大数据智能制造在智能建造业运用及发展趋势防范措施科学研究

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  大数据智能制造在建造业运用及发展趋势防范措施科学研究

  刘 亮,谢 根

  ( 天津工业大学经济管理学院,天津市 300387)

  对于当今传统式修建新项目存有的工程施工管理、安全工作等层面不够,明确提出将大数据智能制造的观念运用至建造业,从创设阶段、工程施工智能化预警信息、工程建筑身心健康确诊多阶段结合智能制造技术性管理体系; 搭建 “智能建造 HCPS” 架构; 明确提出大数据智能制造下建造业的发展趋势防范措施提议,进而在项目建设中充分发挥,为推动智能建造管理体系搭建出示参照。下面由中国智能建筑网小编给大家详细介绍:

  1 研究综述

  在新一轮科技革命的驱动器和智能制造的持续演 进全过程中,我国大数据智能制造已由自动化技术和集成化技术性深度发展趋势转为新一代智能制造———智能化数字化智能化系统生产制造,它是解决世界各国政府部门广泛高度重视智能制造自然环境下我国智能制造的全新升级合理布局。发展趋势智能制造是促进资本主义国家或地域加工制造业发展的本质规定, 另外可应用在其中的基本原理正确引导我国建造业从传统式修建向智能建造转型发展,最后产生大数据智能建造的新式现代性。

  大数据智能制造在我国建造业的多阶段运用大概可分成创设阶段、工程施工智能化预警信息阶段、工程建筑身心健康确诊阶段。学界针对修建制造行业执行应用智能制造的观念,现有一定的科研成果。在智能化创设层面,袁烽等从人机对战协作视角明确提出,做为技术性发展趋势中的一个关键的全过程阶段便是人和设备的协作创设工程施工, 它能在一定水平上促进建造业的产业发展新升級,并构想在未来将人机对战合作技术性再次运用在钢架结构、金属幕墙、繁杂工程建筑型体的实践活动新项目中以促进建造业的智能化系统发展趋势。李飚等觉得针对一些大中型修建新项目,根据搭建多智能体系统软件在工程施工修建新项目中充分发挥系统软件功效,根据自组织、自实行的智能化系统方法展现新项目工程施工管理持续趋向提升的結果。Weinstock M等觉得在一个项目建设的设计规划甚至创设工程施工的全过程中,融进智能化內容、引入智能化系统血夜,终将为项目建设乃至全部建筑学专业出示无尽的发展潜力与很有可能。在工程施工智能化预警信息层面,吴炜巍等强调以RFID、ZigBee 等技术性为关键的无线网络传感技术互联网和传感技术 器技术性,早已在积极鉴别及预警信息工程施工安全生产事故中取得实效,数据信号预警信息方法也早已在土木工程、安裝等工程项目安全生产事故的预警信息中取得成功运用。Montaser A 等强调能够 合理运用无线网络rfid (RFID) 技术性开展施工人员精准定位、风险源监管、工程施工主题活动管理权限。

   Yang H 等强调能够 运用 BIM 与 RFID 系统集成对 施工工地安全性开展监管和管理方法。在工程建筑身心健康智能化确诊层面,王少伟觉得将智能化建筑系统软件探测到的数据信息根据传感技术认知,传送到早已构建好的物联网技术数据信息综合服务平台开展发掘剖析,尽快对工程建筑商品的运 行健康情况开展智能化确诊。何愉舟等觉得能够 从物联网技术和大数据2个层面各自搭建并最后集成化建筑智能化身心健康数据服务智能管理系统,做到对工程建筑运维管理阶段的视频监控系统、确诊、档案资料创建、遥控器、诊治、预料的实际效果。卢梅觉得能够 效仿医药学身心健康确诊和机械设备维护保养确诊的基本概念,运用医药学或机械设备确诊方式 按时地对基本建设建筑项目的每一阶段开展拟人的科学研究确诊,立即防止劝阻建筑工程施工的安全隐患存有,从项目生命周期管理方法角度降低建设工程全过程中难题的积累。

