مقدمه و توضیحات سایت
این گزارش بر اساس بررسی موضوعات موردی در نوآوری و نیز مطالعه پیشرفت‌های علمی و فناوری‌های نوآورانه در بخش ساخت و ساز و ساختمان، که در اروپا به صنعت 4.0 مروف است تهیه و تدوین شده است . در تمانی این مطالعات مدیریت اطلاعات ساختمان (BIM) به عنوان جریان اصلی و وسیله‌ای برای دستیابی به راه‌حل‌های ارزش محور، تصمیم‌گیری، مشارکت مشتری و امور طراحی و مهندسی و انجام فرایندها در نظر گرفته می‌شود.
علاوه بر این موارد دیگری همچون شبیه‌سازی پیشرفته، اینترنت اشیا (IoT)، بلاک چین، یادگیری ماشینی، یادگیری عمیق و داده‌های مرتبط، همگی فرصت‌های زیادی را برای انجام مطالعات برای رفع چالشها و دستیابی به راه حلهای تحول دیجیتال فراهم می‌کنند .
در راستای این تحول و در این زیر بخش صنعتی مواردی به عنوان موضوعات اصلی مطرح می شوند که به برخی از آنها اشاره می شود :
- طرحریزی استراتژیک تحول و نقشه راه تحول دیجیتال
- طراحی و بهینه سازی BIM و کاربرد هوش مصنوعی در طراحی
- BIM و XR به عنوان ابزارهای تجسم و شبیه سازی پیشرفته
- ساختمان سبز و رویکرد ابزارهای پشتیبانی طراحی نوظهور
- اسکنینگ و پردازش تصویر برای تسریع مدیریت پروژه و عملیات
- Blockchain، Big Data و IoT برای مدیریت پروژه
در اتحادیه اروپایی صنعت 4.0 برای طراحی و ساخت ساختمان به عنوان Construction 4.0 رویکرد و راهکار اصلی این تحول در نظر گرفته شده و بسرعت در حال پیگیری است . در این رابطه نیز رویکردهایی مهم هستند که ذیلا به برخی از آنها اشاره شده است :
- طراحی معماری مبتنی بر هوش مصنوعی
- BIM برای اتوماسیون طراحی معماری
- طراحی ساختاری هوشمند ساختمان ها
- پلتفرم‌های BIM ابری مبتنی بر واقعیت مجازی برای پروژه‌های AEC یکپارچه
- مدیریت ارزش کسب‌شده و هزینه‌یابی مبتنی بر فعالیت در تحویل پروژه یکپارچه
- طراحی سازه و یکپارچه سازی ساخت و ساز
- تحویل پروژه یکپارچه با بلاک چین و سیستم مالی خودکار
از دیدگاه مدیریت ساخت و ساز از آنجاکه از اواسط دهه 1990، روش‌های مدیریت ناب که در صنعت ساخت‌وساز تحت عنوان «ساخت و ساز ناب» اقتباس و اعمال شده‌اند. این امر منجر به کاهش شدید زمان و هزینه ها و بهبود سطح کیفیت شده است.
از سوی دیگر فناوری های نوظهور همانند چاپ سه بعدی یا تولید مواد افزودنی؛ پیش ساخته پیشرفته؛ اینترنت صنعتی اشیا; فناوری ابر؛ تجزیه و تحلیل داده های بزرگ؛ ربات های خودمختار؛ و همچنین واقعیت مجازی، افزوده و ترکیبی از جمله فناوری های جدیدی هستند که پتانسیل افزایش بیشتر بهره وری، کیفیت و ایمنی در پروژه های ساختمانی را دارند.
مواردی که میتوان در ارتباط با این رویکرد ها بررسی نمود شامل موضوعات زیر است اما محدود به آنها نیست:
- فناوری‌ها و مفاهیم Construction 4.0.
- مدیریت ساخت و ساز ناب؛
- اجرا و کاربرد در عمل؛
- رابطه بین ساخت و ساز ناب و ساخت و ساز 4.0
باید توجه داشت که هرکدام از این موارد می توانند عنوان یک پروژه تحقیقاتی باشند و قصد ما ارایه یک رویکرد جامع نگر به آنها است .
استفاده از Industry 4.0 در سایت ساخت و ساز: چالش ها و فرصت ها
کریستوفر جی ترنر; جان اویکان; لامپروس استرجیولاس; دیوید گریفین2، فوریه 2021
خلاصه:
در سال‌های اخیر، یک تغییر پله‌ای در میزان پذیرش فناوری‌های Industry 4.0 توسط تولیدکنندگان و سازمان‌های صنعتی به طور یکسان مشاهده شده است. این مقاله وضعیت فعلی را در پذیرش فناوری‌های Industry 4.0 در صنعت ساخت‌وساز مورد بحث قرار می‌دهد. افزایش پیچیدگی در پروژه های ساخت و ساز در محل همراه با نیاز به بهره وری بالاتر منجر به افزایش علاقه به استفاده بالقوه از فناوری های Industry 4.0 می شود. این مقاله ارتباط فناوری‌های کلیدی صنعت 4.0 زیر را با ساخت و ساز مورد بحث قرار می‌دهد: تجزیه و تحلیل داده‌ها و هوش مصنوعی، روباتیک و اتوماسیون، مدیریت اطلاعات ساختمان، حسگرها و پوشیدنی‌ها، دوقلوی دیجیتال و اتصال صنعتی. اتصال صنعتی یک جنبه کلیدی است زیرا تضمین می کند که تمام فناوری های Industry 4.0 به هم متصل هستند و امکان تحقق کامل مزایای آن را فراهم می کند. این مقاله همچنین یک دستور کار تحقیقاتی برای پذیرش فناوری‌های Industry 4.0 در بخش ساخت‌وساز، استفاده سه مرحله‌ای از دارایی‌های هوشمند از نقطه تولید تا پس از ساخت، و یک فرآیند تحقیق و توسعه چهار مرحله‌ای برای پیاده‌سازی پوشیدنی‌های هوشمند در یک سایت ساخت و ساز پیشرفته دیجیتال ارائه می‌کند.
متن :
سایت ها و پروژه های ساخت و ساز پیشرفت های زیادی را به خود دیده و از جذب فناوری جدید بهره برده است. با این حال، چنین پیشرفت هایی در زمینه روش های ساختمانی، مصالح، کارخانه و ماشین آلات بوده است. حتی با وجود چنین تغییرات پیشرونده ای، نرخ بهره وری در بخش ساخت و ساز همچنان از پایین ترین نرخ ها در صنعت است . این تا حدی به دلیل کاهش مهارت مورد نیاز برای ورود به صنعت ساختمان است. نیاز به ورود مهارتهای کمتر منجر به نیروی کار بیشتر می شود و بهره وری پایین به ازای هر نفر افزایش می یابد. علاوه بر این، کمبود متخصصان ساخت و ساز مانند مهندسان، مدیران پروژه ها و ناظران در صنعت ساخت و ساز غالب است. این امر در بخش ساخت و ساز به عنوان بخشی غیرجذاب برای چنین کارگران ماهری همراه است.
در درازمدت، افزایش پیچیدگی در پروژه‌های ساخت‌وساز در محل، مانند برج خلیفه، لندن شارد، راه‌آهن پرسرعت HS2، و کاهش روزافزون نیروی کار بسیار ماهر، در نهایت منجر به مشکلاتی در حفظ این بخش خواهد شد.
این امر احتمال مسائل مربوط به ایمنی را افزایش می دهد و آمار بهره وری این بخش را بیشتر کاهش می دهد . این مشکلات نیازمند راه‌های جدید برای آموزش، حمایت و افزایش ارزش و بهره‌وری کارگران است.
بهبود بهره وری یک موضوع حیاتی است زیرا مهمترین شاخص در سنجش سطح زندگی در کشورها و چشم انداز آنها برای رشد اقتصادی بیشتر است. در واقع، بهره‌وری ضعیف و کمبود مهارت منجر به هزینه‌های بالای ساخت و ساز، تاخیر در پروژه‌های ساختمانی و شیوه‌های ضعیف پایداری در بخش ساخت و ساز شده است. صنعت ساختمان از منابع طبیعی مانند آب، سیمان، ماسه و شن، خاک رس، بتن و سنگ مرمر در مصالح ساختمانی استفاده گسترده ای می کند. علاوه بر این، سوخت های فسیلی مانند گازوئیل و بنزین را برای ساخت ماشین آلات و حمل و نقل مصرف می کند. همه اینها به انتشار جهانی کربن و کاهش منابع طبیعی با نرخی ناپایدار کمک می کند. بهبود بهره وری کارگران تضمین می کند که منابع طبیعی به طور کلی به طور موثرتری استفاده می شود.
