基于物联网的预制建筑信息管理系统设计

摘要：近年来随着我国建筑工业化的不断推进，装配式建筑成为发展趋势。为加快房屋交付，相关建设公司常在预制建筑项目中采用建筑信息模型（BIM）和射频识别（RFID）等先进技术。为使利用BIM系统和RFID获得的信息在建筑相关方之间实现共享，通过使用RFID网关操作系统提供数据源互操作性服务及决策支持服务等系统服务，开发一种基于物联网（IoT）的多维预制建筑信息管理系统平台，实现预制结构实时可见性和可追溯性。对该系统先进性和有效性进行试点工程实践，结果表明通过使用该系统，信息记录使用纸张数量平均降低48.3%，物流等待时间缩短25%，现场装配时间缩短6.67%。

关键词：物联网;射频识别;预制建筑;信息管理

DOI： 10. 11907/rjdk.191452

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1672-7800（2020）001-0195-05

0 引言

预制指在工厂中制造结构部件，并将完整或半完整的组件运输到施工现场进行现场组装施工。相关研究发现预制的建筑构件在房屋住宅建设中具有工期短、质量可控、施工过程安全、节能环保等优势[1]，相比传统建筑，预制建筑在降低施工成本与施工劳动力投入上有较好效果[2]。Pan等[3]通过对各类建筑结构成本进行对比分析，认为预制建筑结构有较大的成本优势;张红霞等[4]比较分析了几种常见的装配式建筑和传统建筑的经济性，认为预制建筑的效益优势较为明显;Jeroen等[5]对建筑构件生产商与建筑施工方之间的合作关系进行研究，分析其中存在的相关问题，并针对性提出相应解决方案;Wallbaum等[6]提出装配式建筑技术与其它技术相互集成，是房屋建设可持续发展的重要策略之一;齐宝库等[7]对装配式住宅建筑的综合效益进行了相关分析;李红兵等[8]通过对住宅产业链上的利益关系及相关因素进行分析，从而提出并建立了建筑产业化发展的动力学模型。有学者在预制建筑生产、运输及装配管理上开展了研究，如Richard[9]提出建筑业未来应该以建筑工业化为主要发展手段，从而确保房屋市场的稳定供应;刘猛、黄春[10]针对加班在生产调度当中的作用，运用合整数线性规划，建立了预制混凝土建筑构件的生产调度优化模型;李瑞等[11]通過实地调研，提出结构化的生产模式，构建出精益生产管理机制;罗少帅[12]对资源受限的预制构件生产调度问题进行了研究，提出基于Pareto的向量评价粒子群算法;杨立胜[13]针对住宅产业化中PC预制构件技术的应用进行研究，提出对应的厂区布置、生产工业流程与相关评价标准;宋华明等[14]对压缩提前期进行研究，发现通过对提前期进行管理，可以让相关成员的收益获得Pareto最优;覃爱民等[15]认为装配式建筑的生产装配模式应基于订货最优的角度建立相应模型，从而实施供应链集成管理。

由于具有强大的物理和数字演示与管理功能，建筑信息模型（BIM）在支持预制构造方面起着重要作用。BIM目前支持包括公寓楼、桥梁等大多数物理基础设施的规划、设计、建造、运营和维护[16]。但在实际项目中使用BIM时存在一些问题。首先，从建筑构件预制到现场施工，数据收集通常是基于纸张的手动操作[17]，因此收集的数据项不完整、不准确、不充分;其次，由于采用传统通信方式，如电子邮件、电话和传真，相关施工方之间信息共享受到限制，从而导致信息丢失、沟通低效等问题[18];第三，预制件制造商、运输方和现场装配商之间的协作严重依赖于实时信息[19]。例如预制组件状态、交付运输进度以及组件位置，这些信息通过某种方式反馈给BIM时，通常会产生一定的延迟，进而使建筑施工相关方在信息同步方面存在差距，最终导致施工进度可见性和可追溯性较差。

众多研究显示对于预制建筑的生产、运输以及装配进行信息化管理是非常有必要的，但是如何使预制建筑在建设过程中实现信息实时共享存在诸多难点，暂时没有出现针对该问题的相关方法或系统。因此本文尝试使用相关技术提高建筑项目信息收集效率，其中一项核心技术是物联网（IoT）。RFID电子标签作为物联网的一项核心技术，可以用于促进供应链管理、安全管理、设施管理和活动监控等[20]。利用RFID技术可以实现建筑工地中的建筑材料信息生命周期管理。此外还提出使用激光扫描技术，用于收集BIM几何和空间数据。同时温度、力和定位等相关传感器也被用于施工现场，收集相关实时信息以便更好地构造一个智能建筑施工环境[21]。

2 系统构建

基于物联网的多维度预制建筑信息管理系统基本架构如图1所示，该系统涉及生产过程、建筑项目相关者的信息流交换、实时信息可见性与可追溯性的实现。

基于物联网的多维度预制建筑信息管理系统在BIM系统基础上集成了额外的维度信息（例如项目进度和成本），将原有的三维平台扩展为多维平台，使用面向服务的架构（SOA）作为关键创新，使平台即服务成为可能（ PaaS）。基于物联网的多维度BIM平台包含3个层次：

