公路工程預制梁場生產信息化平臺的設計與實現

張富泉 羅 云

（中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 廣州 511442）

隨著我們經濟的迅猛發展和城市化建設進程的快速推進，交通運輸行業也得到了快速發展。其中，公路作為傳統的交通運輸基礎設施，公路總里程和公路密度也在不斷增加。根據國家交通運輸部發布的《2020 年交通運輸行業發展統計公報》，截至2020 年年底，公路總里程519.81 萬公里，公路密度54.15 公里/百平方公里[1]。目前，我國公路工程的路橋普遍采用預制梁，與傳統的現澆法相比，采用預制梁具有諸多優勢，主要體現在：場內預制，質量控制容易；施工過程對既有交通和環境影響小；節省大量的模板和支架，縮短工期，節約施工成本。因此，預制梁生產過程的重要性更為凸顯，一定程度上可能直接影響整個公路工程的質量和進度。

信息化技術在預制梁場的創新應用已經有了一些實踐，并取得了很好的效果，比較典型的有：預應力自動張拉系統、靜載試驗自動控制系統、自動噴淋養護系統、太陽能智慧照明信息系統、基于BIM 的預制梁信息管理平臺、基于二維碼的預制梁生產信息采集與質量監控方案、基于百度地圖的預制梁施工位置管理方案、預制箱梁施工BIDE 流程化技術體系等[2-6]。但這些應用基本上聚焦于某個特定生產環節，或利用某種技術解決特定的生產問題，管理者需要借助多個系統來了解生產情況，不能從預制梁場自身的角度全方位獲取整個生產過程的數據和信息。當多個信息化子系統存在且數據無法共享時，項目就會存在“數據孤島”[7]現象，不僅效率低，還會增加管理和維護成本，對后續生產數據的統一管理和追溯帶來了不便。市面上已經有一些成熟的管理系統，如制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）[8]、企 業 資 源 計 劃 系 統（Enterprise Resource Planning，ERP）[9]等，這些系統雖然功能非常強大，但預制梁場的生產過程有其特殊性和專業性，通用的管理系統不能完全符合預制梁場的生產管理過程。

本研究基于Delphi、IntelliJ IDEA、AndroidSDK 及Oracle 數據庫等工具，以莞番11 標預制梁場生產管理的實際需求為基礎，設計并實現了公路工程預制梁場生產信息化平臺。

1 預制梁場概況及需求分析

1.1 預制梁場概況

莞番十一標預制梁場位于廣東省東莞市橋頭鎮莞番高速橋頭西互通K6+600 左側位置，占地面積93 畝，2020 年3 月開始投產。該預制場主要負責K0+000～K15+795.000 范圍內預應力小箱梁制作，共5103 片。據現場施工需要，預制場內規劃有鋼筋加工場、鋼筋胎架制作區、制梁區、存梁區、拌合站和工地試驗室。其中設有：鋼筋加工場2 個，制梁臺座100 個。預制場內設置了3 條生產線，生產線1 區安裝4 臺10T 和2 臺80T 龍門吊，生產線2 區安裝4 臺10T 和2 臺80T 龍門吊，生產線3 區安裝2臺10T 和2 臺100T 龍門吊。生產期間，投入20m 箱梁模板共2套，其中1 套中梁模板，1 套邊梁模板，25m 箱梁模板共10 套，其中8 套中梁，2 套邊梁模板，30m 箱梁模板共2 套，其中1 套中梁，1 套邊梁模板，40m 箱梁模板共2 套，其中1 套中梁，1 套邊梁模板。達到12 片/天的生產能力。

1.2 項目需求分析

公路工程預制梁場生產信息化平臺在預制梁生產過程中具有重要作用，為預制梁場管理人員和生產過程的從業人員提供了方便、高效的管理平臺，對生產過程、質量安全、文明施工等環節起到很好的監管作用，促進管理效率的提升。從宏觀和微觀兩個層面對需求進行分析。

1.2.1 宏觀層面。莞番十一標預制梁場服務的城市公路路橋工程有26 個，預制梁又分為8 種類型，分別是20m 預制小箱梁中梁、20m 預制小箱梁邊梁、25m 預制小箱梁中梁、25m 預制小箱梁邊梁、30m 預制小箱梁中梁、30m 預制小箱梁邊梁、40m 預制小箱梁中梁、40m 預制小箱梁邊梁。預制梁類型多，工序繁雜，如果依靠傳統人工監管的方式或僅依靠多個且分散的信息化子系統，不僅耗時耗力，而且還會造成數據管理的復雜度和難度，難以保障施工質量和工程進度。因此，搭建預制梁場生產信息化平臺，將所有的預制梁的生產過程納入統一管理和監控，既可以全面了解整個預制梁場的生產情況，又可以縮短工期，加快工程進度。