در بریتانیا، دولت ابتکاری به نام «ساخت 2025» ارائه کرده است که در آن پروژه‌های ساختمانی باید 50 درصد سریع‌تر با 50 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر در محیط ساخته شده و 33 درصد کاهش هزینه اولیه ساخت و ساز و کل هزینه عمر دارایی ها به پایان برسند.
یکی از راه هایی که بخش ساخت و ساز برای دستیابی به این اهداف برنامه ریزی می کند، از طریق استفاده از ابزارهای Industry 4.0 است (شکل 1 را ببینید). صنعت ساخت و ساز به عنوان یکی از بخش های عقب مانده در استفاده از ابزارهای دیجیتال صنعتی مدرن شناخته می شود. بررسی Made Smarter UK ساخت و ساز را به عنوان یکی از بخش هایی شناسایی کرده است که می تواند از انقلاب صنعت 4.0 بهره مند شود . از طریق استفاده از ابزارهای Industry 4.0، کارگران می توانند با دانش و اطلاعات در مورد ارزیابی تأثیر فعالیت های مختلف آنها بر محیط زیست و میزان کارآمدی یا پایداری آنها پشتیبانی شوند.
عکس. 1.حوزه فناوری صنعت 4.0
بخش اول :
در این راستا، در سال‌های اخیر، بخش ساخت‌وساز در سراسر جهان شروع به اتخاذ فناوری‌های دیجیتال در تعقیب دستاوردهای عملیاتی و بهره‌وری کرده است. که Construction 4.0 نامیده می شود، پذیرش فناوری های Industry 4.0 به عنوان یک نیروی توانمند در نظر گرفته می شود که تحول بخش ساخت و ساز را آغاز می کند و شیوه ها و تکنیک های آن را متحول می کند.
طیف وسیعی از فعالیت‌هایی که در سایت‌های ساخت‌وساز انجام می‌شوند، چالش‌های تحقیقاتی جالب زیادی را ارائه می‌کنند. در این مقاله، ما بر این تمرکز می‌کنیم که چگونه میتوان یک سایت ساخت‌وساز «متصل» (از فعالیت‌های خارج از محل گرفته تا فعالیت‌های بعد از ساخت) با فناوری‌های Industry 4.0 در جهت بهبود کارایی، بهبود شیوه‌های پایدار و بهبود ایمنی کارگران به دست آورد.
این مقاله با بخش‌های مرتبط با حوزه‌های کلیدی فناوری صنعت 4.0 سازمان‌دهی شده است:
- تجزیه و تحلیل داده‌ها و هوش مصنوعی به بخش دوم مراجعه کنید،
- روباتیک و اتوماسیون به بخش سوم مراجعه کنید
- مدیریت اطلاعات ساختمان BIM؛ بخش چهارم را ببینید
- ، فناوری‌های پوشیدنی هوشمند. به بخش پنجم مراجعه کنید،
- دوقلوهای دیجیتال به بخش ششم مراجعه کنید،
- اتصالات صنعتی به بخش هفتم مراجعه کنید
این مقاله سپس چالش ها و فرصت های اصلی بخش ساخت و ساز در بخش هشتم را با یک خلاصه کلی ارائه شده در بخش نهم تحلیل می کند.
بخش دوم – تجزیه و تحلیل داده ها و هوش مصنوعی
استفاده از تجزیه و تحلیل داده ها و هوش مصنوعی در بخش های خاصی از بخش ساخت و ساز مورد توجه قرار گرفته است. تجزیه و تحلیل داده ها در زمان واقعی، چه در محل و چه خارج از سایت، می تواند به بهبود تشخیص و ارزیابی ریسک کمک کند. این امر می تواند قابلیت های جدیدی را در زمینه پیش بینی حوادث و صدور هشدارهای اولیه و هشدار به کارگران از طریق پوشیدنی های هوشمند ارائه دهد. همچنین می‌تواند از سیستم‌های یادگیری خودکار پشتیبانی کند که می‌توانند خطرات را در محل و در زمان واقعی مدیریت کنند. جمع‌آوری داده‌ها در مورد پیشرفت پروژه‌های ساختمانی، فعالیت‌های کارگران، فعالیت‌های خودرویی، شرایط آب‌وهوایی و شرایط موجود در محل در انبارهای داده، سوخت مورد نیاز برای هدایت تحلیل داده‌ها و الگوریتم‌های هوش مصنوعی را فراهم می‌کند. سپس میتوان الگوریتم‌های زمان‌بندی و بهینه‌سازی را برای استخراج استراتژی‌های جدید برای رسیدگی به مسائل احتمالی ناشی از پروژه ساخت‌وساز در محل به کار برد.
جمع‌آوری، مدیریت، پردازش و تجزیه و تحلیل داده‌های شاخص های زمانی از بسیاری از سایت‌های ساخت‌وساز، ساخت یک پایگاه داده تاریخی را امکان‌پذیر می‌سازد که می‌تواند بر اساس نیازها استخراج شود. این می تواند به ایجاد بینش گسترده تر در مورد بخش ساخت و ساز کمک کند. همچنین اشتقاق قوانین و تکنیک های جدید ساخت و ساز کارآمد را امکان پذیر می کند. همچنین، بینش ها می توانند در تصمیم گیری و ساخت استراتژی برای مدیریت ساخت و ساز در محل در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار گیرند.
با توجه به موارد فوق، شبکه های عصبی مصنوعی در صنعت ساخت و ساز برای استخراج دانش گذشته برای تخمین و پیش بینی مقاومت فشاری بتن استفاده شده است. این امر در درک اینکه چگونه پنج جزء کلیدی بتن، یعنی آب، سیمان، متاکائولین، شن ریز و سنگدانه درشت بر کیفیت بتن و در نتیجه کیفیت ساختمان تأثیر می‌گذارند، امری روشنگرانه است . در غیاب کارگران بسیار ماهر، یک سیستم هوش مصنوعی (AI) می تواند در آموزش و حمایت از سازندگان با تجربه کمتر مورد استفاده قرار گیرد.
به منظور نظارت بر پیشرفت فعلی پروژه های ساختمانی و سلامت سازه های پیچیده در حین ساخت، پارامترهای مودال مانند فرکانس های طبیعی، نسبت های میرایی و اشکال مدل ضروری است. این داده ها با روش های منطقی بسیار کارآمد برای شناسایی و شناسایی ساختاری پویا استفاده شده اند. این داده ها با قرار دادن سرزده حسگرها بر روی سازه در حال ساخت جمع آوری می شوند. با این وجود، روش‌های غیرمستقیم مانند استفاده از دوربین‌های قرمز، سبز و آبی (RGB) می‌تواند رویکرد دیگری برای ثبت پیشرفت پروژه‌های ساختمانی باشد. بهره‌برداری از جریان‌های داده از دوربین‌های RGB از طریق استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر برای استخراج اطلاعات مفید از تصاویر و ویدیوهای دیجیتالی ثبت‌شده پیشگام است . داده‌های جمع‌آوری‌شده در حال حاضر شامل مناطقی است که فعالیت کارگران در حال حاضر در آنها متمرکز است، محل مواد خام و جریان مواد خام و کارهای خاکی. چنین جریان های داده RGB مجهز به هوش مصنوعی می تواند تضمین کند که عملیات خاکی به طور مؤثر انجام می شود. این در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به محیط زیست مفید است .
