基于PIM 的智慧工厂施工进度管理

郑亚强，马庆，王新星，张可，杜飞，张睿

(昆仑数智公司炼化业务部，北京 100000)

0 引言

施工进度管理是智慧工厂建设的重要因素，直接影响了项目最终目标的实现，与质量、成本、安全息息相关。但传统的进度管理方法受限于工厂建设工程的复杂程度、周期长短以及其他干扰因素，导致信息传递不及时、进度把控不直观、管理过程主观因素大等问题。通过应用PIM 技术并以三维模型为基础关联施工进度计划、资源配置、实际进度信息等，实现了施工进度计划和实际进度信息的协同，结合可视化的施工进度沙盘，提高了智慧工厂施工进度管理的科学性和准确性。

1 PIM 技术与施工进度管理

1.1 PIM 技术概述

工厂信息模型技术(plant information modeling，PIM) 借鉴了建筑信息模型(BIM) 的思想，以三维数字孪生技术为基础，集成工厂建设过程中各类信息的数据模型，是对智慧工厂项目实体和功能特性的数字化表达[1]。PIM 不仅是三维数字孪生模型，也是智慧工厂项目的信息库，涉及了工程建设施工的全生命周期。PIM 技术是BIM 技术的衍生与扩展，同时也打破了二维工厂建设项目管理方式，实现了智慧工厂建设的数据共享和协同管理，保证了施工过程数据的有效性和全面性，实现了工厂施工建设的数字化跨越。

1.2 施工进度管理现状

传统的施工进度管理是通过绘制纸质的施工进度计划，在施工进度计划中制定里程碑节点。在施工过程中人为检查关键事件和里程碑节点，从而体现当前的进度情况。这种方式获得施工数据困难，导致大量的施工数据不及时且不准确，仅依靠人工巡检的方式，容易造成进度管理盲区。

1.3 必要性分析

将PIM 技术引入智慧工厂施工进度管理体系中，依托于PIM 技术方案的可视化、施工过程一体化、三维建模参数化的特点，能协助进度管理人员更直观、更便捷、更全面地展开工作，主要体现在以下几点：

(1)有利于促进进度信息的沟通交流。通过PIM 技术汇总工厂施工设计、工程量、施工组织等关键信息，施工人员可直观地分析设计意图，制定合理的进度目标、施工任务，解决进度管理中各个主体的沟通障碍。

(2) 有利于优化工厂建设工期控制方案。利用PIM 技术可仿真模拟工厂建设施工，便于进度管理人员根据模拟过程，及时发现设计阶段和施工阶段存在的问题，针对性地改善工期控制方案。

(3)有利于实现进度和资源的信息共享。工程的各参建方可凭借PIM 模型了解和分析项目进度，各方可根据现有的进度信息和工程资源信息，更加合理地配置各类资源，提高资源利用率，保障施工进度。

2 基于PIM 的数字孪生系统可视化配置关键技术研究

2.1 基于PIM 的数字孪生五维模型

数字孪生(digital twin)是一种通过数字化方式创建物理实体的虚拟模型，用以模拟和描述其在真实环境中的属性、行为和规律。数字孪生模型具有多维、多时空尺度、多学科和多物理量等特点。通过数字孪生技术，可以实时监测和分析物理实体的状态，进行模拟仿真、预测分析和优化决策，从而帮助提高物理实体的效率、可靠性和智能化水平。而PIM 技术对数字孪生生态体系的运行和管理起着至关重要的作用，本文基于PIM 技术对数字孪生五维模型进行完善[2]。如式(1)所示：

式中：PE 为物理实体；VE 为虚拟实体；Ss 为服务；DD 为孪生数据；CN 为各个组成部分的链接。

根据式(1) 得出基于PIM 技术的数字孪生五维模型结构如图1 所示。

图1 基于PIM 技术的数字孪生五维模型结构

综合数字孪生的定义和技术要素模型进行分析，利用PIM 技术建立实体的数字模型，这些模型被数字孪生系统使用和集成，为数字孪生提供了准确的基础数据库，以达到实体工程虚拟化和数字化为目的。通过PIM 技术实现数字模型中所有业务管理与工序工程之间的映射关系，以便管理环节各业务与模型进行关联，形成一个集成工程项目各种信息的实体模型。因此，本文在数字孪生系统的基础上进一步提出了基于PIM 技术的智慧工厂施工进度管理系统框架，分为业务层(software as a service, SaaS)、中台层(platform as a service, PaaS)、设施层(Internet of Things, IoT)和物联网层(infrastructure as a service, IaaS)，如图2 所示。

