新型裝配式T梁工廠生產(chǎn)信息化管理技術研究

劉愛曦，曹志強 （安徽建工路港建設集團有限公司，安徽 合肥 230031）

1 前言

引入信息化管理模式已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展趨勢，國內大量工程建設了單獨的信息化室，切實提高了管理效率，為工程的安全、品質奠定基礎。然而國內信息化應用情況表明，裝配式構件預制工廠的信息化管理仍處于初步發(fā)展階段，基本實現(xiàn)了信息化，但智能化程度不高。未來應完善基于自動識別技術的信息采集系統(tǒng)，并將BIM 軟件系統(tǒng)進行深化拓展，與預制工廠構件深化設計、生產(chǎn)加工、運輸、現(xiàn)場安裝、后續(xù)運維等流程中的數(shù)據(jù)信息相結合，建立一套以新信息化技術為支撐的管理系統(tǒng)，在橫向上結合整個工程的其他協(xié)同方，在縱向上聯(lián)系工程項目在長期的需求。基于此，本文通過剖析新型裝配式T 梁工廠生產(chǎn)信息化管理關鍵技術，實現(xiàn)了工程建設領域的大數(shù)據(jù)積累和信息化集成，從而極大改善裝配式T 梁生產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)品質與管理水平。

2 工廠智能化基本理論

2.1 企業(yè)信息系統(tǒng)架構

企業(yè)信息系統(tǒng)架構反映了一個企業(yè)的信息系統(tǒng)中各個組成部分之間的關系以及信息系統(tǒng)與相關業(yè)務、相關技術之間的關系。ISA-95 是企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標準，由美國儀表協(xié)會制定，定義了企業(yè)商業(yè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的集成，將企業(yè)信息系統(tǒng)構架劃分為不同的層次，并且定義了不同層次所代表的功能。

第0 層：定義實際生產(chǎn)制造過程，代表生產(chǎn)設備。

第1 層：定義生產(chǎn)流程的感知和執(zhí)行活動，代表各種傳感器、變送器和執(zhí)行器等。

第2 層：定義生產(chǎn)流程的監(jiān)視和活動，代表各種控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)。

第3 層：定義生產(chǎn)期望產(chǎn)品的制造運行管理活動，包括生產(chǎn)調度、詳細排產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)過程、維護運行和其他輔助過程。

第4 層：定義管理工廠或車間所需的業(yè)務相關活動，包括建立基本工廠/車間生產(chǎn)計劃，資源使用、運輸、物流、庫存等的管理。

智能工程要求各層級網(wǎng)絡的集成和互聯(lián)，打破原有業(yè)務流程與過程控制流程脫節(jié)的局面，使得分布于各生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)不再是信息孤島。

2.2 智能工廠架構

根據(jù)ISA-95，智能工廠架構在組成上主要分為企業(yè)層、管理層和集成自動化系統(tǒng)三大部分，對企業(yè)層生產(chǎn)的產(chǎn)品設計與生產(chǎn)過程實施統(tǒng)一控制，與ERP系統(tǒng)實現(xiàn)有效整合，以構建統(tǒng)一的頂層研發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)，企業(yè)管理人員、運行層、生產(chǎn)管理人員、現(xiàn)場管理層之間采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，完成從生產(chǎn)管理到工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡底層的連接（工業(yè)系統(tǒng)連接），以實現(xiàn)生產(chǎn)管理流程、監(jiān)測產(chǎn)品現(xiàn)場過程、收集制造設備與生產(chǎn)原材料數(shù)據(jù)等的服務需求。

2.2.1 管理層——生產(chǎn)過程管理

管理層主要實現(xiàn)生產(chǎn)計劃在制造部門的執(zhí)行。管理層統(tǒng)一發(fā)布執(zhí)行計劃，進行生產(chǎn)計劃和現(xiàn)場信息的統(tǒng)一協(xié)調管理。管理層通過MES 與底層的工業(yè)網(wǎng)絡進行生產(chǎn)執(zhí)行層面的管控。操作人員/管理人員提供計劃執(zhí)行的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等）的當前狀態(tài)，同時獲取底層工業(yè)網(wǎng)絡對設備工作狀態(tài)、實物生產(chǎn)記錄等信息的反饋。

圖1 智慧工廠的架構圖

2.2.2 集成自動化系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)的集成過程是從底層開始的、自下而上的，跨越現(xiàn)場層、管理層和操控層三方面，通過CPS 系統(tǒng)使用的TIA 技術整合現(xiàn)場制造裝置，建立底層工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)，在管理層使用PLC系統(tǒng)和企業(yè)自動控制軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)設備的集中管理；在操控層由管理人員對整個物理網(wǎng)絡層的工作狀況實施監(jiān)視、管理。