بیشتر پروژه‌های ساختمانی به دلیل مسائل مربوط به زمان‌بندی، برنامه‌ریزی ضعیف و نبود اطلاعات کافی در مراحل شروع پروژه، از بودجه خارج می‌شوند. این امر همواره بازده هر کارگر و در نتیجه بهره وری کل پروژه را کاهش می دهد. مفهوم پایگاه داده متصل و تجزیه و تحلیل، تخمین هزینه دقیق تری را از طریق استفاده از دانش به دست آمده از پروژه های قبلی امکان پذیر می کند. برای مثال اسدی و همکاران توسعه مدل‌های پیش‌بینی را بررسی کرد که علل تاخیر در یک پروژه ساخت‌وساز را شناسایی می‌کرد. بایرام و همکاران تابع پایه شعاعی و مدل های شبکه عصبی مصنوعی را برای برآورد هزینه ساخت و ساز اولیه توسعه داد. در این اکوسیستم از ابزارهای داده محور، نرم افزار تخمین هزینه نیز می تواند با برنامه ریزان خودکار برای کارهای خاکی در طول پروژه های ساخت و ساز در محل ادغام شود. این امر استفاده بهینه و برنامه ریزی مسیر وسایل نقلیه را در ساخت و ساز در محل تضمین می کند که منجر به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه و زمان می شود . چنین استفاده ای از هوش مصنوعی می تواند برای کنترل انبوه وسایل نقلیه خودران و روبات ها به منظور افزایش بهره وری ساخت و ساز در محل گسترش یابد. تمام موارد ذکر شده تنها در صورتی قابل دستیابی است که جریان های داده از حسگرها به انبارهای داده و پلت فرم های تجزیه و تحلیل داده برای تولید بینش و استفاده بعدی توسط کارگران و تجهیزات روباتیک یا اتوماسیون متصل شوند.
بخش سوم – رباتیک و اتوماسیون
کاربردهای جدید رباتیک در صنعت ساخت و ساز شامل استفاده از هواپیمای بدون سرنشین و ربات های چهارپا است. آنها معمولا برای بررسی سایت های ساخت و ساز و برای جمع آوری داده ها برای تولید مدل های سه بعدی ساختمان ها استفاده می شوند . آنها همچنین می توانند برای کمک به کارگران با حمل کیت ابزار سنگین استفاده شوند. با این وجود، آریپین و همکاران تعدادی از موانع بالقوه برای پذیرش رباتیک و اتوماسیون در صنعت ساخت و ساز را برجسته کرد. به عنوان مثال، پیچیدگی وظایفی که باید توسط روبات ها در ساخت و ساز انجام شود، بسیار بیشتر از آنچه در سایر بخش های صنعت وجود دارد، می باشد. این به طور بالقوه به دلیل تنوع و پویایی بالایی است که در سایت های ساخت و ساز در محل با آن مواجه می شود.
یکی از راه‌های حل این مشکل، استفاده از تکنیک‌های ساخت فعلی از طریق ساخت ساختمان مدولار خارج از محل برای مونتاژ در محل است. این رویکرد تضمین می کند که فناوری اتوماسیون تولید به خوبی تثبیت شده را می توان در ساخت و ساز اعمال کرد. در چنین رویکردی، نوآوری های دیجیتال از Industry 4.0 را می توان در زمینه های تولید و زنجیره تامین اعمال کرد . آنها می توانند فرصتی را برای ساخت به موقع اجزا و ماژول های سازنده ساختمان فراهم کنند. در مفهوم محل ساخت و ساز متصل، داده‌های مربوط به فعالیت‌های در محل می‌تواند به کارخانه تولید خارج از محل ارسال شود تا تغییرات مورد نیاز در نحوه ساخت یک ماژول فوراً به‌موقع اطلاع رسانی شود. داده‌های نمونه می‌تواند شامل پارامترهای مربوط به رطوبت و تأثیر آنها بر ماژول‌های مسکن ذخیره‌شده در محل باشد. یافته‌های حاصل از تجزیه و تحلیل چنین داده‌هایی ممکن است منجر به اعمال لایه‌های رنگ اضافی در قسمت بیرونی چوب ماژول‌ها شود تا از عناصر محافظت شود.
علاوه بر این، روش‌های «ساخت دیجیتال» به مفهوم «تولید تطبیقی» منجر شده است. تولید تطبیقی مفهوم ماشین‌های بسیار انعطاف‌پذیر را معرفی می‌کند، که قادر به تولید قطعات سفارشی هستند و برای فعال کردن روش‌های جدید ساختمانی مقرون‌به‌صرفه مورد استفاده قرار می‌گیرند . چنین روش هایی پتانسیل افزایش کارایی و بهره وری کل بخش ساخت و ساز را دارند. به عنوان مثال، در یک مطالعه موردی، گارسیا د سوتو و همکاران، استفاده از یک ربات برای ساخت سازه های دیواری بتنی را بررسی کرد که تغییراتی را در نیروی کار که دیجیتالی کردن می‌تواند به همراه داشته باشد، منعکس کرد. امکان ترکیب کارهای طراحی، برنامه ریزی و ساخت و ساز منجر به پتانسیل حذف، اصلاح و ترکیب مشاغل جداگانه می شود.
علاوه بر این، فناوری چاپ سه بعدی دیجیتال جدید اکنون امکان استفاده از روش‌های افزودنی را برای ساخت سازه‌ها از طریق روبات‌های ساخت ، بازوهای ربات جوش‌دهنده سازه سه بعدی یا بازوی روباتی تزریق کننده بتن می‌دهد. این فناوری‌ها نوید زیادی به بخش ساخت‌وساز می‌دهند و فرصت‌هایی را برای بهبود بهره‌وری ایجاد می‌کنند. فرآیند ارائه شده توسط ساختمان افزودنی یک روند تحقیقاتی اخیر در ساخت و ساز است که بر فناوری های دیجیتالی پیشرفته مانند طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) متکی است. این فرآیند قادر به چاپ سازه‌های ساختمانی در محل با مزایای اضافی است، مانند کاهش قرار گرفتن کارگران در معرض خطراتی که در پروژه‌های ساختمانی معمولی با آن مواجه می‌شوند و به طور کلی کاهش هزینه ساخت و ساز .
در آینده نزدیک، استفاده از انبوه وسایل نقلیه خودران که از یک پایگاه مرکزی کنترل می شوند، می توانند در سایت های ساخت و ساز برای جمع آوری ساختمان ها مستقر شوند. چنین پایگاهی احتمالاً از فناوری‌های دوقلوی دیجیتالی برای برنامه‌ریزی دقیق و برنامه‌ریزی اقدامات خودروهای فردی استفاده می‌کند. علاوه بر این، استفاده از هوش مصنوعی در انطباق با تغییرات شرایط محیطی در راستای رعایت ضرب‌الاجل‌ها مرتبط خواهد بود، در حالی که پروتکل‌های ارتباطی قوی، اتصال پایگاه به وسایل نقلیه را تضمین می‌کند. چنین فناوری تضمین می کند که بخش هایی از فرآیند ساخت و ساز قابل اعتمادتر خواهد بود و در نتیجه بهره وری و کارایی در محل را بهبود می بخشد .
جدا از هدایت ربات ها در ساخت سازه ها، ابزارهای دیجیتال مانند BIM نیز برای کمک به کارگران در هنگام نصب کابل ها، وسایل، لوله ها و سایر اجزای داخلی مسکن استفاده می شوند.
بخش چهارم – مدیریت اطلاعات ساختمان
استفاده عملی از مفهوم BIM اخیراً در سازمان های صنعت ساخت و ساز اهمیت بیشتری یافته است. در مقایسه با کاغذ معادل، مدل‌های BIM امکان دسترسی آسان به پلان‌های ساختمان را از طریق دستگاه‌های دیجیتالی فراهم می‌کنند و مسیری را برای نظارت زمان واقعی پیشرفت ساختمان فراهم می‌کنند. وایت و هارتمن به پتانسیل BIM در شکستن موانع بین فعالیت‌های قبلی به منظور ارائه طراحی یکپارچه و انعطاف‌پذیر بهتر و ساخت فرآیندهای مرحله اشاره کردند. علاوه بر این، ژانگ و همکاران استفاده از مدل های BIM و 4-D را برای شناسایی خودکار و پیشگیری از خطرات سقوط کارگران ساختمانی در محل بررسی کرد. در کار آنها، یک الگوریتم کنترل خودکار قوانین برای شناسایی مناطق کار ایمن و لبه‌های یک ساختمان استفاده شد. سپس این داده ها برای جلوگیری از سقوط کارگر بیشتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. مزایای چنین سیستمی می تواند محرک مهمی برای پذیرش رسمی BIM به عنوان بخشی از فرآیندهای برنامه ریزی ایمنی استاندارد برای پروژه های ساختمانی و به عنوان یک بررسی کننده خطر خودکار در زمان واقعی باشد. ایمنی نیز موضوعی است که توسط ملکی تبار و همکارانش بررسی شده است که محرک‌های اصلی خطر را شناسایی می‌کنند و مجموعه‌ای از قوانین به دست آمده از تجزیه و تحلیل گزارش‌های تصادف را تعریف می‌کنند. رویکرد ملکی تبار و همکاران روشی را ارائه می دهد که ممکن است توسط سیستم های خبره برای پشتیبانی از رویکردهای خودکار دیجیتال برای انطباق و شناسایی ریسک استفاده شود. علاوه بر این، پارک و کیم چارچوبی را تعیین کردند و سه عنصر مدیریت ایمنی، یعنی آموزش ، برنامه ریزی و بازرسی را تشکیل دادند.
