摘
自《楼宇智能产业化》杂志2023年第3期
勘探
发现
建筑钢结构工厂数字化探索以柔性制造为建设目标，运用传感技术、无线通信技术、数字建模技术、仿真优化技术等多种现代技术，进行数字化、智能化升级。
阅读指南
·背景
·项目概述
·申请状态
·结论
建筑钢结构工厂数字化建设探索
钢结构建筑工厂数字化建筑探索
王宁
中国建筑钢结构有限公司高级系统架构师
吴永强
中国建筑钢结构股份有限公司信息化产品总监
1 背景
近年来，建筑结构向更高高度、更大跨度、造型新颖独特方向发展，各种复杂的钢结构不断涌现，如写字楼、综合体等高层建筑，会展中心、体育场馆、机场等大跨度建筑，跨江跨海桥梁等。钢结构建筑的种类很多，导致工厂制造过程中出现以下五大难点：
•非标产品，产品结构复杂，部件大，难以实现标准化、批量生产;
•频繁的变更，技术变更和生产缺陷带来更多的变更，频繁的变更对技术优化和资源配置有更高的要求;
•难以计划和安排，涉及多类型工作、多项目协作、复杂计划和调度;
•成套材料难以完成，从下料到组装成套材料不明确是制约生产交付顺利的关键因素;
•材料成本高，原材料成本占生产成本的50%以上，材料规格型号多，难以对剩余的材料和废弃物进行精细化管理。
本着今年两会的精神，提出政府的职责之一就是帮助企业完成高端化、数字化、绿色化升级。在数字化建设中，政府的角色正在从后监管转变为主导。早在2020年4月，国家印发的《关于构建更加完善的市场化要素配置体制机制的意见》明确提出了“数据要素”一词，而过去的经济学只有四大生产要素，即土地、劳动力、资本和技术。而现在，数据正式成为第五大生产要素。在过去的几年里，几乎所有公司都在关注数字化转型，这是一个大趋势。
基于这一现状，中国建筑钢结构股份有限公司（以下简称“中国建筑钢结构”）在建筑钢结构工厂数字化建设方面进行了深入探索，制定了一套钢结构建筑厂数字化解决方案，包括数据采集和治理，协同管理工厂各业务应用板块， 以及智能管理决策，用于完成和开放整个制造过程，实现钢结构产品制造全生命周期的数字化控制。
2 程序概述
整体解决方案由数据平台、业务应用和管理决策三个层面组成。数据平台层以建筑钢结构制造企业自身为基础，基于物联网、互联网、计算机技术，快速准确地采集钢结构生产线数据;业务应用层重点围绕工艺设计、制造、智能生产三个环节的升级改造，实现技术准备和制造过程的智能化。管理决策层基于业务应用层的数据进行可视化建设，在打造数字化透明工厂的同时实现精益管理。该建筑的整体架构如图 1 所示。
图1 功能架构图
整体业务流程首先通过与ERP系统的集成获取生产订单，然后进行订单的生产技术准备，包括详细设计清单的编制、物料拣选清单的编制、车间生产流程的编制和数控程序的编制，然后下达订单到车间进行生产钢结构加工厂图片， 对任务执行的监控和跟踪，订单处理完成后将成品入库，最后通过出货到项目实现订单生产的全过程控制。建筑钢结构数字化工厂的整体业务流程如图2所示。
图2 建筑钢结构数字化工厂整体业务流程图
这
技术架构采用目前成熟的SpringCloud微服务框架体系，采用浏览器/服务器模式（B/S结构）进行分布式集群部署，提高系统的可扩展性和高可用性。数据持久化使用Mysql数据库，该数据库基于ORM思想，开发速度快，易于维护，扩展简单，如图3所示。
图3 技术架构图
2.1 数据采集与管理平台
2.1.1 钢结构生产线信息采集技术
中建集团研发了产线分散式设备终端集成技术，开发了多源异构数据采集和传输设备，实现了基于智能边缘计算引擎的数据快速处理和过滤，解决了云计算过度依赖核心服务器的问题。采集设备的类型如图4所示。
图4 多终端数据采集
中建集团为钢结构生产线承载网构建了工业PON网络系统解决方案，为骨干网构建了双通道备份方案，实现了生产中基础数据传输的低时延、高可靠性。车间网络架构图如图 5 所示。
图5 智能车间生产信息网络
2.1.2 数据治理与应用
实时采集设备控制器数据，包括报警信息、测量、计数、电流、电压、功率等信息，通过系统将人员、设备、团队绑定，并通过系统显示生产设备的状态和报警信息，一旦生产设备因故障停机，设备管理系统将立即提示， 同时会记录每台设备每次班次的停机次数和原因，为设备部门制定预防性和预测性维护计划提供第一手资料。
