馬智亮 楊之恬

(清華大學(xué)，北京 100084)

基于BIM技術(shù)的智能化住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)功能需求分析

馬智亮 楊之恬

(清華大學(xué)，北京 100084)

本文分析基于BIM技術(shù)的智能化住宅部品生產(chǎn)計(jì)劃與控制系統(tǒng)的功能需求。首先，建立現(xiàn)行住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型；其次，在總結(jié)現(xiàn)行管理模式中所存問題的基礎(chǔ)上，基于BIM等新信息技術(shù)所帶來的可能性，提出改進(jìn)的過程模型；最后，基于所提出的新模型，分析基于BIM技術(shù)的智能化住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)功能需求。依據(jù)上述方法，本研究共提出了37項(xiàng)功能需求，為進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃; 計(jì)劃執(zhí)行; 生產(chǎn)管理; BIM; 住宅部品

1 引言

改革開放后我國(guó)建筑業(yè)迅速發(fā)展，僅2013年間全國(guó)房屋竣工面積就高達(dá)34.6億m2，其中住宅竣工面積超過半數(shù)，達(dá)19.3億m2[1]，然而目前我國(guó)住宅建設(shè)仍普遍采用以現(xiàn)澆為主的粗放式建造方式，日益難以滿足建筑市場(chǎng)的需求。與現(xiàn)澆式建造相比，裝配式建造通過采用工業(yè)化的部品生產(chǎn)和管理方式，可縮短項(xiàng)目周期，提高建設(shè)質(zhì)量。裝配式建造的優(yōu)點(diǎn)主要源自其部品生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工分離，因此住宅部品生產(chǎn)階段是該建造方式中的一個(gè)重要階段。

工業(yè)化的部品生產(chǎn)需要制定工廠計(jì)劃。它包括主生產(chǎn)計(jì)劃、車間產(chǎn)出計(jì)劃、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃等層次。其中，生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃是車間產(chǎn)出計(jì)劃的細(xì)化與具體化，通過將生產(chǎn)任務(wù)分配到工段甚至個(gè)人，對(duì)車間投產(chǎn)、生產(chǎn)和產(chǎn)出進(jìn)行規(guī)劃。其制定和執(zhí)行是部品生產(chǎn)管理中一項(xiàng)重要內(nèi)容，直接關(guān)系到部品交付周期和質(zhì)量，進(jìn)而影響整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的周期。

現(xiàn)行作業(yè)計(jì)劃與控制過程尚存在下列問題：首先，現(xiàn)行作業(yè)計(jì)劃制定主要依據(jù)最早交付日期規(guī)則，采用人工方式進(jìn)行，難以在考慮生產(chǎn)資源(如生產(chǎn)運(yùn)輸設(shè)備、原料等)限制的情況下進(jìn)行充分利用產(chǎn)能[2]。其次，圖表化的計(jì)劃展現(xiàn)方式難以直觀地向車間主管展現(xiàn)該生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)際執(zhí)行效果，影響管理人員的決策效率。再次，目前應(yīng)對(duì)生產(chǎn)外界環(huán)境突變(訂單變更、供應(yīng)不足等)的對(duì)策主要包括制定計(jì)劃時(shí)設(shè)置產(chǎn)能余量、業(yè)務(wù)外包、延長(zhǎng)工人工作時(shí)間或與業(yè)主協(xié)商降低工藝要求等，而運(yùn)用此類方法都會(huì)增加成本或降低質(zhì)量。另外，基于紙質(zhì)化派工單的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃下達(dá)方式信息傳遞效率低下，例如，但當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生變化時(shí)，需要再次進(jìn)行派工單和圖紙等資料整理及下發(fā)。最后，現(xiàn)行的生產(chǎn)管理模式中，生產(chǎn)管理者只能依據(jù)定期報(bào)告得知車間的生產(chǎn)情況，而無法獲得生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息，影響決策效果。

近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)上述問題進(jìn)行了研究。例如，2000年Leu等提出了在考慮生產(chǎn)資源有限的情況下，利用遺傳算法進(jìn)行單條生產(chǎn)流水線自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃方法[3]。Ko等提出了在自動(dòng)制定作業(yè)計(jì)劃的同時(shí)，考慮各工序間緩存空間有限的方法，提高了作業(yè)計(jì)劃的可執(zhí)行性[4]。其他學(xué)者也做了相關(guān)的研究[2][5]。但目前該領(lǐng)域的研究主要集中于靜態(tài)計(jì)劃制定，而未考慮生產(chǎn)條件變化時(shí)作業(yè)計(jì)劃的自適應(yīng)性，故此類計(jì)劃無法針對(duì)動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)外界環(huán)境做出調(diào)整，當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生變化后，先前制定的計(jì)劃難以執(zhí)行。另外，因目前研究尚未能提供計(jì)劃控制方法，在制定了精細(xì)的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃后，廠家實(shí)際利用該計(jì)劃也存在一定難度。

