我國(guó)高速鐵路CRTSⅢ型軌道板智能制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

賈有權(quán)　王啟迪　王露鳴

摘要：CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為我國(guó)自主研發(fā)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了單元臺(tái)座法、矩陣臺(tái)座法、流水機(jī)組法的發(fā)展歷程，正處于由機(jī)械化、自動(dòng)化制造向智能制造發(fā)展的階段。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)CRTSⅢ型軌道板智能制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析對(duì)比，預(yù)期建立軌道板廠數(shù)字模型，搭建軌道板廠智能制造框架;基于智能制造新型裝備的應(yīng)用，在企業(yè)制造設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，然后在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的智能化管控，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同、制造流程協(xié)同，形成自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)管理模式。

Abstract： CRTSⅢ type slab ballastless track is a track structure independently researched and developed in China， which has completely independent intellectual property rights. It has experienced the development process of unit pedestal method， matrix pedestal method and flow unit method and is in the stage of development from mechanized and automated manufacturing to intelligent manufacturing. This paper analyzes and compares the development status of domestic CRTSⅢ type track slab intelligent manufacturing technology， and expects to establish a track slab factory digital model and build a track slab factory intelligent manufacturing framework; realize interconnection at the level of enterprise manufacturing equipment based on the application of intelligent manufacturing new equipment， and then realize intelligent management and control of the manufacturing process， and finally realize equipment collaboration and manufacturing process collaboration to form an automated， informational and networked production management model.

關(guān)鍵詞：CRTSⅢ軌道板;智能制造;技術(shù)展望

Key words： CRTSⅢ rail slab;intelligent manufacturing;technology prospect

中圖分類號(hào)：U213.244? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0264-03

0? 引言

在鐵路科技創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)和引領(lǐng)下，我國(guó)建成了世界上最現(xiàn)代化的鐵路網(wǎng)和最發(fā)達(dá)的高鐵網(wǎng)，2019年底全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.9萬(wàn)公里以上，其中高鐵3.5萬(wàn)公里，高居世界第一。我國(guó)已成為擁有世界上最發(fā)達(dá)高鐵網(wǎng)的國(guó)家，形成了全面擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)裝備和技術(shù)體系。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道由我國(guó)自主研發(fā)，是我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道結(jié)構(gòu)，具有技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、綜合性能優(yōu)等特點(diǎn)，在我國(guó)高鐵建設(shè)中廣泛應(yīng)用。CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板制造技術(shù)經(jīng)歷了單元臺(tái)座法、矩陣臺(tái)座法、流水機(jī)組法的發(fā)展歷程，正處于由機(jī)械化、自動(dòng)化制造向智能制造發(fā)展的階段。

1? 軌道板智能制造的定義

軌道板智能制造是廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，與自主創(chuàng)新的科學(xué)建造技術(shù)相融合，通過(guò)自動(dòng)感知、自主判斷、協(xié)同聯(lián)動(dòng)和智能決策等手段，實(shí)現(xiàn)軌道板制造過(guò)程中的精細(xì)化和智能化管理，從信息化、數(shù)字化向智能化發(fā)展。

2? 我國(guó)軌道板智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2013年，CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力軌道板首次規(guī)?；瘧?yīng)用于鄭徐高鐵，發(fā)展到2019年底，我國(guó)已建設(shè)CRTSⅢ型先張法軌道板廠32家，制造的軌道板應(yīng)用于全國(guó)的數(shù)十條高鐵。軌道板制造工藝，由2017年以前全部為傳統(tǒng)的“臺(tái)座法”，發(fā)展到近幾年規(guī)模應(yīng)用的“流水機(jī)組法”，通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線與數(shù)控設(shè)備的配置，使軌道板智能制造成為可能。

2.1 “流水機(jī)組法”軌道板廠技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 制造實(shí)現(xiàn)工廠化

基本實(shí)現(xiàn)了制造布局的模塊化、制造裝備的機(jī)械化、工藝流程的節(jié)拍化，施工作業(yè)集成度相對(duì)較高。

2.1.2 主要工序作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

軌道板制造從鋼筋綁扎到成品出庫(kù)的全生命周期，由17道工序組成。早期建設(shè)的板廠在“預(yù)應(yīng)力放張、軌道板脫模、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土澆筑、蒸汽養(yǎng)護(hù)”五大工序上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè);后期建設(shè)的板廠陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了“模具清理、脫模劑噴涂、預(yù)埋套管安裝、張拉桿旋擰、軌道板檢測(cè)”工序的自動(dòng)化，主要工序都已滿足自動(dòng)化作業(yè)需求。

2.1.3 管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化

基本實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵工序信息采集的自動(dòng)化，以及設(shè)備、試驗(yàn)、工序等數(shù)據(jù)庫(kù)管理的信息化;通過(guò)引入RFID技術(shù)，還實(shí)現(xiàn)了原材、工序等信息的實(shí)時(shí)記錄及追溯。

