雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

彭 鵬，朱 峰，李 力，高振坤

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384）

我國無縫線路鋼軌焊接根據(jù)作業(yè)條件的不同分為基地焊和現(xiàn)場焊，其中，基地焊接接頭（簡稱：接頭）數(shù)占比達(dá)80%[1-2]。因此，焊軌基地對接頭質(zhì)量的控制和管理尤為嚴(yán)格。焊軌基地的生產(chǎn)工序較多，且大多采用了配套的自動化生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息[3-4]。充分利用這些信息有利于提高焊軌基地的接頭質(zhì)量管理水平，對實(shí)現(xiàn)接頭的全壽命周期管理具有重要意義[5-7]。

雅加達(dá)—萬隆高速鐵路（簡稱：雅萬高鐵）焊軌基地是在境外按照中國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)建設(shè)的高鐵焊軌基地，其生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制水平均達(dá)到了國內(nèi)高鐵焊軌基地的同等水平[8]。針對海外工程的特點(diǎn)，該基地采用了集成化生產(chǎn)線技術(shù)和全套國產(chǎn)化焊軌設(shè)備?；卦谝?guī)劃初期就對信息化提出了較高的要求?；谌讎a(chǎn)裝備可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)采盡采，對綜合信息管理類系統(tǒng)的搭建提供了有利條件。本文結(jié)合德卡魯爾焊軌基地的特點(diǎn)，從系統(tǒng)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)功能等方面，闡述了雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用情況。

1 焊軌基地概況

雅萬高鐵焊軌基地主要生產(chǎn)任務(wù)是將50 m短鋼軌焊接成500 m長鋼軌，全線接頭與試驗(yàn)用接頭總數(shù)約1.1萬個(gè)。該焊軌基地采用“Z字型”工藝布局，設(shè)有短軌存放區(qū)、焊前處理工位、焊接工位、粗銑工位、熱處理工位、修磨工位、長軌時(shí)效及成品區(qū)、矯直工位、精磨工位、外觀檢測工位及探傷工位。50 m鋼軌進(jìn)場后存放在短軌存放區(qū)，依次經(jīng)過焊前處理（除銹、檢查）、焊接、粗銑、熱處理、修磨等工序焊接成500 m長鋼軌；長鋼軌經(jīng)24 h靜置時(shí)效，再經(jīng)過矯直、精磨、外觀檢測、探傷等工序完成精整和檢查；合格的成品軌再通過輥道線折返至成品區(qū)碼放。生產(chǎn)工藝布局情況如圖1所示。

圖1 雅萬高鐵焊軌基地工藝布局

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)的開發(fā)根據(jù)基地的工藝布局特點(diǎn)，采集并處理與接頭質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)全過程的信息化管理和監(jiān)控。系統(tǒng)由監(jiān)控層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層組成，總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 監(jiān)控層

監(jiān)控層主要用于管理人員對焊軌基地生產(chǎn)過程和鋼軌焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)管控，包括工位監(jiān)控和長軌監(jiān)控。工位監(jiān)控展示生產(chǎn)線實(shí)時(shí)狀態(tài)、生產(chǎn)任務(wù)完成進(jìn)度、作業(yè)狀態(tài)等信息；長軌監(jiān)控則采用可視化方式展示接頭質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并對接頭質(zhì)量問題進(jìn)行追溯和分析。

2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心部分，包括生產(chǎn)管理和成品管理。生產(chǎn)管理主要提供工位作業(yè)管理和信息統(tǒng)計(jì)等功能，包括人員管理、配軌管理、焊接等8個(gè)工位的管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，并可生成各工位的生產(chǎn)作業(yè)記錄表；成品管理是指在長鋼軌發(fā)貨前利用手持終端進(jìn)行出庫管理，同時(shí)，生成合格證明材料及接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)包。

2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含了與鋼軌接頭質(zhì)量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息，基于服務(wù)器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理。主要數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：母材信息、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、焊接數(shù)據(jù)、熱處理數(shù)據(jù)、矯直數(shù)據(jù)、精磨數(shù)據(jù)、外觀檢測數(shù)據(jù)、探傷數(shù)據(jù)等。

2.4 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的相關(guān)硬件支持，包括搭建高速局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，運(yùn)行系統(tǒng)軟件的PC和服務(wù)器，采集設(shè)備數(shù)據(jù)的可編程控制器（PLC，Programmable Logic Controller）和各類傳感器，讀取接頭編碼信息的手持終端和工業(yè)掃描儀等。

3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)以生產(chǎn)作業(yè)流程為主線，利用采集終端和操作終端對每個(gè)工位的生產(chǎn)情況和接頭的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

3.1 焊前處理工位

焊前處理工位利用掃描槍將鋼軌母材信息錄入系統(tǒng)，生成短軌條碼，打印并張貼在鋼軌軌腰位置。系統(tǒng)記錄操作員、操作時(shí)間、外觀尺寸檢查結(jié)果等相關(guān)作業(yè)信息。