این عناصر را می توان از طریق استفاده از BIM برای آموزش ارزان و ایمن کارگران کم مهارت قبل از اینکه واقعاً وظایف خود را انجام دهند پشتیبانی کرد. همچنین می تواند به آنها در برنامه ریزی فعالیت ها و بررسی پیشرفت و اشتباهات آنها کمک کند. چنین تنظیماتی زمانی قدرتمندتر می شود که با قابلیت فراگیر واقعیت مجازی (VR) ترکیب شود. این دیدگاه بیشتر توسط لی و همکاران پشتیبانی می شود که همچنین خاطرنشان کرد که جذب واقعیت افزوده (AR) می تواند ایمنی کارگران ساختمانی را در زمان واقعی تضمین کند. این امر کاربردهای مختلف جالبی مانند نظارت بر ایمنی “در حین کار” و شناسایی خطر را آغاز می کند.
با این وجود، اگرچه نمونه‌هایی از BIM و VR وجود دارد که به‌عنوان ابزاری برای برقراری ارتباط مدل‌های ساخت‌وساز با طرف‌های ذینفع استفاده می‌شوند، در حال حاضر نمونه‌های محدودی از «ارتباط» بین این مدل‌ها و جریان‌های داده بلادرنگ وجود دارد . در نتیجه، وانگ و همکاران در مورد چگونگی استفاده از مدل 4-D CAD مدل های CAD متحرک که اغلب از یک جدول زمانی استفاده می کنند و AR می توان برای فعال کردن تعامل درجا با نقشه های ساختمان و دسترسی به داده های BIM استفاده کرد . علاوه بر این، پارک و کیم از طریق استفاده از AR برای اهداف ایمنی و ردیابی، ارتباط بی‌درنگ بین کارگران و ناظران سایت ساخت‌وساز را مطرح کردند.
در موارد فوق، اینترنت اشیا (IoT) یکی از فناوری های کلیدی است که می تواند ارتباط BIM را با داده های بلادرنگ (یا نزدیک به زمان واقعی) فعال کند. ترکیب BIM با اینترنت اشیا ارزش تلقی ساختمان‌ها و اجزای آنها را به‌عنوان محصولات هوشمندی که می‌توانند اطلاعات مربوط به مونتاژ صحیح و وضعیت بی‌درنگ آنها را در حین و پس از ساخت ارائه دهند، باز می‌کند. از منظر سیستم، ترکیب IoT با BIM که اطلاعاتی در مورد نحوه اتصال اجزا به یکدیگر ارائه می‌دهد ساختمان‌ها را قادر می‌سازد تا در فرآیندهای مدیریت ساخت‌وساز و زنجیره‌های تامین مرتبط شرکت کنند. در کار Boton ، چنین سیستم هایی همچنین می توانند به عنوان انجمن های بلادرنگ برای بحث در مورد مسائل ساخت و ساز در طول طراحی و ساخت ساختمان های جدید مورد استفاده قرار گیرند.
با این وجود، علیرغم در دسترس بودن و پتانسیل برای استقرار روش‌های سنجش مختلف در ساخت‌وساز در محل، داده‌های مهم بهره‌وری در مورد عنصر مهم، انسان، هنوز وجود ندارد. این پیوند داده از دست رفته بسیار مهم است زیرا بیشتر کارهای تکمیل شده در سایت های ساخت و ساز هنوز به شدت دستی هستند. در نتیجه، دیو و همکاران پیشنهاد کردند که تلاش‌ها باید برای ایجاد یک ارزیابی کامل از چرخه عمر پروژه‌های ساخت‌وساز با پشتیبانی راه‌حل‌های دیجیتال مناسب، حسگرها و فناوری‌های پوشیدنی هوشمند متمرکز شوند.
بخش پنجم – فناوری‌های پوشیدنی هوشمند
فناوری‌های پوشیدنی هوشمند از بسیاری از فناوری‌های حسگر برای تشخیص حرکت و وضعیت روانی افراد، از جمله شرایط محیطی که در آن کار می‌کنند، استفاده می‌کنند. چنگ و همکاران استفاده از ابزارهای پوشیدنی را برای جمع آوری داده ها در مورد فعالیت مکانی-زمانی و وضعیت قفسه سینه کارگران بررسی کرد. این سیستم پوشیدنی از یک سیستم نظارت بر وضعیت فیزیولوژیکی تجاری (PSM) مجهز به شتاب‌سنج سه محوری سینه‌ای پوشیدنی ساخته شده است. داده های جمع آوری شده در یک مرکز راه دور برای انجام ارزیابی بهره وری در زمان واقعی پردازش شد. جو و همکاران یک سیستم ایمنی ساخت و ساز قوی ارائه کرد که با یک واحد ارتباطی سیستم موقعیت یابی جهانی ارتباط برقرار می کند. چنین سیستمی اطلاعات بلادرنگ منابع محل ساخت و ساز مانند کارگران را قادر می سازد تا به طور موثر به دست آمده و مدیریت شوند. یکی از راه های استفاده از این سیستم، جلوگیری از برخورد کارگران و تجهیزات سنگین است.
در گامی به سمت کاهش نفوذ حسگرها، در استفاده از پارچه های هوشمند توسط کارگران ساختمانی برای ارائه اکوسیستمی که در آن تامین ایمنی و اطلاعات در قلب فناوری پوشیدنی قرار دارد، مورد بحث قرار گرفت. چنین پارچه پوشیدنی هوشمندی همچنین می تواند برای ارائه اطلاعات لمسی و صوتی به کارگر از طریق ویبراتورها و میکروفون های یکپارچه استفاده شود. در حالی که چنین پارچه‌هایی هنوز در حال توسعه هستند، دستگاه‌های پوشیدنی در دسترس تری مانند ساعت‌های هوشمند وجود دارند که می‌توانند حداقل برخی از عملکردهای وعده داده شده را تکرار کنند.
چنین ابزارهای پوشیدنی از نوع ساعت هوشمند، کارگران را قادر می‌سازد تا اطلاعات را از یک ماژول هوش مصنوعی از راه دور دریافت کرده و در قالبی مرتبط با مکان و زمینه به آنها تحویل دهند. با این حال، این نیاز به یک روش موثر برای انتقال داده ها به یک مکان راه دور و بازیابی دانش از دستگاه ها دارد. به دلیل محدودیت‌های اندازه، پوشیدنی‌ها دارای محدودیت‌های ارتباطی هستند که باید برطرف شوند. این در بخش هفتم در مورد اتصال صنعتی بیشتر مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این، حریم خصوصی داده ها و امنیت سایبری مسائل چالش برانگیزی هستند که هنوز باید قبل از اینکه کارگران اعتماد کافی برای استفاده از آنها داشته باشند، مورد توجه قرار گیرند.
با این وجود، با استفاده از داده‌های ضبط‌شده توسط ساعت‌های هوشمند، میتوان یک فرآیند تحقیق و توسعه چهار مرحله‌ای را برای بهبود سلامت کارگران ساختمانی، کارایی، کاهش آسیب و هزینه‌های مرتبط در نظر گرفت.
- مرحله اول باید شامل بررسی اخلاقی و ناشناس سازی داده ها و جلب رضایت داوطلبانه کارگران باشد. این امر به دست آوردن داده های پایه که عوامل فیزیولوژیکی کارگر و اطلاعات گسترده تر مربوط به سلامت، روانشناختی و نگرشی را پوشش می دهد، ممکن می سازد. این مرحله که در محل و آفلاین/در آزمایشگاه انجام می شود، امکان جمع آوری پارامترهای معیار مربوط به جمعیت هدف را فراهم می کند.
