CN108198093A - 一种基于cps的智慧建造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPS（Cyber‑Physical Systems）的智慧建造系统，包括属于虚拟世界的消费者个性化定制模块、产品设计决策与学习模块、工厂生产决策与学习模块、供应链决策与学习模块、现场施工决策与学习模块、交付及运维决策与学习模块；属于物理世界的工厂生产感知与执行模块、供应链感知与执行模块、现场装配感知与执行模块、交付及运维感知与执行模块；以及属于知识世界的产品设计知识库、工厂生产知识库、供应链知识库、现场施工知识库、交付及运维知识库。本发明使用计算机的智能计算与分析能力，代替人工的经验性判断或决策，实现全产业链设计，减少建筑施工过程中的决策失误、减少不必要的生产浪费，缩减工期和投入，提升建筑施工工程实时效率。

Description

一种基于CPS的智慧建造系统

技术领域

本发明涉及建筑施工工程管理技术领域，特别是一种基于CPS的智慧建造系统。

背景技术

CPS系统指信息物理系统（CPS,Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computer、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

现有的建筑施工工程管理系统，存在两个主要问题：1、产业链未整合，信息共享难度大，导致大量的沟通成本及建造成本；2、施工组织方案难以得到最优解，由于建筑施工过程复杂，施工组织设计的优劣，取决于施工组织设计者的经验及水平，存在偶然性和不可控性；3、施工过程缺乏有效的控制手段，施工现场信息传送严重滞后，包括实时采集作业工作状态、实时进行智能决策，以及完成纠偏控制；4、未将全产业链的建造数据格式化，形成可以为企业所用的知识体系，企业缺少自己的知识库。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于CPS的智慧建造系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于CPS的智慧建造系统，其包括属于虚拟世界的个性化定制模块、产品设计决策与学习模块、工厂生产决策与学习模块、供应链决策与学习模块、现场施工决策与学习模块、交付及运维决策与学习模块；属于物理世界的工厂生产感知与执行模块、供应链感知与执行模块、现场装配感知与执行模块、交付及运维感知与执行模块；以及属于知识世界的产品设计知识库、工厂生产知识库、供应链知识库、现场施工知识库、交付及运维知识库；

物理世界的每一个功能模块，均包含感知与执行两个部分，其中感知部分负责实时采集物理世界的数据，通过传感系统数据采集或人工数据采集，获取施工现场的生产数据，并通过数据传输设备发送至指定数据处理模块；执行部分负责驱动执行单位进行操作，为执行对象所操作的终端软件；执行对象通过执行部分进行启动、暂停、编辑所执行的任务，并记录任务执行情况及相关信息；

虚拟世界的每一个功能模块，均包含决策与学习两个部分，其中决策部分负责基于获取的基础数据和知识库进行统计与分析、并求得最优实施方案，形成最优决策；学习部分负责基于物理世界运行的实时数据，进行加工提炼，形成有价值的知识数据，存入知识库，待决策部分调取使用；

知识世界由上述的知识库所组成，不同的知识库存贮建筑产品生产各个阶段的数据知识，知识库的内容由虚拟世界的学习部分提供，知识库的内容供虚拟世界的决策部分进行调取使用。

上述技术方案中，所述产品设计决策与学习模块为根据客户的需求和系统的知识库内容，系统自动进行个性化产品设计，并生自动生成产品设计成果；系统自动完成的产品设计成果，自动存储在所述产品设计知识库。

上述技术方案中，所述工厂生产决策与学习模块，为根据所述产品设计决策与学习模块的设计成果，系统自动化地进行施工工艺设计并进行量化评估，输出成套成果；系统自动完成的工艺设计成果自动存储在所述工厂生产知识库中。

上述技术方案中，所述供应链决策与学习模块，为对供应商进行客观评估，智能化地选择最优的供应商，并根据物流运输路线，实时进行最优路径计算，即时进行调度调整，对调度信息进行实时监控；所有接入系统的供应链数据，均自动存储在所述供应链知识库。

上述技术方案中，所述现场施工决策与学习模块，为根据所述现场施工知识库中的基础参数，计算求解施工组织的最优方案。

上述技术方案中，所述产品交付及运维决策与学习模块，其中交付部分包括数字产品交付和物理产品交付；数字产品交付指将产品设计数据集和施工过程中采集的与现实1:1同步的数据集进行整合封装，整体交付给消费者，在虚拟世界中进行；物理产品交付指建筑物实体移交过程的管理，在物理世界中的进行；运维部分指实时将物理世界的状态与虚拟世界的正常运行状态进行对比分析，当发现偏离正常状态时，即发送维护任务至智能运维终端模块，即时进行维护，确保建筑物正常运行。