3 基于訂單制的信息管理技術框架

3.1 訂單制管理模式

由于訂單制明確了產(chǎn)品規(guī)格與供應數(shù)量，為信息化管理提供了便利，可以預設訂單數(shù)據(jù)庫，組織明確的生產(chǎn)計劃，期間的管理目標、考評機制都較為明確，完整的訂單制環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 訂單制循環(huán)流程

為保障橋梁構件全壽命周期的性能，需要建立構件完整的檔案信息，根據(jù)生產(chǎn)訂單編制生產(chǎn)及供應計劃，將橋梁構件進行唯一編碼，為后期的原材料、生產(chǎn)、質量檢驗等信息的歸檔提供基礎，編碼采用RFID和二維碼雙重方式。

3.2 信息模型框架

將數(shù)據(jù)信息分為三個數(shù)據(jù)庫模塊，即基礎數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)，基礎數(shù)據(jù)包含人員信息、設備信息及物料信息等，生產(chǎn)數(shù)據(jù)包含構件加工的工序信息、進度信息、質量信息，監(jiān)控數(shù)據(jù)包含對工廠安全、環(huán)境的監(jiān)控信息，見圖3。

圖3 信息化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊

基礎數(shù)據(jù)服務于生產(chǎn)準備，提供生產(chǎn)條件及資源詳情；生產(chǎn)數(shù)據(jù)服務于運行流程，提供進度與質量管理依據(jù)；監(jiān)控數(shù)據(jù)服務于生產(chǎn)理念，提供安全生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)、文明生產(chǎn)的支撐。

每一個數(shù)據(jù)模塊管理是通過建立個體與信息單元的一一對應關系（例如將實體設備與其信息單元相對應、將實體構件與其信息單元相對應），從而實現(xiàn)對工廠每一個生產(chǎn)資源或流程的微觀掌控。根據(jù)實際需求，可進一步對個體信息按照數(shù)據(jù)庫內類別進行分組管理，例如將基礎數(shù)據(jù)中的人員信息按照工廠生產(chǎn)區(qū)域或工作頭銜級別進行分組，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的構件信息按照結構類型或生產(chǎn)批次進行分組等。數(shù)據(jù)庫模塊內的分組管理可以將微觀信息集中進行宏觀呈現(xiàn)，滿足管理層對工廠不同運行局部的信息管理需求。

3.3 智能分析框架

預制工廠信息化管理系統(tǒng)，除具備為管理者提供信息查詢、分析及調取的被動功能以外，還應具備一套對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內信息進行智能化分析、異常信息的主動響應與反饋的預警機制。智能分析根據(jù)智慧化程度不同，共分三個階段：

對關鍵信息的分析與呈現(xiàn)，包括質量、工期的情況以及人員、設備的狀態(tài)情況等，使信息接收者能夠直接發(fā)現(xiàn)信息存在的問題；

對單個信息進行深入分析，以預設的指標及檢驗標準分析各項管控內容的穩(wěn)定程度，及時預見可能產(chǎn)生的風險；

對多個信息進行交叉分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的深入聯(lián)系，及時查明問題產(chǎn)生的原因，為管理提供決策輔助。

4 一體化信息管理平臺

合樅高速一體化信息平臺面向業(yè)主、監(jiān)理、梁廠、設計以及安裝施工等單位，需要滿足各單位的管理需要，開發(fā)不同的資料存儲、流轉、展示等機制，故平臺呈現(xiàn)內核相同、界面多樣化的情況?？紤]到日常操作便利性，需要對顯示界面進行重設，重設又分別考慮前端和后端兩類信息展示需求，設計相應的界面形態(tài)。

4.1 后端平臺架構

后端平臺主要搜集并展示的信息或功能按鈕有構件信息庫、生產(chǎn)線信息、環(huán)保監(jiān)測管理、人員及設備信息、物料信息、試驗檢測、視頻監(jiān)控、人員基站定位、智能抓拍管理、系統(tǒng)管理。

人員及設備信息、物料信息、試驗檢測、人員基站定位由于信息種類龐大或專業(yè)性較強，跳轉至單獨的維護平臺上。人員基站定位主要服務于隧道安全監(jiān)控，系統(tǒng)管理內置常規(guī)賬號維護。

4.1.1 構件信息庫

構件信息庫主要用于構件二維碼的保存以及梁位索引，由于工廠內預制T梁各存儲位置時刻變動，采用信息化手段快速鎖定梁體的位置，也為存儲方案的制定提供便利。

4.1.2 生產(chǎn)線信息生產(chǎn)線信息主要用于生產(chǎn)線監(jiān)控、提交開工申請，并且搜集拌和、布料、振搗、蒸養(yǎng)、張拉、壓漿、三維激光掃描、噴淋等施工過程中的數(shù)據(jù)，通過全面數(shù)據(jù)搜集建立產(chǎn)品的完整預制信息庫。

4.1.3 環(huán)保監(jiān)測管理

主要通過梁廠周圍的PM2.5、PM10 以及噪聲監(jiān)測設備開展即時環(huán)保監(jiān)測，將數(shù)據(jù)動態(tài)反饋在系統(tǒng)平臺上，及時預警超標，開展相應控制。