- مرحله دوم شامل یک مطالعه امکان سنجی با یک گروه آزمایشی از داوطلبان است که در دو محیط مختلف انجام می شود: در محل کار و در آزمایشگاه. عملاً، این مرحله عناصر بهبود طراحی را با ارزیابی های فیزیو روانی ترکیب می کند. از یک طرف، مقایسه شرایط مختلف در محل کار، مانند موارد آب و هوای شدید، شرایط نوری، آلودگی، دید، و استراتژی‌های سایت (مانند کار در شب، شیفت‌های طولانی، و مدولارسازی) را ممکن می‌سازد. از سوی دیگر، فرصتی را برای مطالعه کارگران در رابطه با عوامل درونی فردی، خستگی درونی، قابلیت‌های توجه و وظایف مربوط به کار و عملکرد کلی در شرایط فوق‌الذکر فراهم می‌کند. این مرحله امکان ارائه یک مدل نظری و محاسباتی را فراهم می کند و از طرح هایی برای مداخلات محیطی و رفتاری پشتیبانی می کند.
- علاوه بر مراحل قبل، اجرای در محل کار نشان دهنده مرحله سوم است. این مستلزم آزمایش مدل حاصل از فاز 2 در محل کار است. کارگران را می توان برای دوره های 12 تا 24 ساعته در دسته های هفتگی با مداخلات انتخاب شده (مانند تغییر چرخش یا ارائه بازخورد به کارگران در مورد الگوهای فیزیولوژیکی) تحت نظر داشت. سپس داده‌های به‌دست‌آمده را میتوان با داده‌های مربوط به قرار گرفتن در معرض ذرات، شرایط آب و هوایی، سر و صدا و ویژگی‌های محل کار همراه کرد تا اطلاعاتی در مورد کیفیت خواب و رضایت شغلی به دست آورد. این مرحله همچنین می تواند شامل توسعه یک پلت فرم دیجیتال اختصاصی باشد که ممکن است شامل اطلاعات مکانی به سمت یک “سیستم متصل” جامع برای بهبود ایمنی کارگران ساختمانی باشد.
- در نهایت، بر اساس نتایج مراحل قبل، میتوان به یک مقیاس‌پذیری تدریجی در سطح ملی و بین‌المللی دست یافت. نتایج در نهایت راه حل های سیاستی را برای مسائل مهم رفاهی که کارگران ساختمانی با آن روبرو هستند ارائه می دهد.
در راستای توسعه یک “سیستم متصل” جامع برای فعالیت های ساخت و ساز، مفهوم Industry 4.0 از دوقلوهای دیجیتال می تواند یک چارچوب موثر ارائه دهد.
بخش ششم – دوقلوی دیجیتال
مفهوم «دوقلوی دیجیتال» برای ثبت فعالیت‌های هم‌زمان و پشتیبانی از هوش پیش‌بینی‌کننده برای تصمیم‌گیری، محبوبیت بیشتری پیدا می‌کند. رویکرد دوقلوهای دیجیتال امکان بازتولید یک سایت ساخت و ساز را به صورت مجازی در سراسر مناطق جغرافیایی با استفاده از فناوری های شبکه ارائه می دهد. این به کاربران امکان ایجاد و آزمایش فرضیه ها را قبل از اجرای واقعی ارائه می دهد . این قابلیت داده ها و دانش بی سابقه ای را در سایت های کاری فراهم می کند. توانایی تشخیص روندها و ناهنجاری‌هایی را که به نسل بعدی سیاست‌های محیط‌های کاری خطرناک و عملکرد مدیریتی وارد می‌شوند را ارائه می‌دهد. با این حال، مانند بسیاری از فناوری‌های مورد بحث در این کار، مفهوم دوقلوی دیجیتال هنوز در پذیرش آن توسط صنعت ساخت‌وساز با چالش‌هایی مواجه است. یکی از مسائل این است که چگونه باید از دوقلوهای دیجیتال در چنین محیطی پویا و بلادرنگ استفاده کرد. موضوع دیگر، فرمت ارائه یا تجسم داده ها به کاربران است.
نحوه تجسم داده ها در یک دوقلوی دیجیتال، به ویژه هنگام برقراری ارتباط اطلاعات پیچیده چندوجهی که از حسگرها و منابع مختلف به کاربران می رسد، توجه مهمی است. با توجه به پهنای باند شناختی محدود انسان ها، این یک چالش است اما می تواند یک فرصت نیز باشد. توانایی انتقال اطلاعات به روشی حساس به زمینه و مکان ممکن است کلید پذیرش دوقلوی دیجیتال در ساخت و ساز باشد. فن‌آوری‌هایی مانند AR یک راه‌حل تجسم منحصربه‌فرد را ارائه می‌کنند که به کارگر امکان می‌دهد مستندسازی، نظارت بر فعالیت‌های سایت ساخت‌وساز، و نشانه‌گذاری اطلاعات مهم برای یک دوقلوی دیجیتالی را برای اجرای هوشمندانه فرضیه‌های آفلاین و تجزیه و تحلیل کند. علاوه بر این، نشانه‌های دیجیتال و پیام‌های مهم را میتوان در محیط ساخت و ساز قرار داد و برای استفاده توسط سایر کارگران به شیوه‌ای شبیه به انگ در مورچه‌های طبیعی رها کرد.
به عنوان مثال، رویکردی که توسط زولمان و همکاران بیان شده است به متخصصان صنعت ساخت و ساز اجازه می دهد تا جزئیات ساختمان را که در زمان واقعی روی سازه های نیمه ساخته شده از طریق AR پوشانده شده اند مشاهده کنند. سیستم آنها همچنین نماهای زنده حاشیه نویسی همراه با نظرات را برای دیگران فراهم می کند تا هنگام مشاهده یک منطقه خاص در سایت، آنها را بخوانند.
شبیه‌سازی رویداد گسسته (DES) می‌تواند برای اجرای فرضیه‌های مختلف در یک دوقلوی دیجیتال به منظور ارائه تخمین دقیق‌تری از اثرات اقدامات کارگران بر فعالیت‌های ساختمانی استفاده شود. چنین شبیه‌سازی‌هایی ممکن است به‌عنوان تجسم‌های واقعیت افزوده بر روی صحنه‌های دنیای واقعی دیده شوند و توسط کارگران ساختمانی در محل مشاهده شوند. چنین کاری در مدلسازی خطوط تولید کارخانه انجام شده است . ماهیت دیجیتالی BIM بیشتر از این امکان پشتیبانی می کند و چارچوبی برای ناوبری ساختمان در سایت های ساختمانی در مقیاس بزرگ و پیچیده فراهم می کند . این امر به این دلیل است که مدل‌های BIM از قبل به صورت معنایی بسیاری از مؤلفه‌های مربوط به بافت و ابعاد ساختمان‌ها را توصیف می‌کنند، و بنابراین یک شبیه‌سازی سه بعدی یا نمای AR از یک مرکز می‌تواند با کارایی نسبی ایجاد شود. چنین استفاده‌ای از ویژگی‌های هستی‌شناسی برای توصیف داده‌های جغرافیایی فیزیکی در BIM همچنین می‌تواند مبنایی برای ارتباط کار انجام شده توسط ماشین‌های خودکار و خودمختار در آینده فراهم کند . به عنوان مثال، یک فرآیند الگو که توسط بوشرت و همکاران پیشنهاد شده است میتوان برای پر کردن یک دوقلوی دیجیتال برای ثبت تصمیم‌های گرفته شده توسط دستگاه استفاده کرد. همچنین شرایط محیطی که منجر به این تصمیم شده است قابل ثبت است. این امر امکان داشتن سیستمی را فراهم می کند که دارای رابط تعامل انسان و ماشین دوستانه تر با فرآیند تصمیم گیری قابل ردیابی برای انسان باشد.