2.2 “流水機(jī)組法”軌道板廠亟待解決的技術(shù)問(wèn)題

2.2.1 沒(méi)有形成統(tǒng)一的行業(yè)制造工藝標(biāo)準(zhǔn)

各板廠制造工藝存在差異，如：預(yù)應(yīng)力張拉力鎖緊方式有液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械鎖緊螺母技術(shù)、楔形塊固定技術(shù)、皮帶傳動(dòng)鎖緊技術(shù)等;蒸汽養(yǎng)護(hù)、流轉(zhuǎn)方式也各有不同。

2.2.2 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全工序的機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)

軌道板鋼筋綁扎、封錨、模具檢測(cè)、場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸?shù)裙ば蛉詾槿斯ぷ鳂I(yè);其他已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)的工序還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)，輔助作業(yè)人員較多。

2.2.3 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)控制和在線優(yōu)化

生產(chǎn)線控制以工位單獨(dú)操作為主，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)集中聯(lián)動(dòng)控制和在線自動(dòng)優(yōu)化。中央控制系統(tǒng)以信息收集作用為主，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.2.4 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全工序的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與應(yīng)用。

目前僅有放張、張拉、蒸汽養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集，模具檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、封錨、原材料驗(yàn)收等僅限于人工采集、手工錄入，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的及時(shí)率和準(zhǔn)確率。

2.2.5 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信息管理的互聯(lián)互通

已有的信息化管理系統(tǒng)間，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全的互聯(lián)互通，存在信息孤島現(xiàn)象，大量信息傳遞需要人工輔助。

2.2.6 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)效率

國(guó)內(nèi)軌道板生產(chǎn)線大都按照流水節(jié)拍10min設(shè)計(jì)，但以目前各板廠的日生產(chǎn)能力來(lái)看，均未實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線所設(shè)計(jì)的最優(yōu)效率，沒(méi)有充分發(fā)揮出流水機(jī)組法的工藝優(yōu)勢(shì)。

3? 智能制造技術(shù)設(shè)計(jì)與展望

無(wú)論是德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是中國(guó)制造2025的兩化深度融合戰(zhàn)略，其核心都是CPS信息物理系統(tǒng)。通過(guò)建立軌道板廠數(shù)字模型，搭建軌道板廠智能制造框架;基于智能制造新型裝備的應(yīng)用，在企業(yè)制造設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，然后在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的智能化管控，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同、制造流程協(xié)同，形成自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)信息感知，優(yōu)化決策、實(shí)時(shí)控制、智能制造、卓越供應(yīng)，打造屬于中國(guó)的CPS技術(shù)。

3.1 工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化

3.1.1 制定BIM標(biāo)準(zhǔn)

制定軌道板廠從建廠、制造到運(yùn)維的全生命周期BIM信息模型標(biāo)準(zhǔn)，為軌道板全生命周期的數(shù)字化管理提供基礎(chǔ)。

3.1.2 建立數(shù)字化模型

建立軌道板廠總體設(shè)計(jì)、工藝流程、布局的BIM數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

3.2 工序設(shè)備自動(dòng)化

3.2.1 作業(yè)工序自動(dòng)化

通過(guò)采用先進(jìn)的數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備，創(chuàng)新改造各工位的作業(yè)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)軌道板鋼筋綁扎、軌道板脫模、模具清理、脫模劑噴涂、配件安裝、鋼筋籠入模、張拉桿連接、絕緣檢測(cè)、模具檢測(cè)、混凝土澆筑、蒸汽養(yǎng)護(hù)、軌道板脫模、軌道板封錨、成品板檢驗(yàn)、成品板入庫(kù)、生產(chǎn)流轉(zhuǎn)等主要工序的自動(dòng)化;部分制造環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于模型的先進(jìn)控制和在線優(yōu)化。

3.2.2 設(shè)備信息互聯(lián)互通

利用局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和分布式控制系統(tǒng)，建立板廠級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);通過(guò)數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通。

3.3 工廠管理信息化

集成MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）和ERP（資源計(jì)劃系統(tǒng)）功能，開(kāi)發(fā)軌道板廠綜合管理平臺(tái)，整合板廠現(xiàn)有的中央控制系統(tǒng)、生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)、試驗(yàn)室管理系統(tǒng)、攪拌站管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、電子施工日志等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物流、能流、物性、資產(chǎn)的全流程監(jiān)控，建立數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)數(shù)采。

3.3.1 過(guò)程實(shí)時(shí)調(diào)度

生產(chǎn)指揮調(diào)度的可視化：制造過(guò)程中物料投放、產(chǎn)品產(chǎn)出的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)釆集、實(shí)時(shí)傳送，并可根據(jù)計(jì)劃、物料、設(shè)備等數(shù)據(jù)的變化和異常實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整;設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警和預(yù)診斷，關(guān)鍵設(shè)備能夠自動(dòng)調(diào)試修復(fù);生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，自動(dòng)匯總，各層級(jí)管理人員可隨時(shí)掌握生產(chǎn)情況，為決策提供可靠依據(jù)。

