陳繼文，許欽圓，高曉明，楊紅娟

(1. 山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101；2. 山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東 濟南 250101；3. 山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

我國發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略中提出要建筑工業(yè)化升級，加大智能建造在建筑行業(yè)的應用。混凝土預制(Precast Concrete，PC)構件的大規(guī)模生產是裝配式建筑項目中不可或缺的環(huán)節(jié)，構建其智能生產線可以提升生產質量和效率。 但受制于PC構件的生產管理方法，在其生產和管理過程中存在許多挑戰(zhàn)和困難[1]。 在生產調度上，對產量、進度缺乏有效的控制措施，生產統計上報及時性差；在生產過程監(jiān)控方面，PC 構件訂單生產進度不能及時反饋并跟蹤，收集的數據在經過表格統計后公布會存在滯后的現象，統計需要耗費大量人力，并且記錄的信息會出現錯誤、信息內容不完善等問題，同時頻繁出入庫的方式也會導致管理不規(guī)范，易造成記錄信息的丟失[2]。 在完成不同規(guī)格、不同品質要求的訂單時，傳統生產方式和管理模式在一定程度上制約了其生產效率[3]。

隨著裝配式建筑需求的增大，半自動化和自動化生產線技術逐漸涌入市場，PC 構件也開始大規(guī)模生產，但這些生產線的自動化水平和信息管理系統的發(fā)展水平參差不齊，與國外裝配式建筑發(fā)展較早的行業(yè)存在一定差距[4]。 張仲華等[5]針對傳統信息手段難以滿足裝配式建筑需求等問題，結合智慧工地理論，為裝配式混凝土建筑提供了高效的信息管理手段；熊福力等[6]針對訂單生產過程中執(zhí)行過程無法直接查看，并可能導致訂單不能夠按時交貨等問題，建立了一個訂單跟蹤體系，基于多種數據評價指標評估生產訂單執(zhí)行的相關進度；房金陽等[7]針對缺乏訂單跟蹤的問題提出一種生產訂單跟蹤方法，利用系統進行采購訂單的數據收集并對訂單分類匯總，定義訂單執(zhí)行階段并說明訂單狀態(tài)，通過圖表實現訂單的追蹤。 目前，PC 構件生產的數據信息缺乏可視化管理，大多以報表和表格的形式顯示，生產過程中的相關數據無法直觀地展現[8]。

為了提高生產效率和管理水平，解決工廠信息化管理水平低，生產訂單缺乏可追溯性的問題，文章基于構件生產品類多、數量小、訂單任務并行生產的PC 構件生產方式，設計了PC 構件產銷一體化管理系統，其基于孿生體模型和PC 構件生產設備之間的實時通信，可以有效應對構件生產訂單調度過程中動態(tài)因素的突發(fā)性干擾[9]，通過生產線訂單跟蹤和成交量統計可視化實時監(jiān)控，可提高管理系統的精準性；通過系統靜態(tài)信息模塊和動態(tài)信息模塊的數據交互，實現信息化管理，及時發(fā)現問題并上報系統，自動形成相關的解決方案。

1 PC 構件產線需求分析

在當前建筑業(yè)發(fā)展中，信息技術的發(fā)展為PC構件的生產和管理提供了有力的支持[10]。 為及時面對市場需求變化，設計并實現一個高效、精細、智能的PC 構件產銷一體化管理系統，已成為建筑行業(yè)管理的重要研究方向。 基于PC 構件生產線的工藝流程，分析產線的需求，獲取人員、設備、物料等數據信息，完成生產線信息的集成與提取，實現訂單跟蹤和生產管理的集成以及訂單跟蹤的可視化管理。設計流程圖如圖1 所示。

圖1 PC 構件生產工藝流程圖

在當前多樣性市場需求下，越來越多的生產企業(yè)開始轉型，由傳統的面向庫存生產開始轉為面向訂單生產。 在新生產方式下，保證生產訂單按時按量產出以及產品的質量合格是企業(yè)管理中面臨的重要問題。 在PC 構件生產訂單執(zhí)行過程中，各節(jié)點信息在企業(yè)管理中缺乏關鍵信息匯總，而分散在企業(yè)的各種管理系統中和各生產職能部門管理者手中，極大地影響了生產訂單的執(zhí)行進度及產品質量[11]。