1.2.2 微觀層面。①生產計劃和生產管理：信息化平臺可下達生產計劃，并對生產進度和生產工序進行全過程跟蹤和檢查，實時呈現預制梁的生產進度情況、臺座狀態，根據生產進度計算產值。②質量管理：采集檢驗與試驗的數據，對異常情況發出告警。③安全管理：統一管理各種生產設備的檢修計劃和檢查維護保養情況，管理安全例會的組織情況和各項安全檢查記錄。④班組管理：管理班組人員的排班和考勤情況，并記錄違規作業情況。⑤文明施工：通過視頻AI 分析現場施工人員是否正確佩戴安全帽、施工區域有無意外闖入等情況，保障文明施工。

2 平臺設計

2.1 軟件架構設計

分層模式是軟件架構設計中最常見的一種結構，每一層都有其特定的角色和職能，為了實現某種特定的業務請求，是具體工作的高度抽象，層與層之間通過接口通信，體現了“高內聚，低耦合”的軟件設計思想。公路工程預制梁場生產信息化平臺的軟件架構設計采用分層模式，自上而下分別為：表示層（UI）、業務邏輯層（BLL）、數據訪問層（DAL），如圖1 所示。

圖1 軟件架構設計圖

表示層位于軟件架構的最上層，即用戶界面，負責視覺顯示和人機互動。通過一些前端顯示開發技術，在PC 桌面、瀏覽器、APP 進行頁面呈現。

業務邏輯層位于表示層和數據訪問層之間，具有承上啟下的作用。業務邏輯層負責將用戶在表示層發出的請求通過業務邏輯處理接口建立通信連接，經過業務邏輯處理之后再通過數據訪問層與數據庫進行數據交互。

數據訪問層位于軟件架構的最底層，主要負責系統軟件與數據庫的交互，實現數據的新增、刪除、修改、查詢等功能。同時，通過外部數據接口與外部應用系統實現數據對接，如預應力自動張拉數據、自動噴淋養護數據、各種試驗數據等。

2.2 平臺功能模塊設計

公路工程預制梁場生產信息化平臺分為三個部分，分別是預制梁場生產協調系統、預制場生產指揮中心Web 系統、預制梁場生產協調APP。

預制梁場生產協調系統是C/S（Client/Server）結構，側重于預制梁生產過程的管理和監控。主要包括生產計劃、生產管理、質量管理、安全管理、班組管理、視頻管理、路況顯示、三維BIM、統計分析、基礎信息、后臺管理這11 個模塊，功能拓撲結構如圖2 所示。

圖2 預制梁場生產協調系統軟件功能拓撲結構圖

預制梁場生產指揮中心Web 系統是B/S（Browser/Server）結構，以大屏的形式呈現，為預制梁場管理人員提供“駕駛艙”可視化綜合視圖，可全方位了解預制梁場的生產情況。主要包括生產管理、質安管理、智能監測、拌合站、形象進度、臺座狀態、設備動態這7 個模塊，功能拓撲結構如圖3 所示。

圖3 預制梁場生產指揮中心Web 系統軟件功能拓撲結構圖

預制梁場生產協調APP 主要包括生產管理、生產看板、個人中心這3 個模塊。其中生產管理是重點，又細分為生產任務、工序掃碼、工序檢查、現場問題、移梁、安裝、成品檢查、消息提醒、梁信息、梁報廢、梁孔信息、臺座狀態這12 個功能點。預制梁場生產協調APP 功能拓撲結構如圖4 所示。

圖4 預制梁場生產協調APP 軟件功能拓撲結構圖

2.3 數據庫設計

本平臺數據庫設計遵循“一致性、完整性、安全性、可擴展性、規范化”的原則，包括10 個方面的內容：基礎信息數據、生產計劃數據、生產管理數據、質量管理數據、三維BIM 數據、智能監測數據、拌合站數據、形象進度數據、臺座狀態數據和設備動態數據等。限于論文篇幅，這里以預制梁場臺座的信息表為例，如表1 所示。臺座信息表用來存儲臺座的信息和狀態，表名為Pedestal_Info，主鍵為Pedestal_Num（臺座編號）。

表1 臺座信息表

3 平臺開發實現

3.1 開發和運行環境

公路工程預制梁場生產信息化平臺的實現需要配套的開發環境，具體配置要求如表2 所示。

表2 平臺開發環境配置表

公路工程預制梁場生產信息化平臺所需要的服務器分為業務服務器和數據服務器，業務服務器負責事務邏輯的處理，數據庫服務器負責數據邏輯的處理，兩個類型的服務器均需要較好的配置，其配置如表3 所示。

表3 服務器環境配置表

為了使客戶端有較好的使用體驗，客戶端的環境配置如表4 所示。

3.2 平臺實現

3.2.1 預制梁場生產協調系統

預制梁場生產協調系統主界面左側是預制梁場生產協調系統的菜單，分別是生產計劃、生產管理、質量管理、安全管理、班組管理、視頻管理、路況顯示、三維BIM、統計分析、基礎信息和后臺管理。

首頁呈現了制梁進度、生產情況、計劃于實際對比、臺座狀態統計、各橋安裝情況。

生產計劃模塊中包括總體計劃、月度計劃、計劃與實際對比、物料需求計劃、物料實際用量、物料偏差（損耗）分析。按工區/橋梁的“跨/孔”細度建立WBS 工作分解結構，綜合下部結構的生產，編制梁安裝生產的總體計劃。根據總體計劃，對生產構件進行計劃排期，以月度計劃為主、季度計劃和年度計劃為輔建立生產計劃，并自動換算并生成預制場材料需求計劃清單。

