数字孪生智慧梁场功能需求分析
发布日期：2023-10-26 11:30 作者：玛纳
公路桥梁工程施工中的预制梁一般采用现场施工制作，而预制梁场的施工质量及管理在整个桥梁建设过程中起着重要的作用。随着装配式施工模式和智能建造行业的快速发展，目前的预制梁场存在可视化和智能化低、操作频繁、耗能高和安全质量不易得到保证等问题。为解决这些问题，可采用先进的计算机与信息化技术，实现传统预制梁场向“协同、互联、智慧”的现代化梁场模式转变。智慧梁场可以认为是智慧交通理念在桥梁建设领域内的具体应用，一般是指采用建筑信息模型(BIM)、数据管理与服务(DM)、移动应用与物联网技术(Mobile)、云技术(Cloud)以及大数据(BD)等帮助决策和加快工程进度，实现梁场的数字化管理。智慧梁场的核心是提高效率，需要充分利用数字化技术成果，优化解决生产过程中的各种问题。
数字孪生(DT)早期用于实现产品从设计、生产计划、制造到服务的全过程数字化，具有数字标识、同步可视、虚实空间交互及多源数据融合的技术优势。设计人员首先根据真实物理模型创建一个动态可操作的数字模型，即数字孪生体。然后，基于传感器数据实时更新数字孪生体的情况，进一步通过计算机技术对其进行仿真分析。最终，分析结果再反馈给物理模型，以实现对物理模型的控制、优化及预测等全寿命周期管理应用，从而提高生产效率，加快生产进程。
数字孪生理念的核心与智慧梁场建设的目的是一致的，就是提高效率，将两者结合可以实现优势互补，驱动下一代智慧梁场技术的发展。
数字孪生智慧梁场功能需求分析
参照数字孪生车间理论，数字孪生智慧梁场主要由 4 部分组成：真实物理梁场、虚拟梁场、梁场管控系统和梁场孪生数据。结合上一节对现有智慧梁场新技术应用特点的总结，分析概括出如下功能需求。
(1)真实物理梁场需求分析
物理梁场是真实梁场内现有实体的集合，包括人员、制梁设备、物料、感知设备、预制梁和环境等。物理梁场主要负责接收梁场管控系统下发的生产任务，再将生产过程中的数据上传到管控系统中，管控系统根据数据再一次优化生产计划。与传统梁场相比，数字孪生物理梁场需要具备异构多源实时数据的感知接入与融合能力。因此，需要能够对不同通讯协议和数据进行统一转换及封装，实现数据的可操作、可溯源的统一规范化处理。
在预制梁生产过程中，由于技术工人操作、设备状态、工艺质量、测量误差及环境参数等因素的影响，将会产生一系列的制梁误差，动态优化效率难以有效提升。因此，物理梁场也需要具备“人——机——料——法——环”要素共融的能力。生产要素既要有规划自身的反应机制，也要有个体之间协同控制的能力，实现生产工艺可以进行事前预测和事中主动控制。
(2)虚拟梁场需求分析
虚拟梁场是物理梁场实体模型的集合，是通过三维建模与仿真技术将这些实体从要素、行为和规则三个层面上进行虚拟建模和物理属性刻画，能够真实表征物理梁场的生产过程。在要素层面上，将“人——机——料——法——环”要素转化为数字化的几何模型。在行为层面上，将原材料流转、设备运行及制梁工艺状态等生产行为的顺序性、并发性和联动性等特征映射到虚拟空间中，实现三维全过程跟踪与监控。在规则层面上，通过虚拟梁场对梁场诸多的生产活动进行评估、优化、预测和溯源等。
在生产前，虚拟梁场将从生产计划开始的制梁全过程任务在虚拟空间中进行逻辑流转，并进行有效验证、分析和优化，从而及时发现生产计划中可能存在的问题，实现生产任务自组织。在生产中，虚拟梁场通过工业物联网不断采集物理梁场产生的实时数据，对其运行过程进行连续调控。生产执行一段时间后，基于已采集的仿真和监控数据，利用机器学习算法进行大数据挖掘，实现模型的自学习与自优化。
(3)梁场管控系统需求分析
梁场管控系统是数据管理分析、生产仿真和监测、数据挖掘及远程控制等各类服务系统功能的集合，不仅能够对生产计划、人员和质量等进行信息化和可视化管理，更主要的是能够实现智能化自主决策。梁场管控系统在接收到预制梁生产任务后，在梁场孪生数据的驱动下，对制梁设备的生产能力、物料流转和工艺质量等进行虚拟仿真，生成满足任务需求的初始生产计划。在生产过程中，物理梁场的生产状态数据和虚拟梁场对制梁任务的仿真结果被不断反馈到梁场管控系统，梁场管控系统不断地对这些数据进行分类、清洗和解析，以生成符合实际生产需求的生产计划来执行。梁场管控系统需要采用“感知 + 预测 + 优化 +执行”的主动管控方法，能够集成多层次管理功能，实现对物理量场的信息全面感知、制梁生产活动运行的主动分析与预测以及运行性能的动态优化，能够以最少的能耗创造最大的效益，从而在整体上提高梁场的运作效率。
(4)梁场孪生数据需求分析
梁场孪生数据是驱动数字孪生智慧梁场系统运行的核心，主要由物理梁场实测数据、虚拟梁场仿真数据、梁场管控系统管理数据以及三者融合产生的数据四部分构成，具有体量大、类型多和更新快的特点。
物理梁场实测数据主要包括生产要素数据、生产计划数据和生产过程数据等。生产要素数据主要指“人——机——料——法——环”这些生产要素的基础数据。生产计划数据是指生产计划在制定、执行、反馈与改进的信息化操作过程中产生的数据。生产过程数据主要包括工况数据、工艺数据和生产进度数据等。虚拟梁场仿真数据主要指虚拟梁场仿真运行中所需要的输入和输出数据，如几何模型数据、生产工艺仿真数据和生产排程仿真数据等。梁场管控系统管理数据是指从梁场顶层到底层生产控制中的管理数据，如原材料管理数据、调度管理数据、制梁过程管理数据、预制梁养护运维管理数据等。以上三者融合产生的数据是指对物理梁场、虚拟梁场及梁场管控系统管理数据实时集成、交互和融合下的衍生数据。
数字孪生智慧梁场的首要任务就是采集其所对应的现实梁场全要素、全流程和全业务的全生命周期的数据，消除信息孤岛。孪生数据是数字孪生智慧梁场的根本，是实现物理梁场、虚拟梁场、梁场管控系统的运行及两两交互的驱动，数字孪生数据在集成和深度融合的基础上，还需不断对自身进行更新与扩充。
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