訂單跟蹤和成交量是系統的兩個重要模塊，對于管理和優(yōu)化PC 構件生產、銷售具有至關重要的意義。 經過生產任務執(zhí)行和進度跟蹤流程的調查研究后，發(fā)現生產過程中關鍵信息管理不規(guī)范，倉庫管理模塊中的PC 構件產品信息需要事后補錄，易出現記錄信息錯誤、信息缺乏時效性等問題[12]，無法實現數據信息的監(jiān)控和反饋。

針對PC 構件訂單跟蹤，分析其模塊的流程尤為關鍵，文章建立離散型車間模型，由靜態(tài)需求到動態(tài)生產[13]，最終確定訂單跟蹤的方法，如圖2 所示。隨著生產訂單的執(zhí)行，訂單各種表單的數據也會隨之生成，通過采集數據并分類、關聯、匯總，就可以知曉生產訂單在各個節(jié)點的執(zhí)行狀態(tài)，建立監(jiān)控指標體系[14]。

圖2 靜態(tài)需求與動態(tài)生產圖

系統功能性需求主要有:

(1) 管理構件訂單客戶信息及與客戶簽訂的訂單合同信息；

(2) 管理PC 構件的出入庫信息；

(3) 管理PC 構件生產設備的點檢信息、定修數據信息，以及設備運行狀態(tài)和安全操作規(guī)程；

(4) 管理PC 構件庫存與物料信息[15]；

(5) 有完好的PC 構件質量管理，通過生產訂單跟蹤體系管理出入庫訂單質量[16]；

(6) 有更直觀的PC 構件訂單跟蹤功能，完成構件倉儲管理、出庫構件尋找。

產線需要滿足生產不同類型PC 構件的技術要求，主要體現在設備的自動化程度、管理系統的完善程度。 需要考慮生產線的靈活性和可調節(jié)性，以滿足不同類型PC 構件的生產需求，同時還需要考慮的有:

(1) 生產能力 需要根據市場需求和企業(yè)自身的規(guī)模和資金實力，確定生產線的生產能力，包括生產速度、產品品質和生產線的穩(wěn)定性等；

(2) 產品種類 需要考慮生產哪些種類的PC構件，這將決定生產線所需的設備、工藝流程和生產人員的技術水平等；

(3) 訂單跟蹤 滿足對PC 構件訂單實時進度跟蹤，包括計劃、訂單、確認、跟單和出貨狀態(tài)跟蹤；

(4) 質量管理 保證PC 構件的質量，通過管理系統的搭建，建立質量管理體系。

針對PC 構件在生產過程中缺乏生產信息的可視化監(jiān)控反饋、生產過程信息缺乏可追溯、管理不規(guī)范等問題，基于生產線的需求分析，搭建一個PC 構件產銷一體化管理系統。 利用數字孿生技術，為管理系統中動態(tài)信息之間的融合問題提供解決方案，實現PC 構件的生產訂單跟蹤分析。 通過訂單跟蹤和生產管理在系統中的集成，實現其訂單跟蹤的可視化管理。

2 PC 構件管理系統體系架構

目前軟件設計主流的基本架構為:(1) 客戶機/服務器(Client/Server，C/S)架構，有較為豐富的界面和較高的安全性能，但存在維護成本高的缺陷；(2) 瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)架構，僅需擁有Web 瀏覽器而無需特殊安裝客戶端，通過對項目簡單迭代升級即可實現新功能的維護。

考慮到PC 構件生產智能化管理協同操作、生產流程定制化的不同需求，該系統選用B/S 架構，系統框架圖如圖3 所示。

圖3 裝配式建筑PC 構件產銷一體化管理系統框架圖

2.1 PC 構件管理系統環(huán)境依賴

PC 構件管理系統架構的實現使用Web 的方式[17]；管理系統整體基于模型－視圖－控制器(Model－View－Controller，MVC)的設計模式，前端界面主要使用HTML5、CSS3、JavaScript 等技術；后端采用PHP 框架開發(fā)；系統基于phpstudy 軟件創(chuàng)建網站，管理系統的開發(fā)環(huán)境為Windows7 系統、Nginx 1.15服務器、MySQL5.7 數據庫[18]、PHP7.1 框架。

2.2 管理系統數據庫設計

通過調研，確定了PC 構件管理系統的基本功能模塊，如業(yè)務管理、PC 構件生產線管理、設備預警模塊、倉儲管理模塊等。 在智能化生產的主要需求下，根據信息化生產體系的設計，全面存儲系統每個功能模塊的數據信息[19]。