图2 基于PIM 技术的智慧工厂平台框架

图3 基础场景构建

2.2 基础场景构建

基础场景构建主要工作是通过场景编辑器构建场景，场景编辑器为主要提供快速构建静态场景的能力，使用者可以直接在场景编辑器中摆放模型、图标、绘制管线、区域、河流、道路等三维元素，也可以通过规则文件快速、批量、自动地创建三维元素。此外，场景编辑器还可以使用GIS 数据来驱动模型的批量生成，这样可以保证三维数据精度、空间位置和属性信息的一致性。基础场景构建主要工作是通过场景编辑器构建场景，场景编辑器为主要提供快速构建静态场景的能力，使用者可以直接在场景编辑器中摆放模型、图标、绘制管线、区域、河流、道路等三维元素，也可以通过规则文件快速、批量、自动地创建三维元素。此外，场景编辑器还可以使用GIS 数据来驱动模型的批量生成，这样可以保证三维数据精度、空间位置和属性信息的一致性。

2.3 三维设计成果原生解析及轻量化承载

石油化工行业大型工厂设计软件由于其专业化程度高、国产软件行业发展等原因，形成了国外软件垄断的局面，且普遍被国内工程设计公司所接受，典型代表有PDMS(英国AVEVA 公司)、SP3D(美国Intergraph公司)、CADWokx(美国Intergraph 公司)。此类软件可便捷导出设计模型成果及属性数据，支撑设计成果的快速传递应用[3]。

此类三维设计模型是一种精确的边界描述(B-rep)模型，使用设计模型直接建立大型复杂系统的装配和维修仿真模型，在现有的计算机软硬件条件下是不可行的。原因是该过程涉及大量的几何信息和复杂操作，因此需要使用轻量化的模型建立仿真模型，以达到对仿真模型的快速交互、渲染[4]。三维可视化模型承载着许多设计信息和数据信息，通过使用细节层次(LOD) 轻量化技术将产品几何模型设定不同的显示精度和显示细节，根据观察者的视觉焦点和产品几何模型之间的距离，可以使用不同的显示精度来实现快速交互模型，具体实例如图4 和图5 所示。

图4 三维模型轻量化解析

图5 全厂三维场景构建

2.4 资产目录树适配

三维设计模型导入到系统后，需要配置设计期资产目录树及属性字段解析等相关工作。承接设计模型目录结构，包含模型构建的拓扑连接关系，并且三维模型与目录树中节点成对应关系，并能通过目录树对三维对象进行快速定位模型，实现模型快速选择、抓取、跳转、凸显等功能。

使用者在三维系统中进行设备查找时，可以通过目录树进行快速定位模型，此时模型高亮，视角跳转至模型。同时为目录树节点配置视角，以实现点击目录树中不同层级对象时视角快速切换至配置视角。使用者可以利用树形分类结构定位功能，通过点击目录树节点(如管线号或设备位号)，可在三维场景中快速定位到对应的三维模型，并高亮显示。在三维场景中点击三维模型，可定位到对应的目录树节点。资产目录树适配和目标模型高亮展示如图6 和图7 所示。

图6 资产目录树适配

图7 目标模型高亮展示

3 基于PIM 的智慧工厂施工进度管理系统构建

3.1 工程背景

本文系统以某石化项目为例，结合工程实际情况，利用本文提出的基于PIM 的智慧工厂施工进度管理方法，以提高该项目施工进度管理的科学性和准确性为目的，解决现场施工进度管理问题。项目主要建设内容包括：新建1 套60×104t/a 乙烷裂解制乙烯装置、1 套30×104t/a 高密度聚乙烯装置、1 套30×104t/a全密度聚乙烯装置，配套建设公用工程、辅助生产设施等。

