國內預制混凝土構件智能生產發展綜述
2022年12月23日11:20 作者：中國工程機械工業協會工程建材制品機械分會
一、國內預制混凝土構件智能生產發展現狀
預制混凝土構件智能生產的發展離不開我國智能制造的宏大背景支撐。此前，我國大部分預制混凝土構件一般采用相對粗放的方式生產，普遍存在自動化程度低、作業人員多、生產效率不高等問題，環境與質量控制水平也相對低下，直至建筑工業化和智能建造全面拉開智能生產的序幕。
機械行業的智能制造比預制混凝土構件智能生產的發展要早很多，因此預制混凝土構件行業發展智能生產，可借鑒機械制造等先行領域的成熟經驗，采取“并聯式”的發展方式，也就是要數字化、網絡化、智能化“并行推進、同步發展”。
我國各行業的智能生產發展與演進大致分為三個階段：從上世紀中葉到90年代中期的數字化階段，以計算、通訊和控制應用為主要特征；從上世紀90年代中期伴隨著互聯網的大規模普及應用，生產進入了以萬物互聯為主要特征的網絡化階段；當前，在大數據、云計算、機器視覺等技術突飛猛進的基礎上，人工智能逐漸融入生產領域，開始步入以新一代人工智能技術為核心的智能化階段。
不同行業生產自動化初始發展水平的差異，決定了其當前“智能化”發展程度也存在一定的差異性。就總體而言，受限于人工智能技術的發展水平與制造業應用尚未成熟，目前預制混凝土構件的“智能生產”尚未達到充分的“自適應、自決策、自執行”的智能化階段，智能化發展依舊任重道遠。
以往預制混凝土構件的生產大多數是大批量進行，市場上產品同質化現象嚴重，隨著設計技術及經濟發展水平的提高，個性化定制成為各行業發展的必然趨勢，一味依賴大批量條件的生產組織形式也必然使行業面臨難以持續發展的困境。
智能化時代的到來，以智能生產滿足市場的多樣化需求，是行業發展新的契機。建筑領域也不例外，個性化需求促進著智能化生產，而智能化生產蘊含的空前強大市場滿足能力，也激發著客戶的個性化需求欲望和潛在市場。目前客戶的建筑定制化需求日益增強，傳統制造模式在“個性化需求”潮流之下顯得無能為力、難以為繼，各企業的生產模式逐漸從大規模單一產品的批量生產轉向多品種、變批量生產，或向個性化定制生產方式轉變。
市場需求的變化迫使行業必須走向轉型升級之路，必須提高生產靈活適應能力，采用模塊化設計、柔性制造以滿足生產不同產品的需求，同時需及時收集客戶定制化信息，進一步處理并反饋，以快速響應客戶需求，實現敏捷制造，這促使企業關注數字化、信息化建設，實現信息化與工業化的快速融合。為提升生產效率，生產設備之間、設備與人之間都需要建立良好的信息互通和交互，各種信息技術逐步滲透到了生產的各個環節，目前條形碼、二維碼、RFID、工業傳感器、工業自動控制系統、工業物聯網、ERP、MES、CAD/CAM/CAE/CAI 等技術在本行業的智能生產工廠中已得到廣泛應用。
智能生產的關鍵在于設計數據的智能解析、制造過程智能化，通過建設智能生產工廠，促進制造工藝的仿真優化、數字化控制、狀態信息實時監測和自適應控制，進而實現整個過程的智能管控。作為工廠數字信息管理平臺，制造執行系統（Manufacturing Executing System)（以下簡稱MES系統）是實現智能生產工廠的關鍵技術之一。
在預制混凝土構件智能生產工廠，MES系統的應用借助信息傳遞對訂單下達到產品完成的整個生產過程進行了優化管理，有效指導工廠生產運作。可以實現構配件生產的全自動化運行，使生產節拍時間短、周轉效率高，經濟效果明顯。同時可以實現對流水線、劃線機、布料機、振動臺、堆垛機、養護窯、翻轉機等設備的全智能全過程控制，從而實現全方位信息管理，構件全生命周期管理。生產線各設備智能互聯互通，高效協調運行，智能生產確保了構件質量，降低了產品成本。并通過信息化手段，實現了生產過程的透明可控，規范了生產過程，改善了管理現狀。
