軌道交通預(yù)制管片廠電子沙盤研究與設(shè)計★

劉 宇， 孫喜利， 陳 楨， 高興華

（1.中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100038； 2.中國鐵路信息科技集團有限公司， 北京 100038；3.京津冀城際鐵路投資有限公司， 北京 100097）

0 引言

截至2022 年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)15.5 萬km，城市軌道交通運營線路總長度達(dá)10 287.45 km，我國軌道交通營業(yè)里程已位居世界前列。目前，我國在建鐵路里程超3 000 km，在建城市軌道交通里程超6 000 km，在建軌道交通里程規(guī)模仍十分龐大[1-2]。軌道交通建設(shè)項目具有工程量大、建設(shè)周期長以及配套設(shè)施多等特點，建設(shè)過程中各相關(guān)工程、工序的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)都影響整體工程的進(jìn)度與質(zhì)量[3]，全面掌握項目工程建設(shè)情況也是難點。盾構(gòu)管片作為軌道交通地下盾構(gòu)段的重要施工材料，其生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)進(jìn)度是工程地下盾構(gòu)段安全高質(zhì)完成的保障，對盾構(gòu)預(yù)制管片廠的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測與管理是十分必要的。

目前，業(yè)內(nèi)相關(guān)學(xué)者或企業(yè)對預(yù)制廠的智能化生產(chǎn)與管理做了相關(guān)研究，張俊存介紹了一系列智能化設(shè)備，提升了預(yù)制廠智能化水平[4]。朱明清、馬大偉等分別研發(fā)了生產(chǎn)管理系統(tǒng)，對混凝土預(yù)制品實現(xiàn)生產(chǎn)管理[5-6]。董娜等研究了利用RFID 技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件的進(jìn)度管理方法[7]。雖然行業(yè)內(nèi)做了相關(guān)研究與應(yīng)用，但多數(shù)研究集中于新技術(shù)在某一步驟的應(yīng)用，或者智能設(shè)備的研發(fā)。總體來看，預(yù)制盾構(gòu)管片廠的信息化及智能化程度仍不高，對生產(chǎn)過程的管理較為松散，對生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測不夠清晰，難以做到對生產(chǎn)全過程的追蹤與實施監(jiān)控[8-9]。本文融合BIM、視頻識別和RFID等技術(shù)研發(fā)數(shù)字沙盤系統(tǒng)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與電子模型進(jìn)行融合，為預(yù)制廠的生產(chǎn)全流程、實時生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控提供了一種解決思路。

1 系統(tǒng)需求

1.1 行業(yè)需求

近年來，國務(wù)院、交通運輸部和國鐵集團相繼印發(fā)了《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》《“十四五”鐵路網(wǎng)絡(luò)安全和信息化規(guī)劃》等，要求大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并加快新一代信息技術(shù)與軌道交通的融合應(yīng)用，提升交通運輸行業(yè)數(shù)字化、信息化水平。對預(yù)制管片廠的電子沙盤進(jìn)行研究，有利于實時掌握建設(shè)動態(tài)情況，提升軌道交通工程建設(shè)數(shù)字化水平，同時也是交通強國、軌交先行的具體落實。

1.2 數(shù)據(jù)融合需求

行業(yè)內(nèi)部分單位已經(jīng)對預(yù)制廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)行了探索，構(gòu)建了自動抹面機器人、人臉識別系統(tǒng)、蒸養(yǎng)窖池溫控系統(tǒng)和基于AI 視頻的電子圍欄系統(tǒng)等一系列基于新技術(shù)的數(shù)字化系統(tǒng)。上述系統(tǒng)大多為獨立的子系統(tǒng)，而在管片預(yù)制的過程中產(chǎn)生并且需進(jìn)行監(jiān)控的物料、質(zhì)量、作業(yè)監(jiān)控和作業(yè)進(jìn)度等數(shù)據(jù)，未能在上述系統(tǒng)、設(shè)備中得到有效整合，故亟需對生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)及數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。

1.3 業(yè)務(wù)融合需求

目前，行業(yè)內(nèi)針對管片預(yù)制過程研發(fā)的系列數(shù)字化系統(tǒng)，大多圍繞生產(chǎn)過程中的單一環(huán)節(jié)，未能覆蓋管片生產(chǎn)的全過程環(huán)節(jié)。面向單一環(huán)節(jié)的系統(tǒng)僅僅反應(yīng)當(dāng)前環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀態(tài)，不能全面反應(yīng)預(yù)制廠的實時生產(chǎn)動態(tài)。既有系統(tǒng)多面向于對現(xiàn)場熟悉的生產(chǎn)操作人員，管理人員或者建設(shè)方在使用系統(tǒng)時不能快速、全面了解生產(chǎn)現(xiàn)場。因此，需建立廠區(qū)數(shù)字模型，并將模型與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提升管控效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