3.3.2 質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)警

建立數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)數(shù)采率達(dá)到90%以上。建立實(shí)時(shí)的質(zhì)量預(yù)警，不合格記錄自動(dòng)短信報(bào)警，自動(dòng)形成預(yù)警臺(tái)帳和不合格處置信息臺(tái)帳，保障關(guān)鍵工序得以有效管控，產(chǎn)品質(zhì)量可控。通過(guò)數(shù)據(jù)綜合分析，可以找出管理不足，進(jìn)而持續(xù)改進(jìn)。

3.3.3 物料自動(dòng)跟蹤

制造過(guò)程廣泛采用二維碼、條形碼、電子標(biāo)簽、移動(dòng)掃描終端等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料流動(dòng)的定位、跟蹤、控制等功能。實(shí)現(xiàn)物資稱量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示原材庫(kù)存量，效控制原材料庫(kù)存，自動(dòng)生成原材料追溯。

3.3.4 管理遠(yuǎn)程可視

建立現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和可視化管理：利用RFID技術(shù)、GIS技術(shù)、二維碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道板從制造、入庫(kù)、出庫(kù)、吊裝全過(guò)程的智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

3.3.5 信息過(guò)程追溯

關(guān)鍵工序釆用智能化質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警和診斷分析，試驗(yàn)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等質(zhì)量信息自動(dòng)錄入信息系統(tǒng)。每批次產(chǎn)品均可通過(guò)產(chǎn)品檔案進(jìn)行制造過(guò)程和使用物料的追溯，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息過(guò)程可追溯。

利用BIM技術(shù)將制造過(guò)程的所有信息錄入?yún)?shù)化模型中，實(shí)現(xiàn)軌道板全生命周期信息可追溯以及基于BIM的施工檔案資料智慧管理，為后期運(yùn)維數(shù)據(jù)挖掘與分析提供了基礎(chǔ)。

3.3.6 安全自動(dòng)監(jiān)控

對(duì)于使用壓力容器以及從事吊裝作業(yè)等存在較高安全與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)項(xiàng)目，建立在線應(yīng)急指揮聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，采取人員定位和授權(quán)管理，全方位自動(dòng)檢測(cè)與監(jiān)控有毒有害物質(zhì)的排放和危險(xiǎn)源。

3.3.7 網(wǎng)絡(luò)安全暢通

建立板廠內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各制造環(huán)節(jié)之間，以及制造過(guò)程與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)互通。

建立完善的網(wǎng)絡(luò)安全制度，制定安全應(yīng)急響應(yīng)、恢復(fù)預(yù)案，及時(shí)備份重要數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全可控。

3.3.8 能源在線管理

設(shè)計(jì)能源管理系統(tǒng)，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)能源監(jiān)控，能源統(tǒng)計(jì)，能源消費(fèi)分析，重點(diǎn)能耗設(shè)備管理，能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，使企業(yè)管理者對(duì)能源成本比重發(fā)展趨勢(shì)有準(zhǔn)確的掌握。

3.4 發(fā)展目標(biāo)

通過(guò)持續(xù)改進(jìn)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化，使得板廠在資源配置、工藝優(yōu)化、過(guò)程控制、節(jié)能減排及安全質(zhì)量管控等方面的智能化水平顯著提升，實(shí)現(xiàn)軌道板廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本降低20%以上，生產(chǎn)效率提高20%以上，產(chǎn)品不良品率降低10%以上，能源利用率提高10%以上。

4? 結(jié)語(yǔ)

智能化是世界高鐵未來(lái)發(fā)展的重要方向。伴隨中國(guó)高鐵“走出去”進(jìn)程的加快，中國(guó)高鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)正逐漸走向智能化、一體化。作為我國(guó)唯一自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力軌道板制造技術(shù)，只有向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展升級(jí)，全面實(shí)現(xiàn)智能制造，才能鞏固發(fā)展我國(guó)鐵路在世界上的領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)，打造“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”和“中國(guó)制造”的閃亮名片。

參考文獻(xiàn)：

[1]何華武，朱亮，李平，等.智能高鐵體系框架研究[J].中國(guó)鐵路，2019，681（03）：7-14.

[2]王峰.我國(guó)高速鐵路智能建造技術(shù)發(fā)展實(shí)踐與展望[J].中國(guó)鐵路，2019.

[3]王同軍.中國(guó)智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)鐵路，2019，679（01）：15-20.

[4]王玉峰，戴偉.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，未來(lái)制造業(yè)生態(tài)入場(chǎng)券[J].中國(guó)工業(yè)評(píng)論，2017（4）：30-34.

[5]宋甲武，吳利東.BIM技術(shù)在項(xiàng)目管理階段（PM）全過(guò)程審計(jì)中的應(yīng)用研究[J].改革與開(kāi)放，2019（14）.

[6]張公明.流程行業(yè)的“智能化工廠”思考[J].化工設(shè)計(jì)，2019，029（002）：41-48.