装配式建筑PC 构件产销一体化管理系统研究

陈继文，许钦圆，高晓明，杨红娟

(1. 山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101；2. 山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101；3. 山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

我国发布的《中国制造2025》战略中提出要建筑工业化升级，加大智能建造在建筑行业的应用。混凝土预制(Precast Concrete，PC)构件的大规模生产是装配式建筑项目中不可或缺的环节，构建其智能生产线可以提升生产质量和效率。 但受制于PC构件的生产管理方法，在其生产和管理过程中存在许多挑战和困难[1]。 在生产调度上，对产量、进度缺乏有效的控制措施，生产统计上报及时性差；在生产过程监控方面，PC 构件订单生产进度不能及时反馈并跟踪，收集的数据在经过表格统计后公布会存在滞后的现象，统计需要耗费大量人力，并且记录的信息会出现错误、信息内容不完善等问题，同时频繁出入库的方式也会导致管理不规范，易造成记录信息的丢失[2]。 在完成不同规格、不同品质要求的订单时，传统生产方式和管理模式在一定程度上制约了其生产效率[3]。

随着装配式建筑需求的增大，半自动化和自动化生产线技术逐渐涌入市场，PC 构件也开始大规模生产，但这些生产线的自动化水平和信息管理系统的发展水平参差不齐，与国外装配式建筑发展较早的行业存在一定差距[4]。 张仲华等[5]针对传统信息手段难以满足装配式建筑需求等问题，结合智慧工地理论，为装配式混凝土建筑提供了高效的信息管理手段；熊福力等[6]针对订单生产过程中执行过程无法直接查看，并可能导致订单不能够按时交货等问题，建立了一个订单跟踪体系，基于多种数据评价指标评估生产订单执行的相关进度；房金阳等[7]针对缺乏订单跟踪的问题提出一种生产订单跟踪方法，利用系统进行采购订单的数据收集并对订单分类汇总，定义订单执行阶段并说明订单状态，通过图表实现订单的追踪。 目前，PC 构件生产的数据信息缺乏可视化管理，大多以报表和表格的形式显示，生产过程中的相关数据无法直观地展现[8]。

为了提高生产效率和管理水平，解决工厂信息化管理水平低，生产订单缺乏可追溯性的问题，文章基于构件生产品类多、数量小、订单任务并行生产的PC 构件生产方式，设计了PC 构件产销一体化管理系统，其基于孪生体模型和PC 构件生产设备之间的实时通信，可以有效应对构件生产订单调度过程中动态因素的突发性干扰[9]，通过生产线订单跟踪和成交量统计可视化实时监控，可提高管理系统的精准性；通过系统静态信息模块和动态信息模块的数据交互，实现信息化管理，及时发现问题并上报系统，自动形成相关的解决方案。

1 PC 构件产线需求分析

在当前建筑业发展中，信息技术的发展为PC构件的生产和管理提供了有力的支持[10]。 为及时面对市场需求变化，设计并实现一个高效、精细、智能的PC 构件产销一体化管理系统，已成为建筑行业管理的重要研究方向。 基于PC 构件生产线的工艺流程，分析产线的需求，获取人员、设备、物料等数据信息，完成生产线信息的集成与提取，实现订单跟踪和生产管理的集成以及订单跟踪的可视化管理。设计流程图如图1 所示。

图1 PC 构件生产工艺流程图

在当前多样性市场需求下，越来越多的生产企业开始转型，由传统的面向库存生产开始转为面向订单生产。 在新生产方式下，保证生产订单按时按量产出以及产品的质量合格是企业管理中面临的重要问题。 在PC 构件生产订单执行过程中，各节点信息在企业管理中缺乏关键信息汇总，而分散在企业的各种管理系统中和各生产职能部门管理者手中，极大地影响了生产订单的执行进度及产品质量[11]。

订单跟踪和成交量是系统的两个重要模块，对于管理和优化PC 构件生产、销售具有至关重要的意义。 经过生产任务执行和进度跟踪流程的调查研究后，发现生产过程中关键信息管理不规范，仓库管理模块中的PC 构件产品信息需要事后补录，易出现记录信息错误、信息缺乏时效性等问题[12]，无法实现数据信息的监控和反馈。

针对PC 构件订单跟踪，分析其模块的流程尤为关键，文章建立离散型车间模型，由静态需求到动态生产[13]，最终确定订单跟踪的方法，如图2 所示。随着生产订单的执行，订单各种表单的数据也会随之生成，通过采集数据并分类、关联、汇总，就可以知晓生产订单在各个节点的执行状态，建立监控指标体系[14]。

图2 静态需求与动态生产图

系统功能性需求主要有:

