數(shù)字孿生智慧梁場功能需求分析
發(fā)布日期：2023-10-26 11:30 作者：瑪納
公路橋梁工程施工中的預(yù)制梁一般采用現(xiàn)場施工制作，而預(yù)制梁場的施工質(zhì)量及管理在整個橋梁建設(shè)過程中起著重要的作用。隨著裝配式施工模式和智能建造行業(yè)的快速發(fā)展，目前的預(yù)制梁場存在可視化和智能化低、操作頻繁、耗能高和安全質(zhì)量不易得到保證等問題。為解決這些問題，可采用先進(jìn)的計算機與信息化技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)預(yù)制梁場向“協(xié)同、互聯(lián)、智慧”的現(xiàn)代化梁場模式轉(zhuǎn)變。智慧梁場可以認(rèn)為是智慧交通理念在橋梁建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的具體應(yīng)用，一般是指采用建筑信息模型(BIM)、數(shù)據(jù)管理與服務(wù)(DM)、移動應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Mobile)、云技術(shù)(Cloud)以及大數(shù)據(jù)(BD)等幫助決策和加快工程進(jìn)度，實現(xiàn)梁場的數(shù)字化管理。智慧梁場的核心是提高效率，需要充分利用數(shù)字化技術(shù)成果，優(yōu)化解決生產(chǎn)過程中的各種問題。
數(shù)字孿生(DT)早期用于實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)計劃、制造到服務(wù)的全過程數(shù)字化，具有數(shù)字標(biāo)識、同步可視、虛實空間交互及多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)優(yōu)勢。設(shè)計人員首先根據(jù)真實物理模型創(chuàng)建一個動態(tài)可操作的數(shù)字模型，即數(shù)字孿生體。然后，基于傳感器數(shù)據(jù)實時更新數(shù)字孿生體的情況，進(jìn)一步通過計算機技術(shù)對其進(jìn)行仿真分析。最終，分析結(jié)果再反饋給物理模型，以實現(xiàn)對物理模型的控制、優(yōu)化及預(yù)測等全壽命周期管理應(yīng)用，從而提高生產(chǎn)效率，加快生產(chǎn)進(jìn)程。
數(shù)字孿生理念的核心與智慧梁場建設(shè)的目的是一致的，就是提高效率，將兩者結(jié)合可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，驅(qū)動下一代智慧梁場技術(shù)的發(fā)展。
數(shù)字孿生智慧梁場功能需求分析
參照數(shù)字孿生車間理論，數(shù)字孿生智慧梁場主要由 4 部分組成：真實物理梁場、虛擬梁場、梁場管控系統(tǒng)和梁場孿生數(shù)據(jù)。結(jié)合上一節(jié)對現(xiàn)有智慧梁場新技術(shù)應(yīng)用特點的總結(jié)，分析概括出如下功能需求。
(1)真實物理梁場需求分析
物理梁場是真實梁場內(nèi)現(xiàn)有實體的集合，包括人員、制梁設(shè)備、物料、感知設(shè)備、預(yù)制梁和環(huán)境等。物理梁場主要負(fù)責(zé)接收梁場管控系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，再將生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)上傳到管控系統(tǒng)中，管控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)再一次優(yōu)化生產(chǎn)計劃。與傳統(tǒng)梁場相比，數(shù)字孿生物理梁場需要具備異構(gòu)多源實時數(shù)據(jù)的感知接入與融合能力。因此，需要能夠?qū)Σ煌ㄓ崊f(xié)議和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換及封裝，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可操作、可溯源的統(tǒng)一規(guī)范化處理。
在預(yù)制梁生產(chǎn)過程中，由于技術(shù)工人操作、設(shè)備狀態(tài)、工藝質(zhì)量、測量誤差及環(huán)境參數(shù)等因素的影響，將會產(chǎn)生一系列的制梁誤差，動態(tài)優(yōu)化效率難以有效提升。因此，物理梁場也需要具備“人——機——料——法——環(huán)”要素共融的能力。生產(chǎn)要素既要有規(guī)劃自身的反應(yīng)機制，也要有個體之間協(xié)同控制的能力，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝可以進(jìn)行事前預(yù)測和事中主動控制。
(2)虛擬梁場需求分析
虛擬梁場是物理梁場實體模型的集合，是通過三維建模與仿真技術(shù)將這些實體從要素、行為和規(guī)則三個層面上進(jìn)行虛擬建模和物理屬性刻畫，能夠真實表征物理梁場的生產(chǎn)過程。在要素層面上，將“人——機——料——法——環(huán)”要素轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的幾何模型。在行為層面上，將原材料流轉(zhuǎn)、設(shè)備運行及制梁工藝狀態(tài)等生產(chǎn)行為的順序性、并發(fā)性和聯(lián)動性等特征映射到虛擬空間中，實現(xiàn)三維全過程跟蹤與監(jiān)控。在規(guī)則層面上，通過虛擬梁場對梁場諸多的生產(chǎn)活動進(jìn)行評估、優(yōu)化、預(yù)測和溯源等。