3.2 系统构建流程

基于PIM 的智慧工厂施工进度管理系统构建流程图如图8 所示。

图8 基于PIM 的智慧工厂施工进度管理系统构建流程图

系统事先会对工程进行单位工程划分，将其分为单位工程、分部工程、分项工程、检验批等，依据科学、合理的单位工程划分能够凸显各个工程之间的有机关系。通过施工组织设计，一方面将设计数据导入三维设计平台创建PIM 模型，并将模型导入系统；另一方面通过划分的单位工程编制施工进度计划，同时将进度计划关联PIM 模型位号、人力资源计划、机具计划、施工预算等资源。在施工过程中，施工人员根据进度计划进行施工，同时通过现场数据采集随时上传施工过程数据，根据施工过程数据反映实际的施工进度，进行施工进度跟踪。最终在PIM 模型中通过三维沙盘呈现出不同时间的实际施工进度，并与进度计划进行对比分析。

3.3 PIM 模型建立

本项目的工厂模型根据其结构功能特点，分为管道模型，设备模型，仪表模型，电气模型，土建、结构模型，如表1 所示为项目PIM 模型建立规模统计，图9为项目PIM 模型示意图。

表1 项目PIM 模型建立规模统计

图9 项目PIM 模型示意图

(1) 管道模型按照工艺PID 和UID 中设计的管道来建模，应具有工艺属性相关信息，需体现安装方向。对管道支吊架模型需根据应力分析报告，标注管架图册来建模。对循环水管线与地管可直接与地管相接，不需要增加弯头，对含油污水地上管线应接到地面漏斗内50～100 mm。

(2)设备模型需根据设备施工图完成设备外形、所有管口及管口方位、立式设备的裙座、支耳、设备的保温外形、设备的梯子、平台等辅助结构的建模。模型应体现设备维修、抽出空间、设备检修场地、设备名称及相关属性信息。

(3)仪表、电气模型包括工艺管道和设备连接的所有仪表、分析小屋的外形、仪表保温箱和保护箱及其支架的外形等。电气桥架及电气设备的分区均应与管道专业一致。电缆桥架及室外配电箱、变压器等电气设备，均应按实际大小体现在模型中。路灯、高杆灯的定位、高度、灯具照射方向应准确，除电缆桥架、路灯、高杆灯以外的所有电气设备均应填入实际位号。

(4)土建、结构模型应与二维图纸中构件的平立面布置、标高、截面尺寸及方位角保持一致。构件的属性描述中应包含有建筑物、构筑物编号信息。建筑物外形、地坪、围堰、道路外形及路肩、围墙或围栏外形等需与实际建筑保持一致。

(5)最后将各类模型整合，形成工厂装置整体PIM模型。图10 为工厂整体PIM 模型图。

图10 工厂整体PIM 模型图

3.4 施工进度计划编制

施工计划制定是进行施工进度计划编制的关键步骤之一，它是在WBS 分解的基础上进行的。WBS分解将项目按照层次划分为多级树状结构，层次越多代表划分越细致。在施工计划制定过程中，根据WBS的结构，可以将工作包进行归类和组织[5]。工作包通常包含了所有相关的BIM 编码，从而确保施工活动的详细性和准确性。通过进行WBS 分解和工作包的定义，施工计划制定可以更加具体和清晰，为后续的进度编制和管理提供了基础[6]。根据工作包中的BIM编码，制定工期安排并进行时间搭接，完成工程进度估计计划的制定。这个过程赋予工作包BIM 编码功能，是完成BIM 施工进度计划编制的关键步骤。通过对工作包进行编码，能够更好地对工作内容进行跟踪和管理，同时帮助进行时间搭接分析和工期安排，从而有效地构建BIM 施工进度计划。在使用PIM 模型前提下，建设单位、监理单位进行工程WBS 分解，并在系统上形成WBS 分解数据结构，辅助支撑进度计划管理。将施工进度计划分类为一级计划、二级计划、三级计划、四级计划、五级计划，分别对应项目、单位工程、分部工程、分项工程、检验批，为工程进度计划管理提供进度计划管理节点。表2 为智慧工厂施工计划WBS 划分表。

表2 智慧工厂施工五级计划WBS 划分(部分)

