我國高速鐵路CRTSⅢ型軌道板智能制造技術發展現狀及展望

賈有權　王啟迪　王露鳴

摘要：CRTSⅢ型板式無砟軌道為我國自主研發，擁有完全自主知識產權的軌道結構，經歷了單元臺座法、矩陣臺座法、流水機組法的發展歷程，正處于由機械化、自動化制造向智能制造發展的階段。本文通過對國內CRTSⅢ型軌道板智能制造技術發展現狀分析對比，預期建立軌道板廠數字模型，搭建軌道板廠智能制造框架;基于智能制造新型裝備的應用，在企業制造設備層面實現互聯互通，然后在此基礎上，實現制造過程的智能化管控，最終實現設備協同、制造流程協同，形成自動化、信息化、網絡化的生產管理模式。

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.

關鍵詞：CRTSⅢ軌道板;智能制造;技術展望

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

中圖分類號：U213.244? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0264-03

0? 引言

在鐵路科技創新的驅動和引領下，我國建成了世界上最現代化的鐵路網和最發達的高鐵網，2019年底全國鐵路營業里程達到13.9萬公里以上，其中高鐵3.5萬公里，高居世界第一。我國已成為擁有世界上最發達高鐵網的國家，形成了全面擁有自主知識產權的成套技術裝備和技術體系。CRTSⅢ型板式無砟軌道由我國自主研發，是我國擁有完全自主知識產權的軌道結構，具有技術先進、經濟合理、綜合性能優等特點，在我國高鐵建設中廣泛應用。CRTSⅢ型無砟軌道板制造技術經歷了單元臺座法、矩陣臺座法、流水機組法的發展歷程，正處于由機械化、自動化制造向智能制造發展的階段。

1? 軌道板智能制造的定義

軌道板智能制造是廣泛應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據等新一代信息技術，與自主創新的科學建造技術相融合，通過自動感知、自主判斷、協同聯動和智能決策等手段，實現軌道板制造過程中的精細化和智能化管理，從信息化、數字化向智能化發展。

2? 我國軌道板智能制造技術的發展現狀

2013年，CRTSⅢ型先張法預應力軌道板首次規模化應用于鄭徐高鐵，發展到2019年底，我國已建設CRTSⅢ型先張法軌道板廠32家，制造的軌道板應用于全國的數十條高鐵。軌道板制造工藝，由2017年以前全部為傳統的“臺座法”，發展到近幾年規模應用的“流水機組法”，通過自動化生產線與數控設備的配置，使軌道板智能制造成為可能。

2.1 “流水機組法”軌道板廠技術發展現狀

2.1.1 制造實現工廠化

基本實現了制造布局的模塊化、制造裝備的機械化、工藝流程的節拍化，施工作業集成度相對較高。

2.1.2 主要工序作業實現自動化

軌道板制造從鋼筋綁扎到成品出庫的全生命周期，由17道工序組成。早期建設的板廠在“預應力放張、軌道板脫模、預應力張拉、混凝土澆筑、蒸汽養護”五大工序上實現了自動化作業;后期建設的板廠陸續實現了“模具清理、脫模劑噴涂、預埋套管安裝、張拉桿旋擰、軌道板檢測”工序的自動化，主要工序都已滿足自動化作業需求。

2.1.3 管理實現數字化、信息化

基本實現了關鍵工序信息采集的自動化，以及設備、試驗、工序等數據庫管理的信息化;通過引入RFID技術，還實現了原材、工序等信息的實時記錄及追溯。

2.2 “流水機組法”軌道板廠亟待解決的技術問題

2.2.1 沒有形成統一的行業制造工藝標準

各板廠制造工藝存在差異，如：預應力張拉力鎖緊方式有液壓驅動機械鎖緊螺母技術、楔形塊固定技術、皮帶傳動鎖緊技術等;蒸汽養護、流轉方式也各有不同。

2.2.2 沒有實現全工序的機械化、自動化作業

軌道板鋼筋綁扎、封錨、模具檢測、場內運輸等工序仍為人工作業;其他已實現機械化作業的工序還沒有實現全自動作業，輔助作業人員較多。

2.2.3 沒有實現生產線自動控制和在線優化

生產線控制以工位單獨操作為主，沒有實現集中聯動控制和在線自動優化。中央控制系統以信息收集作用為主，沒有實現控制功能。

2.2.4 沒有實現全工序的數據自動采集與應用。

目前僅有放張、張拉、蒸汽養護的關鍵數據實現了自動采集，模具檢測、絕緣檢測、封錨、原材料驗收等僅限于人工采集、手工錄入，無法保證數據的及時率和準確率。

2.2.5 沒有實現信息管理的互聯互通

已有的信息化管理系統間，沒有實現完全的互聯互通，存在信息孤島現象，大量信息傳遞需要人工輔助。

2.2.6 沒有實現最優生產效率

國內軌道板生產線大都按照流水節拍10min設計，但以目前各板廠的日生產能力來看，均未實現生產線所設計的最優效率，沒有充分發揮出流水機組法的工藝優勢。

3? 智能制造技術設計與展望

無論是德國工業4.0、美國工業互聯網還是中國制造2025的兩化深度融合戰略，其核心都是CPS信息物理系統。通過建立軌道板廠數字模型，搭建軌道板廠智能制造框架;基于智能制造新型裝備的應用，在企業制造設備層面實現互聯互通，然后在此基礎上，實現制造過程的智能化管控，最終實現設備協同、制造流程協同，形成自動化、信息化、網絡化的生產管理模式，實現信息感知，優化決策、實時控制、智能制造、卓越供應，打造屬于中國的CPS技術。