通過分析數據庫的應用場景，完成數據表詳細字段設計。

(1) 設備管理信息表見表1。

表1 設備管理信息表

(2) 生產計劃信息表見表2。

表2 生產計劃信息表

(3) 倉庫出入庫信息表見表3。

表3 倉庫出入庫信息表

(4) 物料出庫信息表見表4。

表4 物料出庫信息表

(5) 訂單跟蹤信息表見表5。

表5 訂單跟蹤信息表

3 PC 構件管理系統管理模塊設計

基于PC 構件自動化生產需求，將系統內部的功能模塊劃分為靜態(tài)信息模塊和動態(tài)信息模塊。 其中，在動態(tài)信息模塊下，業(yè)務管理中的訂單跟蹤、倉庫管理中的出入庫信息以及生產現場設備的管控尤為關鍵。

3.1 管理系統靜態(tài)信息模塊

系統設計滿足PC 構件在生產過程中的需求，實現了生產管理與訂單跟蹤管理的集成一體化。 主要完成模具和模臺等設備的管理、數據信息實時采集與監(jiān)控、 PC 構件生產可視化、質量管理和訂單跟蹤與成交量的可視化等功能，以此增強生產過程中的信息化水平。 針對靜態(tài)信息模塊的設計主要包括:

(1) 系統管理 由于系統的使用人員類型不同，系統設置會根據使用人員所需的功能把不同的系統權限賦予不同的使用人員。 系統界面功能模塊顯示的內容取決于被賦予的權限，在系統界面左側生成管理目錄。 系統管理員可以擁有多個不同權限的角色管理組，增刪改查不同的管理組，同時可以定義新增的管理員角色，根據權限不同劃分為不同的管理組，如圖4 所示，系統管理組還可以選擇是否顯示管理員狀態(tài)信息。

圖4 系統管理模塊圖

(2) 設備管理 設備管理模塊(如圖5 所示)的功能是管理PC 構件生產用的生產設備，輸入設備ID 可以查詢生產車間的設備編號、運行日志、驗收和安裝時間、維修記錄、備件儲備情況等。 該模塊通過與數據庫中的設備數據信息建立連接，實現待查數據到系統界面的渲染。 顯示內容包括設備的名稱與型號、設備供應廠家與供應價格、設備保修期以及設備的入場時間等，用戶可以通過設備負責人所上傳的設備維修養(yǎng)護數據查看到未處理的設備狀態(tài)信息以及已處理的設備維修反饋，并通過系統終端修改設備相關信息，按日期查詢不同工位的狀態(tài)。

圖5 設備管理模塊圖

(3) 工位管理 工位管理(如圖6 所示)的功能是記錄生產PC 構件的相關設備工序流程信息，通過圖表的形式展現給系統管理員，包括工位目前工作狀態(tài)、當前設備下所屬的工位名稱、工位所屬人員信息等。 系統管理員可以根據生產工藝流程增刪改查工位，若需要已經刪除的工位信息，可以打開回收站通過一鍵查詢找到相關數據并恢復。

圖6 工位管理模塊圖

3.2 管理系統動態(tài)信息模塊

根據信息化生產的實際需求，劃分管理系統的動態(tài)信息模塊。 重點是詳細劃分業(yè)務管理、質量管理、生產線管理模塊， 其次是設計倉庫管理、物料管理、日志管理、預警管理等功能模塊。

(1) 業(yè)務管理 其模塊的主要功能是對訂單生產計劃管理以及產品質量管控，用戶可以在訂單列表內查詢訂單內容、合同編號、訂單生產狀態(tài)以及訂單簽訂日期等信息以及根據合同增刪改查上述信息；通過計劃管理分析PC 構件生產計劃及訂單所需庫存等信息，便于生產計劃的制定，并完成訂單跟蹤模塊的設計，實現可視化管理和監(jiān)控。

(2) 質量管理 其模塊的主要功能是根據生產技術要求、生產質量標準等，實現對PC 構件生產線的質量管理，確保生產的PC 構件成品質量滿足客戶需求。 不同工序的負責人通過移動終端等設備把產生質量問題的產品編號與訂單編號上傳至系統并描述質量問題，系統提供指定時間內質量數據的動態(tài)查詢，并通過流程節(jié)點把不同的質量問題反饋至質檢部或者技術部的相關負責人。

