钢结构智慧工厂建设方案研究与探索

刘宇， 王学兴， 王建平， 曾宪坤， 王伟

（中建三局第一建设安装有限公司）

1 项目背景

钢结构技术因为其建造工期短、材料利用率高、环境影响小、经济效益高等特点，在大型工业厂房等现代建筑工程中得到了广泛应用[1]。但是钢结构厂房的缺点也比较明显，由于建筑材料本身的特点，建筑本身的抗腐蚀能力不强[2]，再者钢结构的防火及隔热能力不太理想，抗震能力也有待加强[3]。

2 方案设计

本项目通过数字孪生模型建设，实现工厂园区楼宇、两大钢结构生产车间的数字孪生同步，提供可视化、全方位信息支撑，以科技赋能钢结构生成的7大板块，打造贯彻全生命周期的生产管理系统。提出“1+N”的系统架构模型，即以1个IOC平台作为数据底座，根据实际需求建设N个智慧化应用，实现工厂数字化管理系统和钢结构业务生产系统的态势感知、运行监测、决策支持、事件管理和联动指挥五大功能，建设IOT 物联网平台助力数字运营管理成为现实。总体业务架构如图1所示。

图1 总体业务架构图

2.1 全生命周期管理系统

为打造更高效更智慧的生产制造体系，信息化的触角必须覆盖到从合同下单到安装建设整个过程，因此全生命周期管理系统主要涵盖了7大板块，包括合同管理系统（COMM）、项目管理系统（PMIS）、云套料系统（CAM）、云切割系统（CNC）、制造执行系统（MES）、仓库管理系统（WMS）、模型可视化（BIM），将数字化和精益化辐射到生产管理全过程。

2.1.1 合同管理系统（COMM）

建设合同管理平台，从项目源头开始进行数字化管理，涵盖项目电子合同、收款发票、项目台账、发运台账、成本分析、结算办理、进度查看等功能项，全程管理，一键查看。

2.1.2 项目管理系统（PMIS）

通过PMIS 实现工地安装进度和工厂生产进度的数据实时互通，这样既保证了工厂在多项目交织的情况下，产能能得到有效利用，按时交付，不误工期，又能通过数字化和可视化的技术手段，实现了工厂制造、物流配套和工地安装的三方高效协作，让工地的管理者实时掌控加工进度，实现“厂场一体化”，生产安装两不误。

2.1.3 云套料系统（CAM）+云切割系统（CNC）

两个系统紧密协作，一站式套料排板和CNC输出，智能化切割方式，自动寻边、自动匹配材料，实现对钢材现料和余料的充分利用。零件切割实时报工，完成状态实时返回到MES系统，省时省力，并且避免了人工操作带来的错件漏件情况，降低成本，提高效率。

2.1.4 制造执行系统（MES）

MES 主要涵盖了设计、生产、发运三大环节，在设计环节，采用线上化展示方式，三维模型、二维图纸同时展现，“数模图”一体化；在生产环节，电子化作业指导，全自动工序流转，实时生产报工，主动质检响应，全程溯源分析，“数字化”协同制造；在发运环节，简单扫码式的装车流程，自动推送式的复核方式，以及收款数据高度集成，发运信息及时准确，实时掌握，高效便捷地发运货流程。

2.1.5 仓库管理系统（WMS）

WMS具有完整的科目配置，能快速办理物料的入库和出库，而且条码的应用，方便对物料的盘点和追踪，实现真正的物料集约管理，同时项目仓和公共仓严格区分，互不干扰，账目清晰，而以项目为维度的统计方式，无须烦琐的操作，一键查看和下载项目的出库信息，为项目成本核算提供准确的数据保障。

2.1.6 模型可视化（BIM）

通过BIM 技术的运用，实现了全生命周期的可视化管理，包括生产可视化、发运可视化、安装可视化，场景高度还原，数据实时互通，更利于协同工作的展开。

2.2 IOT物联网平台

“1”即1个数字平台，平台先行，打造数字底座，形成“万物互联”的连接能力，为智能系统建设提供统一接入规范，消除“系统烟囱”，打破“数据孤岛”。“N”即N个场景应用，在数据底座上，针对园区管理需求和痛点，建设上层智慧化应用，通过模块化应用、搭积木式部署，快速落地。总体的技术架构如图2所示。

图2 总体技术架构图

IOC 运营中心采用先进数字孪生技术，三维仿真+实时视频，虚实结合。在三维可视化模型的基础上，可全面展示钢结构工厂人员、机器、物料、工法、环境等元素，为把握工厂全局和综合资源调度提供可靠的参考依据。

视频监控模块。监控是安全管理必不可少的一部分，把视频监控融入到3D模型中，清晰直观，即点即看，节省查询时间，并且能开启自动巡更，降低人力成本，联动视频AI，结合智能识别算法，自主识别口罩佩戴、安全帽佩戴、黑白名单等，主动推送告警信息和画面，提高事件处置效率。

消防预警模块。消防、电气火灾系统的对接集成，实现了告警视频的复核与及时处置，能做到精准通知火情区域人员，并联动人行、车行闸机开启，广播逃生路线，极大缩短用户响应时间，大大提高消防响应时间，减少了消防事故的发生。

能源统计模块。通过用电监测传感器，精准把控工厂车间内各生产设备用电情况，对其进行综合统计分析，并得出设备使用率、故障率、生产效率等相关数据，为决策者提供参考数据，以便及时调整用电策略。

智能门禁模块。通过与厂区门禁系统、智能闸机系统、访客系统和车辆识别系统相结合，实现了整个门禁系统的可视化管理。通过对园区出入人员、车辆进行抓拍统计，实现园区人员车流情况的统计和预警，以及对园区人员安全的综合管控。若发现非法入侵行为，可及时进行定位报警，并且平台会立即联动其他系统推送定位点附近的实时画面。

环境监测模块。通过加装环保监测传感器，实时监测车间内臭氧、油漆房和厂区内甲苯等有毒有害气体浓度，一旦超过设定阈值，就会发出报警，做到及时发现环境异常，及时解决环境隐患，极大提高园区的综合安全，为管理者改善工厂环境质量提供针对性的数据支撑。

“1+N”模式实现一次建设，无忧升级。IOT 和IOC组件可重复使用，避免后期系统重复建设，降低后期建设成本。通过数据沉淀，不断优化系统及业务流程，挖掘增值应用，实现系统的可持续发展。

3 效果统计

钢结构智慧工厂目前已正式投入生产，经过一段时间的数据统计分析发现，工作效率显著提升，生产成本明显下降，也更加绿色环保，据统计数据得知，相较之前，工作效率提升20%，部门协同办公提升80%，统计效率提升90%，成果透明化提升95%，而错漏件减少99.9%，讨论对接会议减少50%，纸质化办公减少50%，物料损耗减少30%。

4 结语

项目旨在建设工业4.0数字化管理平台，连接多种自动化智能设备，融合各类生产管理系统，支撑多区域、多系统协同和联动，打造全面的工业4.0 数字化管理解决方案，实现信息可视化、生产自动化、安全常态化，成为公司第一个厂房加工业务实现管理信息化、生产智慧化、经营可视化的智慧工厂，为行业提供可行的模板参考方案。