  世界各国科学研究从三个层面阐述了建造业运用大数据智能制造的概率和运用实际效果的环境承载力,但针对传统式修建向智能建造转型发展全过程中运用大数据智能制造的观念,很少有针对性的思索,科学研究比较分散化,沒有明确提出智能建造推动建造业新一轮高品质发展趋势的技术性管理体系。文中在这个基础上明确提出大数据智能制造在建造业的运用,搭建智能制造向智能建造渗入实体模型 和 “智能建造 HCPS” ( HCPS: Human - Cyber - Physical Systems,人 - 信息内容 - 物理学系统软件) 架构,并展现智能建造系统软件等级平面图,为建造业运用大数据智能制造出示理论来源,为大数据智能制造的战略执行和建造业的迅猛发展出示一点参照。

  2 传统式建造业难题及其运用大数据智能制造的重要性

  2. 1 大数据智能制造特点

  智能制造就是指在商品项目生命周期全过程中,在新一代人工智能技术、通信网络、智能制造、传感技术频射、拟人智能化等技术性的基本上,根据智能化方式做到智能化系统认知、互动、实行,完成生产制造武器装备和生产制造全过程 智能化系统。大数据时期,智能制造驱动器传统式生产制造 业迈向智能化系统,小编觉得还能够依靠大数据智能制造的观念在大量传统产业充分发挥,大数据驱动器加工制造业及其大量制造行业持续往精益生产化方位变化。

  对于新一代智能制造特点,周济、李培根等根据智能家居产品、智能制造系统、智能服务三大作用系统软件及其工业生产智联网、智能制造云两大支撑点系统软件,搭建了新一代智能制造的信息系统集成实体模型,如图所示 1 所显示。

  2. 2 传统式建造业存在的不足

  我国建造业的发展趋势经历了一段从显著加速到慢慢迟缓的全过程,基本建设工作能力和技术设备工作能力进一步提高,建造业做为社会经济发展趋势关键支撑之一,也遭遇着一系列可变性风险性,在人工智能技术产业链热火朝天的机会下,建造业还要采取有效的防范措施对策。对于传统式修建单一的人、材、机方式,搭建 “传统式建 筑 HPS” ( HPS: Human - Physical Systems,人 - 物理学系统软件)架构,如图所示 2 所显示。

  (1)中小型修建企业内部监管体制不健全,管理机制欠缺优秀观念支撑点,公司风险评价管理体系缺少,基本建设运营的风险性预测分析预防措施不及时; 有很绝大多数修建公司在硬件配置层面,技术性安装水准沒有做到智能化智能化创设工程施工的技术性层面规定; 工程项目质量通病依然存有,尤其是量大范围广的住房产品质量问题较多。

  (2)除开这种难题以外,施工工地管理信息化和智能化系统水平低,根据大数据和物联网技术的信息化管理技术性还处在初中级阶段。在新项目当场工程施工全过程中,相关安全性、品质、自然环境等层面的数据信息及其一些工程建筑耗品的主要参数的互动传送媒体仅仅一些非系统化沟通交流手机软件,提升了数据信息的多变性,在一定实际意义上减少了修建高效率。

  (3)人是项目建设中的关键。修建公司尽管工作人员能量充足,可是在其中欠缺项目工程师 (比如BIM和RFID技术性执行工作人员)和新智能材料运用工作人员。一部分暂时性工作人员专业技术人员基本不扎扎实实,更无法融入智能建造行业针对智能材料和智能化机械设备的运用规定,不利我国建造业的可持续发展观。

  2. 3 建造业运用大数据智能制造的重要性

  从总体上,我国建造业水准并沒有处在优秀的、无困惑的等级,亟需提高。更改这类发展状况的重要途径之一是要在执行修建新项目全过程中塑造高品质的技术性理论基础,提升資源运用、开发设计及其生产制造修建的效率。