(1) 管理构件订单客户信息及与客户签订的订单合同信息；

(2) 管理PC 构件的出入库信息；

(3) 管理PC 构件生产设备的点检信息、定修数据信息，以及设备运行状态和安全操作规程；

(4) 管理PC 构件库存与物料信息[15]；

(5) 有完好的PC 构件质量管理，通过生产订单跟踪体系管理出入库订单质量[16]；

(6) 有更直观的PC 构件订单跟踪功能，完成构件仓储管理、出库构件寻找。

产线需要满足生产不同类型PC 构件的技术要求，主要体现在设备的自动化程度、管理系统的完善程度。 需要考虑生产线的灵活性和可调节性，以满足不同类型PC 构件的生产需求，同时还需要考虑的有:

(1) 生产能力 需要根据市场需求和企业自身的规模和资金实力，确定生产线的生产能力，包括生产速度、产品品质和生产线的稳定性等；

(2) 产品种类 需要考虑生产哪些种类的PC构件，这将决定生产线所需的设备、工艺流程和生产人员的技术水平等；

(3) 订单跟踪 满足对PC 构件订单实时进度跟踪，包括计划、订单、确认、跟单和出货状态跟踪；

(4) 质量管理 保证PC 构件的质量，通过管理系统的搭建，建立质量管理体系。

针对PC 构件在生产过程中缺乏生产信息的可视化监控反馈、生产过程信息缺乏可追溯、管理不规范等问题，基于生产线的需求分析，搭建一个PC 构件产销一体化管理系统。 利用数字孪生技术，为管理系统中动态信息之间的融合问题提供解决方案，实现PC 构件的生产订单跟踪分析。 通过订单跟踪和生产管理在系统中的集成，实现其订单跟踪的可视化管理。

2 PC 构件管理系统体系架构

目前软件设计主流的基本架构为:(1) 客户机/服务器(Client/Server，C/S)架构，有较为丰富的界面和较高的安全性能，但存在维护成本高的缺陷；(2) 浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)架构，仅需拥有Web 浏览器而无需特殊安装客户端，通过对项目简单迭代升级即可实现新功能的维护。

考虑到PC 构件生产智能化管理协同操作、生产流程定制化的不同需求，该系统选用B/S 架构，系统框架图如图3 所示。

图3 装配式建筑PC 构件产销一体化管理系统框架图

2.1 PC 构件管理系统环境依赖

PC 构件管理系统架构的实现使用Web 的方式[17]；管理系统整体基于模型－视图－控制器(Model－View－Controller，MVC)的设计模式，前端界面主要使用HTML5、CSS3、JavaScript 等技术；后端采用PHP 框架开发；系统基于phpstudy 软件创建网站，管理系统的开发环境为Windows7 系统、Nginx 1.15服务器、MySQL5.7 数据库[18]、PHP7.1 框架。

2.2 管理系统数据库设计

通过调研，确定了PC 构件管理系统的基本功能模块，如业务管理、PC 构件生产线管理、设备预警模块、仓储管理模块等。 在智能化生产的主要需求下，根据信息化生产体系的设计，全面存储系统每个功能模块的数据信息[19]。

通过分析数据库的应用场景，完成数据表详细字段设计。

(1) 设备管理信息表见表1。

表1 设备管理信息表

(2) 生产计划信息表见表2。

表2 生产计划信息表

(3) 仓库出入库信息表见表3。

表3 仓库出入库信息表

(4) 物料出库信息表见表4。

表4 物料出库信息表

(5) 订单跟踪信息表见表5。

表5 订单跟踪信息表

3 PC 构件管理系统管理模块设计

基于PC 构件自动化生产需求，将系统内部的功能模块划分为静态信息模块和动态信息模块。 其中，在动态信息模块下，业务管理中的订单跟踪、仓库管理中的出入库信息以及生产现场设备的管控尤为关键。

3.1 管理系统静态信息模块

系统设计满足PC 构件在生产过程中的需求，实现了生产管理与订单跟踪管理的集成一体化。 主要完成模具和模台等设备的管理、数据信息实时采集与监控、 PC 构件生产可视化、质量管理和订单跟踪与成交量的可视化等功能，以此增强生产过程中的信息化水平。 针对静态信息模块的设计主要包括:

(1) 系统管理 由于系统的使用人员类型不同，系统设置会根据使用人员所需的功能把不同的系统权限赋予不同的使用人员。 系统界面功能模块显示的内容取决于被赋予的权限，在系统界面左侧生成管理目录。 系统管理员可以拥有多个不同权限的角色管理组，增删改查不同的管理组，同时可以定义新增的管理员角色，根据权限不同划分为不同的管理组，如图4 所示，系统管理组还可以选择是否显示管理员状态信息。

