高速鐵路裝配式構件信息化系統技術研究

張 赫, 張 超

(1. 中鐵四局集團第四工程有限公司, 安徽合肥 230012 2. 中國鐵路上海局集團有限公司徐州鐵路樞紐工程建設指揮部, 江蘇徐州 221000)

隨著信息時代的到來，工程項目管理必將走向信息化，只有充分利用信息技術，推進工程項目管理信息化，才能增強項目管理能力和技術手段，提升競爭力，實現跨越式發展，與國際建筑業接軌。近年，信息技術推廣應用正從單項應用向集成化、綜合化、網絡化應用發展，向節能、降耗、減少污染、提高生產效率和產品質量方面發展。我國高速鐵路建設技術正處于飛速發展中，而與信息化技術的結合能使高速鐵路建設技術得到提升，達到更高的標準、滿足更高的要求。在鐵路預制構件廠的建設中，采用工廠化生產、標準化作業和信息化管理相結合的手段進行建設。但由于構件類型多、數量大、生產規模大，導致生產組織和管理較為困難，人為因素的影響也使得預制構件質量波動較大，因此借助信息化系統加強管理就顯得尤為必要。

結合信息化技術，使施工建設展現在數據管理中：獲取信息、傳遞信息、處理信息、再生信息、利用信息，再將工期計劃、施工組織、任務銜接、現場管理等與信息化管理合理統籌，通過信息管理系統把工程管理中的施工管理、材料管理、安全質量管理、物流管理等各個環節銜接起來，實現信息交互、資源共享、數據分析和預測判斷，從而達到降低管理成本，提高生產效率和質量、增強項目效益的目的。

構件廠信息化系統的建設，是以信息化管理平臺為主體，對生產管理、物流管理、材料管理、人員管理、設備管理等系統進行研究，并對智能調度系統和溫濕度控制系統進行分析，開展調度運輸以及構件養護過程的信息化研究。

1 裝配式構件廠的信息化系統

1.1 信息化系統內容

信息化是指利用信息網絡作為項目信息交流的載體從而大大加快信息交流速度。信息化可以加快項目管理系統中信息反饋速度和系統反應速度，使項目參與者能夠及時查詢項目進展情況，從而及時發現問題、作出決策，提高工作效率，減輕項目參與者日常管理工作的負擔，進而促進工程建設項目管理水平不斷提高。

工程項目信息化系統通常包含：

(1)文檔與數據管理信息化：以工程項目的全生命周期為對象，實現信息無紙化，建立存儲所有工程信息的數據庫和與工程緊密相關的知識庫，便于共享和使用。

(2)信息溝通信息化：建立基于互聯網的信息管理系統，使項目的參建各方可以進行遠程交流，及時解決問題；建立建筑業電子商務網站，設立材料和設備數據庫，通過網上詢價、招標、訂貨，降低采購成本和管理成本，提供材料、設備優化選擇的新空間。

(3)過程控制信息化：建立實時監控系統，實現遠程專家咨詢、遙控指揮工程現場；建立科學的預控系統，在工程管理過程中，根據現狀、經驗進行推算，預測下一步可能出現的問題，使參建各方及時調整計劃，避免造成損失。

1.2 信息化系統設計思路

在構件廠信息化系統建設中，采用信息技術構建一個綜合數字化平臺，通過信息集成化、自動化、智能化和多元化技術應用，綜合信息化系統平臺實現多專業、多系統的數據采集、信息集成和信息共享，對相關設施設備生產過程安全狀態進行自動監測、預控和應急處置，以實現安全生產智能監控與預控、各子系統資源共享以及設備集中管理和維護，最終達到安全生產、節能環保、降低管理及施工成本投入的目的。

局域網與平臺之間關聯，可以實現系統與各個設備的信息交互和互聯互通，實現資源在不同車間及生產線共享和動態調整；信息化系統具有信息化、精細化、人性化、移動化特征，在大數據共享的基礎下，可以實現實時監控、運維管理、運儲組織、最優組織、移動服務等快速高效調度控制功能。

