基于数字孪生的预制混凝土构件生产阶段碳排放管控方法和系统

本发明属于_数字孪生与绿色制造，尤其涉及一种_基于数字孪生的预制混凝土构件生产阶段碳排放管控方法和系统。

背景技术：

1、随着工业化建造的深入发展，预制混凝土构件在装配式建造中得到了广泛应用，因此其生产阶段的碳排放管控具有重要意义。然而，预制混凝土构件的制造工艺呈现高度的离散性与复杂性，其生产全链路深度耦合了异质材料的时空流转与高能耗机械设备的动态协同。目前，针对构件生产阶段的碳排放管理多局限于传统的被动监测，尚未构建起数据驱动的动态管控体系，在实际工程落地中主要面临以下两方面的技术瓶颈：

2、一方面，碳排放管控存在核算粗糙与数据失真的局限。现有技术未从物理机理上对构件的主体建材、辅助连接材及周转支撑材进行分类精细化核算，未能有效利用现有的构件深化设计数据、模具几何参数及配料计量数据，导致数据源与现场工况脱节，核算精度严重不足。

3、另一方面，碳排放管控存在缺乏反馈控制与自适应调节的缺陷。现有技术多局限于碳排放核算数据的呈现，缺乏将虚拟空间低碳仿真策略反向作用于物理现场的反馈控制链路，无法通过生产设备参数的自适应调节及车间全局调度来挖掘工艺环节的碳减排潜力。

4、综上所述，如何依托数字孪生技术，构建一种深度融合现场多维传感网络以实现精细化碳流核算，并在满足订单交付期限约束的前提下完成低碳仿真寻优与设备闭环控制的方法和系统，是当前预制混凝土构件绿色制造领域亟待突破的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有预制混凝土构件生产阶段碳排放管控存在的核算粗糙与数据失真，以及缺乏反馈控制与自适应调节等问题，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的预制混凝土构件生产阶段碳排放管控方法和系统，以打通从物理生产多维数据感知、虚拟孪生时空动态映射、预制构件碳流精准核算、低碳调度虚拟仿真寻优到物理设备闭环反馈控制的技术链路。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了基于数字孪生的预制混凝土构件生产阶段碳排放管控方法，包括以下步骤：

4、s1、物理生产多维数据感知：依托部署在物理生产实体处的传感网络及计量单元，实时采集预制混凝土构件在连续制造工序中的动态异构数据；所述动态异构数据包括用以核算隐含碳排放的材料消耗数据，以及用以核算直接碳排放的生产机械能耗时序数据；

5、s2、虚拟孪生时空动态映射：经由工业通信网关将所述动态异构数据流实时注入虚拟孪生实体，利用统一时空编码协议建立物理生产实体至虚拟孪生实体的动态映射关联，在虚拟空间中高保真同步呈现物理构件在连续制造工序中的空间几何演变轨迹及物理状态演化过程；

6、s3、预制构件碳流精准核算：依托所述虚拟孪生实体的动态映射关联，数字化追踪单一预制混凝土构件的时空碳流；结合连续制造工序特征，分别动态计算主体建材绝对碳排放、辅助连接材附加碳排放、周转支撑材摊销碳排放，叠加生产机械能源消耗碳排放，聚合生成高分辨率的构件级时空碳流演化模型；

7、s4、低碳调度虚拟仿真寻优：将所述构件级时空碳流演化模型导入仿真寻优引擎，在所述虚拟孪生实体内部建立排产边界约束条件，运行分布式离散事件仿真程序执行多批次试错推演，计算得出在满足订单交付期限前提下的最优低碳工艺控制参数集合及场内物流流转节拍；

8、s5、物理设备闭环反馈控制：依据所述最优低碳工艺控制参数集合及场内物流流转节拍，生成目标控制指令序列，反向作用于对应的物理生产实体的工业控制节点及执行终端，动态调节物理生产设备的运行参数，驱动物理产线完成低碳自适应执行；物理生产设备实时反馈运行状态至仿真寻优引擎，提供滚动更新的运行状态数据。

9、进一步地，步骤s1中所述物理生产实体包含对应于预制混凝土构件连续制造工序的底层硬件设施，具体包括：用于骨架安装及模板拼装作业的生产台座系统、用于物料运转及构件移位的起重吊装及场内物流设备、用于混凝土入模及成型的浇筑及振捣设备、用于加速混凝土凝结硬化的蒸汽养护窑、用于后处理作业的预应力张拉千斤顶及孔道压浆设备。

10、进一步地，步骤s1中所述传感网络及计量单元包括：用于采集材料消耗数据的配料机电子称重传感器、水及外加剂管路流量计、物料条码扫描终端；用于采集生产机械能耗时序数据的设备主回路智能电表、蒸汽管路流量计；以及用于采集车间环境数据的蒸汽养护窑内部热电偶温度传感器。

11、进一步地，步骤s2中所述虚拟孪生实体的构建方法及数据同步方式具体为：

12、实体构建：提取预制混凝土构件的深化设计数据及模具几何三维参数，在虚拟空间中初始化构建构件本体及模具的空间拓扑边界，并嵌入混凝土凝结硬化热动力学机理模型；

13、数据同步：工业通信网关通过工业自动化标准通信协议周期性抓取步骤s1采集的动态异构数据；所述统一时空编码协议在接收到所述动态异构数据后，自动解析数据源节点的身份与位置属性，为每一数据流生成并分配预制构件唯一识别码、模具编号及工位时间戳，进而将所述动态异构数据与上述多维标识进行实时绑定，实现事件驱动型的虚拟孪生状态高频同步更新。

