扑关系；②完整的作业工程信息描述，如施工工序、进度、成本、质量控制、工程量以及涉及人力、施工机具和材料资源等施工信息；③辅助施工决策信息，如几何模型的长、宽、高、体积、表面积、重量、图纸编号、合同编号等[5-7]。施工单元数字孪生体的信息均以数字化的形式保存在数据库中，随着施工的进行，实时接受施工现场的“人、机、料、法、环”五大要素的采集数据，依靠交互、感知、决策、执行和反馈，将信息技术与施工技术深度融合与集成，构建建造过程信息物理系统，实现数字孪生，如图2所示。

图2 施工单元数字孪生体

2.2 施工作业与施工单元数字孪生体的数据关联

数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立表达的等同性，因此将单元孪生体与施工作业进行数据关联是实现映射和交互的关键。

2.2.1 编码技术

编码是系统数据的唯一标识，可以对目标对象进行分类识别，为数据流通提供基础支撑。依据水泥工程施工过程规范，按层级制定编码规则，最小层级为施工作业，保证每一个作业对应唯一编码。

基于水泥工程建造的特点，进行项目结构分解，结合层次码分类标准，按逐步细分的分类层级结构对水泥工程分解为5个层级结构与项目级，所述5个层级结构分别为子项工程、专业工程、分项工程、一级分部、二级分部，这5个层级每下层结构都从属于上层结构，层层包含。图3为工程编码层次标准结构图。

图3 水泥工程编码层次标准结构图

2.2.2 数据关联

将设计模型以施工作业为单位进行模型拆分，得到的单元模型是施工过程最小单元的信息载体。将施工工序、进度、成本、质量控制以及人、机、材等施工信息赋予单元模型，构成施工单元数字孪生体，实现完整的施工作业工程信息描述。该单元体是一个动态模型，单元体数据信息随着施工进度更新，能够实时展现施工过程在不同阶段的状态。施工单元数字孪生体的信息均以数字化的形式保存在数据库中，通过编码将施工作业与单元体进行关联，实现人、机、材等施工数据的交换与流动，随着施工的进行，实时动态更新和共享，其数据关联如图4所示。

图4 施工作业与单元孪生体的数据关联

3 水泥工程施工过程可视化

以施工单元数字孪生体为信息集成的单元载体，系统可以自动统计和计算任意时间节点项目总体工程量、人力、材料、机械消耗和实施成本，实现动态管理。并能够通过数据可视化技术，直观的查询和分析任意施工层级的状态，从而合理调配和控制施工人员的安排、工程材料的采购以及大型施工机械的使用与协调[8]。

水泥工程建造数字孪生系统是由成千上万个施工单元孪生体构成，数据量庞大，同时具有多源异构的特点。施工过程可视化依托于依据水泥工程特点构建的数据库，通过数据提取、清理和转换、使用数据库索引、事务等技术，增加数据库执行速度以及数据库的安全性。同时使用内存数据库redis，通过对SQL(structured query language)的查询结果进行缓存，减轻服务器的压力，减少服务响应时间[9]。

施工数据的可视化以数据看板和孪生场景两种方式展示。

数据看板可以清晰直观地展现子项中各作业的进度和资源使用状态，如图5所示。也可以实时统计项目整体的资源使用情况，如图6所示。

图5 “预热器安装”子项数据看板

图6 项目整体资源数据看板

应用WebGL(Web graphics library)和Threejs技术，将轻量化处理后的施工数字孪生系统加载到WEB端。水泥工程施工数字孪生系统三维可视化以施工作业孪生体为基本单元展开，可以在作业级别，对施工过程的物理信息进行直观的展示[10-11]。以水泥工程中“烧成窑中及三次风管”子项为例可视化过程，如图7所示，模型状态分别为未开始、正在施工、已完成3种，分别对应颜色为半透明、绿色发亮、模型实体3种颜色。根据可视化显示，可清楚地了解当前工程进度情况，并进行实际工程完成情况与计划进度进行对比，进行资源的实时调整。图8为该子项下“筒体/轮带组装”作业的人员配置数据界面图。

图7 “烧成窑中及三次风管”子项进度对比可视化界面图

图8 “筒体/轮带组装”作业的人员配置数据界面图

施工单元数字孪生体数据信息随着项目进度的延伸，实时与施工实际状态进行数据交互与更新，因此水泥工程施工过程的可视化管理是一个动态的过程，既可以从项目总体进行进度的监测、调度施工资源，也可以在施工作业层面进行精细化管理，有助于提高工地现场的生产效率、管理效率和决策能力。

4 结论

笔者以水泥工程建造过程的作业为基础单元，建立施工数字孪生体，并以单元孪生体为施工数据的载体，构建出水泥工程施工的数字孪生系统。基于水泥工程施工规范，制定数字孪生系统的编码规则，将施工作业的物理对象与数字单元体进行实时数据交互与更新，实现人、机、材等施工数据的映射、交换与流动，从而实现水泥工程建造过程全阶段、多维度的施工可视化动态管理。数字孪生技术应用于水泥工程建造的管理中，不仅能为项目精细化管理体系的构建和智慧建造提供完整可靠的信息和数据支撑，更能为中国水泥工程由“中国建造”走向“中国智造”赋予高质量转型升级的新动能。