基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)

熊勇　陳嘉奇　張加

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的混凝土智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，是將混凝土的生產(chǎn)和運輸環(huán)節(jié)的實時作業(yè)信息采集傳送到調度中心的綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了大量的傳感器形成傳感器網(wǎng)絡，并采NRFID射頻技術進行數(shù)據(jù)傳遞，方便管理人員實時掌握施工現(xiàn)場情況，并分別發(fā)出指令，統(tǒng)一調度管理。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；混凝土；RFID射頻；無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號：TU528.06 文獻標識碼：A 文章編號：2095—6487（2018）02—0093—04

0引言

目前國內(nèi)建筑工程自動化生產(chǎn)混凝土已經(jīng)初具規(guī)模，智能化系統(tǒng)發(fā)達，僅僅需要將混凝土按比例分配進行設定，機器就可以自動化的進入工作狀態(tài)。在國內(nèi)預應力混凝土管道生產(chǎn)行業(yè)中，我國的寧夏青龍管業(yè)股份有限公司對混凝土采用了帶有濕度檢測控制系統(tǒng)的離軸行星式混凝土攪拌，其可以根據(jù)內(nèi)部的濕度測量微波傳感器Hydro-Mix對其進行內(nèi)部控制，保證濕度以及水量的平衡，從而實現(xiàn)精確控制混凝土的水灰比的目的，提高了產(chǎn)品質量?，F(xiàn)階段，有眾多企業(yè)已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)自動采集分析能力。比如，華能瀾滄江水電股份有限公司的黃登·大華橋水電站現(xiàn)如今已經(jīng)投入到了生產(chǎn)當中，這項工程在初期的時候所使用的施工工藝已經(jīng)初具規(guī)模，具備了較為科學的檢測結果，嚴格計算其配比過程，不斷對施工配料單進行自動化計算，結合理論配比，進行施工配料單的自動計算。如今，國內(nèi)的混凝土運輸工程所選取運輸混凝土工具的大都是土罐車以及自卸車，所以大型建設施工的過程中應當對車內(nèi)安裝監(jiān)視設備，以保證對車輛進行實時監(jiān)控。

國內(nèi)大型建筑工程項目在混凝土生產(chǎn)環(huán)節(jié)和運輸環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)混凝土自動化生產(chǎn)和數(shù)據(jù)自動采集與分析、運輸車輛定位和跟蹤，但在成品管理、運輸和施工方面仍停留在相對松散的狀態(tài)，各個相關環(huán)節(jié)基本上還是采用人工管理模式來進行，尚未做到對混凝土的統(tǒng)一調度管理。若將混凝土生產(chǎn)和運輸通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動通訊系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及自動化生產(chǎn)系統(tǒng)等，按照約定的通信協(xié)議，讓運輸與生產(chǎn)之間產(chǎn)生聯(lián)系，對數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)進行運用，保證其通訊的穩(wěn)定性，并且對施工現(xiàn)場的作業(yè)問題及時掌握，保證指令發(fā)出時同一時間下發(fā)到各個部門，保證施工過程統(tǒng)一管理，這樣才能讓混凝土施工問題得到改善，保證對混凝土生產(chǎn)的管理過程，大大增加其質量。

1系統(tǒng)的結構設計

在以物聯(lián)網(wǎng)為前提的混凝土智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，首先應該保證把信息化管理所有過程覆蓋混凝土制品的物流管理與生產(chǎn)管理；其次，管理工作人員應該對原材料的MRP的采購情況進行實時監(jiān)控，包括生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品狀態(tài)、倉庫當中的不同原材料的型號、數(shù)量、所有人、儲位以及監(jiān)管負責人，并且應該保證生產(chǎn)管理系統(tǒng)還能把倉儲的性能進一步擴展至全部供應鏈的上下游，從而令其同物流系統(tǒng)的揀貨、出貨以及配送的數(shù)據(jù)信息進行緊密聯(lián)系；最后，可以按照庫存情況及訂單情況對生產(chǎn)計劃進行實時調整，使生產(chǎn)信息能配合自動化生產(chǎn)線的作業(yè)流程。

