公路橋梁工程施工中的預制梁一般采用現(xiàn)場施工制作，而預制梁場的施工質量及管理在整個橋梁建設過程中起著重要的作用。隨著裝配式施工模式和智能建造行業(yè)的快速發(fā)展，目前的預制梁場存在可視化和智能化低、操作頻繁、耗能高和安全質量不易得到保證等問題。為解決這些問題，可采用先進的計算機與信息化技術，實現(xiàn)傳統(tǒng)預制梁場向“協(xié)同、互聯(lián)、智慧”的現(xiàn)代化梁場模式轉變。智慧梁場可以認為是智慧交通理念在橋梁建設領域內的具體應用，一般是指采用建筑信息模型(BIM)、數據管理與服務(DM)、移動應用與物聯(lián)網技術(Mobile)、云技術(Cloud)以及大數據(BD)等幫助決策和加快工程進度，實現(xiàn)梁場的數字化管理。智慧梁場的核心是提高效率，需要充分利用數字化技術成果，優(yōu)化解決生產過程中的各種問題。

數字孿生(DT)早期用于實現(xiàn)產品從設計、生產計劃、制造到服務的全過程數字化，具有數字標識、同步可視、虛實空間交互及多源數據融合的技術優(yōu)勢。設計人員首先根據真實物理模型創(chuàng)建一個動態(tài)可操作的數字模型，即數字孿生體。然后，基于傳感器數據實時更新數字孿生體的情況，進一步通過計算機技術對其進行仿真分析。最終，分析結果再反饋給物理模型，以實現(xiàn)對物理模型的控制、優(yōu)化及預測等全壽命周期管理應用，從而提高生產效率，加快生產進程。

數字孿生理念的核心與智慧梁場建設的目的是一致的，就是提高效率，將兩者結合可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，驅動下一代智慧梁場技術的發(fā)展。

數字孿生智慧梁場功能需求分析

參照數字孿生車間理論，數字孿生智慧梁場主要由 4 部分組成：真實物理梁場、虛擬梁場、梁場管控系統(tǒng)和梁場孿生數據。結合上一節(jié)對現(xiàn)有智慧梁場新技術應用特點的總結，分析概括出如下功能需求。

(1)真實物理梁場需求分析

物理梁場是真實梁場內現(xiàn)有實體的集合，包括人員、制梁設備、物料、感知設備、預制梁和環(huán)境等。物理梁場主要負責接收梁場管控系統(tǒng)下發(fā)的生產任務，再將生產過程中的數據上傳到管控系統(tǒng)中，管控系統(tǒng)根據數據再一次優(yōu)化生產計劃。與傳統(tǒng)梁場相比，數字孿生物理梁場需要具備異構多源實時數據的感知接入與融合能力。因此，需要能夠對不同通訊協(xié)議和數據進行統(tǒng)一轉換及封裝，實現(xiàn)數據的可操作、可溯源的統(tǒng)一規(guī)范化處理。

在預制梁生產過程中，由于技術工人操作、設備狀態(tài)、工藝質量、測量誤差及環(huán)境參數等因素的影響，將會產生一系列的制梁誤差，動態(tài)優(yōu)化效率難以有效提升。因此，物理梁場也需要具備“人——機——料——法——環(huán)”要素共融的能力。生產要素既要有規(guī)劃自身的反應機制，也要有個體之間協(xié)同控制的能力，實現(xiàn)生產工藝可以進行事前預測和事中主動控制。

(2)虛擬梁場需求分析

虛擬梁場是物理梁場實體模型的集合，是通過三維建模與仿真技術將這些實體從要素、行為和規(guī)則三個層面上進行虛擬建模和物理屬性刻畫，能夠真實表征物理梁場的生產過程。在要素層面上，將“人——機——料——法——環(huán)”要素轉化為數字化的幾何模型。在行為層面上，將原材料流轉、設備運行及制梁工藝狀態(tài)等生產行為的順序性、并發(fā)性和聯(lián)動性等特征映射到虛擬空間中，實現(xiàn)三維全過程跟蹤與監(jiān)控。在規(guī)則層面上，通過虛擬梁場對梁場諸多的生產活動進行評估、優(yōu)化、預測和溯源等。