  建造业没有完全走出粗放式发展模式的原因之一在于中国建造企业没有将大数据时代下的新兴技术思想: 大数据驱动下的智能制造 (数字化网络化智能化先进技术)运用到建造工程项目上,自主生成制造装备和制造过程智能化的范式。大数据驱动下的智能制造技术体系能帮助改善施工建设项目中多阶段资源优化、技术优化,达到安全、优质、绿色、智能地建设产品和运营企业的战略效果。将大 数据智能制造技术体系应用到建造项目和建造企业中,能更好地驱动建造业向着 “安全建造、优质建造、绿色建造、智能建造” 的理念发展。

  3 大数据智能制造在建造项目中的多阶段应用

  大数据智能制造方案系结合物联网与巨量资料相关技术,建构产业信息系统,达成预测制造、零故障与节能减废的目的。整体而言,预测管理的思维即是由过去的解决问题演化为避免问题。大数据智能制造在建造企业、建造项目中的应用,也就是利用新一代自动化技术、诸如RFID的传感技术、拟人化智能技术以及基于 BIM 的管理方式,通过智能手段达到智能化感知、智能化交互、智能化执行,实现施工装备和全建造过程的智能化,最终达到智能建造的效果。

  罗兰贝格国际管理咨询公司是德国的一家战略管 理咨询公司,Roland Berger认为对于建造业与建筑工程类的企业而言,想从传统建造方面打造建造业产值增长新动能,已有一定难度,控制施工场所的成本与时间效率已成为当务之急。罗兰贝格打造数字互联的施工场所、将建筑信息模型 (BIM) 融入规划流程,实现建造过程的数字化智能化,并深知建筑机械之间必须实现沟通与互动,与完全自动化的价值创造流程无缝衔接,而且未来的建筑工地也将依赖于无人驾驶飞机与3D打印机。3D打印技术能够实现绿色智能化设计、装配式施工,将其与传统建造方式结合到一起,可以达到协同发展的目的。

  中国建造企业在智能制造技术应用方面,也已有相当一部分的企业不同层面地应用了大数据智能制造技术。本节就建造企业在建构阶段、施工智能预警阶段、建筑健康诊断 (运维) 阶段不同层面地应用大数据智能制造展开阐述。

  另外,在智能制造标准体系建设方面,《国家智能制造标准体系建设指南》 (2015 年版和 2018 年版) 中构建了满足产业发展需求的智能制造标准体系,为解决智能制造工作标准缺失、滞后、交叉重复等问题提供了理论支撑。其中关于智能制造系统架构之 “系统层级” 维度相较2015年版有细微变动,由2015版 “系统层级”中的“控制层” 概念 转换为2018版 “系统层级”中的 “单元层”概念。在此基础上,笔者从生命周期、系统层级、智能特征三个视角,分析智能制造向智能建造方向理论层面以及应用层面渗透的过程,构建智能制造向智能建造方向渗透模型,如图 3 所示。在 “传统建筑 + HPS” 框架基础上,考虑信息系统在整个架构上的功能,构建 “智能建造 + HCPS” 框架, 增加了“人-信息系统”(HCS) 和“信息-物理 系统”(CPS),如图4所示。

  3. 1 建构阶段的应用———以砌体工程为例

  从一座建筑成品的建构阶段开始,运用大数据智能制造技术思想,使建造过程数字化智能化,是提升传统建筑产业工作效率和整体效能的重要方法。随着工业4. 0时代的到来,以及建筑业用人成本不断攀升,机器换人以及人机协作已经成为历史发展 的趋势。澳洲机器人瓦匠 Hadrian X 一小时之内 就能砌筑1000块砖,并能24 小时无间断连续工作, 两天之内便可以搭建起一整栋住房。不仅如此, Hadrian X 可以智能地处理、切割、研磨不同大小不同规格的砖块,在砌筑方面已经达到了非常先进的程度。