چنین استفاده ای از BIM در یک دوقلو دیجیتال به این روش، قابلیت ردیابی را برای تجزیه و تحلیل بعدی و طراحی های بهبود یافته در سطح سیستم ممکن می سازد . همچنین، استفاده از BIM در دوقلوهای دیجیتال، تجسم بهتر، ردیابی مکان های کارگر از طریق استفاده از برچسب گذاری با فرکانس رادیویی (RFID) و سطح بهبود یافته ای از اطلاعات متنی را فراهم می کند. از طریق استفاده از موقعیت‌های کارگر، چیدمان هندسی ساختمان‌ها، اطلاعات متنی و DES، میتوان هشدارهای بلادرنگ را به ماشین‌ها، کارگران و سرپرستان در صورت شناسایی موقعیت‌های بالقوه خطرناک ارسال کرد.
در چنین سایت ساخت‌وساز «متصل» مدرنی، میتوان چندین منبع داده را با هم ترکیب و تجزیه و تحلیل کرد تا بینش‌های عملیاتی و استراتژیک برای بهبود مدیریت سایت، افزایش ایمنی بین سایتی، و تصمیم‌گیری کارآمدتر (به عنوان مثال، استقرار تیم و کارخانه، برنامه ریزی زمینی و مدیریت کلی نیروی کار) و بطور کلی همه موارد فوق به طور ثابت آمار بهره وری بخش ساخت و ساز را بهبود می بخشد. همانطور که منابع داده خارجی بیشتری (مانند ایستگاه های هواشناسی از راه دور) برای پروژه های زیرساختی هوشمند در دسترس قرار می گیرند، قابلیت همکاری سیستم ها مورد نیاز خواهد بود. برای اطمینان از اینکه مزایای Industry 4.0 به طور کامل در بخش ساخت و ساز محقق می شود، چنین اتصالی اهمیت فزاینده ای پیدا خواهد کرد.
بخش هفتم – اتصالات صنعتی
اتصال دستگاه های راه دور، منابع داده، دوقلوهای دیجیتال، ماژول های هوش مصنوعی و پوشیدنی های هوشمند به یکدیگر یا به یک پایگاه تنها از طریق استفاده از انواع پروتکل های ارتباطی امکان پذیر است. در عصر اینترنت اشیا، تعدادی پروتکل ارتباطی وجود دارد که می توان آنها را انتخاب کرد. با این حال، این پروتکل ها بسته به کاربرد آنها در ساخت، هم مزایا و هم نقاط ضعف خود را دارند. توانایی به دست آوردن اطلاعات در زمان واقعی از یک سایت ساخت و ساز، مدیران سایت ساخت و ساز را قادر می سازد تا بدانند دارایی ها کجا هستند و به آنها توانایی تصمیم گیری سریع آگاهانه را می دهد. این امر زمینه بهبود یافته ای را برای پروژه ها فراهم می کند که به موقع تکمیل شوند . ادبیات موجود که روش‌هایی را برای تقویت اشیاء ساختمانی با استقلال، آگاهی و توانایی تعامل با مجاورت آنها بررسی می‌کند، اکنون رایج است .
با ادغام هوش مصنوعی با اینترنت اشیا، چنین اشیاء ساخت و ساز هوشمندی می توانند ساختارهای ایمن، سبزتر و کارآمدتر از دهه های گذشته ارائه دهند. به منظور دستیابی به این هدف، استفاده بالقوه از اینترنت اشیا به طور گسترده در حال بررسی است. دستگاه های اینترنت اشیا معمولاً از حسگرها، یک برد با منابع محاسباتی محدود و یک پروتکل ارتباطی تشکیل شده اند. پروتکل‌های ارتباطی می‌توانند از چند متر – مانند مورد بلوتوث – تا چندین هزار متر در مورد فناوری سلولی باشند (جدول I را ببینید).
جدا از استفاده از آنها در جمع‌آوری اطلاعات بلادرنگ از یک سایت و هماهنگ کردن رویدادهای حس‌شده، دستگاه‌های مجهز به اینترنت اشیا در زمینه نظارت بر نزدیک بودن کارگران میدانی و افراد خارجی به مناطق خطر در هر زمان، با هدف جلوگیری از حوادث مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در سایت های ساختمانی در مقیاس بزرگ و کوچک ، فن‌آوری‌های سنجش با پهنای باند فوق‌العاده برای فعال کردن کنترل محرک‌های کنترل الکترونیکی بر روی تجهیزات سنگین و توقف مانور آنها در صورتی که یک کارگر در خطر باشد، استفاده شد. این به دلیل توانایی دستیابی به یک شبکه محلی از دستگاه های متصل به هم در یک سایت ساخت و ساز امکان پذیر شد. با این حال، زمانی که زیرساخت سایت به صورت دیجیتالی از طریق اینترنت متصل شود، احتمال نقض امنیت سایت ساخت و ساز باز می شود. این خطر توسط Maggi و همکارانش بررسی شد که نقص های امنیتی را در ماشین آلات ساختمانی کنترل شده را با فرکانس رادیویی (RF) شناسایی کرد. این نویسندگان پیشنهاد کردند که تولیدکنندگان چنین کارخانه‌هایی که با RF کنترل می‌شوند باید از شیوه‌های توسعه‌یافته برای فناوری مصرف‌کننده و طراحی در اقداماتی مانند کدهای نورد برای ارائه یک لایه امنیتی اضافی استفاده کنند. در کار Oesterreich و Teuteberg ، خطر سایبری دستگاه های الکترونیکی دستی و تعامل آنها با سیستم های اطلاعات سازمانی همراه با نگرانی در مورد سطوح دسترسی به داده ها در چنین ساختارهای سازمانی مشارکتی مطرح شده است.
دیو و همکاران در ادامه مشاهده کردند که یک مانع عمده برای ارتباط داده با اینترنت اشیا، فقدان رابط های عمومی بین مؤلفه های فروشنده نرم افزار سازمانی است و نقش بالقوه رابط پیام باز/فرمت داده باز O-MI/O -DF استانداردهای اینترنت اشیا را برجسته کردند.. استاندارد MTConnect اجازه می دهد تا دارایی های تولیدی سازگار از راه دور بدون توجه به نوع ماشین یا سازنده نظارت شوند. در Bisio و همکاران، برچسب‌گذاری کم‌انرژی بلوتوث با توانایی تلفن هوشمند برای حس کردن چندین دستگاه متصل در یک محیط محلی مورد استفاده قرار گرفت. سپس برای ردیابی دارایی های سایت ساخت و ساز از طریق استفاده از یک برنامه ردیابی سفارشی طراحی شده استفاده شد. نویسندگان در ادامه از شناسایی و ردیابی دارایی های سایت ساختمان برای کشف ایجاد و ارائه آگاهی از زمینه برای دستگاه های متصل استفاده کردند. این رویکرد خاص به دلیل توانایی آن در ردیابی دارایی ها در محیط هایی که به طور معمول برای شبکه های حسگر IoT معمولی کاملاً چالش برانگیز است، قابل توجه است .
از سوی آنها چارچوبی برای مجموعه ای از پارامترهای ماشین عمومی از طیف وسیعی از ماشین های ارائه شده توسط یک سازنده ماشین ابزار پیشنهاد شده است. تحقیقات آتی توسط Edrington و همکاران شامل توسعه یک مخزن داده مناسب برای مارک های دیگر ماشین آلات و ماشین ابزار است. چنین مخزن داده ای مکانیزم هایی را برای اطمینان از تجزیه و تحلیل کامل، نظارت پیشرفته، و گزارش داده ها فراهم می کند.
استاندارد ارتباطات پلتفرم باز/معماری جهانی (OPC/UA) و پروتکل انتقال تله متری به طور فزاینده ای توسط سازندگان ماشین های متعدد مورد استفاده قرار می گیرد و فرمت بسیار مورد استفاده برای انتقال داده ها به و از هاب های اینترنت اشیا را تشکیل می دهد. استاندارد OPC UA، در حالی که در مشخصات خود جامع است، می تواند برای یک سازمان پیچیده و پرهزینه باشد. علاوه بر این، استانداردهای پیام‌رسانی اینترنت اشیا O-MI و O-DF استانداردهای مربوط به مدیریت چرخه عمر را ارائه می‌کنند و اکنون به عنوان توانمندسازهای عمومی‌تر قابلیت همکاری برای برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا صنعتی دیده می‌شوند.
