一种基于多用户游戏的游戏化系统，用于规划模块化建筑活动

《Expert Systems with Applications》：A multi-user game-based system for planning modular construction activities

本研究提出了一种集成游戏引擎、区块链和云模拟的智能决策支持系统（GAMMOD），用于模块化建造供应链（MC-SC）的协作规划和性能优化。通过AnyLogic开发云模拟模型，整合DES和ABM方法评估成本、时间和可持续性等关键绩效指标；利用Unity3D构建多用户虚拟场景，结合NEAR区块链实现安全访问与活动追踪。案例研究表明，GAMMOD系统在14名专家评估中达到系统可用性评分75.7，显著提升团队协作与决策可行性，同时支持非沉浸式和沉浸式两种访问模式。研究填补了现有MC-SC规划中协作不足、数据不透明和物理可行性考量缺失的空白。

　　在模块化建筑（MC）领域，供应链（SC）规划是一个复杂且具有挑战性的任务。它涉及多个团队之间的互动，包括制造、运输和安装阶段，这些团队需要协调一致，以确保项目按时、按预算并符合可持续性要求完成。然而，传统的规划方法往往无法满足这些需求，因为它们缺乏实时协作功能，且未能充分考虑物理属性和实际可行性。为了解决这些问题，本文提出了一种基于游戏引擎的智能模块化规划系统（GAMMOD），该系统结合了多用户协作功能和区块链技术，旨在为MC项目提供一个更加安全、高效和直观的规划平台。

### 一、研究背景与挑战

模块化建筑作为一种新兴的施工方式，近年来在许多国家得到了广泛的应用。其优势在于能够将大部分现场施工工作转移至受控的工厂环境中，从而提升施工质量、缩短工期，并改善施工安全和可持续性。然而，模块化建筑的供应链规划仍然面临诸多挑战，其中最主要的挑战包括：供应链各阶段之间的信息孤岛现象，限制了团队间的协作；缺乏远程访问能力，使得用户必须在VR设施中进行操作；以及数据安全性不足，可能导致信息泄露或篡改。这些限制使得现有的MC-SC规划工具难以满足实际应用中对协同决策、信息共享和数据安全的多方面需求。

此外，虽然游戏引擎和虚拟现实（VR）技术已被用于MC项目的可视化和模拟，但大多数现有研究仍局限于单用户场景，无法支持多人协作。因此，开发一种能够支持多用户协作、具备数据安全机制，并且允许远程访问的系统，成为提升MC-SC规划效率的关键。本文提出的GAMMOD系统正是为了解决这些挑战而设计的，它结合了游戏引擎、VR、区块链和云计算等技术，为MC项目提供了一个集成化的规划平台。

### 二、GAMMOD系统的核心特性

GAMMOD系统的核心特点包括：

1. **多用户协作功能**：该系统支持多个用户同时访问同一虚拟场景，从而增强团队间的实时沟通和协同决策。这种多用户功能不仅允许不同团队的成员进行交互，还能确保信息在多个用户之间同步更新，提高整体规划的透明度和效率。

2. **非沉浸式与沉浸式模式**：为了适应不同的硬件条件，GAMMOD系统支持非沉浸式（如网页端）和沉浸式（如VR头显）两种模式。非沉浸式模式采用区块链技术来保障数据安全，而沉浸式模式则通过用户凭证授权实现访问控制。这种灵活性使得系统能够广泛应用于不同的MC项目场景。

3. **结合数字孪生与仿真工具**：GAMMOD系统利用游戏引擎和BIM模型构建三维虚拟场景，同时通过仿真工具（如离散事件仿真和基于代理的建模）进行数据建模和决策优化。这种结合不仅提升了规划的可视化效果，还能够模拟实际施工环境中的各种复杂因素，如模块间隙、道路宽度和起重机能力等。

4. **区块链技术的集成**：为了确保系统数据的不可篡改性和透明度，GAMMOD系统采用了区块链技术。通过将虚拟场景与区块链网络连接，系统能够记录所有用户操作和决策过程，增强数据追踪和安全性，从而提高MC项目中各利益相关方之间的信任度。

5. **关键绩效指标（KPI）的综合评估**：GAMMOD系统不仅关注数值型KPI（如成本、时间和碳排放），还考虑了实际操作中的物理可行性。这种综合评估方法使得规划结果更加贴近现实，从而提升决策的实用性。