上述技术方案中，所述工厂生产感知与执行模块，为在工厂生产环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集生产过程数据，至少包括生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为。

上述技术方案中，所述供应链感知与执行模块，为在招标采购、物流配送及相关供应环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集实施过程中的供应商状态、物流配送状态，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成供应链调度行为。

上述技术方案中，所述现场施工感知与执行模块，为在现场施工阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集施工过程中的生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为，最终形成建筑产品。

上述技术方案中，所述交付及运维感知与执行模块，为在交付及运维阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集交付及运维过程中的各项对象的状态参数，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成交付及运行维护的行为。

本发明的有益效果是：使用计算机的智能计算与分析能力，代替人工的经验性判断或决策，提升建筑产品设计效率、工艺设计效率、施工现场信息传送效率，减少建筑施工过程中的决策失误、减少不必要的生产浪费，缩减工期和投入，提升建筑施工工程实时效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：包括属于虚拟世界的消费者个性化定制模块、产品设计决策与学习模块、工厂生产决策与学习模块、供应链决策与学习模块、现场施工决策与学习模块、交付及运维决策与学习模块；属于物理世界的工厂生产感知与执行模块、供应链感知与执行模块、现场装配感知与执行模块、交付及运维感知与执行模块；以及属于知识世界的产品设计知识库、工厂生产知识库、供应链知识库、现场施工知识库、交付及运维知识库。其中由物理系统的感知和执行系统组成CPS智慧建造系统的小前台，由虚拟世界和决策学习以及知识世界的知识库组成CPS智慧建造系统的大后台。

物理世界的每一个功能模块，均包含感知与执行两个部分，其中感知部分负责实时采集物理世界的数据，通过传感系统数据采集或人工数据采集，获取施工现场的生产数据，并通过数据传输设备发送至指定数据处理模块；执行部分负责驱动执行单位进行操作，为执行对象所操作的终端软件，包括预装终端软件的专属硬件、机器人、生产设备等；执行对象通过执行终端模块进行启动、暂停、编辑所执行的任务，并记录任务执行情况及相关信息。

个性化定制模块为客户使用的程序应用模块，包括但不限于PC网页、客户端、移动端、APP等应用，客户根据个性需求，在系统内选择若干需求参数，提交数据到系统。

产品设计决策与学习模块为根据客户的需求和系统的知识库内容，系统自动进行个性化产品设计，并生自动生成设计成果，包括但不限于设计模型、产品设计图纸等。

工厂生产决策与学习模块为根据设计成果，系统自动化地进行施

工工艺设计并进行量化评估，输出成套成果，包括但不限于工艺设计图纸、施工组织设计及评估结果。根据施工工艺设计成果以及工厂生产参数进行智能排产、自动生成最优下料清单等。

供应链决策与学习模块，为对供应商进行客观评估，智能化地选择最优的供应商，并根据物流运输路线，实时进行最优路径计算，即时进行调度调整，对调度信息进行实时监控。

现场施工决策与学习模块，为根据知识库的施工定额等基础参数，计算求解施工组织的最优方案，包括但不限于最优的施工平面布置、进度计划、资源配置计划、场内物流方案等。

产品交付及运维决策与学习模块，其中交付部分包括数字产品交付和物理产品交付；数字产品交付指将产品设计数据集和施工过程中采集的与现实1:1同步的数据集进行整合封装，整体交付给消费者，在虚拟世界中进行；物理产品交付指建筑物实体移交过程的管理，在物理世界中的进行。运维部分指实时将物理世界的状态与虚拟世界的正常运行状态进行对比分析，当发现偏离正常状态时，即发送维护任务至智能运维终端模块，即时进行维护，确保建筑物正常运行。

虚拟世界的每一个功能模块，均包含决策与学习两个部分，其中决策部分负责基于获取的基础数据和知识库进行统计与分析、并求得最优实施方案，形成最优决策，学习部分负责基于物理世界运行的实时数据，进行加工提炼，形成有价值的知识数据，存入知识库，待决策部分调取使用。

工厂感知与执行系统，为在工厂生产环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集生产过程数据，包括人、材料、机械、作业面、产品、半成品、环境、能耗等生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为。

供应链感知与执行系统，为在招标采购、物流配送及相关供应环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集实施过程中的供应商状态、物流配送状态，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成供应链调度行为。

现场施工感知与执行模块，为在现场施工阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集施工过程中的物料、人员、设备、作业面、半成品、成品、环境、能耗等生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为，最终形成建筑产品。

交付及运维感知与执行模块，为在交付及运维阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集交付及运维过程中的各项对象的状态参数，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成交付及运行维护的行为。