另一方面，工業機器人等智能設備的在預制混凝土構件生產中也已經廣泛應用，使工廠少人化成為趨勢。例如，傳統構件拆布模以往主要靠手工操作，自動化程度低，并且工位分散、效率低。在構件智能生產工廠，應用集劃線/拆/布模功能于一體的機器人，采用激光掃描邊模識別感知技術、復雜環境的機器人路徑規劃和避障技術，集機器人本體、邊模輸送清理機、擺渡機和模臺清理機于一體，實現了拆裝智能化、工位集成化。激光掃描邊模識別感知技術使機器人帶動線激光勻速進行一次性掃描，高幀率相機提取激光圖像，同時視頻實時處理技術解析三維坐標，邊模圖形識別算法解算邊模精確位置。機器人根據構件圖紙形狀和尺寸計算出最優邊模拼接組合，并根據圖紙信息、當前邊模庫數據，以及負載變化將安全區域與危險區域實時耦合，計算出最優路徑規劃，自動避開障礙物到達目標位置，大大減少了人工參與。
建立智能化生產工廠是建筑行業企業未來發展的必然選擇。隨著新型建筑工業化的快速發展，近年來，大量建筑行業企業已經將預制混凝土構件生產納入主營業務，據統計，截至2021年，全國混凝土預制構件生產企業有1200余家，生產線4000余條，其中三分之二左右的工廠已經配置了自動化生產線，實現了不同程度的智能化生產。
在市場驅動作用下，我國智能制造整體水平得到了顯著提升，制造企業利用大數據、機器人、物聯網等技術賦能傳統制造業，逐步打造柔性生產、定制化產品交付等核心競爭力，形成了一批典型應用系統與場景，建成了一批智能工廠，工業機器人、3D打印、智能物流裝備、工業軟件等新興產業，實現了30%以上的快速增長，目前已發布了一大批智能制造國家標準，基本覆蓋設計、生產、物流、銷售、服務制造全流程。在此社會化公共平臺技術基礎上，協同綠色建筑與建筑工業化發展，預制混凝土構件智能生產技術亦取得了長足發展，基本情況如下：
1）針對預制混凝土構件的生產特點，初步建立了先進適用的智能生產線的工廠布局與系統架構理論體系，形成了一批具有自主研發與供應能力的行業企業，預制混凝土構件工廠的選型設計具有更大的選擇空間。
2）大部分生產線采用了先進的集中控制系統，工廠自控系統平均投用率已逐步提升到60%—70%，有效提高了生產的自動化程度。
3）初步建立了生產設備的制造執行系統（MES），尤其在鋼結構、門窗、地板等標準化程度較高的預制混凝土構件生產線中已經實現了較為成熟的應用。MES在工廠綜合自動化系統中起著中間層的作用，在ERP系統產生的長期計劃指導下，MES根據底層控制系統采集的與生產有關的實時數據，對短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程進行優化。
4）初步建立了生產工廠的通訊網絡架構，實現工藝、生產、檢驗、物流等制造各環節之間數據的采集與指令傳送，實現了智能生產的網絡化支撐。智能生產工廠的建立需實現生產設備網絡化、生產數據可視化、生產過程透明化等先進技術應用，實現設備端到生產端的集成，以滿足高質量發展階段提出的優質、高效、低耗、靈活的生產需求，當前已經具備了基本底層技術基礎。
5）建立了生產工廠信息化管理系統，包括傳統ERP系統以及基于互聯網的SaaS化工廠管理軟件，大部分生產線實現了生產過程管控、關鍵工藝工序數據在線監控，部分先進生產線實現了物聯、大數據分析應用；實現了遠程運維服務，遠程線上診斷故障報警、并排故逐步成為常態，有效減少了產線的停機率，設備和產線的物聯已經逐步成為智能生產線的標準配置，為工廠提供了輕量化的管理工具，使之更加高效、便捷。
6）智能倉儲（堆場）、物流系統開始在智能生產環節逐步普及應用，提升了倉庫貨位利用效率，提高了倉儲（堆場）作業的靈活性與準確性，可合理控制庫存總量、降低物流倉儲人員需求數量，大幅壓縮物流倉儲成本。
7）智能生產在節能減排方面已取得明顯效果。在工廠建設、設備選型和運營過程中，行業企業逐步建立了能源管理需求和意識，如預制混凝土構件智能養護技術已經全面普及應用。
