基于数字孪生的铁道工程预制构件生产线智慧管理系统研究*

王灵子，姜仁贵，朱记伟，张国红，卫星凯，刘新怡

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048； 2.中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710038)

0 引言

随着信息技术快速发展，不同专业间的技术交叉融合，建设行业向装配式大型化、复杂化方向发展[1]，建筑产品逐渐趋于复杂，结构功能需求多样，新型设备不断涌现，对智能化水平要求越来越高，建筑行业亟需寻求更加智慧化的发展模式。装配式建筑是通过新型施工方式进行建造，将大部分需要在现场施工的构件转移至特定装配工厂预制，然后运至施工场地进行装配[2]，可提高建设项目的生产施工效率、经济效益和工程质量，极大促进我国建筑行业转型，加快城市化发展进程[3]。装配式建筑具有建造效率高、减少浪费、降低环境污染等优势，可有效解决建筑业面临的难题[4]。装配式建筑产业链的核心环节是预制构件生产，基于建筑行业信息化发展对构件生产管理提出新要求，研究基于数字孪生的预制构件生产线智慧管理系统具有现实意义。

装配式建筑是建筑行业的发展方向，国内外专家对装配式建筑、建筑信息化、数字孪生及智能工厂等应用做了一定研究[5]。数字孪生是利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述与建模的过程、方法，也称为数字孪生技术[6]。陶飞等[7]总结数字孪生在理论研究和企业应用上的进展，分析探讨数字孪生技术存在的问题与不足，同时基于数字孪生五维结构模型，设计数字孪生驱动的6条应用基本准则。Lin等[8]将智能制造控制系统作为智能工厂核心功能，并在该系统中应用数据分析、云计算和物联网等技术。Li等[9]开发用于装配式建筑现场装配服务，基于物联网的BIM平台，对智能建筑对象进行定义和设计后，利用射频识别技术，在预制建筑现场组装的工作过程中收集实时数据。在智慧工厂管理系统研究方面，阎伟[10]从大数据角度讨论智慧工厂宏观技术架构，构建基于交付三维模型machine information modal(MIM)+building information modeling (BIM)+geographic information system (GIS)三维空间的智慧工厂大数据云，提供各子系统静态和动态数据整合的技术可能性。

目前已有研究主要集中在基于BIM技术的智慧工厂管理中，为更好地动态管理和管控整个构件生产线，本文基于数字孪生设计预制构件生产线智慧管理系统，综合采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)系统，结合云计算、BIM技术、大数据、传感器等技术，在深入梳理和剖析预制构件自动化生产流程的基础上，根据完整的构件生产流程与管理业务，搭建三维可视化虚拟预制构件生产线环境，解决生产流程中存在的管理问题，为预制构件生产线的日常管理工作提供便捷高效的服务，力求提高构件生产线的管理和决策水平。

1 系统设计

1.1 系统架构

铁道工程预制构件生产线智慧管理系统采用J2EE技术架构，通过Oracle EBS结合应用功能和用户需求，遵循B/S系统开发模式，结构上划分5层，如图1所示。

图1 预制构件生产线智慧管理系统架构

1)感知层

由高清摄像头、温湿度传感器、位移传感器和光电对射传感器等组成。通过高清摄像头和各类传感器全天候实时采集生产数据，为数据层提供准确、实时的数据。

2)数据层

包括钢筋库存数据、构件库存数据、托盘库存数据、养护费温湿度数据、构件尺寸数据和叉车路线数据等，分类整理实时收集的数据资源后进行入库处理。考虑数据资源的异构性，采用数据集成和信息融合等技术整合数据资源，构建构件生产线相关数据的标准化数据资源库，为应用层各项功能提供数据服务。

3)应用层

为构件生产线的不同用户提供构件管理、生产计划、动态监控、库存管理和二维码追溯等服务，保证对构件生产中的材料供应、产品生产和库存进行管理和查询分析，提供系统实施和系统配置服务，确保整体管理构件生产线。