以焊接车间关键生产设备为分析试点，运用精细化算法，进行多维度对比分析，在选定时间内查看运行效率图表，查看运行效率平均数据，了解设备、团队、员工效率的横向对比， 团队和员工在单位时间内相同焊丝消耗的前提下，并采集异常样品，找出问题工位和问题设备，提高生产效率。如图 6 所示。
图6 关键设备数据采集
通过能耗数据采集，对生产线设备的耗电情况进行监控，管理人员可以根据每台生产线设备的能耗和产值，调整优化运行流程和模式，实现节能增效。在高峰期和限电期间，可以通过结合历史产量和能耗统计来调整和控制生产任务，从而准确控制生产线的日常能耗，最大程度保证生产线的生产能力。如图 7 所示。
图7 设备利用率分析
2.2 工艺设计管理平台
这
工艺设计管理平台具有智能放样、设计流程管理等功能，用于解决设计效率低、设计流程控制不清晰等问题，实现流程设计全流程数字化，提高流程设计效率。
2.2.1 智能放样
智能放样软件，用于钢结构零件加工工艺图，具有零件快速拉拔、槽槽快速打标、放样操作集成等功能，将多步骤设计工作简化为一键式操作命令，省去冗长的重复设计活动，提高工艺人员的设计效率。
在零件绘制阶段，软件具有零件信息+图形识别功能。设计人员选择表格零件信息和零件图所在的文件夹，根据零件的大小和类型，在CAD中完成图纸框架的自动图案、零件图纸的自动填充、零件层的自动过滤和冗余层的删除。自动触摸选择信息，将零件信息自动缩减并填充到绘图框的指定位置，以便快速自动排列和绘制零件，如图8所示。
图8 摆动工具
在放样操作阶段，软件具有快速打槽+放样操作集成功能。在打标坡口工艺时，软件支持V型PP、V型CP、K型PP、K型CP等各种典型坡口工艺的参数化设置，设计人员只需选择凹槽类型，选择零件的坡口边缘，即可自动生成凹槽标注信息;在调整零件轮廓时，例如修改电渣分离器，设计人员输入修改电渣分离器的命令，选择需要修改的零件，自动修改零件轮廓并自动标注尺寸，如图9所示。
图例.9. 用于凹槽标记和放样操作的集成工具
2.2.2 设计过程管理
采用设计流程管理，对设计业务全流程进行控制，实现从收到结构图纸到设计活动，再到出具图纸的全程设计流程，对深化流程能力和设计进度进行快速统计分析，从而加强设计业务管理。
从设计数据结构化的目的出发，对一些关键业务，如图纸收发、图纸设计与审核、主辅材料拣选等，实现工作流程和表单统一;考虑到不同工厂在特点和设计习惯上的差异，对于一些非关键节点，如工艺披露和检查、工艺评估和总结等，每个工厂都可以定制工作流程和审批流程的配置。
该系统结合了项目的整体节点，并以流程的形式分配工作任务、相关的工作包任务和设计人员。设计人员可以查询个人待办事项设计任务，管理人员可以查看项目包的设计进度，避免设计任务遗漏，减少无效的沟通和统计工作，如图10所示。
图10 过程管理驾驶舱
2.3 制造管理平台
制造管理平台的功能主要包括计划制定和资源调度、生产现场管理、仓库管理、设备和能源管理以及运营指挥和决策。通过生产制造管理平台的建设，实现生产计划调度、车间加工、资源保障等部门在生产组织全过程中的信息共享和协同工作，从而保证设备、人员等资源的利用率，合理分配调度资源， 提高生产能力，实现业务流程可视化，促进业务流程的持续优化。
2.3.1 计划制定和资源调度
根据项目总体规划，制定详细的排程和车间生产运营方案，考虑项目优先级、交货时间、原材料库存、加工路径、加工工艺、设备负荷、资源约束等条件，生产部门进一步分解项目方案，利用业务规则引擎配置钢结构构件的结构形态和工艺路线， 生产线等，系统自动将任务分解为车间、部门或生产线。科长或组长可根据系统下生产线或班组的任务，具体到人员、工位、设备、工时等进行详细分解。
2.3.2 生产现场管理
生产现场管理是生产制造管理系统中最重要的节点，每一道工序、每个部件的完成直接决定了整个生产任务能否完成，甚至影响到整个厂区的规划和安排，因此通过车间的实时数据，可以最大程度地实现调度结果的有效执行。