3.1 工藝設計數字化

3.1.1 制定BIM標準

制定軌道板廠從建廠、制造到運維的全生命周期BIM信息模型標準，為軌道板全生命周期的數字化管理提供基礎。

3.1.2 建立數字化模型

建立軌道板廠總體設計、工藝流程、布局的BIM數字化模型，實現生產流程數據可視化，進而實現生產工藝的優化。

3.2 工序設備自動化

3.2.1 作業工序自動化

通過采用先進的數控自動化設備，創新改造各工位的作業技術方案，實現軌道板鋼筋綁扎、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、模具檢測、混凝土澆筑、蒸汽養護、軌道板脫模、軌道板封錨、成品板檢驗、成品板入庫、生產流轉等主要工序的自動化;部分制造環節實現基于模型的先進控制和在線優化。

3.2.2 設備信息互聯互通

利用局域網、互聯網、以太網、物聯網和分布式控制系統，建立板廠級工業互聯網;通過數控設備聯網，實現信息互聯互通。

3.3 工廠管理信息化

集成MES（生產執行系統）和ERP（資源計劃系統）功能，開發軌道板廠綜合管理平臺，整合板廠現有的中央控制系統、生產信息化管理系統、試驗室管理系統、攪拌站管理系統、成本管理系統、電子施工日志等系統，實現對物流、能流、物性、資產的全流程監控，建立數據采集和監控系統，生產工藝數據自動數采。

3.3.1 過程實時調度

生產指揮調度的可視化：制造過程中物料投放、產品產出的數據實現自動釆集、實時傳送，并可根據計劃、物料、設備等數據的變化和異常實現自動調整;設備運行狀態實時監控、設備故障自動報警和預診斷，關鍵設備能夠自動調試修復;生產數據實時更新，自動匯總，各層級管理人員可隨時掌握生產情況，為決策提供可靠依據。

3.3.2 質量實時預警

建立數據采集和監控系統，生產工藝數據自動數采率達到90%以上。建立實時的質量預警，不合格記錄自動短信報警，自動形成預警臺帳和不合格處置信息臺帳，保障關鍵工序得以有效管控，產品質量可控。通過數據綜合分析，可以找出管理不足，進而持續改進。

3.3.3 物料自動跟蹤

制造過程廣泛采用二維碼、條形碼、電子標簽、移動掃描終端等自動識別技術設施，實現對物料流動的定位、跟蹤、控制等功能。實現物資稱量數據自動采集，實時準確顯示原材庫存量，效控制原材料庫存，自動生成原材料追溯。

3.3.4 管理遠程可視

建立現場網絡化監控和可視化管理：利用RFID技術、GIS技術、二維碼技術，實現軌道板從制造、入庫、出庫、吊裝全過程的智能識別、定位、跟蹤、監控和管理。

3.3.5 信息過程追溯

關鍵工序釆用智能化質量檢測設備，實現產品質量在線自動檢測、報警和診斷分析，試驗、檢驗數據等質量信息自動錄入信息系統。每批次產品均可通過產品檔案進行制造過程和使用物料的追溯，實現產品信息過程可追溯。

利用BIM技術將制造過程的所有信息錄入參數化模型中，實現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，為后期運維數據挖掘與分析提供了基礎。

3.3.6 安全自動監控

對于使用壓力容器以及從事吊裝作業等存在較高安全與環境風險的作業項目，建立在線應急指揮聯動系統，采取人員定位和授權管理，全方位自動檢測與監控有毒有害物質的排放和危險源。

3.3.7 網絡安全暢通

建立板廠內部通信網絡架構，實現各制造環節之間，以及制造過程與數據采集和監控系統、管理系統之間的信息互聯互通。

建立完善的網絡安全制度，制定安全應急響應、恢復預案，及時備份重要數據，實現雙機熱備，確保網絡系統安全可控。

3.3.8 能源在線管理

設計能源管理系統，降低單位產品能源消耗，提高經濟效益。通過能源監控，能源統計，能源消費分析，重點能耗設備管理，能源計量設備管理等多種手段，使企業管理者對能源成本比重發展趨勢有準確的掌握。

3.4 發展目標

通過持續改進，動態優化，使得板廠在資源配置、工藝優化、過程控制、節能減排及安全質量管控等方面的智能化水平顯著提升，實現軌道板廠生產運營成本降低20%以上，生產效率提高20%以上，產品不良品率降低10%以上，能源利用率提高10%以上。

4? 結語

智能化是世界高鐵未來發展的重要方向。伴隨中國高鐵“走出去”進程的加快，中國高鐵建設和運營正逐漸走向智能化、一體化。作為我國唯一自主知識產權的CRTSⅢ型先張法預應力軌道板制造技術，只有向數字化、網絡化、智能化發展升級，全面實現智能制造，才能鞏固發展我國鐵路在世界上的領跑優勢，打造“中國標準”和“中國制造”的閃亮名片。

參考文獻：

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

[2]王峰.我國高速鐵路智能建造技術發展實踐與展望[J].中國鐵路，2019.

[3]王同軍.中國智能高鐵發展戰略研究[J].中國鐵路，2019，679（01）：15-20.

[4]王玉峰，戴偉.工業物聯網，未來制造業生態入場券[J].中國工業評論，2017（4）：30-34.

[5]宋甲武，吳利東.BIM技術在項目管理階段（PM）全過程審計中的應用研究[J].改革與開放，2019（14）.

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