3.2 焊接工位

焊接工位通過工業(yè)掃描儀自動掃描短軌條碼，錄入接頭兩端的母材信息。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的編號規(guī)則，自動生成接頭號和長軌號；接頭號打印成條碼張貼在接頭附近的軌腰位置，供后續(xù)工位掃描識別使用；長軌號則在長鋼軌兩端分別進(jìn)行噴涂。閃光焊機(jī)生成的焊接曲線數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)自動上傳至服務(wù)器，其中的關(guān)鍵參數(shù)信息可在軟件報(bào)表頁面自動同步生成。通過系統(tǒng)還可以記錄操作員、操作時(shí)間、接頭外觀質(zhì)量等相關(guān)作業(yè)信息。

3.3 粗銑工位

粗銑工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號，同時(shí)記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成情況等相關(guān)作業(yè)信息。

3.4 熱處理工位

熱處理工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號。熱處理設(shè)備生成的加熱曲線數(shù)據(jù)與當(dāng)前作業(yè)的接頭號進(jìn)行關(guān)聯(lián)并自動上傳至服務(wù)器，關(guān)鍵參數(shù)信息在軟件報(bào)表頁面自動同步生成。系統(tǒng)記錄操作員、操作時(shí)間等相關(guān)作業(yè)信息。

3.5 長軌時(shí)效

修磨工位采用人工打磨作業(yè)，不采集任何數(shù)據(jù)。經(jīng)上述各工位后，帶有接頭號條碼的長鋼軌進(jìn)入時(shí)效區(qū)。系統(tǒng)記錄每個(gè)接頭的作業(yè)時(shí)間及在時(shí)效區(qū)的存放時(shí)間，確保長鋼軌上全部接頭滿足24 h以上靜置時(shí)長。

3.6 矯直工位

時(shí)效完成后的長鋼軌進(jìn)入矯直工位，該工位通過工業(yè)掃描儀自動掃描接頭號條碼，并將矯直曲線數(shù)據(jù)與接頭號進(jìn)行關(guān)聯(lián)后自動上傳至服務(wù)器，同時(shí)，記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成狀態(tài)等相關(guān)作業(yè)信息。

3.7 精磨工位

精磨工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式識別接頭號，同步獲取矯直工位的作業(yè)數(shù)據(jù)。作業(yè)人員可參考矯直數(shù)據(jù)，對精磨工藝進(jìn)行修正和優(yōu)化，同時(shí)，記錄操作員、操作時(shí)間、工位完成狀態(tài)等作業(yè)信息。

3.8 外觀檢測工位

外觀檢測工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式錄入接頭號。系統(tǒng)上傳平直度測量數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果的平直度、不平度進(jìn)行分析，自動判斷接頭外觀質(zhì)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，記錄操作員、操作時(shí)間、檢查結(jié)果等作業(yè)信息。

3.9 探傷工位

探傷工位通過自動調(diào)用或人工掃描兩種方式錄入接頭號。探傷作業(yè)情況及波形曲線與當(dāng)前接頭號關(guān)聯(lián)并上傳至服務(wù)器，同時(shí)，記錄操作員、操作時(shí)間等作業(yè)信息。

3.10 發(fā)貨工位

發(fā)貨工位通過手持終端掃描待出庫的長軌號，從而形成電子發(fā)貨單。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)貨單提取全部接頭質(zhì)量信息并生成發(fā)貨數(shù)據(jù)包和質(zhì)量合格證。質(zhì)量數(shù)據(jù)包可移交給建設(shè)單位和運(yùn)營單位，利用分析軟件即可查看并追溯成品鋼軌的接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能

雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)根據(jù)不同用戶層面的操作需求，分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、工位操作子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)及發(fā)貨管理App 4個(gè)部分內(nèi)容，其功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能架構(gòu)

4.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)管理整個(gè)焊軌基地生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)、作業(yè)人員及生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)，具體功能包括系統(tǒng)設(shè)置、排班管理、生產(chǎn)管理、報(bào)表管理、成品管理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，子系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)界面

（1）系統(tǒng)設(shè)置包括對組織機(jī)構(gòu)、用戶權(quán)限、操作日志等管理信息的設(shè)置，以及對鋼軌型號、速度等級、生產(chǎn)廠家等生產(chǎn)信息的設(shè)置。

（2）排班管理主要對焊軌基地作業(yè)人員的班次、工位、排班日歷等進(jìn)行設(shè)置和管理。

（3）生產(chǎn)管理是對焊軌基地各工位采集的全部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類展示及管理應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對任意接頭或長軌的信息檢索，調(diào)閱并分析參數(shù)信息、焊接曲線、熱處理曲線、平直度曲線等重要質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（4）報(bào)表管理功能可對各工位的生產(chǎn)業(yè)務(wù)報(bào)表進(jìn)行導(dǎo)出和打印，形成滿足驗(yàn)收要求的生產(chǎn)記錄文檔。

（5）成品管理包括檢驗(yàn)報(bào)告錄入、產(chǎn)品合格證打印、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)包生成等功能。

（6）數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能主要針對長軌接頭數(shù)據(jù)信息的完整性進(jìn)行自動復(fù)核，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)錄入、接頭數(shù)據(jù)信息不完整、重復(fù)編號等問題。