通過利用多智能體系統(tǒng)技術(shù)，制造業(yè)相關(guān)領(lǐng)域研究者提出了根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)擬定計(jì)劃的方法[6]。但目前研究都是針對(duì)特定類型產(chǎn)品制造，尚無普適性的計(jì)劃方法提出?？紤]到住宅部品生產(chǎn)的特殊性，如由于單個(gè)產(chǎn)品體積和重量較大，需考慮工序間生產(chǎn)緩存的限制等，目前制造業(yè)相關(guān)研究尚不能應(yīng)用于住宅部品生產(chǎn)。

作為建筑領(lǐng)域的前沿信息技術(shù)，BIM技術(shù)以三維模型為基礎(chǔ)，對(duì)建筑全生命期各階段的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的表達(dá)，在部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制方面有著巨大應(yīng)用潛力。可預(yù)見通過結(jié)合BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)及多智能體系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)，可有效地解決上述問題。

本研究對(duì)基于BIM技術(shù)的智能化住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，其中本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析。基于上述研究背景，本文首先歸納現(xiàn)行住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型。接著分析可用的關(guān)鍵技術(shù)，以解決上述問題。然后以此為基礎(chǔ)，提出改進(jìn)的宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型。最后基于新過程模型提出系統(tǒng)功能需求。

2 現(xiàn)行住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型及相關(guān)信息

Lee等在開發(fā)建筑領(lǐng)域產(chǎn)品信息建模軟件Georgia Tech Process to Product Modeling(GTPPM)的過程中對(duì)裝配式建設(shè)過程進(jìn)行了建模[7-11]。但從公開發(fā)布的該模型內(nèi)容來看，雖然他們對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的流程有較為細(xì)致的歸納，但對(duì)于作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行部分(如進(jìn)度執(zhí)行的監(jiān)控和反饋等)缺少歸納。

為把握現(xiàn)行住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程，在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究開展了充分的文獻(xiàn)和實(shí)際調(diào)研，對(duì)該過程進(jìn)行了建模，如圖1所示。該過程主要包括以下四步：首先，依據(jù)車間產(chǎn)出計(jì)劃制定生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，并在進(jìn)行車間產(chǎn)能分析后審批；其次，依據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃編制并下達(dá)投產(chǎn)計(jì)劃、派工單和產(chǎn)出計(jì)劃；然后，按派工單組織生產(chǎn)，記錄臺(tái)賬并定期反饋進(jìn)度，遇到突發(fā)性嚴(yán)重生產(chǎn)問題時(shí)，及時(shí)向生產(chǎn)調(diào)度部門反饋；在完成生產(chǎn)任務(wù)后，填寫派工單和產(chǎn)出計(jì)劃回執(zhí)。

圖1 現(xiàn)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型

以該過程模型為依據(jù)，通過檢索相關(guān)專業(yè)書籍，本研究對(duì)過程模型中各步驟的主要責(zé)任人、輸入信息、信息處理與輸出信息也進(jìn)行了歸納，如表1所示。以“生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃”步驟為例，本研究首先檢索了專業(yè)書籍[12]，然后對(duì)Dawood等學(xué)者進(jìn)行的最新研究中所提及制定生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃所需的信息內(nèi)容進(jìn)行歸納[2][5]，形成了該步驟的輸入信息。

3 可用關(guān)鍵技術(shù)分析

為解決現(xiàn)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃和控制過程中存在的問題，本研究對(duì)可能運(yùn)用的信息技術(shù)技術(shù)進(jìn)行了分析，包括BIM技術(shù)、離散事件模擬技術(shù)、RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)技術(shù)、遺傳算法、多智能體系統(tǒng)等。

離散事件仿真是通過將系統(tǒng)離散為一系列事件，通過按照一定順序推演事件進(jìn)行仿真的技術(shù)[14]，已被用于部品成品倉(cāng)庫(kù)規(guī)劃方案的優(yōu)化和效果展示。例如，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和庫(kù)存管理過程具有相對(duì)離散性，可以用離散事件仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線及庫(kù)存規(guī)劃方案進(jìn)行仿真，以展示方案正常運(yùn)行的效果[15][16]。在本研究中，該技術(shù)將用于生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃模擬，以展示其實(shí)際性能，便于審批人員決策。