  在中国也有同样的尝试,以上海创盟国际建筑设计有限公司袁烽团队为代表,从 2009 年开始在数字化砌筑方面做出了多次设计与实践探索,从早期的传统的建筑工艺到真正运用智能建筑机器协助现场建造,经历了6年的技术研发,很大程度地提高了施工效率,给行业做出了示范作用。

  数字智能砌筑技术的兴起以及智能辅助设备在工作中的应用,保证了建设项目建构阶段的数据流从感知层向网络层稳定且准确地传递,实现设计到施工建造过程的自感知、自决策和自执行。通过“智能建造 + HCPS” 框架的引入,“P” 因素 (物理系统) 发挥作用的潜能在建造过程中不断被拓展,“H”因素(人) 还可以直观分析建筑机器人在未知区域进行工作活动发生的问题,针对“C”因素(信息系统) 及时给出智能分析决策和智能控制策略,探索了建筑形态的可能性。

  3. 2 施工智能预警阶段的应用

  建筑信息模型 (BIM) 是 “创建并利用数字化模型,针对建设项目规划设计、施工建造以及运营管理全生命周期管理的技术运用过程”。建筑信息模型会切实可行地解决建筑全生命周期信息断层问题,实现信息协同管理,提高管理水平,带动建造业生产效率的跃升。RFID技术在建筑施工智能预警阶段作用也很显著,其技术层面的理论与实践可以在多行业达到智能应用的效果,并最终实现产业化。

  为了改变目前工地升降机、塔机不规范的施工作业管理现状,以深圳市飞瑞斯科技有限公司为代表的一些企业推出了“工地升降机智能预警系统”,为工地升降机、塔机安全管理保驾护航,提供了全 新可靠的安全解决方案。成功案例有东北三省建筑工地、安徽建筑工地福建建筑工地等。在施工智能预警阶段,实时采集施工人员的位置信息。由于施工人员的复杂性、建筑面积大、人员流动性大, 管理人员难以对施工现场进行动态全面的监测。一种解决方案是运用BIM和RFID技术实现现场人员 的实时定位,并能正确地掌握人员的位置信息。当一个人进入危险区域时,RFID 读取器立即读取标签中的相关信息,并通过感知层将其上传到网络层, 以形成位置信息,并随着位置信息扩展而进行位置 数据库的自适应和自更新。

  自从工地升降机、塔机预警系统安装以来,管理人员能通过智能辅助终端设备监控实时操作状态,对违规行为进行预警,能及时发现建筑施工现场存在的升降机、塔机逃避监管使用等现象,为施工管理和安全管理带来了智能化体验。从而构成了一个具有监视、预警、维护、管理为一体的管理平台,真正实现 “H”“C”“P”各因素在整个 “智能建造+ HCPS” 框架中的作用。

  3. 3 建筑健康诊断 ( 运维) 阶段的应用

  在建筑健康诊断阶段也就是建筑产品运维阶段,提升建筑管理的智能化水平是很有必要的,因为它起着驱动的功能。智能化水平的高低,决定了它作为建设数字化网络化智能化智慧城市的驱动器动能的强弱。建筑健康智能诊断利用物联网、大数据、建设工程项目管理等知识以及智能建造系统的内在特性,实时反馈建筑健康以及运营状况的有效信息,并通过移动终端告知给智能建筑相关人员。

  利用组合传感设备、智能辅助终端以及一些带有数据传输功能的智能敏感驱动材料,对数据进行实时采集并传送至数据处理中心进行系统分析,通过实时数据和历史数据的比较,能够对建筑的运行状态进行诊断,发现并精确定位到出现问题的四维数据。

  中国华人建筑学者孙浩为建筑构建一套像人一样可以反映出病征的 “神经系统”,通过传感器、智能辅助设备 (“P” 因素) 测量记录建筑结构对周边环境变化的响应,传递挖掘深层数据(“C” 因素)并从结构工程师视角评判(“H” 因素)建筑结构的健康状况,提供加固、维修或者停止使用的相应方案,具有一定的推广价值。

