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由物联网支持的预制构件
摘 要
在香港，公共租住房屋已经在采用预制房屋。为加快房屋交付进度，香港房屋委员会(HKHA)在一些以预制房屋为基础的试验建筑工程中，采用先进技术，包括建筑信息模型(BIM)和无线射频识别(RFID)。然而，BIM和RFID所获得的信息并没有很好的连接和共享给相关的利益相关者。本文介绍了一种基于物联网(IoT)的多维BIM平台(MITBIMP)，以实现预制构件施工的实时可视化和可跟踪化。平台设计包括RFID网关操作系统、可见性和可跟踪性工具、数据源互操作性服务和决策支持服务。本研究以香港的一个实际建筑工程为例，透过应用先进的概念和技术，在MITBIMP内展示先进的决策，为整个预制施工过程的实时可见性和可追溯性提供基础。
1.概述
预制是指在工厂中制造结构的组件，并将完整或半完整的组件运送到结构所处的施工现场。建筑信息模型(BIM)以其对强大的实体管理能力和功能的数字化表现能力，在支持装配式建筑中发挥着重要作用。BIM目前支持公寓楼到桥梁等大部分实体基础设施的规划、设计、施工、运营和维护。此外，BIM在美国、英国、日本、韩国和新加坡已被广泛应用于预制构件施工。
香港是一个拥有700多万人口的国际城市，目前正面临住房短缺的问题。为了解决这一问题，香港房屋委员会(HKHA)制订了一项为期十年的公共房屋计划[12]。基于BIM的预制构件在该项目中发挥了重要作用，2002年至2005年间，公共住宅项目混凝土总体积的17%为预制构件，而在这段时间内，预制构件占到一个特殊试点项目的65%[9,16]。然而，在预制结构的公共住房项目中使用BIM存在一些挑战。首先，从预制构件制造到现场施工的数据收集都使用纸质的手工操作。因此，所捕获的数据很容易不完整、不准确和不充分。其次，由于采用传统的通信方式，如电子邮件、电话和传真，不同的人之间的信息共享是有限的。在建设项目中，信息丢失、沟通不畅和规避风险是很常见的。第三，预制构件制造商、运输方和现场装配商之间的合作很大程度上依赖于实时信息，如预制构件的状态、交付进度和构件的位置。由于人工输入操作的原因，这些信息会反馈给BIM会存在一定的延迟时间，导致相关方之间存在差距，从而使施工进度的可视化和可跟踪性较差。
一些尖端技术已被用于促进建设项目中的信息收集。其中一项核心技术是物联网技术(IoT)，RFID(Radio Frequency Identification)是物联网的关键技术之一，用于促进供应链管理、安全管理、设施管理和活动监控[4,13,17,25,31,33,38]。物联网的一个基本应用是对各种预制构件[41]材料的跟踪。为了RFID技术的二次应用，提出了用于施工现场物料控制的信息生命周期管理(ILM)[19]。除了物联网，还有人提出用激光扫描来收集BIM的几何和空间数据[2,6,7,28,32,36]。温度、力和定位传感器也被用来收集实时信息，以便更好地施工[1,11,29]。这些研究为BIM与其他关键信息的整合提供了有用的参考。一些研究人员甚至将这些先进的技术与真实的实体建筑结合起来。与其他先进技术一样，在建筑行业中使用Iot技术也是可能的，尽管物流和供应链管理（LSCM）的情况并非如此。为了加强信息共享，引入了BIM和企业资源规划（ERP）之间的链接，以在不同的方面可视化建设过程[5]。这种链接信息的可见性是基于BIM和ERP数据库中的现有数据。因此，它不是一个实时跟踪和可视化的工具。随着云技术的发展，人们提出了一个预制建筑建筑管理系统的概念框架，以便能够获得知识[20]。尽管做出了这些努力，但仍然存在一些知识的空白，本研究将这些空白转化为以下研究问题和相应的解决方案：
bull;如何创建智能构建对象(SCOs)，使其能够在预制组件制造、预制组件运输和现场组装的层次内感知、表现和执行构建逻辑？本文介绍了一种利用物联网和云技术创建SCOs典型结构对象的方案，并提出了一种设计开发用于SCOs管理的MITBIMP网关。
bull;bull;如何建立一个能够3
bull;如何充分利用收集到的实时数据，将BIM中的三维设计和建模扩展到多维应用中，使基于解决方案的决策更加合理、准确和科学?本文介绍了一个可跟踪和可视化服务，该服务将构建业务解决方案扩展到多维级别，包括时间(进度)和成本等其他维度。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了MITBIMP的体系结构，并讨论了使该平台成为技术现实的设计和开发考虑。在第三部分中，我们以一个真实的香港公共房屋计划为例，说明MITBIMP的必要性和实用性。第4部分在论文的结尾部分提供了从MITBIMPP的实现中获得的见解，并讨论了需要改进的几个方面。