RFID技術(shù)是通過利用接收器讀取被識(shí)別物體上RFID標(biāo)簽主動(dòng)或者被動(dòng)發(fā)射的無線電信號(hào)，識(shí)別物體并讀取信息的一項(xiàng)技術(shù)[17]，可用于部品生產(chǎn)、吊裝及倉(cāng)儲(chǔ)過程中的跟蹤管理。例如，通過運(yùn)用RFID標(biāo)簽進(jìn)行部品標(biāo)識(shí)，Nenad開發(fā)了部品生產(chǎn)與安裝信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了部品生產(chǎn)安裝全過程的管理[13]。在本研究中，該技術(shù)將用于生產(chǎn)過程中部品跟蹤管理，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)反饋。

遺傳算法是借鑒了生物學(xué)中遺傳現(xiàn)象開發(fā)的，解決最優(yōu)化問題的一種搜索啟發(fā)式算法[18]，可用于生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)線資源配置方案優(yōu)化。在本研究中，該技術(shù)將用于生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)擬定。

表1 現(xiàn)行過程模型中各步驟信息明細(xì)表

多智能體系統(tǒng)技術(shù)是通過多個(gè)智能體相互協(xié)作，組成分布式智能系統(tǒng)解決實(shí)際問題的技術(shù)[19]，在制造業(yè)中該技術(shù)已用于生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)計(jì)劃與管控。例如，為適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的制造條件，Wang通過運(yùn)用多智能體系統(tǒng)的群體智能性，開發(fā)了敏捷制造計(jì)劃與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)任務(wù)的智能化分配[6]。本研究結(jié)合部品生產(chǎn)特點(diǎn)，將該技術(shù)運(yùn)用于部品作業(yè)計(jì)劃的擬定、調(diào)整和控制。

4 新住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型及相關(guān)信息

針對(duì)現(xiàn)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制流程中的問題，考慮新信息技術(shù)帶來的可能性，本研究提出住宅部品生產(chǎn)管理模式改進(jìn)對(duì)策。首先，通過利用系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃擬定，解決人工制定作業(yè)計(jì)劃難以充分利用產(chǎn)能的問題；其次，通過利用離散事件模擬進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃性能的展示，以提高計(jì)劃審批效率；再次，當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)事故時(shí)，利用系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，使得在維持產(chǎn)出計(jì)劃不變的情況下，通過合理地整合車間資源，盡量抵消突發(fā)事件帶來的不利影響，從而一定程度上避免采用業(yè)務(wù)外包等以成本或質(zhì)量換產(chǎn)量的對(duì)策；另外，利用信息系統(tǒng)下達(dá)實(shí)時(shí)生產(chǎn)任務(wù)，可避免利用紙質(zhì)化派工單帶來的信息傳遞效率低下；最后，通過RFID傳感器監(jiān)測(cè)生產(chǎn)進(jìn)度，以為管理者提供實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息?；谏鲜鰧?duì)策，本研究提出了新住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型，如圖2所示。

圖2 新住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型

通過分析新舊過程模型，可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模型中的一些步驟存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，新模型中的“自動(dòng)擬定生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃”對(duì)應(yīng)于現(xiàn)行模型中的“生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃”和“車間產(chǎn)能分析”?；谶@種對(duì)應(yīng)關(guān)系，不難得出以下3條推論：首先，新過程模型中各步驟的輸入信息內(nèi)容必涵蓋現(xiàn)行過程模型中對(duì)應(yīng)步驟的輸入信息內(nèi)容，但信息表現(xiàn)形式未必一致。這主要是因?yàn)?，一方面利用信息系統(tǒng)模擬人進(jìn)行決策時(shí)，需要包含人工決策時(shí)會(huì)考慮的各項(xiàng)因素；另一方面，由于信息系統(tǒng)具有更高的計(jì)算性能，能考慮人腦難以考慮的更多因素。其次，對(duì)應(yīng)步驟的信息處理方式較為不同，現(xiàn)行模型中以人工處理為主，新模型中以自動(dòng)處理為主。最后，對(duì)應(yīng)步驟的輸出信息內(nèi)容差異不大，但表現(xiàn)形式存在較大差異，因?yàn)楦鞑襟E的輸出信息內(nèi)容主要由該步驟目的決定，而與信息的形成和表現(xiàn)方式無關(guān)。例如，現(xiàn)行過程模型“派工單編制”與新過程模型中“實(shí)時(shí)發(fā)布生產(chǎn)指令”的作用都是向工人下達(dá)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃中的內(nèi)容并提供相關(guān)信息，雖然形式卻不同，但內(nèi)容類似。