軌道交通預(yù)制管片廠電子沙盤采用分層設(shè)計的原則，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、系統(tǒng)應(yīng)用層和展示層等5 個層次，如圖1 所示。

圖1 電子沙盤總體架構(gòu)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集層

本層包含系統(tǒng)所使用的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，既包括拌合站、抹面機器人和溫濕度傳感器等流程專用設(shè)備，又包括人員定位、攝像頭和RFID 等通用采集設(shè)備，為系統(tǒng)運行提供所需的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

本層包含預(yù)制管片生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的物料數(shù)據(jù)、拌合站數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、蒸養(yǎng)溫度數(shù)據(jù)、計劃生產(chǎn)數(shù)據(jù)和進(jìn)度數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時也包含系統(tǒng)所建設(shè)的鋼筋、模具、生產(chǎn)線、拌合機、蒸養(yǎng)池和水養(yǎng)池等模型數(shù)據(jù)內(nèi)容，共同為系統(tǒng)運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

本層包含進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線及有線網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)運行提供網(wǎng)絡(luò)傳輸條件。

2.1.4 系統(tǒng)應(yīng)用層

本層包含工序狀態(tài)監(jiān)測、進(jìn)度監(jiān)測、物料監(jiān)測和人員監(jiān)測等運行監(jiān)測應(yīng)用模塊，以及信息概覽、質(zhì)量管理等管理應(yīng)用模塊，是系統(tǒng)的核心應(yīng)用功能。

2.1.5 展示層

本層根據(jù)廠區(qū)使用需要包含大屏顯示器、APP 等Web 端和移動端展示形式。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

預(yù)制管片廠電子沙盤系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S)和客戶端/ 服務(wù)器（C/S）相結(jié)合的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，便于系統(tǒng)在不同設(shè)備上查看與使用，并預(yù)留對外接口，便于與其他系統(tǒng)、平臺拓展銜接，其技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

預(yù)制管片廠電子沙盤的技術(shù)架構(gòu)分為操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)解析層、應(yīng)用層和展示層等5 層結(jié)構(gòu)。預(yù)制管片廠電子沙盤運行于操作系統(tǒng)層，通過CAD 圖紙、攝像頭、傳感器以及智能設(shè)備采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，形成系統(tǒng)的監(jiān)測與管理功能模塊，最終在PC 端、移動端等不同設(shè)備上進(jìn)行展示。

3 系統(tǒng)功能

如圖3 所示，預(yù)制管片廠電子沙盤分為系統(tǒng)管理、生產(chǎn)監(jiān)測和生產(chǎn)管理三部分。其中，系統(tǒng)管理完成系統(tǒng)用戶權(quán)限及數(shù)據(jù)編輯處理。生產(chǎn)監(jiān)測主要完成物料監(jiān)測、人員監(jiān)測以及工序監(jiān)測等功能。生產(chǎn)管理實現(xiàn)大屏展示、質(zhì)量管理和產(chǎn)品跟蹤等生產(chǎn)管理功能。

圖3 功能架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)管理

1）用戶權(quán)限管理主要完成系統(tǒng)用戶的賬戶分配、賬戶權(quán)限管理以及系統(tǒng)其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置，為系統(tǒng)提供后臺管理及配置功能，實現(xiàn)系統(tǒng)賬戶的添加與刪除，用戶權(quán)限的授權(quán)與取消等。

2）數(shù)據(jù)編輯處理主要完成基于CAD 圖紙的數(shù)據(jù)提取，BIM 模型的輕量化處理與發(fā)布等系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)編輯與處理功能。

3.2 生產(chǎn)監(jiān)測

3.2.1 物料監(jiān)測

本模塊可對物料的每日用量、庫存余量進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)歷史用量對庫存物料的使用時間進(jìn)行預(yù)測，可設(shè)定庫存余量的報警值，當(dāng)物料不足時及時發(fā)出提醒。本模塊可降低物料不足風(fēng)險，提升物料管理效率。

3.2.2 人員監(jiān)測

本模塊可實現(xiàn)對工人排班管理、人員定位監(jiān)測等功能。可對工人進(jìn)行信息維護(hù)與管理，制定工人排班計劃，并通過智能視頻解析對工人進(jìn)行定位，將定位數(shù)據(jù)與BIM模型融合，實時監(jiān)測工人的位置信息，提高用工效率，確保用工安全。

3.2.3 工序監(jiān)測

本模塊通過接入預(yù)制管片廠生產(chǎn)線智能設(shè)備數(shù)據(jù)、相關(guān)生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，獲取生產(chǎn)各工序當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，驅(qū)動BIM 模型中各工序的模型狀態(tài)，實現(xiàn)在BIM模型中復(fù)現(xiàn)流水線生產(chǎn)實時狀態(tài)，顯示相關(guān)工序的關(guān)鍵信息。