利用信息化管理平臺，實現對生產管理、物流管理、材料管理、人員管理、設備管理等系統的實時控制反饋，及時掌握生產現狀與庫存物流情況，保障構件及時供應，提高生產效率。智能調度中心通過對生產數據進行分析處理，進行智能化調度控制，利用自動導航小車，進行構件轉運工作，智能地實現程序性流程運轉，減少人員操作失誤，提高構件轉運效率。溫度、濕度控制系統，可實現對關鍵節點溫度、濕度等與生產密切相關參數的實時監控與自動報警，以確保構件生產現場處于適宜環境。

2 信息化管理平臺

2.1 信息化管理平臺工作原理

以構件特征表和生產臺賬為基礎，物資材料追溯為主線，實現構件廠生產及內業資料的串聯；利用信息化技術及相關軟硬件設施，建立調度指揮體系與生產現場間的聯動指揮體系，形成數據正確、傳遞暢通、響應及時的智能指揮體系；引入智能化、自動化生產裝備及技術，實現智能化的生產監控、工藝監測、安全預警以及處置響應，實現智能化生產。

2.2 信息化平臺管理系統

根據構件廠生產特點，為提高信息化管理程度，更好地銜接生產工序、固定內業資料對接方式，建立信息化系統管理框架，搭載數據采集、傳輸、匯總、分析、預警等功能，從源頭掌握信息，提高過程控制能力，及時把握生產工序質量，建立信息化、智能化的控制體系。

信息化平臺管理系統主要由以下部分組成：①生產管理；②物流管理；③材料管理；④人員管理；⑤設備管理；⑥會議管理；⑦基礎信息，如圖1所示。

圖1 信息化平臺管理系統功能

2.2.1 生產管理

生產管理主要包括預制構件廠的生產任務、驗收管理、養護記錄、模板管理和生產作業指導。生產任務通過提前錄入構件特征表，根據生產計劃發起施工任務，現場技術人員確認生產過程，作業班組接到指令后進行構件生產。同時管理平臺上反映構件生產的相應時間，方便后臺查閱和檢查。構件生產所有工序完成后標注對應的二維碼，反映構件的具體生產作業時間，方便管理。驗收管理、養護記錄模塊可以反映出各生產任務的驗收日期、養護日期、批次數量、驗收結果和養護情況等，實現對各構件產品質量情況的把控。

2.2.2 物流管理

物流管理包括庫存管理、出庫記錄和物流追蹤三項功能。能夠對各類型構件的產品規格、生產批次、庫存位置、庫存數量、出庫記錄以及物流跟蹤等信息進行錄入分析，實現對構件庫存數量以及物流情況的實時監控。

2.2.3 材料管理

材料管理主要包括對材料的基礎信息、庫存、入庫、材料消耗等相關信息的管理。對預制構件生產過程中所需的主材、輔材的基本信息進行錄入，涵蓋材料名稱、規格型號、單位、生產廠家、材料類型、備注等信息。

材料消耗管理可實現對消耗清單預設置和物資預警。消耗清單預設置：消耗清單可根據工序預先設置需要的物資材料名稱及數量。實際消耗數量及其它信息通過與設備連接后自動采集生成。物資預警管理能夠對所有物資設置庫存預警值，待達到預警線后，自動向管理人員發出警報，及時進行物資補充。物資庫存管理根據消耗的物資數量，自動計算物資的儲存數量。庫存表中數據的記錄變化由入庫提交后和消耗量提交后觸發計算。物資追溯根據物資消耗清單生成的數據庫中記錄，查找某一物資及其規格型號，可追溯到使用該物資的構件號，生成物資反向追溯統計信息。