結合上述系統(tǒng)構建思路，設計出了整體的系統(tǒng)結構。如圖1所示。

系統(tǒng)采用C/S和B/S相結合的工作模式，所有數(shù)據(jù)存儲到監(jiān)控中心的服務器端，并且在各地局部服務器上存儲本地數(shù)據(jù)，支持遠程、多端點登錄，有權限用戶均可實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，查看并處理相關的數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)信息管理用戶層級包括領導層應用、管理層應用和生產(chǎn)現(xiàn)場應用三部分。如圖2所示。

2系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)兩個部分組成。

傳感系統(tǒng)是將信息采集系統(tǒng)與智能交互系統(tǒng)構建的一種傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，同時把獲得的信息發(fā)送到后臺信息處理中心，之后再分別發(fā)送到數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)系統(tǒng)以及物流系統(tǒng)。

2.1傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)主要針對原材料出入庫、倉儲管理和混凝土生產(chǎn)管理、車輛運輸?shù)葘嵤┊a(chǎn)品的身份識別、入庫登記與生產(chǎn)監(jiān)控以及物流運輸?shù)乳_展標識感應記錄管理工作，并將采集到的關鍵數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺，令獲得身份標識的所有產(chǎn)品在倉庫當中的所處位置可以用二維（三維）模型形式抑或是坐標的形式展現(xiàn)在管理平臺當中。文中通過射頻識別（RFID）、紅外感應、GPS全球定位以及激光掃描器等信息傳感裝置，并根據(jù)相關的約定協(xié)議，將所有物品同互聯(lián)網(wǎng)有機連接起來，更好地開展信息的通信與交換，從而更有利于對物體進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控以及管理。

如圖3所示是原材料進場時使用物聯(lián)網(wǎng)技術完成材料出入廠的過磅計量檢測。同時，將實驗室的原材料取樣地點設置在地磅房過磅環(huán)節(jié)，既規(guī)范了實驗室取樣數(shù)據(jù)業(yè)務，同時也在保證材料質量的情況下未額外增加信息源和人工成本。

2.2信息處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)模塊主要進行現(xiàn)場生產(chǎn)信息和物流運輸信息的實時采集，匯集到中央數(shù)據(jù)中心進行分析，將分析結果與決策發(fā)往各級管理人員，調整生產(chǎn)管理。其工程化模式是：利用物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知、信息傳遞和信息處理技術，精確監(jiān)測、描述并智能控制其中發(fā)生的業(yè)務過程：同時生產(chǎn)控制單元與生產(chǎn)調度、實驗室以及物流運輸車輛等單元間通信，在工藝、質量和環(huán)境安全等約束條件下實現(xiàn)過程協(xié)同和優(yōu)化。

信息處理系統(tǒng)讓攪拌站混凝土生產(chǎn)管理具有更加優(yōu)異的感知、預測、協(xié)調和分析能力，并以全面的自動化和智能化實現(xiàn)生產(chǎn)運營優(yōu)化。建立混凝土攪拌站生產(chǎn)環(huán)節(jié)的標準性業(yè)務流，對原材料評價體系標準化，實現(xiàn)對材料進場質量的穩(wěn)定性進行評價與控制；規(guī)范化實驗室業(yè)務，建立在取樣、實驗過程、實驗結果和結果分析等方面現(xiàn)場可控的標準化流程；實現(xiàn)管理調度信息與攪拌控制系統(tǒng)的一體化，嚴格配合比，執(zhí)行實時的質量保證體系，實時準確的材料消耗報表、生產(chǎn)報表、質量報表等。如圖4所示。

2.3生產(chǎn)控制系統(tǒng)

