軌道交通預制管片廠電子沙盤研究與設計★

劉 宇， 孫喜利， 陳 楨， 高興華

（1.中鐵信（北京）網絡技術研究院有限公司， 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，我國鐵路營業里程達15.5 萬km，城市軌道交通運營線路總長度達10 287.45 km，我國軌道交通營業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模仍十分龐大[1-2]。軌道交通建設項目具有工程量大、建設周期長以及配套設施多等特點，建設過程中各相關工程、工序的進展狀態都影響整體工程的進度與質量[3]，全面掌握項目工程建設情況也是難點。盾構管片作為軌道交通地下盾構段的重要施工材料，其生產質量與生產進度是工程地下盾構段安全高質完成的保障，對盾構預制管片廠的生產狀態監測與管理是十分必要的。

目前，業內相關學者或企業對預制廠的智能化生產與管理做了相關研究，張俊存介紹了一系列智能化設備，提升了預制廠智能化水平[4]。朱明清、馬大偉等分別研發了生產管理系統，對混凝土預制品實現生產管理[5-6]。董娜等研究了利用RFID 技術進行構件的進度管理方法[7]。雖然行業內做了相關研究與應用，但多數研究集中于新技術在某一步驟的應用，或者智能設備的研發。總體來看，預制盾構管片廠的信息化及智能化程度仍不高，對生產過程的管理較為松散，對生產狀態的監測不夠清晰，難以做到對生產全過程的追蹤與實施監控[8-9]。本文融合BIM、視頻識別和RFID等技術研發數字沙盤系統，將業務數據與電子模型進行融合，為預制廠的生產全流程、實時生產狀態監控提供了一種解決思路。

1 系統需求

1.1 行業需求

近年來，國務院、交通運輸部和國鐵集團相繼印發了《“十四五”數字經濟發展規劃》《數字交通發展規劃綱要》《“十四五”鐵路網絡安全和信息化規劃》等，要求大力推進產業進行數字化轉型，并加快新一代信息技術與軌道交通的融合應用，提升交通運輸行業數字化、信息化水平。對預制管片廠的電子沙盤進行研究，有利于實時掌握建設動態情況，提升軌道交通工程建設數字化水平，同時也是交通強國、軌交先行的具體落實。

1.2 數據融合需求

行業內部分單位已經對預制廠的數字化轉型進行了探索，構建了自動抹面機器人、人臉識別系統、蒸養窖池溫控系統和基于AI 視頻的電子圍欄系統等一系列基于新技術的數字化系統。上述系統大多為獨立的子系統，而在管片預制的過程中產生并且需進行監控的物料、質量、作業監控和作業進度等數據，未能在上述系統、設備中得到有效整合，故亟需對生產過程中的系統及數據進行有效融合。

1.3 業務融合需求

目前，行業內針對管片預制過程研發的系列數字化系統，大多圍繞生產過程中的單一環節，未能覆蓋管片生產的全過程環節。面向單一環節的系統僅僅反應當前環節的生產狀態，不能全面反應預制廠的實時生產動態。既有系統多面向于對現場熟悉的生產操作人員，管理人員或者建設方在使用系統時不能快速、全面了解生產現場。因此，需建立廠區數字模型，并將模型與業務數據相結合，提升管控效果。

2 系統設計

2.1 總體架構

軌道交通預制管片廠電子沙盤采用分層設計的原則，將系統分為數據采集層、數據層、網絡傳輸層、系統應用層和展示層等5 個層次，如圖1 所示。

圖1 電子沙盤總體架構

2.1.1 數據采集層

本層包含系統所使用的各種數據采集設備，既包括拌合站、抹面機器人和溫濕度傳感器等流程專用設備，又包括人員定位、攝像頭和RFID 等通用采集設備，為系統運行提供所需的數據采集環境。

2.1.2 數據層

本層包含預制管片生產過程中所產生的物料數據、拌合站數據、質檢數據、監控數據、人員數據、蒸養溫度數據、計劃生產數據和進度數據等業務數據內容，同時也包含系統所建設的鋼筋、模具、生產線、拌合機、蒸養池和水養池等模型數據內容，共同為系統運行提供基礎數據支撐。

2.1.3 網絡傳輸層

本層包含進行數據傳輸的無線及有線網絡，為系統運行提供網絡傳輸條件。

2.1.4 系統應用層

本層包含工序狀態監測、進度監測、物料監測和人員監測等運行監測應用模塊，以及信息概覽、質量管理等管理應用模塊，是系統的核心應用功能。

2.1.5 展示層

本層根據廠區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 技術架構

預制管片廠電子沙盤系統采用瀏覽器/服務器（B/S)和客戶端/ 服務器（C/S）相結合的系統技術架構，便于系統在不同設備上查看與使用，并預留對外接口，便于與其他系統、平臺拓展銜接，其技術架構如圖2 所示。