2.2.4 人員管理

預制構件廠信息化管理平臺的人員管理功能包括：人員信息維護、人員培訓管理、人員考勤管理、人員定位。

由信息化管理員進行構件廠各級管理人員個人信息的維護，每位管理人員都有對應的崗位和角色，生成對應的二維碼；每位管理人員需要在管理平臺上進行管理工作，如：現場技術人員，對應完成生產過程中自檢、報檢等工序，且在管理平臺上進行登錄、響應、完成任務等，結合手機端APP進行操作和錄入。人員培訓管理系統可實現人員培訓資料、考試試卷的上傳，保證所有人員可下載查看培訓資料。將考勤系統和人員管理系統進行匹配，通過對人臉進行識別，實現智能化考勤。人員定位系統能對現場人員實現定位管理，并在預制構件廠管理云平臺展示人員實時位置信息。

2.2.5 設備管理

設備管理包括對預制構件廠的所有設備、重要部件、易損耗材等的管理。涉及設備的基礎信息、種類、庫存、狀態、維保等，此外還包括與攪拌站系統的信息傳輸。

機械管理員提前錄入設備信息、運轉記錄接口、設定設備維修保養時間，在互聯網上進行接收、處理和分析數據，定期提醒管理人員進行保養維修，采集設備運轉記錄形成報表，方便后臺檢查和管理。

2.2.6 會議管理

日常項目管理采用信息化系統，將所有指令和通知轉換成信息，實現上傳下達的通暢，結合項目部的管理類型，做到標準化管理。

以上述模塊數據為代表的信息化系統構建了后臺管理基礎數據庫，管理人員實時上傳更新數據，系統自動生成可視化圖表并向管理人員發送相應提醒通知，及時進行排查消除，實現科學化及時性管理，提高生產效率。

2.2.7 基礎信息

基礎信息為構件產品庫，能夠實現對構件廠生產各類型構件的編號、名稱、規格、型號等信息的匯總。

3 智能調度系統

3.1 AGV運輸車

AGV運輸車應用“智能+遠程控制”的新調度系統控制模式，并具備定位、糾偏、防撞、無線通訊、智能調度、智能控制、遠程控制等功能，有自動巡航模式和本地遙控模式。

自動巡航模式由導航策略和防撞策略實現沿固定路線自主導航，并具備優先級最高的自主避撞功能。導航采用視覺導航+磁釘導航的方式：

(1)視覺導航: 在沿二維碼的線路上，畫一定寬度的黃線作為參照線，通過高速CCD攝像頭采集圖像，經過實時的圖像處理，獲取小車和參照線的相對位置，可以保證小車始終沿著參照線中心位置行駛，具有較高的精度。

(2)磁釘導航：利用磁釘分布式預埋方法，結合小車的體長和行駛速度等特點，實現定向過程，該方法預埋及維護成本低，安裝靈活，在室內及室外均有良好效果，不受外界環境影響，抗干擾能力強。防撞為應對構件廠的復雜環境(沒有專用通道，需避讓設備、人、叉車、貨車等)。在調度系統的交通管制的基礎上，在AGV本體上還有激光雷達、聲波雷達、防撞觸邊三重避障措施，見圖2。

圖2 多重避障

本地遙控模式采用1臺遙控器控制多臺小車，既節約成本又可靈活作業。遙控模式可以實現小車前進、后退、轉向等全部動作，屬于輔助操控方式，僅在極端天氣或路況不明等特殊情況下使用。

3.2 AGV位置

在AGV運行過程中，實時觀察每個任務線路上的AGV小車的編號、任務、具體位置信息，AGV小車每經過一個RFID便簽反饋一次實時位置(兩個RFID便簽區間位置)，具體位置通過小車的行駛速度計算得出，運行場地示意圖如圖3所示。