（1）底部IaaS级别包括硬件和软件层。硬件层由智能建筑对象（ Smart Construction Objects SCO，SCOs）和多维度BIM平台网关组成，软件层包括网关操作系统和管理sc0的管理工具。

（2）系统数据源管理服务层。该层不仅提供用于管理平台的基础架构和提供服务的自助服务门户，还提供跨BIM系统服务以支持和处理IaaS。

（3）系统决策支持服务层。该层级包含3个主要的管理服务，从而为不同相关方提供不同服务。

在系统中，SCO来自建筑工地的建筑物，其中重要的建筑资源配备RFID电子标签，从而转换成“智能”物体。而多维度BIM平台网关通过定义、配置和执行构造操作，连接和管理建筑项目中的智能建筑对象。系统的决策支持服务层服务于预制房屋建设的3个关键阶段：预制生产、预制物流运输和现场组装。同时，为了增强本系统与其它BIM操作系统之间的数据共享和互操作性，系统内部可见性和可追溯性工具以及数据源互操作性服务依据基于XML的数据共享机制实现数据共享和流动。

2.1智能建筑对象、系统网关设备、网关操作系统构建与应用

智能建筑对象是典型的建筑资源，例如工具、机器和材料，通过将它们绑定到不同的RFID设备中从而转换为智能对象。

首先，对关键预制组件，如容量厨房、厕所和预制外墙进行单独标记，并采用项目级标签方案，因为这些构件很容易影响预制建筑进展。

对于非关键材料，如干墙和积木，采用托盘级或批量标签方案，即标签附着在托盘上，托盘上带有多个小型预制组件。机器操作员、车辆驾驶员、物流操作员和现场装配工人等工作人员身上均贴有基于RFID功能的员工卡。上面这些建筑资源附带标签是被动的智能建筑对象。

通过在不同的关键场所，如生产组件的工位、转运或卸货场地设置RFID阅读器，可以实时感知上方的被动智能建筑对象，读取相关信息，从而创建了一个智能的建筑环境。

系统网关是一个支持物联网的工业计算机，在项目中执行若干关键功能，以便建立易于部署和使用的信息基础设施。首先，它通过有线或无线通信网络连接并托管一组智能建筑对象，从而允许工人或操作人员访问相关信息;其次，通过XML标准化格式提供有价值的实时信息，与高层决策系统进行沟通和互动;第三，对实时数据和事件进行处理、缓存和交换，使相关信息可以被重复查询和使用。

基于上述硬件工具和软件操作平台，系统为使用者提供可见性和可追溯性工具，将建筑解决方案从通常的3D维度拓展为SD维度。可追溯性工具使用RFID技术，通过无线电波以全自动的方式识别各种物体。RFID标签嵌入预制组件中，可贯穿制造、运输、装配和维护的整个生命周期。系统网关设备将在预制车间、运输车辆、路径检查站和施工现场被设置为数据收集器。所有RFID标签被网关设备捕获并存储在系统跟踪服务器上，收集的信息可以在多方之间进行共享，还利用系统可见性工具将系统网关设备收集的相关信息在系统软件上进行展示，使整个建设项目的情况清晰明了。

2.2 基于物联网的数据源互操作系统

数据源互操作系统作为信息共享适配器，可以无缝集成所有异构数据源。其操作步骤为：

（1）数据请求者向服务发送数据请求令牌。令牌是结构化查询语言（SQL）语句，其指示对象包括待检索的数据信息模型（ DIM）、待查询的目标数据源及“SELECT”、“FROM“和“WHERE”声明分别过滤指定记录的标准。

（2）数据源互操作系统接收并解析令牌。

（3）基于“SELET”语法，在数据库中检索相应数据信息模型。其中数据库中的信息可以包含来自多个数据源的不同信息集。

2.3 基于物联网的决策支持服务

系統决策支持服务作为SaaS，适用于预制房屋建设的3个典型过程，包含从预制生产、预制物流运输和施工现场的装配。

2.3.1 预制构件生产管理服务

预制构件生产服务负责使用高级模型或算法（如遗传算法、蚁群算法和粒子群优化）制定最佳计划和时间表，其中包含生产规划服务、生产调度服务、内部物流服务、生产执行服务。

生产计划服务的目的是从BIM软件中选择一组待预制的组件并将其翻译成所需格式（例如图纸和数量）用于预制公司的生产当中，并生成标准化的生产订单。生产调度服务的目的是为预制公司调度员或主管选定模块及相应任务。内部物流服务目的是为预制构件生产安排材料或设施。

2.3.2 预制建筑构件物流服务

预制件物流服务负责管理和控制从生产现场到最终目的地的预制物流，使用蚁群算法确定最佳解决方案。其中包含交通规划和调度服务、实时运输监控服务、车队管理服务等子服务。

交通规划和调度服务的目的是制订与预制组件交付相关的最佳决策。预制组件完成后，预制生产服务将触发与BIM系统同步的物流任务。实时运输监控服务的目的是跟踪整个物流和供应链中预制组件的当前状态和位置。车队管理服务的目的是管理运输预制组件的车辆，以便在不同方面共享资源。