在生產(chǎn)前，虛擬梁場將從生產(chǎn)計劃開始的制梁全過程任務(wù)在虛擬空間中進(jìn)行邏輯流轉(zhuǎn)，并進(jìn)行有效驗證、分析和優(yōu)化，從而及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)計劃中可能存在的問題，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)自組織。在生產(chǎn)中，虛擬梁場通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不斷采集物理梁場產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，對其運行過程進(jìn)行連續(xù)調(diào)控。生產(chǎn)執(zhí)行一段時間后，基于已采集的仿真和監(jiān)控數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)模型的自學(xué)習(xí)與自優(yōu)化。
(3)梁場管控系統(tǒng)需求分析
梁場管控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)管理分析、生產(chǎn)仿真和監(jiān)測、數(shù)據(jù)挖掘及遠(yuǎn)程控制等各類服務(wù)系統(tǒng)功能的集合，不僅能夠?qū)ιa(chǎn)計劃、人員和質(zhì)量等進(jìn)行信息化和可視化管理，更主要的是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化自主決策。梁場管控系統(tǒng)在接收到預(yù)制梁生產(chǎn)任務(wù)后，在梁場孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，對制梁設(shè)備的生產(chǎn)能力、物料流轉(zhuǎn)和工藝質(zhì)量等進(jìn)行虛擬仿真，生成滿足任務(wù)需求的初始生產(chǎn)計劃。在生產(chǎn)過程中，物理梁場的生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和虛擬梁場對制梁任務(wù)的仿真結(jié)果被不斷反饋到梁場管控系統(tǒng)，梁場管控系統(tǒng)不斷地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、清洗和解析，以生成符合實際生產(chǎn)需求的生產(chǎn)計劃來執(zhí)行。梁場管控系統(tǒng)需要采用“感知 + 預(yù)測 + 優(yōu)化 +執(zhí)行”的主動管控方法，能夠集成多層次管理功能，實現(xiàn)對物理量場的信息全面感知、制梁生產(chǎn)活動運行的主動分析與預(yù)測以及運行性能的動態(tài)優(yōu)化，能夠以最少的能耗創(chuàng)造最大的效益，從而在整體上提高梁場的運作效率。
(4)梁場孿生數(shù)據(jù)需求分析
梁場孿生數(shù)據(jù)是驅(qū)動數(shù)字孿生智慧梁場系統(tǒng)運行的核心，主要由物理梁場實測數(shù)據(jù)、虛擬梁場仿真數(shù)據(jù)、梁場管控系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)以及三者融合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)四部分構(gòu)成，具有體量大、類型多和更新快的特點。
物理梁場實測數(shù)據(jù)主要包括生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等。生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)主要指“人——機——料——法——環(huán)”這些生產(chǎn)要素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)是指生產(chǎn)計劃在制定、執(zhí)行、反饋與改進(jìn)的信息化操作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)主要包括工況數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)等。虛擬梁場仿真數(shù)據(jù)主要指虛擬梁場仿真運行中所需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)，如幾何模型數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝仿真數(shù)據(jù)和生產(chǎn)排程仿真數(shù)據(jù)等。梁場管控系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)是指從梁場頂層到底層生產(chǎn)控制中的管理數(shù)據(jù)，如原材料管理數(shù)據(jù)、調(diào)度管理數(shù)據(jù)、制梁過程管理數(shù)據(jù)、預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)運維管理數(shù)據(jù)等。以上三者融合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是指對物理梁場、虛擬梁場及梁場管控系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)實時集成、交互和融合下的衍生數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生智慧梁場的首要任務(wù)就是采集其所對應(yīng)的現(xiàn)實梁場全要素、全流程和全業(yè)務(wù)的全生命周期的數(shù)據(jù)，消除信息孤島。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生智慧梁場的根本，是實現(xiàn)物理梁場、虛擬梁場、梁場管控系統(tǒng)的運行及兩兩交互的驅(qū)動，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)在集成和深度融合的基礎(chǔ)上，還需不斷對自身進(jìn)行更新與擴充。
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