جدا از نوع پروتکل ارتباطی مورد استفاده، فرمت انتقال داده ها و پیام های حس شده به دستگاه های دیگر یا یک هاب به همان اندازه مهم است. لیاناژ و همکاران استفاده از فناوری وب معنایی، هستی شناسی و استفاده از توضیحات فراداده زبان نشانه گذاری توسعه پذیر (XML) برای تبادل اطلاعات در نگهداری الکترونیکی را مورد بحث قرار داد . گرانگل-گونزالس و همکاران مفهوم ارتباط معنایی را با تولید یک پوسته نرم‌افزار ابرداده برای مؤلفه‌های Industry 4.0 یک قدم فراتر برد. این رویکرد مبتنی بر چارچوب توصیف منابع و زبان هستی‌شناسی وب است و به قابلیت‌های جدیدی که توسط عناصر هستی‌شناختی توصیف شده‌اند اجازه می‌دهد تا با حداقل اختلال در چارچوب ارتباطی ادغام شوند . با ترکیب با هوش ماشینی، چنین چارچوبی می تواند به عنوان یک پروتکل توانمند برای تلاش های اتوماسیون در عملیات در محل و خارج از محل کارخانه عمل کند. برای مثال شهریار و همکاران استفاده از استاندارد MTComm را با هستی شناسی معنایی برای ارتباط عملیات تولید از طریق فناوری اینترنت مورد بحث قرار داد. مطالعه آنها همچنین شامل استفاده از یک پیاده سازی مبتنی بر ابر برای کنترل تعاملی زمان واقعی ماشین ها در یک بستر آزمایشی بود.
در بررسی استانداردهای قالب داده مربوط به مدیریت دارایی، Koronios و همکاران به استفاده روزافزون از XML به عنوان استاندارد توصیف داده همراه با OPC برای ارتباطات سیستم صنعتی اشاره کرد. کار Henßen و Schleipen نقش زبان نشانه گذاری AutomationML را در ساده سازی استفاده از مدل های OPC UA با مجموعه داده ها و جریان های موجود بیان شده در XML بررسی می کند. به گفته هنسن و شلیپن ، استفاده مستقیم از OPC UA یک کار پیچیده است. با این وجود، استفاده از نگاشت AutomationML به OPC UA فرصت اتصال ساده با سیستم‌های تولیدی سازگار با OPC UA را باز می‌کند. بنابراین، حتی اگر OPC UA به احتمال زیاد زمینه استفاده بیشتری را برای ارتباط بین ماشین‌های موجود در محل به دست آورد، هنوز کار برای اطمینان از استفاده بدون نشتی آن در بین تولیدکنندگان ماشین‌های مختلف باید انجام شود.
بخش هشتم – بحث
همانطور که بحث شد، هنوز زمینه ای برای شکل گیری دیدگاه های جدید در مورد استفاده از Industry 4.0 در صنعت ساخت و ساز وجود دارد. بررسی های فعلی در مورد استفاده از Industry 4.0 در بخش ساخت و ساز، فناوری های خاص Industry 4.0 یا استفاده ترکیبی از آنها را برای اهداف مختلف مورد بررسی قرار داده است. به عنوان مثال، دالاسگا و همکاران و علالول و همکاران بر استفاده از فناوری‌های Industry 4.0 در زنجیره‌های تامین ساخت‌وساز از منظر مدیریت متمرکز شد، در حالی که Maskuriy و همکاران بیشتر بر استفاده از BIM برای بهبود کیفیت و بهره وری ساخت و ساز متمرکز شد. ماسکوری و همکاران همچنین مسائل مربوط به خودکارسازی فرآیندهای طراحی و ساخت و ساز در حین مدیریت داده های ناهمگن را مورد بحث قرار داد. این مقاله اولین مطالعه ای است که ارائه می شود:
- استفاده سه مرحله ای از دارایی های هوشمند از نقطه تولید تا پس از ساخت؛
- یک فرآیند تحقیق و توسعه چهار مرحله‌ای برای پیاده‌سازی و کاربرد پوشیدنی‌های هوشمند در یک سایت ساخت‌وساز پیشرفته به‌صورت دیجیتالی.
- اولین تلاش برای داشتن یک دیدگاه مرتبط جامع از استفاده از توانمندسازهای Industry 4.0 در یک سایت ساخت و ساز برای بهبود بهره وری.
بهره وری در بخش ساخت و ساز مهمترین شاخص در سنجش سطح زندگی ملت ها، چشم انداز رشد اقتصادی کشورها و شکوفایی اجتماعی آنهاست. در حال حاضر بهره وری در بخش ساخت و ساز بسیار پایین است. برای بهبود بهره‌وری، این مقاله نحوه استفاده از فعال‌کننده‌های به هم پیوسته صنعت 4.0 را مورد بحث قرار می‌دهد. همچنین چالشها و موانعی را که این توانمندسازها باید بر آنها غلبه کنند، بررسی می‌کند تا از ارتباط متقابل جامع بین آنها اطمینان حاصل شود.
از این تحقیق مشخص است که نحوه تولید، انتقال، ذخیره، استفاده و انتقال داده ها در نسل بعدی روش های ساخت و ساز حیاتی خواهد بود. علاوه بر این، گردآوری و اتصال تمام اجزای لازم Industry 4.0 برای تحقق یک سایت ساخت و ساز “متصل” برای به دست آوردن مزایای صنعت 4.0 در بخش ساخت و ساز ضروری است. نوع داده های تولید شده توسط دستگاه های اینترنت اشیا ممکن است لازم باشد هنگام طراحی و ساخت خطوط جریان تجزیه و تحلیل داده های جدید برای استخراج و ارائه دانش در نظر گرفته شود. علاوه بر این، با افزایش تعداد دستگاه های اینترنت اشیا در سایت، پهنای باند ارتباطی مشکل ساز خواهد شد. یکی از راه‌های پرداختن به این موضوع، استفاده از تکنیک‌های کاهش داده، مانند تجزیه و تحلیل مؤلفه‌های اصلی و محاسبات گره لبه، برای ارسال داده‌های وضعیت سطح بالا به یک دوقلوی دیجیتال برای تجزیه و استفاده است. انتخاب پروتکل ارتباطی برای استفاده در حال حاضر به برنامه بستگی دارد. در آینده، ممکن است ترکیبی از فن‌آوری‌های ارتباطی با ستون فقرات پروتکل تبادل داده مشترک مورد نیاز باشد تا اطمینان حاصل شود که تجهیزات سازنده کارخانه می‌توانند به طور یکپارچه با یکدیگر تعامل داشته باشند. چالش چنین زیرساختی این است که امکان تعامل فناوری‌های ارتباطی مختلف در حالی که با نقاط قوت و ضعف ذاتی آنها مقابله می‌شود، باشد. چنین عملیات یکپارچه ای از استقرار دوقلوهای دیجیتال با استفاده از پیوندهای داده دو طرفه به کارخانه های روباتیک (سایبری-فیزیکی)، دستگاه های اینترنت اشیا، پارچه های هوشمند و محصولات یا دارایی های هوشمند پشتیبانی می کند. استفاده از دارایی‌های “هوشمند” می‌تواند داده‌های کافی را فراهم کند تا از طریق استفاده از روش‌های داده‌کاوی و تحلیل مناسب، طراحی مجدد هوشمند طرح‌بندی‌های ساخت‌وساز در محل را ممکن کند.
در جدول 2، ما یک رویکرد سه فازی را برای استفاده بالقوه از اجزای ساختمان مدولار به عنوان دارایی های هوشمند حسگر و متصل بی سیم پیشنهاد می کنیم. چنین دارایی‌هایی می‌توانند در ساخت شرکت کنند و داده‌ها را با فرآیند تولید به اشتراک بگذارند تا به درج زیر مجموعه‌های آن و مانور آن برای اقدامات مختلف ماشین‌کاری کمک کنند . در محل، چنین بخشی در دیوار مدولار هوشمند می‌تواند به موقعیت و اتصال خوب آن در رابطه با سایر بخش‌های ساختمانی که قبلاً مونتاژ شده‌اند کمک کند (با پتانسیل ارسال چنین جزئیات موقعیت‌یابی به کارگرانی که از هدست‌های AR استفاده می‌کنند). در ساختمان تکمیل‌شده، بخش‌های دیوار مدولار ممکن است بتوانند اطلاعات مربوط به دما و رطوبت اتاق یا منطقه را به صاحب خانه منتقل کنند. شرکت ساخت و ساز و سازنده همچنین ممکن است بخواهند داده های عملکرد دوره ای را از برخی اجزای ساختمان دریافت کنند. از نظر مؤلفه «هوشمندی» دارایی، این ممکن است از یک بسته حسگر متشکل از محاسبات لبه پردازنده و اتصال بی‌سیم با منبع تغذیه داخلی تشکیل شده باشد. علاوه بر این، در محل ساخت و ساز، انبوهی از روبات‌های مستقل می‌توانند با یکدیگر کار کنند تا محل را پاک کنند و خاک را به صورت هماهنگ جابجا کنند.