2.3.3 预制建筑构件现场组装服务

现场装配服务负责协助预制建筑构件装配现场的各种操作，主要包括4个子服务：现场资产管理服务、实时监督服务、数据收集服务和实时反馈服务。

现场资产管理服务的目的是优化管理建筑项目资源，包括工人、工具和机器;实时监督服务的目的是监控各种工人、机器和建筑工地上材料的状态;数据收集服务的目的是收集有用的RFID数据，以便提取有意义的信息，辅助现场施工负责人根据相关信息制定措施，协调各方完成项目;实时反馈的目的是向相关方和政府监督管理部门报告当前现场装配情况。

3 案例分析

本部分以某建筑工地的施工项目作为案例进行分析。参与建设阶段的项目主要参与者包括建设项目的开发商、作为项目主要承包商的建筑公司、生产装配式建筑构件的生产工厂，以及第三方物流公司。

基于预制的建筑工艺过程包括3个主要阶段：预制构件生产、构件物流运输和现场装配。作为项目客户，项目开发商负责协调和监督项目质量、成本和进度，包括从项目开始阶段到项目实质性完成。主承包商将BIM模型应用于预制工作的设计，并在批量生产和建造之前进行模型试验。在模型样品检验合格后，分包商可批量生产，物流公司和主承包商可在获得开发商批准后运输和组装预制构件。

3.1 实际项目过程中的问题

传统预制构件制造方法难以有效检索生产、库存管理及运输等相关数据，造成有些部件可能被错误地运送到其它建筑工地，导致项目严重延误。预制造中的决策基于不定时、不准确的数据以及经验法则，且相关方之间的通信以传统方式进行，如电话和传真，实时性较差。

在物流运输过程中，预制生产和物流公司之间没有进行信息共享，且用于协调的时间开销十分影响物流效率，影响整体建设规划和进度。

在现场装配时，由于建筑工地越来越小，因此现场管理规划需要更高的效率，例如为实现准时交付预制构件，必须提供有关产品的实时信息。

综上所述，为项目相关方构建一个管理系统以实现各方信息共享十分重要，该系统需具有可视性和可追溯性的特性，在整个预制生产、运输和装配过程中跟踪装配组件，其收集的数据可对项目相关方提供决策支持，包括成本估算、持续时间安排和建筑物三维信息展示等。

3.2 基于物联网的预制建筑系统构建

首先将超高频RFID电子标签嵌入到预制组件中，并配有塑料保护壳，用于收集预制构件生产工厂的关键性实时信息，包括生成用于生产、脱模、质量控制和物流可用性等的相关信息。操作人员通过使用手持RFID阅读器收集RFID和CPS等相关数据。例如，物流卡车的RFID和GPS数据由驾驶员收集，以获得物流过程中相关实时信息，包括在卡车上装载预制组件、离开预制厂、运输路线、施工现场交接和预制组件确认。所有收集的RFID和GPS实时信息都与BIM系统相关联。客户和承包商在整个施工过程中可对物理建筑信息、施工进度和成本可追溯性与可见性进行监控。

3.3 系统带来的相关改变

通过基于物联网的多维度预制建筑信息管理系统，成功解决了传统项目施工中存在的问题。

首先施工过程中取消了纸质记录的操作，利用RFID电子标签和读写器收集相关数据，仅在关键验证过程中保留相关纸质数据。同时系统保存了建筑构件和项目的历史信息，方便之后对项目进行维护和修整，并通过应用程序和短信通知指导相关工作人员。

由于实时信息共享，工厂管理更加高效。项目管理者根据来自生产现场的实时数据作出决策，优化施工资源。物流供应商充分利用生产数据为工厂提供更好的服务，物流公司可实施动态跟踪和控制，使可视化预制组件的交付，物流运输和供应链管理变得更加高效。开发商也从系统中获益，可见性和可追溯性工具使项目开发商或负责机构能够实时监控组件状态。系统提供的成本和进度等多维信息帮助开发商管理进度并安排相应项目付款，从而提高整个项目进度和效率，系统布置实施前后相关指标对比如表1所示，其中所有数据指标均取其平均数。

4 结语

本文提出了一个基于物联网的多维度预制建筑信息管理系统，实现了预制建筑行业基于物联网的实时可见性和可追溯性。通过使用物联网技术创建智能建筑对象，利用智能建筑对象实时收集数据，提高各方信息共享能力，从而作出正确决策，为预制建筑项目创建了一个智能建筑环境。但是因为在项目中相关数据收集量不是很大，因此在相关模型适宜程度及算法选取上还有进一步提高空间，未来可以在更多数据量的基础上，对系统调度规划模型进行更充分的训练，获得效果更佳的管理信息模型。

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（责任编辑：江艳）

作者简介：宋汶璟（1993-），男，广东工业大学机电工程学院硕士研究生，研究方向为物联网、工业信息化。