图4 系统管理模块图

(2) 设备管理 设备管理模块(如图5 所示)的功能是管理PC 构件生产用的生产设备，输入设备ID 可以查询生产车间的设备编号、运行日志、验收和安装时间、维修记录、备件储备情况等。 该模块通过与数据库中的设备数据信息建立连接，实现待查数据到系统界面的渲染。 显示内容包括设备的名称与型号、设备供应厂家与供应价格、设备保修期以及设备的入场时间等，用户可以通过设备负责人所上传的设备维修养护数据查看到未处理的设备状态信息以及已处理的设备维修反馈，并通过系统终端修改设备相关信息，按日期查询不同工位的状态。

图5 设备管理模块图

(3) 工位管理 工位管理(如图6 所示)的功能是记录生产PC 构件的相关设备工序流程信息，通过图表的形式展现给系统管理员，包括工位目前工作状态、当前设备下所属的工位名称、工位所属人员信息等。 系统管理员可以根据生产工艺流程增删改查工位，若需要已经删除的工位信息，可以打开回收站通过一键查询找到相关数据并恢复。

图6 工位管理模块图

3.2 管理系统动态信息模块

根据信息化生产的实际需求，划分管理系统的动态信息模块。 重点是详细划分业务管理、质量管理、生产线管理模块， 其次是设计仓库管理、物料管理、日志管理、预警管理等功能模块。

(1) 业务管理 其模块的主要功能是对订单生产计划管理以及产品质量管控，用户可以在订单列表内查询订单内容、合同编号、订单生产状态以及订单签订日期等信息以及根据合同增删改查上述信息；通过计划管理分析PC 构件生产计划及订单所需库存等信息，便于生产计划的制定，并完成订单跟踪模块的设计，实现可视化管理和监控。

(2) 质量管理 其模块的主要功能是根据生产技术要求、生产质量标准等，实现对PC 构件生产线的质量管理，确保生产的PC 构件成品质量满足客户需求。 不同工序的负责人通过移动终端等设备把产生质量问题的产品编号与订单编号上传至系统并描述质量问题，系统提供指定时间内质量数据的动态查询，并通过流程节点把不同的质量问题反馈至质检部或者技术部的相关负责人。

(3) 生产线管理 其模块的主要功能是获取PC 构件生产过程的实时数据以及对其生产线进行可视化监控，可以将置模生产工艺中的真实状况反馈至管理系统界面，供管理人员查看。 通过系统对生产进度的实时数据分析，用户可以了解PC 构件的生产情况；通过对生产线监控，可以依据生产作业的情况及时调度优化整条生产线。

管理系统使用人员需在PC 端中或移动端输入统一资源定位符(Uniform Resource Locator，URL)地址，当在登录页面输入用户账号与密码后，基于JWT(Json Web Token)机制通过token 解密认证，实现用户鉴权后才可进入系统。 进入首页控制界面，分为设备、物料、工位、业务、仓库、预警、日志、能源、系统管理九大模块，如图7 所示。

图7 系统功能管理模块图

4 PC 构件管理系统的实现

PC 构件管理系统的技术选型有:(1) 系统整体采用MVC 设计模式，前端界面主要使用HTML5、CSS3、JavaScript 等技术；(2) 可视化图表库通过导入Echarts，可以利用内置的大数据图形进行可视化展示； (3) 通过 jQuery 简化后的 Ajax 技术(Asynchronous JavaScript＋XML)实现前后端的请求和响应，无需整体刷新便可使用管理系统网页数据的功能；(4) ThinkPHP5.0 作为开发框架，使前端用户界面结构与后端复杂的业务逻辑形成了前后端分离体系，降低了前后端耦合度，提高了开发效率；(5) 通过Nginx 实现项目在云服务器的部署。

订单在执行过程中所产生的相关信息会保存到系统当中。 为了满足企业的实际需求，实现PC 构件订单的按时交付，优化订单成本，建立订单执行跟踪管理机制，PC 构件订单跟踪业务如图8 所示。

图8 PC 构件跟踪业务结构图

在管理系统中开发了业务管理模块，该模块是对PC 构件订单产品的信息跟踪和质量分析。 业务管理模块基本信息如图9 所示。

图9 业务管理模块图

订单跟踪模块可视化实现了对PC 构件生产过程的把控，通过订单反馈的信息及时调整生产计划，保证生产效率；订单质量管理板块是分析PC 构件订单的详细信息、出入库状态、库存余量以及PC 构件质量。 管理系统可提供PC 构件订单查询功能，允许用户根据订单编号、客户信息、订单状态信息等精准查询。 在订单板块中创建新的订单列表，输入客户信息，系统会自动生成一个订单号与客户信息绑定，可在订单分析板块中实时查询，实现对PC 构件订单实现动态跟踪和规范管理，体现订单的可追溯性。