生產管理模塊按照月度計劃向臺座自動排期并下達生產任務，之后現場施工人員開始執行工序生產、工序檢查、移梁出廠安裝、成品檢查等業務環節。當遇到特殊或緊急情況時，系統可調整某片預制梁生產任務時間，直接排隊生產。

質量管理模塊通過接口對接實現系統集成和數據共享，自動采集預制梁生產中涉及的原材料檢驗、試塊抗壓強度、智能張拉、孔道壓漿等試驗數據，實時監控預制梁質量情況。系統將采集到的試驗數據自動生成質檢報表，形成電子檔案，實現智能歸檔。

安全管理模塊供預制梁場管理人員將發現的安全隱患提出整改，下發整改通知書，落實相關責任人整改并回復，做到問題閉環，消除隱患。

班組管理模塊通過視頻AI 人臉識別智能判斷班組人員進場和離場情況，根據管理人員和勞務人員的出勤情況統計實際用工量。

視頻管理模塊可調取攝像機實時查看現場生產情況，視頻AI 還可智能識別現場施工人員是否正確佩戴安全帽（如圖5 所示，系統在1#存梁區自動抓拍到某位工人未佩戴安全帽）、施工區域有無意外闖入等安全隱患，自動抓拍，保留截圖，并自動下發問題整改，向相關責任人推送信息。

圖5 安全帽智能識別

路況顯示模塊可為運梁車輛智能規劃最優運輸路線，并根據實際路況靈活調整線路，保障預制梁及時運抵安裝現場。

三維BIM 模塊通過數字孿生技術，建立預制梁場三維實景，三維臺座可實時顯示當前生產工序的實時數據，預制梁場管理人員可遠程直觀且形象的了解生產實況。

統計分析模塊匯聚和集成了大量的制梁生產數據，對這些數據進行分析，按預制梁場管理要求提供不同維度的統計數據展示，如工序耗時、月度產量、平均工時、工序問題、混凝土用量、問題處理、工序補錄、月度產值和橋梁進度。

基礎信息模塊主要負責管理和維護預制梁場的基本信息，如梁場信息、臺座信息、工序管理、梁類型、物料編碼、梁信息、物料清單、車輛資料等。

后臺管理模塊供管理員進行系統功能維護使用。

3.2.2 預制場生產指揮中心Web 系統

預制場生產指揮中心Web 系統在生產指揮大屏上呈現，匯總生產進度、質量安全、設備動態、拌合站等數據。首頁的上方是預制場生產指揮中心Web 系統的菜單，分別是生產管理、質安管理、智能監測、拌合站、形象進度、臺座狀態、設備動態。

首頁呈現了梁場介紹、制梁進度、臺座狀態統計、生產情況、計劃實際對比、梁澆筑生產情況、安裝情況、生產照片。

生產管理模塊中展示了月度產值、累計產值、工序問題統計（本月）、工序檢查情況（本月）、工序處理情況、實際與設計工時對比、設計/實際工序耗時占比。質安管理模塊中展示了原材料檢驗情況（本月）、試塊試驗情況（近半年）、成品質量檢查、設備檢修保養情況（近半年）、安全檢查情況（近半年）、安全違規識別記錄、抓拍圖片顯示區。智能監測模塊中展示了張拉情況、壓漿情況、張拉壓漿合格率、梁片張拉明細、養護記錄、噴淋實時數據。拌合站模塊中展示了生產信息、生產合格率、材料庫存、本月材料消耗、地磅進場材料信息、產能統計、預警統計。形象進度模塊中可以查看各個橋梁梁片安裝進度一覽表。臺座狀態模塊展示了各個臺座的狀態。設備動態中可查看運梁車輛的實時位置，方便指揮調度。

3.2.3 預制梁場生產協調APP

預制梁場生產協調APP 主界面如圖6 所示。該APP 由現場生產人員使用，便于現場數據的錄入和生產技術問題的處理，還具有消息提醒功能。當模板安裝結束后，現場人員可通過APP 通知拌合站做好打料準備。在偶發情況下，現場人員發現實際生產數據與智能監測數據有出入時，可通過APP 進行修正。預制梁加工完成后，現場人員可通過APP 記錄移梁和存梁情況。

圖6 預制梁場生產協調APP 主界面

4 結論

本文以莞番十一標預制梁場為依托，從實際需求出發構建了公路工程預制梁場生產信息化平臺，設計和開發了預制梁場生產協調系統、預制場生產指揮中心Web 系統和預制梁場生產協調APP，實現了數據的集成和共享，打破了多個孤立應用系統的數據壁壘，提高了管理效率，加快了工程進度，促進了預制梁生產信息化水平的提升，進而保障了公路工程的建設。本平臺主要是基于公路工程預制梁設計和研發的，對鐵路等其他工程預制梁生產同樣具有一定的參考意義。雖然本平臺的建設實現了預制梁場生產信息化，但距離智慧化生產還有一定的距離，有待進一步研究和創新。