生產(chǎn)控制系統(tǒng)是混凝土智能生產(chǎn)的核心系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含攪拌站控制模塊、溫/濕度檢測模塊、監(jiān)控模塊和質檢模塊等，與實驗室、存儲倉庫以及質檢等全部集成和整合優(yōu)化，使混凝土生產(chǎn)過程具有良好的抗干擾能力、完善的異常識別預警和自我診斷的前饋控制能力。生產(chǎn)控制系統(tǒng)和攪拌站控制系統(tǒng)相結合，通過手機和移動控制平臺對生產(chǎn)過程實現(xiàn)在線實時監(jiān)控。其中，移動終端的實時監(jiān)控可以準確實時的掌握每天、每個時段的現(xiàn)場生產(chǎn)情況，原材料的存儲量和消耗量；移動控制平臺主要是監(jiān)控攪拌站控制系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)，從配料方面、骨料運輸方面、投料方面、攪拌方面以及卸料方面等實施所有生產(chǎn)周期的監(jiān)控工作，并形成混凝土生產(chǎn)效率時效分析圖；管理移動終端能夠及時查看重點工程的具體施工情況、現(xiàn)場澆筑點以及生產(chǎn)狀態(tài)等相關信息。最后，對生產(chǎn)當中裝置出現(xiàn)的性能及質量偏差實施質量可靠性的探究工作，并對一些質量偏差不符合相關要求的裝置實施報警。如圖5所示。

2.4物流管理系統(tǒng)

原材料入庫時，利用車載電子標簽，把關于車載物料的信息通過遠距掃描的方式收集下來，然后輸送到數(shù)據(jù)中心；在儲存原材料的時候，通過RFID電子標簽對產(chǎn)成品實施身份標識，并將分類資料存儲到數(shù)據(jù)庫；混凝土成品出廠時，帶有RFID無線射頻讀寫功能的車載終端系統(tǒng)通過混凝土攪拌站給料系統(tǒng)的射頻確認、稱量記重，完成裝料任務后，在出廠時打印確認該任務的詳細資料并將該信息傳給服務器，服務器打開車載終端的3G城市交通網(wǎng)，用GPS導航儀指引運輸路線形成車輛統(tǒng)一的運輸線路；到工地后根據(jù)打印的任務書找到交付單位，由交付單位電子簽字確認和單據(jù)簽字確認后，再由原路返回廠區(qū)準備下一次運輸。其中，空車稱重和料斗稱重識別模塊包括靜態(tài)稱重系統(tǒng)、RFID無線射頻讀寫器和信息傳遞系統(tǒng)。給料機稱重識別模塊包括給料和出料計量系統(tǒng)、RFID無線射頻讀寫器和信息傳遞系統(tǒng)；產(chǎn)品出廠打印單據(jù)模塊包括個人信息、出料重量、卸料程序以及物料的性能參數(shù)。用戶簽單確認模塊包括電子簽單和單據(jù)簽單。服務器包括生產(chǎn)制造模塊、運營客戶模塊、分析計算模塊、人力財務管理模塊、權限控制模塊和企業(yè)基礎文化模塊。調度指完成車輛從出廠到運輸途中、到工地的交割過程中各項信息的實時管理，并處理事件完成與決策和服務器的信息互動。如圖6所示。

3系統(tǒng)測試

本控制系統(tǒng)B/S、C/S交互采用的框架是Restful接口和前段頁面動態(tài)加載頁面。其中，后臺使用Spring boot后端接口自動配置類和快速構建應用程序，前端采用vue2.0開發(fā)頁面，數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫。與MySOL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互的是支持定制化SOL、存儲過程以及高級映射的MyBatis持久層框架，將接口和Java的POJOs映射成數(shù)據(jù)庫中的記錄。如圖7所示。

如圖7混凝土生產(chǎn)控制系統(tǒng)，用過以下指標衡量系統(tǒng)的性能包括無限射頻識別的范圍達到1.5 m以上；無線射頻識別后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫獣r間保持在2 s以內(nèi)；數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲時間達到10年以上；并發(fā)展用戶達到2000以上時，本系統(tǒng)能夠長時間保持運行流暢、穩(wěn)定。

4結束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的混凝土智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究，集成了多種傳感器形成無線傳感器網(wǎng)絡，將RFID無線射頻技術應用于混凝土的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)了混凝土遠程無線網(wǎng)絡控制、遠程生產(chǎn)管理和遠程監(jiān)控功能，形成了混凝土的智能生產(chǎn)與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)從根本上提高了混凝土生產(chǎn)、管理的效率，大大降低了混凝土生產(chǎn)、管理的成本。但信息傳輸?shù)膶崟r性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在不確定性，仍需要深入，未來將繼續(xù)就此問題進行研究。