4)接口层

连接系统的应用层和客户层，为不同用户提供人机交互应用接口，包括PLC控制系统接口、视频监控接口、条码打印机接口等。

5)客户层

对面向预制构件生产线智慧管理系统的使用者提供个性化的人机交互和三维可视化作业环境，并根据使用者要求、系统功能和技术可行性，将实现方案分为计算机客户端、移动客户端、LED显示器。

1.2 系统功能

智慧管理系统从功能上包括基础信息管理、构件管理、生产计划、库存管理、二维码追溯、动态监控、系统实施和系统配置服务模块，如图2所示。每个管理模块下设2～3个功能，各模块相互独立又相互补充，能够全方位管理构件智能化生产线的质量和进度，从而实现预制构件自动化生产管理工作的标准化、规范化和高效率目标。

图2 预制构件生产线智慧管理系统功能模块

1.3 关键技术

1)基于数字孪生的三维可视化建模

数字孪生指在信息化平台内建立、模拟物理实体、流程或系统。借助于数字孪生，可在信息化平台上了解物理实体状态[11]。预制构件生产线三维数字化设计基于数字孪生理论，采用BIM技术与3D建模技术，综合运用数据储存、转换和分析等功能，为系统搭建高效运行且具有丰富表现力的数字模拟生产线，该数字化生产线随实体生产线的变化而自动发生变化。利用BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性等特性[12]，整合数据和信息，对构件生产线的各项设备及生产流程三维建模，提供实用高效的可视化集成环境[13]，实现基于数字孪生技术对预制构件生产中各信息的自动采集、集中存储和三维分析。利用数字孪生虚实交互反馈功能，通过虚拟操作面板实现生产线各方位即时工况的全方位视角查看，用户可实时直观查看整条生产线的运行状况和每个工位的运行状态。从面板上可及时观察生产线当前设备状态、实时生产动作及整条生产线物流系统运行情况，并通过及时反馈调整，保证生产线整体物流系统运行顺畅。

2)PLC系统控制技术

PLC是可运用数字运算进行操作的电子控制系统[14]。PLC系统中运行着整条生产线的自动生产控制指令，可集合计算机资源与仪器硬件，并能结合数据采集、计算机、传感器和信号处理信息技术。基于PLC系统获取的数据，建立实时自动数据采集与处理系统，通过数字式、模拟式的输入和输出，控制设备生产过程。PLC系统控制装置控制管理整条生产线生产作业，并记录生产中的实时数据及设备状态，供管理人员随时监督查看生产线作业情况。自动更新如原材库存剩余量等数据，实时统计更新成品库存剩余量等，并对比实际生产进度与预设生产计划，统计每种构件的生产完成情况，便于生产进度控制。

3)全过程感知、追溯及预警

系统将各类传感器收集的实时数据建立数据库，以实时感知风险并进行识别与评估，对生产进度及构件质量进行分析预警。通过建立预制构件生产线生产、动态监控、库存数据资源库，以保证生产过程中的信息完备、可溯源及信息一致。将构件生产过程中涉及的信息，如构件类型、布料日期、强度等级及安装位置等，利用数据库自动生成唯一的二维码，保证后期能够动态追溯。动态监测生产过程中的数据、温湿度等，通过结合PLC系统与数据库，当原材库存量低于设定阈值时生成报警信息。数据库结合动态监控系统，监控系统数据采集点设于每道工序的生产设备中，通过数据分析得出数据采集位置是否存在构件停工等待、阻塞的问题，反映生产线各设备正常生产、待机运转和等待设备等状态，当个别设备发生停工等待、阻塞现象时，可通过数据集成看板直接调整设备运行速度，进而调节生产节拍。

2 应用实例

2.1 工程概况

湖杭铁路北起湖州市，途经湖州市德清县和杭州市余杭区、富阳区，南至桐庐县，是2022年杭州亚运会重点配套工程。该铁路项目为满足小型预制构件生产需求，梁场内设置1座智能化小型预制构件厂。构件厂主要划分为总控室区、生产区、养护区，生产区分为码垛运输线、模具回流区、脱模区、布料区、养护区，主要生产标段内的各类小型预制构件，如图3所示。面对工期紧迫、构件厂生产管理和人员管理复杂等问题，将智慧管理系统应用到该厂，以验证系统可靠性、可操作性与应用价值。