(3) 生產線管理 其模塊的主要功能是獲取PC 構件生產過程的實時數據以及對其生產線進行可視化監(jiān)控，可以將置模生產工藝中的真實狀況反饋至管理系統界面，供管理人員查看。 通過系統對生產進度的實時數據分析，用戶可以了解PC 構件的生產情況；通過對生產線監(jiān)控，可以依據生產作業(yè)的情況及時調度優(yōu)化整條生產線。

管理系統使用人員需在PC 端中或移動端輸入統一資源定位符(Uniform Resource Locator，URL)地址，當在登錄頁面輸入用戶賬號與密碼后，基于JWT(Json Web Token)機制通過token 解密認證，實現用戶鑒權后才可進入系統。 進入首頁控制界面，分為設備、物料、工位、業(yè)務、倉庫、預警、日志、能源、系統管理九大模塊，如圖7 所示。

圖7 系統功能管理模塊圖

4 PC 構件管理系統的實現

PC 構件管理系統的技術選型有:(1) 系統整體采用MVC 設計模式，前端界面主要使用HTML5、CSS3、JavaScript 等技術；(2) 可視化圖表庫通過導入Echarts，可以利用內置的大數據圖形進行可視化展示； (3) 通過 jQuery 簡化后的 Ajax 技術(Asynchronous JavaScript＋XML)實現前后端的請求和響應，無需整體刷新便可使用管理系統網頁數據的功能；(4) ThinkPHP5.0 作為開發(fā)框架，使前端用戶界面結構與后端復雜的業(yè)務邏輯形成了前后端分離體系，降低了前后端耦合度，提高了開發(fā)效率；(5) 通過Nginx 實現項目在云服務器的部署。

訂單在執(zhí)行過程中所產生的相關信息會保存到系統當中。 為了滿足企業(yè)的實際需求，實現PC 構件訂單的按時交付，優(yōu)化訂單成本，建立訂單執(zhí)行跟蹤管理機制，PC 構件訂單跟蹤業(yè)務如圖8 所示。

圖8 PC 構件跟蹤業(yè)務結構圖

在管理系統中開發(fā)了業(yè)務管理模塊，該模塊是對PC 構件訂單產品的信息跟蹤和質量分析。 業(yè)務管理模塊基本信息如圖9 所示。

圖9 業(yè)務管理模塊圖

訂單跟蹤模塊可視化實現了對PC 構件生產過程的把控，通過訂單反饋的信息及時調整生產計劃，保證生產效率；訂單質量管理板塊是分析PC 構件訂單的詳細信息、出入庫狀態(tài)、庫存余量以及PC 構件質量。 管理系統可提供PC 構件訂單查詢功能，允許用戶根據訂單編號、客戶信息、訂單狀態(tài)信息等精準查詢。 在訂單板塊中創(chuàng)建新的訂單列表，輸入客戶信息，系統會自動生成一個訂單號與客戶信息綁定，可在訂單分析板塊中實時查詢，實現對PC 構件訂單實現動態(tài)跟蹤和規(guī)范管理，體現訂單的可追溯性。

4.1 訂單管理跟蹤

通過分析PC 構件生產訂單在執(zhí)行過程中的核心業(yè)務，搭建訂單跟蹤系統的基本架構，根據系統跟蹤生產訂單的執(zhí)行進度情況及時調整生產訂單執(zhí)行中的業(yè)務[20]。 針對PC 構件生產訂單業(yè)務設計訂單跟蹤板塊，訂單跟蹤流程圖如圖10 所示。

圖10 訂單跟蹤流程圖

4.2 管理系統生產線管理

生產線管理模塊通過數字孿生和PC 構件生產設備之間信息交互實現監(jiān)測現場生產信息，并實時反饋。 為了獲取實時監(jiān)測的信息數據，需要建立孿生和管理系統之間的通訊接口。 當下達預制構件生產任務時，管理系統會接收生產信息并導入生產訂單中。根據產品類型把訂單方案通過通訊接口反饋給數字孿生產線，管理系統會根據分配方案及時反應、處理。自動化生產線信息交互結構圖如圖11 所示。

圖11 自動化生產線信息交互結構圖

4.3 訂單質量管理

保證PC 構件產品按時、按質、按量的交貨是企業(yè)管理中的核心，其質量把控尤為關鍵。 對業(yè)務管理模塊繼續(xù)開發(fā)，設計的質量管理模塊如圖12 所示。 按照技術質量部門下發(fā)的標準質量規(guī)程和技術要求，嚴格把控訂單產品質量關卡。