  基于本节建造业多阶段、分层级应用大数据智能制造,可以进一步针对智能建造体系进行系统层级的构建,如图 5 所示,展示了感知层、网络层、执行层、应用层与智能建造多阶段应用的融合效果,最终在智能建造总阶段应用推广。

  4 建造业实施应用大数据智能制造过程中存在的问题

  4. 1 产业政策存在缺位

  大数据智能制造产业的定位不单纯是 “人工智能”或者 “机器智能”系统,而是人机一体化的混合智能系统带动发展,产业需要面对不同行业环境下的任务和服务。制造业中已有不少关于智能化发展的标准和相关产业政策,但是建造业智能化发展的相关政策还不到位,政策扶持总体效果并不理想。导致建造业应用智能制造思想,在自上而下的整体规划过程中会产生一定的滞后性,没有达到建造产业协同发展的战略目的,在一定程度上减缓了整个产业的发展步伐。

  4. 2 创新能力整体不强

  中国智能制造关键元部件很大程度上依赖于进口,如工业机器人领域的高性能交流伺服电机、3D 打印机的核心部件激光器等,造成国产智能制造企业成本居高不下。建造业难以利用其中技术层面 的思想进行创新,构建智能建造施工环境也存在着一定难度。中国智能制造产业整体上来讲,强调智能产品、智能生产、智能服务,忽视智能管理、智能规划、智能设计环节,而建造业正是需要系统管理与全生命周期管理的一个行业,这导致了智能建造技术体系不能很流畅地在建造业转移和运用,于是在一定程度上制约了建造业的发展进程。

  4. 3 技术应用缺乏普及

  大数据智能制造领域技术门槛较高,导致建造业应用其技术思想和关键智能产品难度加大,仅仅依靠单个建造企业或部门探索,“智能建造 + HCPS” 框架即便摆在眼前也无力全盘理解吸收。智能建筑 产品对智能基体材料、敏感材料、驱动材料技术,以及数字网络智能技术要求很高,对建造项目过程智能化的研发比较耗时,建造业应用大数据智能制造技术受到局限。中国现有智能制造技术大多掌握在部分科研机构和企业研发部门手中,造成一些有利用价值的关键技术无法应用到建造行业甚至更多行业,这使得智能制造关键技术处于实验室阶段, 难以形成规划设计、方案研发、施工建造、服务运营等细化建筑产业链。

  4. 4 示范作用有待加强

  虽然中国建造业的大数据智能制造应用在某些企业中短时间内已经有了一定进展,但总体上说,建造业的大数据智能制造应用还处于初级阶段。应用成果仅仅集中在少部分建造施工企业和项目中, 应用普及面不够,整个行业的建造流程方案缺少标志性范本,甚至有众多建造企业不了解这些概念。所以结合智能经济时代的特点,要打造一批从项目构思、规划到实施、落实的全过程智能建造工艺相对成熟的企业,发挥应用新技术新思想的示范作用,这对建造企业提出了新要求。

  5 大数据智能制造下建造业的发展对策建议

  5. 1 推行相关政策,提高从业者素质

  在建造业转型升级初期,地方政府应该制定和出台一系列有关推行 “智能建造 + HCPS” 建造业智能化发展的实施规划。对应用大数据智能制造的建筑企业审核之后进行专项资助、减免税收等优惠方案,牵引传统建筑企业的智能化转型。加快 “智能建造 + HCPS” 知识框架试点城市和试点项目推进,打造智能建造领军企业,逐步带动中小型建筑企业的智能化发展。

  以人为核心是变革的要义,所以首先要提高管理研究人员和工程师的职业素养,也就是从 “H” 因素提高智能辅助终端操作、BIM和 RFID 技术运用、3D 打印技术运用、建筑用机器人操作、智能建 筑材料搭接使用等方面能力。各级管理人员和技术工程师乃至一线工人均应该参加相关培训,提高自身职业素养,从企业管理层自上而下全部参与到产业变革过程中去。