2.多维物联网技术支持的BIM平台
2.1体系结构
如图1所示，所提出的MITBIMP涉及生产过程、利益相关者、信息流和实时信息的可视化和可追溯性。而传统的BIM系统只提供基于自动识别技术和信息技术的三维模型，而MITBIMP集成了额外的三维信息(如项目进度和成本)，将原来的三维平台形式扩展为多维形式，并将面向服务的体系结构(SOA)作为关键创新，使平台即服务(PaaS)成为可能。MITBIMP包含三个层次，以便无缝地集成到HKHA当前的信息架构中。在底层，IaaS(基于服务的基础结构)层包括硬件层和软件层。硬件层由SCOs和MITBIMP网关组成，软件层包括网关操作系统(GOS)和管理SCOs的管理工具。MITBIMP数据源管理服务(MITBIMPP-DSIS)层不仅提供了管理平台基础设施和服务提供的自助服务门户，还提供了跨MITBIMP的服务，以支持软件作为服务代理(SaaS)并处理IaaS。MITBIMP决策支持服务(MITBIMPP-DSIS)标准包含三个主要的管理服务，用于在构件生命周期的不同阶段为不同的涉众服务。
为了提高BIM、HOMES(HKHA使用超过的一款企业资源规划系统)、MITBIMP之间的数据共享和互操作性，可视化和可追踪工具以及数据源互操作能力服务(DSIS)都使用同一个基于xml的数据共享机制，以便使决策更加先进。
有三套基于尖端物联网技术的面向服务的设施，用于构建基础设施，以重构智能施工环境。第一组包括智能对象、MITBIMP网关和GOS。第二组包含部署在PaaS中的可视化和可追踪工具、数据源互操作能力服务（DSIS）。第三组则是在SaaS中提供的预制生产管理服务、跨境物流管理服务和现场装配管理服务。
2.2．SCO、MITBIMP和网关操作系统(GOS)
SCOs是工具、机器和材料等典型的建筑资源，通过绑定到不同的RFID设备，转换为的智能对象。SCOs的目的是在典型的预制生产现场，如工厂、仓库、物流和供应链以及建筑工地，创建一个智能的施工环境。SCOs是这种智能环境的构建模块，在这种环境中，它们能够彼此感知和交互。通过不同标签，将典型的建筑资源转化为SCOs。首先，关键的预制构件，如容积式厨房、卫生间和预制立面，采用独立标签，这意味着采用的是项目级的标签，因为它们很容易影响预制施工的进度。对于非关键材料，如干墙和砌块，采用梯级或分批次的标注方案。这意味着标签对应不同级别，对应多种预制组件。机器操作员、车辆驾驶员、物流操作员和现场装配工人等工人都使用支持RFID的员工卡进行标记。这种带有标签的建筑资源是被动SCOs
RFID读取器的部署遵循系统化的方法。在一个典型的预制生产工厂，机器和缓冲器都配备了RFID读取器，因为它们是增值点，其工作状态必须实时监控。缓冲器是材料跟踪点，在这里可以跟踪各种物品的移动，并控制预制组件的库存。由于他们经常移动，物流操作员和检查员都配备了PDAs。一旦被RFID读取器绑定，它们就变成了能够感知和检测被动SCOs的主动SCOs。主动SCOs和被动SCOs都能够相互感知和交互，从而创建一个智能的施工环境。
MITBIMP网关是一种支持IoT的工业计算机，它在项目中执行几个关键功能，以建立一个易于设计和简单使用的信息基础设施。首先，它通过有线或无线通信标准与一组SCOs连接并承载SCOs。这不仅允许工人/操作人员访问预制生产状态等信息，还可以通过各种服务定义、配置和执行相应的基于预制的施工。其次，它通过以标准化的格式提供有用的实时信息，与上层决策系统(如MITBIMPP-DSS)进行通信和交互。
图1.
它作为前线SCOs和MITBIMPP-DSS之间的桥梁。因此，设计和执行可以无缝同步的预制房屋生产。第三，它能局部和暂时处理、缓存和交换实时数据和事件。为此，复杂事件处理(CEP)技术被用于将建筑信息嵌入到一个标准化的方案中，该方案可以被整个建筑行业的不同企业信息系统(EISs)理解、共享和使用。最后，它为服务定义、配置和执行提供了一组丰富的工具。
MITBIMP网关使用一个名为GOS的操作系统来实现一个灵活的、模块化的和可重新配置的框架，其中应用程序和解决方案作为web服务来设计和开发。GOS的目标是为建筑业提供一个易于部署、易于使用和灵活访问的解决方案。在GOS中，使用基于多代理的模型来保证MITBIMP网关的通用性和可扩展性。因此，使用基于xml的消息交换协议可以促进SCOs和其他服务之间的通信和交互。
3D设计和建模已经通过ArchiCAD (GRAPHISOFTreg;)、Dassault Systems (3DEXPERIENCE Companyreg;)和AutoCAD (Autodesk Inc.reg;)等商业软件实现。然而，另外两个维度的时间和成本是不容易实现的。本研究提出的MITBIMP可视化和可追踪工具将建筑企业解决方案从3D扩展到5D，如图2所示。
图2.