14、进一步地，步骤s3中所述时空碳流的具体计算逻辑为：

15、主体建材绝对碳排放核算：所述主体建材包括钢筋、混凝土、钢绞线及预留波纹管；对比所述深化设计数据中的理论建材用量以及配料机电子称重传感器采集的所述主体建材的实际消耗量，核算主体建材绝对碳排放；

16、辅助连接材附加碳排放核算：所述辅助连接材包括加固套筒、螺栓螺母、锚夹具及压浆料；根据生产工单记录提取所述辅助连接材的单次消耗量，核算辅助连接材附加碳排放；

17、周转支撑材摊销碳排放核算：所述周转支撑材包括模具及支撑钢管；基于所述周转支撑材的生命周期总碳排放量、以及所述周转支撑材的当前实际周转次数，执行周转支撑材的动态折旧分摊碳排放计算；

18、生产机械能源消耗碳排放核算：依据智能电表及蒸汽流量计实时捕获的起重吊装设备、搅拌车、振捣棒、张拉千斤顶及压浆泵的瞬时功率与启停时间戳，积分计算各生产机械的能源消耗碳排放。

19、进一步地，步骤s4中所述低碳调度虚拟仿真寻优，具体包含以下执行机理：

20、构建以车间总碳排放量最小化为单一评价指标的适应度函数；

21、实时提取虚拟孪生实体内映射的模具占用状态、生产设备空闲时段、原材料库存余量以及订单交付绝对期限作为排产边界约束条件；

22、采用寻优算法在虚拟空间内对工序队列执行多代次迭代仿真，在不违背所述订单交付绝对期限约束的前提下，通过虚拟试错输出包含最佳蒸汽养护升温阶梯曲线、张拉设备最佳启停时序、场内物流最优流转路径在内的低碳工艺控制参数集合与场内物流流转节拍。

23、进一步地，步骤s5中所述物理设备闭环反馈控制，包含设备级直接控制及车间级调度控制两种模式：

24、设备级直接控制：将所述低碳工艺控制参数集合编译为工业控制协议指令，下发至现场可编程逻辑控制器，对生产设备执行多维参数的自适应调节。所述调节具体包括：针对热力学设备，自动调节蒸汽养护窑的蒸汽电磁阀开度，以逼近最佳升温阶梯曲线；针对动力与成型设备，自动调节混凝土搅拌主机的变频转速与振动台的激振频率，以降低冗余电耗；针对后处理设备，自动设定预应力张拉千斤顶的液压伺服持荷参数及压浆泵的注浆压力。

25、车间级调度控制：将所述场内物流流转节拍同步至制造执行系统，生成全局数字看板与移动端派工任务，对物料与资源执行时空协同干预。所述干预具体包括空间物流协同与资源时序协同：在空间物流协同中，指导起重机台班执行翼板钢筋骨架的最优空间吊装轨迹，协同指挥混凝土运输车完成精准的场内定点浇筑；在资源时序协同中，动态指令周转支撑材的拆卸与清洗频次，以及自适应调配各连续制造工位之间的作业衔接时序，以消除设备待机碳排。

26、第二方面，本发明提供了一种基于数字孪生的预制混凝土构件生产阶段碳排放管控系统，用于实现第一方面任一项所述的方法，所述系统包括：

27、多维感知模块：用于实时采集物理生产实体在各制造工序中的材料消耗数据、机械能耗数据；

28、动态映射模块：用于驱动虚拟孪生实体，建立物理生产实体在连续工序上的时空映射关联；

29、碳流核算模块：用于分类核算主体建材、辅助连接材、周转支撑材及生产机械的碳排放；

30、仿真寻优模块：用于执行多目标迭代仿真，输出低碳工艺控制参数集合及物流流转节拍；

31、闭环控制模块：用于经由可编程逻辑控制器及制造执行系统终端对现场机械运行参数及调度行为执行闭环反馈。

32、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现第一方面任一项所述的方法的步骤。

33、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现第一方面任一项所述的方法的步骤。

34、总体而言，与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：

35、1. 突破了现有技术核算粗糙与数据失真的局限，实现了精细化的动态碳流核算。本发明依托混凝土构件的深化设计数据与模具几何参数构建物理边界，并将消耗物料划分为主体建材、辅助连接材与周转支撑材。通过现场多维传感网络获取的计量数据，本发明能够精准追踪构件在连续工序中的时空碳流，有效解决了传统数据监测与现场实际脱节的技术难题。

36、2. 克服了现有技术缺乏反馈控制与自适应调节的局限，实现了现场生产设备的闭环反馈控制。 本发明在虚拟空间内将订单交付期限作为边界约束执行迭代推演，从而生成最优低碳控制参数。进而，本发明将低碳仿真策略转化为执行指令并下发至制造执行系统，直接驱动了底层生产设备的参数自适应调节，有效挖掘了真实制造工艺环节的碳减排潜力。