4.1.4 人員及設備信息

通過GPS 定位及時更新人員信息；在設備上安裝位置與狀態(tài)的監(jiān)測元件，采用物聯(lián)網(wǎng)的方式對設備狀態(tài)進行更新，真正實現(xiàn)了全天候不間斷的監(jiān)管。通過定位以及設置電子圍欄，確保人員和設備的安全，通過設備的維護更新資料分析，確保設備的性能狀態(tài)。

4.1.5 物料信息

物料信息主要是統(tǒng)計水泥、砂石料、鋼筋、鋼絞線等原材料的采購、消耗、質檢等信息，并通過推算獲得材料的存量數(shù)據(jù)，評估消耗速率、預告提前采購等。

4.1.6 試驗檢測

試驗檢測建立智慧檢測平臺，用于檢測資料的上傳、檢測流程流轉、檢測報告分析等。

4.2 前端平臺架構

前端平臺面向即時管理，其界面設計以呈現(xiàn)生產(chǎn)線實時工作狀態(tài)為主，輔以相關生產(chǎn)、檢測、人員、環(huán)保等管理信息。

4.2.1 生產(chǎn)線實時工作狀態(tài)

展示1～5 號生產(chǎn)線的工位占用情況，可從圖片查看梁體的所處位置，對生產(chǎn)過程進行總體把握。

4.2.2 生產(chǎn)信息統(tǒng)計

主要統(tǒng)計累計的物料庫存情況、T梁混凝土方量、生產(chǎn)T 梁數(shù)量等，為物料儲量預警、生產(chǎn)工期的把握提供管理數(shù)據(jù)。

4.2.3 檢測信息統(tǒng)計

檢測信息主要呈列關鍵的試塊強度以及鋼筋保護層厚度，將指標的達成情況按月展示，可以為質量控制穩(wěn)定性提供管理數(shù)據(jù)。

4.2.4 人員信息統(tǒng)計

面向管理者，提供人員的組織情況、當前工作人員數(shù)量以及工資發(fā)放情況等。

4.2.5 環(huán)保信息統(tǒng)計

實時展示PM2.5、PM10 以及噪聲的情況，為環(huán)境保護的實施效果提供管理數(shù)據(jù)。

5 信息化管理目標及應用前景

5.1 信息化管理目標

工廠采用信息化管理的總體目標是在裝配式橋梁的全生命周期中，運用各種信息化手段，加強建設項目的控制，實現(xiàn)質量、安全、工期、成本等目標，完成項目的建設。對于T 梁預制工廠，通過過程管控，達成質量可靠、安全可控、工期可控、成本經(jīng)濟、綠色環(huán)保的目標。

5.1.1 質量可靠

質量是公路交通長效安全的根本保障，也是梁廠產(chǎn)品競爭力的核心體現(xiàn)，主要圍繞質量控制開展工廠的管控工作。管理內容主要包括過程質量指標與成品質量指標，除應滿足國家規(guī)范相關要求外，還應充分發(fā)揮工廠智能生產(chǎn)的優(yōu)勢，實現(xiàn)質量精進、質量控制穩(wěn)定的目標。

5.1.2 安全可控

安全是工廠發(fā)展的前提，采用工廠化的方式具有先天優(yōu)勢，通過機械化與作業(yè)標準化，大幅度降低了安全風險，然而仍存在違規(guī)作業(yè)等風險。針對風險點引入智能化技術，納入信息化管理框架，可以從根本上將風險控制在極低水平。

5.1.3 成本經(jīng)濟

經(jīng)濟性是企業(yè)的生存保障，只有通過全周期的統(tǒng)籌考慮以及集約化的管理，實現(xiàn)物料、裝備與人力資料的合理使用，合理選型可靠裝備，培訓技術人員，調配資源，儲備應急方案，避免流水卡頓的情況，最大化發(fā)揮生產(chǎn)線的生產(chǎn)效益。

5.1.4 綠色環(huán)保

工廠化生產(chǎn)自身具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢，應通過管理方式進一步提升綠色環(huán)保性能，具體包括加強設備的管控，減少能源消耗；確定最優(yōu)蒸養(yǎng)工藝，減少燃燒物碳排放；統(tǒng)籌利用物料，減少物料損耗等。

5.2 應用前景

通過全面應用信息化技術，打通了管理、設計、施工、檢測等技術環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全方位采集與存儲，并積極探索自動化檢測、智能化分析等技術，提升智能化程度。在廠內設置智控中心，實現(xiàn)每道工序的實施跟蹤、每個指標的可溯可查，提升了質量管控效率與管理精度?；谥悄芙ㄔ斐商籽b備打造的信息化技術，也為實現(xiàn)我國橋梁構件工業(yè)化建造奠定基礎。