知识世界由知识库所组成，不同的知识库存贮建筑产品生产各个阶段的数据知识，知识库的内容由虚拟世界的学习部分提供，知识库的内容供虚拟世界的决策部分进行调取使用。

产品知识库存为系统自动完成的产品设计成果，自动存储在产品设计知识库，知识内容包括但不限于产品空间库、户型库、舒适度数据库、功能性数据库等。

工厂生产知识库为系统自动完成的工艺设计成果，自动存储在工厂生产知识库，知识内容包括但不始于构件库、工艺方案、工序定额、BOM数据等。

供应链知识库为所有接入系统的供应链数据，均自动存储在供应链知识库，供应链知识库包括但不限于供应商库、商品价格库、运输数据库、地理信息数据库。

现场知识库为施工现场的各项数据集合，包括但不限于企业的项目施工工期、工时定额、成本定额、施工方案、措施数据等。

以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：包括属于虚拟世界的个性化定制模块、产品设计决策与学习模块、工厂生产决策与学习模块、供应链决策与学习模块、现场施工决策与学习模块、交付及运维决策与学习模块；属于物理世界的工厂生产感知与执行模块、供应链感知与执行模块、现场装配感知与执行模块、交付及运维感知与执行模块；以及属于知识世界的产品设计知识库、工厂生产知识库、供应链知识库、现场施工知识库、交付及运维知识库；

物理世界的每一个功能模块，均包含感知与执行两个部分，其中感知部分负责实时采集物理世界的数据，通过传感系统数据采集或人工数据采集，获取工厂生产环节、供应链配给环节、施工现场环节、交付运维环节的实施数据，并通过数据传输设备发送至指定数据处理模块；执行部分负责驱动执行单位进行操作，为执行对象所操作的终端软件；执行对象通过执行部分进行启动、暂停、编辑所执行的任务，并记录任务执行情况及相关信息；

虚拟世界的每一个功能模块，均包含决策与学习两个部分，其中决策部分负责基于获取的基础数据和知识库进行统计与分析、并求得最优实施方案，形成最优决策；学习部分负责基于物理世界运行的实时数据，进行加工提炼，形成有价值的知识数据，存入知识库，待决策部分调取使用；

知识世界由上述的知识库所组成，不同的知识库存贮建筑产品生产各个阶段的数据知识，知识库的内容由虚拟世界的学习部分提供，知识库的内容供虚拟世界的决策部分进行调取使用。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述产品设计决策与学习模块为根据客户的需求和系统的知识库内容，系统自动进行个性化产品设计，并生自动生成产品设计成果；系统自动完成的产品设计成果，自动存储在所述产品设计知识库。

3.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述工厂生产决策与学习模块，为根据所述产品设计决策与学习模块的设计成果，系统自动化地进行施工工艺设计并进行量化评估，输出成套成果；系统自动完成的工艺设计成果自动存储在所述工厂生产知识库中。

4.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述供应链决策与学习模块，为对供应商进行客观评估，智能化地选择最优的供应商，并根据物流运输路线，实时进行最优路径计算，即时进行调度调整，对调度信息进行实时监控；所有接入系统的供应链数据，均自动存储在所述供应链知识库。

5.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述现场施工决策与学习模块，为根据所述现场施工知识库中的基础参数，计算求解施工组织的最优方案。

6.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述产品交付及运维决策与学习模块，其中交付部分包括数字产品交付和物理产品交付；数字产品交付指将产品设计数据集和施工过程中采集的与现实1:1同步的数据集进行整合封装，整体交付给消费者，在虚拟世界中进行；物理产品交付指建筑物实体移交过程的管理，在物理世界中的进行；运维部分指实时将物理世界的状态与虚拟世界的正常运行状态进行对比分析，当发现偏离正常状态时，即发送维护任务至智能运维终端模块，即时进行维护，确保建筑物正常运行。

7.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述工厂生产感知与执行模块，为在工厂生产环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集生产过程数据，至少包括生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为。

8.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述供应链感知与执行模块，为在招标采购、物流配送及相关供应环节中，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集实施过程中的供应商状态、物流配送状态，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成供应链调度行为。

9.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述现场施工感知与执行模块，为在现场施工阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集施工过程中的生产要素和对象的状态，基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成生产行为，最终形成建筑产品。

10.根据权利要求1所述的一种基于CPS的智慧建造系统，其特征在于：所述交付及运维感知与执行模块，为在交付及运维阶段，通过物联网或机器人设备和管理系统，实时采集交付及运维过程中的各项对象的状态参数，并基于系统发出的任务指令，驱动相关设备及人员进行业务操作，完成交付及运行维护的行为。