根据项目总工期以及乙烯装置区、HDPE 装置区、FDPE 装置区、公用工程的节点工期，编制施工进度计划及对应权重，各施工计划、各施工包项权重的划分可依据费用比重、工作量大小、资源投入量、形象进度、重要程度等综合确定。在进行关键工作或关键工序的权重分配时，可根据其重要程度或对项目的影响大小予以适当提高。表3 为施工进度计划标准数据表。在系统内按照分部、分项划分，快速批量生成各项工作的施工进度计划，设置前后工序搭接，图11 为施工进度计划甘特图。

表3 施工进度计划标准数据(部分)

图11 施工进度计划甘特图

在完成项目计划编制和各项WBS、各作业项或工序权重划分后，按照各施工包计划开始时间和计划完成时间对施工进度跟踪，根据各项施工包占上级计划总体的权重自下而上汇总即可得到项目总体进度。将其作为后续项目跟踪控制的基础，在施工进度跟踪中主要记录现场施工实际进度情况，跟数据采集、计划绑定、PIM 数字基座紧密关联[8]，图12 为施工进度跟踪业务流程图。

图12 施工进度跟踪业务流程图

施工人员会根据施工进度计划和施工标准规范进行施工现场的数据采集，通过APP 将数据采集到移动设备中，然后将分散的移动端设备数据传输到系统的工程数据中心处[9]。监理在此处对施工人员的数据进行审核，将审核通过的数据与工程进度计划进行挂接对比，同时自动分析出此工作包的施工进度偏差。根据实际施工进度与PIM 模型的位号映射关系，系统将在施工进度沙盘的数字基座上反映出实际的施工进度情况[10]。在施工进度计划的时间数据及实际施工工作包数据的基础上，以当前时间为基准，对工厂施工进度进行管控计算[11]。

(1)计划施工进度如式(2)所示：

式中：Pγ为计划施工进度；Tt为当前时间；Ti为计划施工日期；Tj为计划完成日期。

(2)计算实际施工进度如式(3)所示：

式中：Pε为实际进度；ωi为第i个施工包的权重；n为施工包的总数。

(3)进度延迟时间计算如式(4)所示：

式中：ΔT为进度延迟时间。

3.5 进度计划资源配置

基于编制完成的施工进度计划，需要计算人力资源、钢筋、混凝土、大型机械、工器具等主要资源的配置信息，为所有工作包批量匹配对应的资源用量信息。基于系统平台，形成施工进度计划与各项资源的映射关系，通过指定进度计划节点，能快速提取不同类型的人力资源、机械、工器具、材料等在不同工期节点的资源用量信息。

同时，将WBS 分解结构的编码与PIM 模型位号关联，使得施工进度计划的所有分部、分项工程都一一对应到具体的三维模型中，为在PIM 模型中实时反映和管控施工进度提供数据关联依据[12]。

3.6 施工进度沙盘

在施工运行过程中，施工计划工程师根据各板块实际工作量完成情况和建立的施工计划跟踪系统计算项目实际进度。与计划进度对比，找出偏差项，分析偏差原因，并采用关键线路分析等方法确定各项偏差对总工期的影响，对中远期的进度发展趋势进行预测、及时预警，配合项目组采取措施加以控制。图13为施工进度沙盘界面。

图13 施工进度沙盘界面

由于PIM 信息模型与施工进度信息自动关联，模型中的信息数据、现场采集的进度数据、施工数据实现同步进行更新。在基于此工作后，应用施工进度沙盘模型可现场跟踪施工进度，监控施工作业。界面中可拉取时间维度，在三维模型中动态展示指定时间维度的施工进展详情、实施效果。此外，根据施工进度计划和实际进度计划，生成可视化的施工进度甘特图，分析施工进度偏差，为施工进度的优化提供直观、完整的参考数据。

4 结语

施工进度管理是智慧工厂工程建设施工管理体系的重要内容，PIM 技术与工厂施工进度的融合是智慧工地石油化工能源场站建设管理的新尝试。结合智慧工厂建设项目的进度管理需求，合理地在进度管理流程中融入PIM 技术，为施工建设进度管控模式提供了新方法。该方法可协助管理人员全方位监督施工，更加科学地管理石油化工能源场站建设工程施工进度，提高工程施工效率和管理水平。