车间工人可以通过移动端查看自己的日常任务，查看物料比例、零件图纸和工艺内容，安排物流人员实时对物料进行批次和进料，提高生产效率，并通过移动终端扫码报表实现生产进度的实时提交，车间工人可以在移动终端上查看组件的工艺图文档， 比较自己的图纸文档版本是否为最新版本，减少因工艺描述版本问题导致的元件报废;经理或计划专家可以在办公网站上查看当前项目的进度，项目处于哪个流程，生产了多少，合格率，废品率等，并可以查看当前项目是否延迟，从而为管理人员安排后续生产和产品交付判断提供决策依据。如图 11 所示。
图11 现场管理模块
2.3.3 仓库管理
通过仓库管理模块的建设，有效控制原材料、成品的发收、封口，准确记录各类货物的位置和数量。通过软条码，对原材料、钢板、成品部件等进行一物一码管理，提高仓储现场管理效率;实现与排版软件的数据交换，实现剩余物料的信息化管理，提高排版效率，减少剩余物料的浪费;与落料环节连接，实现任务和裁切程序的绑定自动下达，协同管理仓储管理、工艺排版、车间应用等业务，实现物流全流程管理。通过堆场的可视化建设，建立物料状态可追溯和业务数据分析的管理体系，减少原材料积压和浪费，降低库存成本。如图 12 所示。
图12 堆场管理模块
2.4 智能生产管理平台
2.4.1 智能物流仓储系统
针对制约生产效率的物流运输和仓储环节，开发了钢结构“三位一体”智能物流仓储的新方法，一种是“平车+程控驾驶”的钢板物流方式，另一种是“分拣机器人+AGV+智能立体仓库”零部件的立体物流仓储方式， 第三种是“RGV+定位器+滚轮台”组件运输方式，解决了智能车间高空、低空、地面立体物流仓储问题，周转效率提升3倍。如图 13 所示。
图13 钢结构“三位一体”智能物流仓储新方法
2.4.2 智能落料集成系统
开发了钢结构“无人化”一体化切割与切割新工艺，开发了智能切割集成系统、切割智能码远程控制技术、机器人无编程高精度智能切割技术，实现了原来分为一套无人化操作流程和集成控制的各工序的重新整合， 摆脱对劳动力数量和技能水平的依赖。减少60%的落料操作，提高20%的落料效率。如图 14 所示。
图14 钢结构“无人化”一体化切割切割新工艺
2.5 作战指挥与管理平台
针对钢结构运营管理服务业务，开发了一套运营运营指挥平台，从运营、管理、服务三个维度与精益生产的管理理念融为一体，为工厂管理、车间管理、工位管理提供数据的统计分析和可视化呈现，为各级管理和运营的持续精益改进提供指导， 这被用作决策改进的基础。基于数据集成平台的数据资源，从进度、计划、质量、成本、5S管理等不同维度提供各层级数据分析统计，支持各级业务分析工作，持续完成精益运营、精细化管理、精准服务。
构建了一套基于实时业务数据驱动和决策深度学习算法的决策分析模型，并开发了一套智能决策支持平台，为决策层面的资源配置和关键决策提供一套基于实时业务数据驱动的决策分析模型，为资源分配和关键提供实时准确的数据支持和信息预测决策层面的决策。如图 15-17 所示。
图15 工厂生产概况
图16 生产线进度表盘
图17 成品堆场看板
3 申请状态
上述方案已应用于中建集团天津、武汉、江阴、惠州、梅山等五大制造基地，已参与国内外学校、医院、写字楼、住宅、工业园区、基础设施和国防建设等100多个重点钢结构工程生产作业，实现钢结构制造全生命周期的在线管控。同时被中国建筑金属结构协会认定为智能建筑基地，中华人民共和国工业和信息化部钢结构行业唯一“智能制造综合标准化新模式示范项目”。
4 结论
基于中建钢结构在钢结构工厂数字化中的探索，以柔性制造为建设目标，采用传感技术、无线通信技术、数字建模技术、仿真优化技术等多种现代技术进行数字化升级。在执行层方面，借助手机APP可以查看和上报任务，提高工作效率。在管理方面，通过生产过程的透明化、可视化建设，可以准确把握各项生产资源的计划完成情况和负荷状态，提高瓶颈资源利用率，提高生产适应性;在决策方面，通过对工作应用数据、设备数据、质量数据、成本数据进行数据提取和转换，为决策者提供数据支撑钢结构加工厂图片，提高决策的可信度和可靠性，提高企业整体运营水平。方案充分考虑建筑钢结构制造业痛点，从提高工艺设计效率和生产过程协调两个方面探索工厂数字化建设，为建筑钢结构企业数字化转型提供参考。