### 三、GAMMOD系统的开发与实现

GAMMOD系统的开发采用了设计科学研究（DSR）方法，该方法通过构建一个可以解决特定问题的系统，并展示其有效性，来指导系统设计和评估。系统开发包括以下几个主要阶段：

1. **问题识别与目标设定**：通过分析MC-SC规划中的主要挑战，明确系统的目标，即创建一个支持多用户协作、数据安全和实时评估的规划平台。

2. **系统设计与构建**：系统由三个主要模块组成：云仿真模型（CloudSIM）、游戏引擎与VR模型、以及区块链与网络模型。其中，CloudSIM模块负责数据建模和KPI评估，游戏引擎与VR模块用于可视化和交互式模拟，而区块链与网络模块则用于确保数据安全和用户身份验证。

3. **系统测试与评估**：为了验证系统的功能和用户体验，14名MC专家参与了测试。测试方法包括系统可用性评估（SUS）和功能评估（基于五个假设的评分）。结果显示，GAMMOD系统在可用性方面达到了75.7的SUS评分，远高于70的基准值，表明系统具备良好的用户友好性。此外，所有参与者对系统的功能表示认可，其中80%至100%的参与者同意或强烈同意该系统能够改善MC-SC的协同规划。

4. **系统优化与扩展**：基于专家反馈，系统还具备进一步优化的潜力。例如，未来可以引入实时数据采集功能，利用物联网（IoT）传感器收集工厂和现场的实际施工数据，以提升系统的准确性和实用性。此外，系统还可以通过集成更多物理KPI，如模块重量和起重机容量，来增强其对实际操作的指导作用。

### 四、GAMMOD系统在实际应用中的表现

通过两个案例研究，本文展示了GAMMOD系统在实际应用中的表现。第一个案例研究涉及一个模块化桥梁项目，使用了海陆运输相结合的方式。第二个案例研究则聚焦于住宅建筑，涵盖了墙板和地板的预制模块化生产。这两个案例研究不仅验证了GAMMOD系统在不同MC类型中的适用性，还展示了其在不同阶段的协同规划能力。

在案例研究中，GAMMOD系统被用来评估不同运输方案的可行性，例如使用不同类型的运输车辆和路线规划。系统通过游戏引擎构建的三维场景，能够实时检测模块间隙和道路宽度等物理因素，确保规划方案符合实际施工条件。此外，系统还支持多团队之间的协作，如物流团队和现场安装团队，通过共享虚拟场景和实时数据，提高了信息传递的效率和准确性。

### 五、GAMMOD系统的应用价值与未来发展方向

GAMMOD系统的应用价值体现在多个方面。首先，它提供了一个安全、实时且高度可视化的规划平台，使得MC团队能够在项目开始前进行充分的协同决策。其次，该系统通过结合区块链和游戏引擎，解决了现有MC-SC规划工具在数据安全和团队协作方面的不足。此外，GAMMOD系统还支持远程访问，使得用户无需依赖特定的VR设备，即可参与规划过程，这大大提高了系统的适用性和可扩展性。

然而，GAMMOD系统仍然存在一些局限性。例如，当前的云仿真模型尚未与区块链网络直接连接，未来可以进一步优化这一功能，以提高数据的可追溯性和透明度。此外，系统的复杂性可能会成为其广泛应用的障碍，因此需要进一步简化部署流程，提高系统的易用性。最后，虽然GAMMOD系统已经支持非沉浸式VR模式，但未来研究可以探索其在沉浸式VR模式下的应用，以提升用户体验和交互性。

### 六、结论

本文提出的GAMMOD系统，是一种基于游戏引擎和区块链技术的智能模块化规划工具。它不仅解决了传统MC-SC规划中的信息孤岛和数据安全问题，还通过多用户协作和远程访问功能，提高了团队间的沟通和决策效率。系统结合了仿真工具、BIM模型、游戏引擎、VR和区块链技术，能够对MC项目的多个阶段进行可视化和实时评估，为MC团队提供了更加全面和直观的决策支持。

通过两个案例研究和14名专家的评估，GAMMOD系统展现出了良好的可用性和功能表现。系统的SUS评分达到了75.7，远超70的基准值，表明其具备较高的用户满意度。此外，所有专家对系统的核心假设表示认可，认为其能够有效改善MC-SC的协同规划和决策过程。未来，GAMMOD系统可以进一步优化，例如引入实时数据采集、增强物理KPI的考虑、简化部署流程，并探索沉浸式VR模式下的应用。这些改进将有助于提升系统的实用性和广泛适用性，使其成为模块化建筑供应链规划的重要工具。