盡管近年智能生產發展迅速，但由于起步較晚，目前依舊存在諸多待解決的問題。由于預制混凝土構件結構和生產工藝一般較為復雜，該特定領域的適合中國國情的技術基礎需要行業經歷較長時間的積累與完善，目前智能生產的系統可靠性、生產靈活性、投入產出比還需要進一步提高，不僅如此，行業面臨的挑戰主要有：
（1）預制混凝土構件智能生產的細分行業技術路徑缺乏系統規劃，評價與導向機制缺乏。智能生產技術研發投入巨大，周期長，技術復雜度高，大量研發方向不正確，導致出現“智能化陷阱”，諸多企業在創新中經營困難，嚴重影響了行業的健康發展。行業學、協會、政府主管部門應盡快組織行業力量有序規劃發展路徑，發布分領域指南，避免社會資源浪費。建筑部品、部件生產業企業在智能化生產工廠建設過程中，應在合理且有延續性的整體規劃與頂層設計的基礎上，沿著“智能生產要素—智能生產能力—智能生產系統”的發展方向，分階段且持續性地獲取智能生產要素，推動智能生產的發展。
（2）行業發展所需要的支撐性專項標準缺乏。急需出臺預制混凝土構件、鋼筋加工等的智能生產裝備及其專用軟硬件系統、平臺的專業標準，該部分標準目前缺失率較高，嚴重影響了智能生產水平的提升。其中特別是很多裝備制造企業、構配件生產企業對“智能化”概念定義不清晰，經常把智能化、自動化混為一談，導致“智能化”概念混亂、名實不符，往往誤導下游用戶和管理決策者，影響了行業的健康發展，因此行業急需制定智能生產的分類評價標準，以統一行業對智能化的評定標準，規范化市場秩序。
但該部分標準非短期內能夠補齊和成熟，需要全行業有計劃、系統地分工協作完成，因此行業智能化之路任重而道遠，期間各方力量需要高效協同，共同解決標準研制問題。
（3）行業企業信息化基礎薄弱，嚴重制約智能生產的高效運行，甚至導致智能生產無法運行。當前工廠的人員構成基本以外包團隊和少數的管理人員組成，并沒有專業化的信息化基礎。同時大多數企業都試圖用管理軟件的實施倒逼管理人員數字化意識建立，然而在企業沒有基礎的數字化、信息化管理流程前提下，員工更是沒有按標準作業的習慣。那么，即使工廠配置了信息化系統，也會因為職責不清、流程不明、數據不真實、執行不到位等因素導致軟件無法落地，信息化水平無法提升，智能生產無法全面普及和發揮應有的作用。
（4）智能生產專業人才短缺，基層技能人才培養基礎薄弱。行業不僅需要新生力量的注入，更需要對現有從業人員進行大面積專業提升，以保證行業持續穩定發展，目前行業企業存在師資和培訓資源缺乏等問題，大量從業人員知識結構陳舊，難以適應智能化升級，制約了行業的高質量發展。
（5）智能生產線裝備供需矛盾突出。目前預制混凝土構件的需方市場以非標化為主特征，而大部分行業裝備生產能力仍處于經典制造模式，現有裝備同質化嚴重、產能過剩，而滿足柔性生產的部品部件生產裝備及其新工藝理論嚴重缺失，出現結構性短缺。
（6）既有傳統生產線的存量問題制約行業發展。前期已經建成的大部分生產線均難以滿足智能化時代的市場需求，其靈活性不足、能耗高，很多生產線剛建成即過時，利用率不高，造成大量社會資源的閑置與浪費，但由于生產線投資巨大，大部分生產線的建成時間不超過5年，企業難以下決心將其淘汰。對既有生產線如何進行經濟、有效的智能化升級改造是擺在行業面前的現實問題。
四、結語
目前，我國預制混凝土構件生產企業正處于由粗放式、勞動密集型企業向技術型企業轉變的關鍵時期，智能化已經在整個轉變過程中起到至關重要的作用。但是，由于發展歷史相對較短、綜合技術基礎相對薄弱，我國預制混凝土構件生產領域的智能化與歐美等國家相比還有相當差距，如前所述，我國預制混凝土構件智能生產還存在諸多問題，任重道遠，尤其在支撐智能生產的基礎軟件和高可靠性裝備方面缺乏供給能力，技術原創力不足，需要行業正視問題，有關主管部門加強政策引領和頂層規劃，行業同仁一步一個腳印，解決存在的問題，逐項攻克核心關鍵技術，盡快實現整體提升，助力智能建造全面綜合發展，從而促進建筑業盡快實現轉型升級。
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