依據(jù)上述推論，本研究對(duì)新過程模型中各步驟的輸入信息、信息處理、輸出信息和責(zé)任人進(jìn)行歸納，如表2所示。以新過程模型中“自動(dòng)擬定作業(yè)計(jì)劃”步驟為例，其輸入信息應(yīng)繼承現(xiàn)行過程模型中“生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃”和“車間產(chǎn)能分析”的輸入信息中內(nèi)容(詳見表1)，但與原過程模型相比部分信息表現(xiàn)形式發(fā)生變化，例如原模型中“前期計(jì)劃完成情況”變?yōu)椤吧a(chǎn)案例庫(kù)”，還增加了部分必備信息，如“各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)”。

5 系統(tǒng)的功能需求分析

本研究基于改進(jìn)的住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程模型，以及模型中各步驟信息明細(xì)表，進(jìn)行系統(tǒng)的功能需求分析。其中表中的“所需信息”反映系統(tǒng)的輸入功能需求，“信息處理”反映系統(tǒng)的分析功能需求，“產(chǎn)生信息”反映系統(tǒng)的展示功能需求。例如，“自動(dòng)擬定作業(yè)計(jì)劃”步驟需求信息“設(shè)計(jì)及工藝信息”，因此部品生產(chǎn)計(jì)劃和控制系統(tǒng)應(yīng)具有“BIM模型導(dǎo)入”及“部品生產(chǎn)工藝路線選擇”功能。由此，形成了該系統(tǒng)的功能需求，如表3所示。

表2新過程模型中各步驟信息明細(xì)表

表3 系統(tǒng)功能需求表

續(xù)表

住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)功能需求共有37項(xiàng)，可分6類，包括常規(guī)類功能，即用戶登入登出管理；工廠信息設(shè)置類功能，主要涵蓋車間人、機(jī)、材等生產(chǎn)信息設(shè)置和生產(chǎn)案例庫(kù)的管理；訂單信息錄入類功能，主要涵蓋訂單及部品相關(guān)信息導(dǎo)入和車間產(chǎn)出

計(jì)劃及物料供應(yīng)計(jì)劃的導(dǎo)入；自動(dòng)擬定生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃類功能，主要涵蓋生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)生成、模擬和報(bào)批功能；生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息查詢類功能，主要涵蓋生產(chǎn)相關(guān)信息查詢及生成報(bào)表功能；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用功能類功能，主要涵蓋部品自動(dòng)識(shí)別、任務(wù)領(lǐng)取、配套信息顯示及事故報(bào)告功能。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究通過調(diào)研現(xiàn)行住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制過程，建立了對(duì)應(yīng)模型，然后針對(duì)現(xiàn)存問題，考慮新信息技術(shù)提供的可能性，提出了該模型改進(jìn)模型，進(jìn)而了分析獲得智能化住宅部品生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制系統(tǒng)的功能需求?；诒疚乃岢龅墓δ苄枨?，本研究將繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。預(yù)期通過運(yùn)用本研究所提出的系統(tǒng)，部品生產(chǎn)廠能解決作業(yè)計(jì)劃與控制領(lǐng)域現(xiàn)存問題。

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Functional Requirements Analysis of BIM Intelligent Scheduling and Control System for Precast Production of Prefabricated Residential Buildings

Ma Zhiliang, Yang Zhitian

(TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

This paper analyzes the functional requirements of a BIM based intelligent scheduling and control system for precast production of prefabricated residential buildings. First, the current process of scheduling and control of precast production is analyzed and modeled. Then, based on the problems existing in the current process and the latest technologies such as BIM and multi-agent systems, the process is updated and a new process model is established. Finally, the functional requirements of the system are analyzed based on the new process model. Consequently, 37 functional requirements are obtained and presented, which lays the foundation for further development of the system.

Production Scheduling; Schedule Execution; Production Management; BIM; Housing Parts

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2013AA041307)

馬智亮(1963-)，男，教授。主要從事信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究。

F406·2；TU746·4

A

1674-7461(2015)01-0001-07