圖12 質量管理界面

對每道工序的PC 構件成品進行質量檢測，標記其是否存在破損、缺角、裂紋等質量情況。 各個工序所生產的PC 構件不良品會被管理系統中的質量管理模塊檢測并記錄信息，與數字孿生通訊接口上傳的信息數據比對，通過信息交互實現動態(tài)跟蹤，確保無不良品入庫，實時監(jiān)測PC 構件生產訂單數據，保證訂單能夠按時、保質、保量交貨。

4.4 訂單跟蹤可視化

在系統的訂單跟蹤模塊中，訂單號都是唯一的。在創(chuàng)建PC 構件訂單時，自動生成該訂單的訂單號并記錄在信息庫中。 隨著訂單在多個狀態(tài)下的變化，系統會自動更新實時的信息狀態(tài)，如待生產、生產中、待發(fā)貨、已完成等。 系統可以通過訂單跟蹤模塊查看訂單的詳細信息和當前狀態(tài)，以及預計交貨日期等。

管理系統會根據訂單的狀態(tài)變化自動更新每個時間段的成交量，每個訂單都有對應的時間，系統會根據訂單信息自動統計其成交量，并在管理模塊中顯示出來，訂單成交量和訂單數實時數據顯示，實現可視化監(jiān)控，如圖13 所示。

圖13 訂單數和庫存量

管理系統跟蹤訂單執(zhí)行狀態(tài)并實現可視化，使管理人員和生產人員能夠更加直觀地了解訂單執(zhí)行的進度和情況。 通過實時監(jiān)控來反饋訂單的執(zhí)行情況，同時可視化的訂單跟蹤提高了信息的透明度和可靠性，讓各個職能部門之間的溝通更加高效和協調，降低了生產成本和交貨期風險。

訂單跟蹤和成交量統計是PC 構件管理系統的兩個核心功能之一，對于管理和優(yōu)化其生產和銷售具有至關重要的意義。 其實現過程需要考慮的是:

(1) 確定訂單狀態(tài) 在系統中定義訂單的多個狀態(tài)；

(2) 記錄訂單信息 在系統中會記錄每個訂單的基本信息，如產品的具體狀態(tài)、交貨的日期、客戶的詳細數據等；

(3) 提供訂單查詢功能 系統允許用戶根據客戶信息、訂單編號等多個維度搜索相關信息。

在業(yè)務管理中設計訂單接收模塊，管理系統實時顯示PC 構件原材料可接單量、庫存剩余量、排產日期記錄、交貨日期記錄，日期可自由選擇，提供查詢功能。 訂單接收模塊如圖14 所示。

圖14 訂單接收模塊

為保證PC 構件產品訂單的及時性，訂單跟蹤模塊關聯訂單入庫信息和出庫信息板塊，主要包括申請編號、訂單數量等。 通過訂單跟蹤板塊信息的對比，收集反饋的錯誤信息，優(yōu)化訂單跟蹤管理流程節(jié)點，提高訂單跟蹤的精準性。

4.5 實例驗證

為了進一步驗證PC 構件產銷一體化管理系統設計的可行性，以千兆網絡、防火墻以及2 核4G5M帶寬的服務器等相應的軟、硬件來搭建測試環(huán)境。(1) 測試管理系統的基礎功能，結果證明管理系統可快速響應用戶的相關操作；(2) 測試生產管理系統的主要功能，結果證明PC 構件產銷一體化管理系統能滿足使用需求。 自動化產線置模設備如圖15 所示，配備PC 構件產銷一體化管理系統，在管理系統控制下可正常運作。

圖15 自動化產線置模設備

5 結語

文章針對PC 構件生產信息化管理水平低、訂單缺乏可追溯性等問題，基于PC 構件生產需求設計了一個PC 構件產銷一體化的管理系統。 通過管理系統中靜態(tài)、動態(tài)信息管理模塊的集成，提高生產計劃的科學性，確保PC 構件訂單生產計劃的順利實施。 通過孿生通訊接口實現孿生模型和生產線設備之間的信息實時交互，質量管理模塊篩選出PC構件不合格品后完成訂單入庫，通過訂單管理模塊中的動態(tài)跟蹤和質量監(jiān)控功能，實現了PC 構件的信息化管理和訂單跟蹤可視化，保證了訂單流程可追溯性，提高了PC 構件的生產效率。