در شکل 2 و جدول۲ یک رویکرد سه فازی در زمینه سایت ساخت و ساز دیجیتال نشان داده شده است. شکل 2 همچنین یک نمای کلی از ارتباط مادام العمر فناوری های Industry 4.0 نه تنها در مراحل ساخت و مونتاژ، بلکه در نظارت و بهره برداری از ساختمان های تکمیل شده ارائه می دهد.
شکل 2.
سایت ساخت و ساز مجهز به صنعت 4.0. همانطور که در شکل نشان داده شده است، کاهش پرسنل در محل به دلیل استفاده از رباتیک و اتوماسیون منجر به کاهش تلفات جانی ناشی از تصادفات مرگبار خواهد شد. بهره وری بیشتر فرآیند به کاهش گازهای گلخانه ای در محل تا 365000 تن در سطح جهانی کمک می کند و صرفه جویی در هزینه بهره وری به مصرف کنندگان منتقل می شود. علاوه بر این، استانداردهای زندگی به دلیل استفاده از فناوری های دیجیتال که ساخت و ساز با کیفیت بالاتری را امکان پذیر می کند بهبود می یابد .
نمایش همه
جدول ۳ خلاصه ای از زمینه های تحقیقاتی اضافی را ارائه می دهد که بر بررسی فناوری های ذکر شده در این مقاله برای کاربرد در سایت های ساخت و ساز تمرکز دارد. این شامل استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای افزایش اقدامات ایمنی در سراسر سایت های ساخت و ساز است. این امکان را برای ارائه یک دستور کار جدید برای صنعت ساختمان و محققان انفورماتیک به طور یکسان باز می کند. تحقیق و توسعه در بکارگیری داده‌های جمع‌آوری‌شده در یک «دوقلوی دیجیتال» به دارایی‌ها امکان می‌دهد به طور دقیق مدلسازی شوند و اطلاعات روند پیش‌بینی‌کننده در مورد تهاجمات ایمنی جدی را ارائه دهند. علاوه بر این، چنین قابلیتی در صورت نیاز به تغییرات یا اصلاح طرح سایت ساخت و ساز، تصمیم گیری محلی را به طرز چشمگیری بهبود می بخشد.
از این تحقیق مشخص است که صنعت ساخت‌وساز از استفاده از فناوری‌های دیجیتالی Industry 4.0 منتفع خواهد شد، اگرچه هنوز هم چنین است که تا به امروز جذب و کاربرد آنها در این بخش محدود بوده است. پیچیدگی روزافزون پروژه های ساخت و ساز مدرن اکنون به عنوان محرکی برای علاقه به امکان ایجاد نمایش های دیجیتالی از محل ساخت و ساز عمل می کند. برنامه‌ریزی و زمان‌بندی در فعالیت‌های ساخت‌وساز، به‌ویژه آن‌هایی که شامل زنجیره‌های تامین هستند، می‌تواند به طور قابل‌توجهی از معرفی فناوری‌های دیجیتال بهره‌مند شود.
علاوه بر این، مفهوم کارگر هوشمند بر طراحی رابط‌های کامپیوتر/ماشین انسانی تأثیر می‌گذارد و سطح جدیدی از سنجش در محل را به ارمغان می‌آورد تا به‌روزرسانی‌های بلادرنگ وضعیت سایت ساخت‌وساز و ایمنی آن را با پیشرفت ساخت‌وساز ارائه کند. پیشرفت‌های دنیای رباتیک در حال حاضر برای کمک به توسعه ماشین‌آلات جدید برای تولید ساختمان‌های مدولار مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد و در نتیجه بسیاری از فرآیندهایی را که در حال حاضر برای تولید محصولات مصرفی بسیار سفارشی استفاده می‌شود، انجام می‌دهد. همچنین زمانی که در زمینه یک سیستم BIM متصل استفاده می‌شود، مدل‌های 4 بعدی CAD با استفاده از جدول‌های زمانی متحرک می‌توانند مبنایی برای درک مشترک الزامات بین طرف‌های ذینفع در مراحل مختلف یک پروژه ساخت‌وساز بزرگ باشند. استفاده از واقعیت ترکیبی با چنین مدل‌هایی نیز از فعالیت‌های در محل پشتیبانی می‌کند و از رویه صحیح و ایمنی کارگران در محل اطمینان می‌دهد.
برای دستیابی به موارد فوق، به ستون “اتصال” صنعت 4.0 که زیربنای استانداردهای ارتباطی مختلف و اینترنت اشیا صنعتی است، نیاز است.
بخش نهم – نتیجه گیری
از تجزیه و تحلیل تکمیل شده در این مقاله، شکاف های تحقیقاتی قابل توجهی در روند تبدیل سایت ساخت و ساز دیجیتال به واقعیت باقی مانده است. آینده ساخت و ساز متکی به نگاه «سیستمی» از فناوری‌های دیجیتال موجود و جدید با استفاده ترکیبی از آنها در یک معماری جامع متصل است. در نتیجه، فناوری‌های Industry 4.0 مورد استفاده در سایت ساخت‌وساز آینده به‌صورت مجزا کار نمی‌کنند، بلکه در عوض با هم کار خواهند کرد تا شبیه یک سیستم فیزیکی-سایبری پیچیده باشند. فن‌آوری‌های تشکیل‌دهنده به طور مداوم با کاهش اندازه دستگاه، بهبود فناوری ارتباطی، افزایش چگالی توان باتری‌ها و قدرت محاسباتی بالاتر در دستگاه‌های لبه اینترنت اشیا شکل می‌گیرند.
حسگرها، به ویژه هنگامی که در دستگاه های پوشیدنی استفاده می شوند، می توانند هشدارهای خطر به موقع را به کارگران ارائه دهند. یک خط جدید بالقوه تحقیقاتی شامل بررسی پارچه های هوشمندی است که هنگام پوشیدن می توانند برای تشخیص وجود مواد شیمیایی و نظارت بر سلامت کارگر استفاده شوند. استفاده از وسایل پوشیدنی مخصوصاً برای کارگران ساختمانی بزرگراه که با خطرات اضافی ناشی از ترافیک در حال حرکت و دود اگزوز مرتبط مواجه هستند، مناسب است. همچنین ممکن است حسگرها در تجهیزات غیرفعال مرتبط با ساخت و ساز، مانند مخروط ها، ساخته شوند تا ایمنی و هشدارهای اولیه را هم به کارگران و هم به رانندگان ارائه دهند. مدل‌های CAD در حال حاضر نه تنها در مراحل برنامه‌ریزی، بلکه در سراسر فرآیند ساخت و فراتر از آن رایج‌تر هستند. با پیشرفت‌ها در سخت‌افزار ارتباط بی‌سیم و پروتکل‌های ارتباطی مرتبط، این پتانسیل برای مدل‌های متصل بلادرنگ سایت‌های ساخت‌وساز برای ارائه پشتیبانی کامل از تصمیم‌گیری چرخه حیات وجود دارد و شاید در آینده به عنوان داشبورد نظارتی برای فرآیندهای ساخت‌وساز نیمه یا کاملاً خودکار عمل کند. استفاده سه فازی از اجزای ساختمان به عنوان دارایی‌های هوشمند می‌تواند جریان جدیدی از داده‌ها را در زمان واقعی و آگاهانه برای استفاده در یک محیط دیجیتالی دوقلو و در ارتباط با کارگران و فرآیندهای صنعتی خودکار فراهم کند. با کمک افزایش سرعت پردازش، ابزارهای هوشمند، حسگرهای کوچکتر و کاهش هزینه ذخیره/انتقال داده، ماشین‌ها و محصولات باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و از یکدیگر یاد بگیرند. چالش ها و فرصت های ذاتی در اجرای Industry 4.0 در ساخت و ساز، زمینه را برای اکتشاف بیشتر در پنج تا ده سال آینده فراهم می کند.