4.2 工位操作

在每個(gè)工位的操作終端上運(yùn)行有工位操作子系統(tǒng)，用于接頭相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)、作業(yè)人員信息、作業(yè)狀態(tài)、接頭編號等數(shù)據(jù)信息的采集和錄入，子系統(tǒng)界面如圖6所示。工位操作子系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程開發(fā)了8個(gè)獨(dú)立模塊，分別針對不同工位的功能需求和數(shù)據(jù)采集要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括焊前處理工位模塊、焊接工位模塊、粗銑工位模塊、正火工位模塊、矯直工位模塊、精磨工位模塊、外檢工位模塊、探傷工位模塊等。每一個(gè)工位模塊都能獨(dú)立運(yùn)行，并通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)服務(wù)器，采集的數(shù)據(jù)可同時(shí)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。

圖6 工位操作子系統(tǒng)界面

4.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)包括工位監(jiān)測和長軌監(jiān)測，可對工位操作情況、生產(chǎn)完成情況、接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行可視化展示，供生產(chǎn)管理人員對整個(gè)焊軌基地生產(chǎn)情況進(jìn)行管控，子系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)界面

（1）工位監(jiān)測以接頭編號為索引，展示各工位的流轉(zhuǎn)情況、作業(yè)人員的基本信息和工位數(shù)據(jù)采集情況，并通過圖形顯示生產(chǎn)任務(wù)的完成情況等信息。

（2）長軌監(jiān)測通過長軌編號和接頭編號檢索接頭作業(yè)情況及質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制和圖形化展示。

4.4 發(fā)貨管理

發(fā)貨管理App基于安卓系統(tǒng)開發(fā)，采用帶有激光掃碼功能的手持終端，主要功能包括：用戶管理、出庫管理和數(shù)據(jù)上傳管理。

（1）用戶管理用于設(shè)置發(fā)貨人員的基本信息。

（2）出庫管理利用手持終端掃描待出庫的長軌編號，形成出庫記錄單。

（3）數(shù)據(jù)上傳管理利用Wi-Fi與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行交互，將出庫記錄單中的長軌編號與接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成發(fā)貨質(zhì)量數(shù)據(jù)包并移交給建設(shè)單位和運(yùn)營單位，實(shí)現(xiàn)鋼軌接頭的質(zhì)量可追溯性。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 多元數(shù)據(jù)采集

為保證焊軌基地多元數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了直接和間接兩種數(shù)據(jù)采集模式。直接采集模式是在各工位操作平臺上通過以太網(wǎng)接口連接設(shè)備工控機(jī)，利用TCP/IP協(xié)議傳輸并采集設(shè)備生產(chǎn)過程中的全部加工數(shù)據(jù)。間接采集模式讀取操作終端輸入的文本數(shù)據(jù)，采用定時(shí)器的方式直接上傳至服務(wù)器。直接采集可獲取設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而有利于數(shù)據(jù)的后期處理和分析；間接采集可實(shí)現(xiàn)包括人工錄入和系統(tǒng)定義等更多信息的覆蓋。

5.2 數(shù)據(jù)安全技術(shù)

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫MySql和單機(jī)數(shù)據(jù)庫SQLite相結(jié)合的方式，既保證了數(shù)據(jù)的集中存儲，又保證了各工位的獨(dú)立性。服務(wù)器端采用熱機(jī)雙備技術(shù)，建立主/從數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)備份模式，并采用不間斷電源進(jìn)行供電，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)的安全可靠。各工位操作平臺采用SQLite數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下，數(shù)據(jù)同時(shí)保存在本地和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中；在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，再同步至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

5.3 接頭識別技術(shù)

系統(tǒng)采用了條形碼自動識別技術(shù)對長鋼軌和接頭進(jìn)行身份標(biāo)識，與質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)對接頭質(zhì)量的全壽命周期管理。雅萬高鐵焊軌基地的長軌編號由1位字母和4位數(shù)字組成，接頭編號由3位字母和8位數(shù)字組成。系統(tǒng)采用了Code128條形碼，具有編碼密度高和易識別等特點(diǎn)；基地采用工業(yè)級高速條碼掃描儀，可確保在鋼軌高速輸送過程中準(zhǔn)確地識取條碼信息。

6 結(jié)束語

雅萬高鐵焊軌基地信息管理系統(tǒng)與焊軌基地同步建設(shè)、運(yùn)行，有力地保障了雅萬高鐵焊軌基地生產(chǎn)任務(wù)的順利開展。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對接頭質(zhì)量信息的應(yīng)采盡采和各工位的無紙化作業(yè)。生產(chǎn)管理人員通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)可對生產(chǎn)全過程進(jìn)行監(jiān)控，對接頭質(zhì)量問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和溯源，對各工位及整個(gè)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和管理。

該系統(tǒng)的應(yīng)用提高了雅萬高鐵焊軌基地的信息化水平、生產(chǎn)效率及管理水平，對于鋼軌焊接質(zhì)量的控制具有重要作用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可進(jìn)一步運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，與后續(xù)鋪軌、運(yùn)營及維護(hù)信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)接頭的全壽命周期管理，更好地保障鐵路運(yùn)輸安全。