圖3 AGV運行場地示意

3.3 倉儲平面狀態

AGV小車會根據系統上倉儲狀態實時顯示情況，自動存放貨物，并更新倉儲狀態。倉儲平面圖如圖4所示。

圖4 倉儲狀態實時顯示

3.4 電池電量

對AGV電池電量進行監控，電池電量低于設定值便會發出警報提醒，并對控制臺發送信息提醒。最大限度提高AGV的電池壽命和工作效率。

3.5 故障報警

基于對人員設備的安全考慮，AGV在行駛過程中會發出燈光和音樂提醒行人避讓，與物體發生碰撞或者發生故障也會發出警報提醒，并對控制臺發送信息提醒。

4 溫、濕度控制系統

4.1 溫、濕度控制系統內容

立體式養護室內部設置自動養護裝置，包括控制器開關、溫、濕度感應器、蒸養管道、蒸汽發生器。控制器開關對蒸汽發生器進行控制，溫度、濕度感應器自動采集立體式養護室內溫濕度參數，保障其在設定參數內進行作業。當作業參數異常時，控制器開關根據實際情況下達相應開關信號，蒸汽發生器依據控制器信號控制蒸汽量。蒸養管道布置在每個立體式養護室底部四周，與蒸汽發生器相連，為養護提供蒸汽。利用信息化的智能軟件系統的指揮和調度功能，可實現對養護、轉運等各項工序實時監控與及時處理，如圖5、圖6所示，時刻掌握各養護室溫、濕度情況，及時依據實際情況進行溫、濕度調整，保障構件養護環境。

圖5 立體養護室控制軟件界面

圖6 監控云臺界面

4.2 功能設計

(1)養護室內設立立體化多個測量點，實現養護室溫度和濕度多點數據實時采集，并將數據直接傳輸入環境監控云臺。

(2)設置標準養護室需控制的溫度和濕度上、下限值，根據實時采集的溫濕度數據和設定的溫、濕度上、下限值進行比較。當溫、濕度超過上、下限值時，報警提示并智能控制空調出風口和增濕設備的噴淋口進行溫度或濕度補償，以滿足標準養護室的溫、濕度控制在要求的范圍內。

(3)設定時間周期，能自動記錄各采集點的溫度、濕度及時間，并將已記錄的溫度和濕度數據繪制成監測變化曲線，可通過數據歷史查詢功能進行查看，分析生產情況。

4.3 硬件組成系統

按模塊設計，可分為溫、濕度測量模塊、溫度調控模塊、濕度調控模塊、數據存儲及顯示模塊、通信模塊。針對混凝土標準養護室的實驗環境特點，主要硬件以低能耗單片機為控制核心，采用防水型高精度數字式溫濕度一體傳感器，結合智能溫、濕度傳感器單總線技術、單片機和相關通信協議等，保證長期使用的穩定性和數據通信采集的準確性以及可靠性。

4.4 工作流程

系統可完成溫、濕度數據采集、存儲、顯示、控制以及與系統云端進行通信。溫、濕度數據采集通過數字溫、濕度傳感器來完成，采集數據經系統處理后，對每個采集點通過模塊實時顯示，如遇超過設置溫、濕度上、下限值，智能控制加熱與增濕器自動啟動和停止，使混凝土標準養護室保持在設定的溫、濕度狀態。同時不斷將采集到的數據上傳至計算機及云端，由計算機完成各溫、濕度值、日期和時間的存儲及繪制數據曲線圖和打印，以便管理人員對溫、濕度值的變化規律進行統計和分析。

5 結束語

信息化管理平臺、智能調度控制系統和溫、濕度控制系統的研究與應用，簡化了構件質量信息的收集流程，可實現對構件生產全過程產品信息的統計分析，顯著提升信息傳遞的透明度和準確性，達到了構件生產全過程的可視化與反饋控制的目的，為高速鐵路裝配式構件生產過程的工廠化、智能化以及信息化提供了保障。

在未來鐵路建設中，信息化建設將起到越來越重要的作用，信息化帶動傳統產業的改造和升級已迫在眉睫，信息化建設必將成為行業內企業競相追逐的目標。信息化建設的應用和革新將以數字化、柔性化、敏捷化、穩定化為基本特征，不斷加強信息技術與現代管理技術相結合，完善架構體系建設，改善應用的模式和規模，將無人化作業、智能化管理、信息可視化、操作極簡化、追溯流程化等功能逐步完善，提高現場管理效率、作業銜接能力，降低企業生產成本和管理成本，達到提質增效的目標。