1）鋼筋骨架焊接狀態(tài)復(fù)現(xiàn)，并顯示骨架焊接數(shù)量，監(jiān)測鋼筋骨架是否入模。

2）接入抹面機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)抹面機器人抹面狀態(tài)復(fù)現(xiàn)。

3）接入澆筑振搗設(shè)備信息，復(fù)現(xiàn)實時澆筑進(jìn)度、振搗狀態(tài)等工序內(nèi)容，顯示模具澆筑數(shù)量、每盤混凝土配比等信息。

4）接入蒸養(yǎng)窖管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，顯示各蒸養(yǎng)窖升溫速率、降溫速率、當(dāng)前溫濕度和蒸養(yǎng)時間等信息。

5）復(fù)現(xiàn)管片脫模、轉(zhuǎn)運入水養(yǎng)池過程，統(tǒng)計當(dāng)前水養(yǎng)池中不同天數(shù)的管片數(shù)量。

電子沙盤全面復(fù)現(xiàn)預(yù)制管片廠以上5 個工序的實時生產(chǎn)狀態(tài)，并根據(jù)每日生產(chǎn)計劃及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，完成工程所需管片生產(chǎn)進(jìn)度統(tǒng)計，便于快速掌握生產(chǎn)進(jìn)度，為生產(chǎn)計劃調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 生產(chǎn)管理

3.3.1 大屏展示

本模塊為用戶提供廠區(qū)概要、工程概要等信息，支持基于BIM模型的預(yù)制管片場總體概覽、空間漫游，結(jié)合生產(chǎn)監(jiān)測復(fù)現(xiàn)及生產(chǎn)信息，便于全面掌握廠區(qū)總體空間布置情況與實時生產(chǎn)動態(tài)。

3.3.2 質(zhì)量管理

本模塊主要提供質(zhì)量管理與質(zhì)量跟蹤功能。

1）質(zhì)量跟蹤。本系統(tǒng)利用RFID 技術(shù)，在鋼筋焊接環(huán)節(jié)將RFID 標(biāo)簽與鋼筋骨架綁扎，并在后續(xù)入模、澆筑振搗、抹面、蒸養(yǎng)和脫模等工序中記錄相關(guān)工序時間與操作人，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程追蹤。

2）質(zhì)量管理。根據(jù)質(zhì)量檢測結(jié)果顯示產(chǎn)品的合格率、返工率和廢品率，根據(jù)質(zhì)量跟蹤結(jié)果追蹤各工序的負(fù)責(zé)人，分析返工及廢品的產(chǎn)生原因，并對各工序、工法進(jìn)行針對性優(yōu)化改進(jìn)，提高產(chǎn)品合格率，提升生產(chǎn)效率。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)即建筑信息模型，利用建模軟件工具創(chuàng)建三維信息模型，廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。電子沙盤基于BIM 建模技術(shù)建立預(yù)制管片廠三維數(shù)字模型，該模型包含預(yù)制管片廠區(qū)土建結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、工序設(shè)備與周圍環(huán)境情況，實現(xiàn)廠區(qū)物理環(huán)境的全面建模，可支持模型內(nèi)漫游，為業(yè)務(wù)人員掌握廠區(qū)及周邊環(huán)境提供服務(wù)。電子沙盤通過與各工序設(shè)備、系統(tǒng)的通信接口接入實時數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動BIM 模型的動態(tài)展示效果，實現(xiàn)預(yù)制管片廠的實時生產(chǎn)流程、狀態(tài)的復(fù)現(xiàn)。

4.2 RFID 技術(shù)

RFID 技術(shù)是一種自動射頻識別技術(shù)，可以通過閱讀器與無線標(biāo)簽之間通過非接觸式來進(jìn)行傳輸，完成信息讀寫，廣泛應(yīng)用于物流、物料和門禁等行業(yè)及場景。本研究在鋼筋籠綁扎RFID 標(biāo)簽，在與手持PDA 的配合下，代替?zhèn)鹘y(tǒng)管片廠記錄員記錄產(chǎn)品生產(chǎn)履歷信息，實現(xiàn)管片生產(chǎn)履歷的電子化管理與生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化管理。并將RFID 記錄信息接入電子沙盤，實現(xiàn)與電子沙盤相關(guān)功能進(jìn)行信息交互與聯(lián)動，提升管片生產(chǎn)管理高效化、智能化。

5 結(jié)語

本文提出了軌道交通預(yù)制管片廠電子沙盤的設(shè)計方案，并給出了具體的系統(tǒng)總體架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)與功能架構(gòu)。本文提出的電子沙盤將BIM、RFID 等技術(shù)用于預(yù)制管片廠的生產(chǎn)管理，并融合生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為預(yù)制管片廠的生產(chǎn)管理提供了一種解決思路與工具。目前，在行業(yè)內(nèi)，BIM、RFID 與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相融合的案例較少，如何更加充分發(fā)揮信息化技術(shù)優(yōu)勢，提升預(yù)制管片廠智能制造水平，仍需繼續(xù)深入研究。