在装配式施工环境中，对施工公司来说，了解产品的实时状态、它所经历的过程以及它在不同交易中的活动情况变得越来越重要。可追踪性，定义为“显示零件自制造或最后认证以来的位置的能力”，已成为HKHA关注的一个关键问题。预制构件在其生命周期中经历许多不同的状态:它们可以改变位置、保管人、状态(即新/用、可/不可用、报废)、功能和形式;它们还可以安装、修理、维护、储存和运输，并可以暴露在各种条件下(即温度、湿度和振动)。跟踪是随时确定部件当前状态的能力，而跟踪是确定部件过去的“状态”和来源 (原材料、子部件)的能力。跟踪基于可追溯性数据，它构成一个部件的历史信息(以前的位置和保管人、处理、维护和使用历史)。一个有效及有效率的资讯追踪系统，可让HKHA及建筑公司迅速介入有针对性的项目，以减低运作成本及提高生产力。
MITBIMP追踪工具使用RFID技术，通过无线电波以完全自动化的方式识别各种对象。RFID标签嵌入预制构件中，贯穿制造、运输、装配和维护的整个生命周期。MITBIMP网关
图3.
将作为预制车间、运输车辆、跨境检查站和施工现场的数据收集器。所有RFID事件都被捕获并存储在MITBIMP跟踪服务器上，可以在其他参与者之间共享。
图3中的MITBIMP可视化工具，也称为基于预制构件的施工项目控制中心，为监控提供了系统的支持端口。MITBIMP可视化工具从不同的角度和不同的细节层次对项目数据进行整合、可视化和探索，从而得出新的见解，并揭示出基于预制构造的项目中正在发生的事情的全貌。
在出现问题或意外偏差的情况下，MITBIMP可视性工具还允许钻取历史项目数据，以检查和确定根本原因。MITBIMP可视化工具的基础是一个测量基础设施，它定期从项目中不同的操作数据源中提取数据，如生产计划、运输过程、装配任务管理、时间记录、质量控制，以及日常构建、测试和统计分析的结果。每个数据源都有特定的用途，并提供项目的独特视图。为了得到一个整体的结论，这些独立结论的相关方面必须被整合。因此，数据被加载到MITBIMP可视性工具中，沿着各种不同的定义进行链接，并聚合到简洁的度量和指标中。这些数据可以以项目记分卡、定制报告和交互式仪表板的形式呈现。
2.3．MITBIMP数据源互操作性服务(MITBIMPP-DSIS)
MITBIMPP-DSIS作为一个信息共享适配器工作，因此所有异构数据源都可以无缝集成。图4展示了MITBIMPP-DSIS的关键原则，它使用一个应用程序信息服务(AIS)作为中间件，为不同的数据源提供信息查询服务，从而解决当前信息共享方面的挑战。
人工智能应用软件代理技术，能够在无人干预的情况下自主完成任务。基于代理的服务由AIS Universal Description, Discovery and Integration registry (AIS-UDDI)管理，这促进了代理之间的协作，并增强了注册、发布、查找、绑定和调用流程。在MITBIMP- DSIS中有几个关键服务:基于SOA的数据访问服务、基于代理的应用程序信息服务和AIS UDDI服务。
基于SOA的数据访问服务的目的是标准化来自不同异质源的数据访问。首先，数据请求——或向服务发送数据请求令牌。token是一个结构化查询语言(SQL)语句，它表示:1)要检索的数据信息模型(DIM)，2)要查询的目标数据源，3)分别过滤“SELECT”、“FROM”和“WHERE”语句中指定记录的条件。其次，AIS代理接收并解析令牌。第三，基于“SELET”语法，AIS代理在库中检索相应的DIM。DIM是数据模型的一种模式，例如WIP(在制品)信息，它可能由来自多个数据源的不同信息集组成。
图4.
基于代理的AIS的目的是让数据请求者访问异构数据源。采用代理技术对平台进行设计开发。为了设计一个实用的代理模型，解决几个问题是很重要的。首先，需要统一管理和引用各种数据源(包括RFID设备)的API和驱动程序。其次，需要一个统一的查询机制来将请求转换为数据源所需的合适的查询语言。最后，需要将从数据源检索到的原始数据集成并编译成特定的格式。
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