图3 预制构件生产线区域划分

2.2 系统应用

按照模块化思想研发预制构件生产线智慧管理系统，结合湖杭铁路预制构件生产线实际情况，重点从基础信息管理、动态监测、数字孪生管理等功能进行应用。

2.2.1基础信息管理

基础信息管理位于智慧管理系统首页，工厂信息模块记录构件厂基本信息，包括构件厂名称、描述、经纬度、地址及模具数量等信息。其余模块包括温湿度异常、原材料库存不足、设备状态异常等预警信息和设备定检提示信息。

预警信息按报警时间顺序进行排列，并逐条显示报警内容，包括报警区域、控制器编号及所处状态等。该功能还包含综合分析管理子系统和涉及人员实名制管理、工程质量安全等业务的子系统，能实时采集构件厂生产现场关键要素的数据信息，并能利用云计算等技术进行快速分析处理，以推动项目管理技术的信息化、标准化、规范化，提高综合技术和管理能力，优化管理与决策水平，实现信息化施工、标准化工作流程和规范化技术管理，为构件生产线的智慧化信息管理提供科学决策依据。

2.2.2动态监控服务

动态监控服务汇总统计管理系统中关于生产线的质量、进度等信息，并利用图表等表现形式，在电子显示设备中进行动态可视化展示，使数据信息更加直观，便于管理人员实时监管并及时调整。数据集成看板将管理人员在系统中配置的数据，如计划产量、预警限值等整合生产线中采集的数据，并利用图表等形式在电子设备中进行展示。

系统预警模块可配置各项监测数据的报警阈值，用于比对PLC获取的数据，当获取的数据不在配置阈值范围时，系统会自动生成报警信息，并传至综合展示服务模块，提醒管理人员及时处理。在配置参数时需添加监测点的组织机构名称、配置项名称、单位，并为每项内容设置参数范围的最小值或最大值。

2.2.3数字孪生管理

基于数字孪生的生产线智慧管理系统采用BIM和3D建模技术，对预制构件生产线进行三维可视化设计，基于数字孪生理论搭建虚拟的预制构件生产线。该虚拟生产线按照一定比例真实展现构件生产线的各项设备及生产流程，可放大、缩小查看其中任一环节，并支持从各方位视角检查生产线中设备的即时工况。依据虚拟生产线生成的虚拟工厂看板，能够动态化展示生产线的当前设备状态、实时生产动作及各项监测数据。

从进度角度展示虚拟工厂看板当日生产数据面板和养护数据面板完成情况，实时展示各类预制构件的生产及滞后进度，以便跟进生产工作，按原计划完成生产目标，预警信息面板包括设备运行状态预警、温度预警、湿度预警、闲置托盘数量预警及材料库存预警，对生产线实时数据进行监测，便于生产线协调管理及突发情况的及时决策；视频监控面板运用多个球形可360°转动高清摄像头监控整个生产线；现场人员数据面板从人员角度出发，记录值班人员工作情况、督促管理工作；设备信息面板详细展示设备运行状态、送检日期等；养护数据面板实时监控温湿度，以保证构件顺利养护。该看板将人员、设备、材料及厂区环境集于一体进行直观展示，全方位对预制构件生产线进行智慧管理，从而实现构件生产线智慧化管理目标。

3 结语

考虑构件厂容易导致信息传递不通畅，传统管理模式效率较低等问题，本文构建基于数字孪生的预制构件生产线智慧管理系统。采用数字孪生、BIM和PLC系统等进行监督管理，以实现智能化、信息化，优化构件生产线的管理流程和模式，实现动态、系统和全面的风险预警。提供过程可视、快速高效的管理服务，有效实现预制构件生产与智慧化管理间的结合，从而提高项目整体施工和管理质量。

随着国家提高对装配式建筑和智慧管理的要求，通过多学科发展，开展多技术集成应用成为智能建造领域重点研究方向。在铁道工程专业领域，通过将人工智能、区块链等技术结合铁道工程规划、设计、建造和维护的全生命周期，将推动我国铁道工程进一步向安全、长寿、绿色、高效、智能的可持续方向发展。