在生產前，虛擬梁場將從生產計劃開始的制梁全過程任務在虛擬空間中進行邏輯流轉，并進行有效驗證、分析和優(yōu)化，從而及時發(fā)現(xiàn)生產計劃中可能存在的問題，實現(xiàn)生產任務自組織。在生產中，虛擬梁場通過工業(yè)物聯(lián)網不斷采集物理梁場產生的實時數據，對其運行過程進行連續(xù)調控。生產執(zhí)行一段時間后，基于已采集的仿真和監(jiān)控數據，利用機器學習算法進行大數據挖掘，實現(xiàn)模型的自學習與自優(yōu)化。

(3)梁場管控系統(tǒng)需求分析

梁場管控系統(tǒng)是數據管理分析、生產仿真和監(jiān)測、數據挖掘及遠程控制等各類服務系統(tǒng)功能的集合，不僅能夠對生產計劃、人員和質量等進行信息化和可視化管理，更主要的是能夠實現(xiàn)智能化自主決策。梁場管控系統(tǒng)在接收到預制梁生產任務后，在梁場孿生數據的驅動下，對制梁設備的生產能力、物料流轉和工藝質量等進行虛擬仿真，生成滿足任務需求的初始生產計劃。在生產過程中，物理梁場的生產狀態(tài)數據和虛擬梁場對制梁任務的仿真結果被不斷反饋到梁場管控系統(tǒng)，梁場管控系統(tǒng)不斷地對這些數據進行分類、清洗和解析，以生成符合實際生產需求的生產計劃來執(zhí)行。梁場管控系統(tǒng)需要采用“感知 + 預測 + 優(yōu)化 +執(zhí)行”的主動管控方法，能夠集成多層次管理功能，實現(xiàn)對物理量場的信息全面感知、制梁生產活動運行的主動分析與預測以及運行性能的動態(tài)優(yōu)化，能夠以最少的能耗創(chuàng)造最大的效益，從而在整體上提高梁場的運作效率。

(4)梁場孿生數據需求分析

梁場孿生數據是驅動數字孿生智慧梁場系統(tǒng)運行的核心，主要由物理梁場實測數據、虛擬梁場仿真數據、梁場管控系統(tǒng)管理數據以及三者融合產生的數據四部分構成，具有體量大、類型多和更新快的特點。

物理梁場實測數據主要包括生產要素數據、生產計劃數據和生產過程數據等。生產要素數據主要指“人——機——料——法——環(huán)”這些生產要素的基礎數據。生產計劃數據是指生產計劃在制定、執(zhí)行、反饋與改進的信息化操作過程中產生的數據。生產過程數據主要包括工況數據、工藝數據和生產進度數據等。虛擬梁場仿真數據主要指虛擬梁場仿真運行中所需要的輸入和輸出數據，如幾何模型數據、生產工藝仿真數據和生產排程仿真數據等。梁場管控系統(tǒng)管理數據是指從梁場頂層到底層生產控制中的管理數據，如原材料管理數據、調度管理數據、制梁過程管理數據、預制梁養(yǎng)護運維管理數據等。以上三者融合產生的數據是指對物理梁場、虛擬梁場及梁場管控系統(tǒng)管理數據實時集成、交互和融合下的衍生數據。

數字孿生智慧梁場的首要任務就是采集其所對應的現(xiàn)實梁場全要素、全流程和全業(yè)務的全生命周期的數據，消除信息孤島。孿生數據是數字孿生智慧梁場的根本，是實現(xiàn)物理梁場、虛擬梁場、梁場管控系統(tǒng)的運行及兩兩交互的驅動，數字孿生數據在集成和深度融合的基礎上，還需不斷對自身進行更新與擴充。

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