  5. 2 提高创新能力,加大技术普及力度

  在建筑耗材生产、现代物流运输、前期规划设计、现场装配施工、后期运营维护等有序化建筑全产业链中加快技术创新的推动,让企业研发部门甚至社会科研机构组织参与渗透到智能建造的分阶段中,从认知智能建造技术框架的每个分节点 (例如从自成长型知识库向智能控制策略阶段的知识转移、 从智能材料和机械构成的 “物理系统” 向人对新材料、新机械的再认知等),到着重掌握其中某个单节点的技术应用 (如人对新材料机械再认知之后,对于分析决策阶段的影响,以及要面对由此带来的建筑技能学习方式和要求的转变等) ,最后理解 “智能建造 + HCPS” 整个技术体系的深层内涵。经过对整个阶段的认知,能更好地让相关技术人员、管理工作者由己及人地在建造企业中发挥知识作用,进而提高建造行业创新能力。

  信息大爆炸时代下,有必要整合各方资源,搭建信息共享平台、定期展开智能建造企业交流活动,把建造业应用大数据智能制造的方法和技术应用手段通过交流平台加以分享,让高层管理乃至中层技术人员都不同程度掌握智能辅助终端操作、BIM和RFID技术运用和了解、建筑用机器人操作、智能建筑材料搭接,以及体会整个建造流程智能化对于建造效能的提升效果。通过新媒体宣传,展示典型项目的最新技术成果,让普通公众了解智能建造的安全性、优质性、绿色性、智能性,从客户关系管理 (CRM) 角度,让客户对于大数据智能制造思想体系下的建造业有所认识并最终接纳。

  5. 3 展开智能化项目管理,加强企业示范作用

  针对传统建设工程项目管理存在的问题,在大数据智能制造的理论基础上,展开智能化项目管理。在规划设计阶段借助 CAD、广联达、Oracle Primav- era P6、Project 等专业软件来执行规划设计任务; 在建构施工阶段借助工业机器人和3D打印等技术拓展人体意义上建构操作边界; 在智能预警和运营维护阶段借助BIM和RFID 技术、数字孪生、智能材料搭接使用等助力全生命周期管理向智能化方向转型,提高数据管理效率和安全管理能力。

 

  通过展开智能化项目管理,有所行动的一些建造企业有行业共同话题,能更好地进行访问交流。在建造企业定期展开智能建造交流活动的过程中,各企业展示自己在智能建造每个阶段应用大数据智 能制造体系后的建设成果,举行跨企业的智能建造知识竞赛,选拔智能建造专业人才进行奖励和着重培养。将建设成果丰厚、拥有人才较多的企业经验在所有交流企业中推广传播,对于初步进入智能建造阶段的建造企业有转折性的影响,最后在建造全行业加以示范推广。

  6 结论与展望

  本文针对当前建造行业发展不足之处,基于大数据智能制造提出适合建筑业特色的智能建造理论模型和层级框架。在传统建造与 “人 - 物理系统” 的理论基础上构建新一代智能建造与 “人 - 信息 - 物理系统”,从而在建造项目中追求安全、优质、绿色、智能的建筑理念。在未来建造业转型升级的浪潮中,大数据智能制造的思想能一直指导建造项目的实施和建筑成品的运营,促进建筑业朝着智能化方向发展。另一方面,大数据智能制造在建造业的应用落实可以给其他行业应用大数据智能制造思想提供参考思路,使得智能制造不断发展完善。而智能制造作为中国制造 2025 的主攻方向,发展好了,中国制造 2025 的战略目标也就更近了。

  另外,本文研究仍存在一些不足,对于建造业多阶段应用大数据智能制造,只考虑了其中主要的施工和运营阶段,还可以选取另外的项目阶段进行研究,如智能规划、智能设计阶段,这将是本文未 来的可拓展研究方向。

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2020年7月21日 11:34
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