4.1 订单管理跟踪

通过分析PC 构件生产订单在执行过程中的核心业务，搭建订单跟踪系统的基本架构，根据系统跟踪生产订单的执行进度情况及时调整生产订单执行中的业务[20]。 针对PC 构件生产订单业务设计订单跟踪板块，订单跟踪流程图如图10 所示。

图10 订单跟踪流程图

4.2 管理系统生产线管理

生产线管理模块通过数字孪生和PC 构件生产设备之间信息交互实现监测现场生产信息，并实时反馈。 为了获取实时监测的信息数据，需要建立孪生和管理系统之间的通讯接口。 当下达预制构件生产任务时，管理系统会接收生产信息并导入生产订单中。根据产品类型把订单方案通过通讯接口反馈给数字孪生产线，管理系统会根据分配方案及时反应、处理。自动化生产线信息交互结构图如图11 所示。

图11 自动化生产线信息交互结构图

4.3 订单质量管理

保证PC 构件产品按时、按质、按量的交货是企业管理中的核心，其质量把控尤为关键。 对业务管理模块继续开发，设计的质量管理模块如图12 所示。 按照技术质量部门下发的标准质量规程和技术要求，严格把控订单产品质量关卡。

图12 质量管理界面

对每道工序的PC 构件成品进行质量检测，标记其是否存在破损、缺角、裂纹等质量情况。 各个工序所生产的PC 构件不良品会被管理系统中的质量管理模块检测并记录信息，与数字孪生通讯接口上传的信息数据比对，通过信息交互实现动态跟踪，确保无不良品入库，实时监测PC 构件生产订单数据，保证订单能够按时、保质、保量交货。

4.4 订单跟踪可视化

在系统的订单跟踪模块中，订单号都是唯一的。在创建PC 构件订单时，自动生成该订单的订单号并记录在信息库中。 随着订单在多个状态下的变化，系统会自动更新实时的信息状态，如待生产、生产中、待发货、已完成等。 系统可以通过订单跟踪模块查看订单的详细信息和当前状态，以及预计交货日期等。

管理系统会根据订单的状态变化自动更新每个时间段的成交量，每个订单都有对应的时间，系统会根据订单信息自动统计其成交量，并在管理模块中显示出来，订单成交量和订单数实时数据显示，实现可视化监控，如图13 所示。

图13 订单数和库存量

管理系统跟踪订单执行状态并实现可视化，使管理人员和生产人员能够更加直观地了解订单执行的进度和情况。 通过实时监控来反馈订单的执行情况，同时可视化的订单跟踪提高了信息的透明度和可靠性，让各个职能部门之间的沟通更加高效和协调，降低了生产成本和交货期风险。

订单跟踪和成交量统计是PC 构件管理系统的两个核心功能之一，对于管理和优化其生产和销售具有至关重要的意义。 其实现过程需要考虑的是:

(1) 确定订单状态 在系统中定义订单的多个状态；

(2) 记录订单信息 在系统中会记录每个订单的基本信息，如产品的具体状态、交货的日期、客户的详细数据等；

(3) 提供订单查询功能 系统允许用户根据客户信息、订单编号等多个维度搜索相关信息。

在业务管理中设计订单接收模块，管理系统实时显示PC 构件原材料可接单量、库存剩余量、排产日期记录、交货日期记录，日期可自由选择，提供查询功能。 订单接收模块如图14 所示。

图14 订单接收模块

为保证PC 构件产品订单的及时性，订单跟踪模块关联订单入库信息和出库信息板块，主要包括申请编号、订单数量等。 通过订单跟踪板块信息的对比，收集反馈的错误信息，优化订单跟踪管理流程节点，提高订单跟踪的精准性。

4.5 实例验证

为了进一步验证PC 构件产销一体化管理系统设计的可行性，以千兆网络、防火墙以及2 核4G5M带宽的服务器等相应的软、硬件来搭建测试环境。(1) 测试管理系统的基础功能，结果证明管理系统可快速响应用户的相关操作；(2) 测试生产管理系统的主要功能，结果证明PC 构件产销一体化管理系统能满足使用需求。 自动化产线置模设备如图15 所示，配备PC 构件产销一体化管理系统，在管理系统控制下可正常运作。

图15 自动化产线置模设备

5 结语

文章针对PC 构件生产信息化管理水平低、订单缺乏可追溯性等问题，基于PC 构件生产需求设计了一个PC 构件产销一体化的管理系统。 通过管理系统中静态、动态信息管理模块的集成，提高生产计划的科学性，确保PC 构件订单生产计划的顺利实施。 通过孪生通讯接口实现孪生模型和生产线设备之间的信息实时交互，质量管理模块筛选出PC构件不合格品后完成订单入库，通过订单管理模块中的动态跟踪和质量监控功能，实现了PC 构件的信息化管理和订单跟踪可视化，保证了订单流程可追溯性，提高了PC 构件的生产效率。