圖2 技術架構

預制管片廠電子沙盤的技術架構分為操作系統層、數據采集層、數據解析層、應用層和展示層等5 層結構。預制管片廠電子沙盤運行于操作系統層，通過CAD 圖紙、攝像頭、傳感器以及智能設備采集系統所需的數據，并通過有線或無線網絡傳輸，對數據進行解析處理，形成系統的監測與管理功能模塊，最終在PC 端、移動端等不同設備上進行展示。

3 系統功能

如圖3 所示，預制管片廠電子沙盤分為系統管理、生產監測和生產管理三部分。其中，系統管理完成系統用戶權限及數據編輯處理。生產監測主要完成物料監測、人員監測以及工序監測等功能。生產管理實現大屏展示、質量管理和產品跟蹤等生產管理功能。

圖3 功能架構

3.1 系統管理

1）用戶權限管理主要完成系統用戶的賬戶分配、賬戶權限管理以及系統其他相關參數設置，為系統提供后臺管理及配置功能，實現系統賬戶的添加與刪除，用戶權限的授權與取消等。

2）數據編輯處理主要完成基于CAD 圖紙的數據提取，BIM 模型的輕量化處理與發布等系統模型數據編輯與處理功能。

3.2 生產監測

3.2.1 物料監測

本模塊可對物料的每日用量、庫存余量進行監測，并根據歷史用量對庫存物料的使用時間進行預測，可設定庫存余量的報警值，當物料不足時及時發出提醒。本模塊可降低物料不足風險，提升物料管理效率。

3.2.2 人員監測

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

3.2.3 工序監測

本模塊通過接入預制管片廠生產線智能設備數據、相關生產管理系統數據，獲取生產各工序當前狀態數據，并將狀態數據作為輸入數據，驅動BIM 模型中各工序的模型狀態，實現在BIM模型中復現流水線生產實時狀態，顯示相關工序的關鍵信息。

1）鋼筋骨架焊接狀態復現，并顯示骨架焊接數量，監測鋼筋骨架是否入模。

2）接入抹面機器人狀態數據，實現抹面機器人抹面狀態復現。

3）接入澆筑振搗設備信息，復現實時澆筑進度、振搗狀態等工序內容，顯示模具澆筑數量、每盤混凝土配比等信息。

4）接入蒸養窖管理系統數據，顯示各蒸養窖升溫速率、降溫速率、當前溫濕度和蒸養時間等信息。

5）復現管片脫模、轉運入水養池過程，統計當前水養池中不同天數的管片數量。

電子沙盤全面復現預制管片廠以上5 個工序的實時生產狀態，并根據每日生產計劃及統計數據，完成工程所需管片生產進度統計，便于快速掌握生產進度，為生產計劃調整提供數據支撐。

3.3 生產管理

3.3.1 大屏展示

本模塊為用戶提供廠區概要、工程概要等信息，支持基于BIM模型的預制管片場總體概覽、空間漫游，結合生產監測復現及生產信息，便于全面掌握廠區總體空間布置情況與實時生產動態。

3.3.2 質量管理

本模塊主要提供質量管理與質量跟蹤功能。

1）質量跟蹤。本系統利用RFID 技術，在鋼筋焊接環節將RFID 標簽與鋼筋骨架綁扎，并在后續入模、澆筑振搗、抹面、蒸養和脫模等工序中記錄相關工序時間與操作人，實現產品生產過程追蹤。

2）質量管理。根據質量檢測結果顯示產品的合格率、返工率和廢品率，根據質量跟蹤結果追蹤各工序的負責人，分析返工及廢品的產生原因，并對各工序、工法進行針對性優化改進，提高產品合格率，提升生產效率。

4 關鍵技術

4.1 BIM技術

BIM技術即建筑信息模型，利用建模軟件工具創建三維信息模型，廣泛應用于建筑行業。電子沙盤基于BIM 建模技術建立預制管片廠三維數字模型，該模型包含預制管片廠區土建結構、裝飾裝修、工序設備與周圍環境情況，實現廠區物理環境的全面建模，可支持模型內漫游，為業務人員掌握廠區及周邊環境提供服務。電子沙盤通過與各工序設備、系統的通信接口接入實時數據，利用數據驅動BIM 模型的動態展示效果，實現預制管片廠的實時生產流程、狀態的復現。

4.2 RFID 技術

RFID 技術是一種自動射頻識別技術，可以通過閱讀器與無線標簽之間通過非接觸式來進行傳輸，完成信息讀寫，廣泛應用于物流、物料和門禁等行業及場景。本研究在鋼筋籠綁扎RFID 標簽，在與手持PDA 的配合下，代替傳統管片廠記錄員記錄產品生產履歷信息，實現管片生產履歷的電子化管理與生產過程的標準化管理。并將RFID 記錄信息接入電子沙盤，實現與電子沙盤相關功能進行信息交互與聯動，提升管片生產管理高效化、智能化。

5 結語

本文提出了軌道交通預制管片廠電子沙盤的設計方案，并給出了具體的系統總體架構、技術架構與功能架構。本文提出的電子沙盤將BIM、RFID 等技術用于預制管片廠的生產管理，并融合生產設備、系統數據，為預制管片廠的生產管理提供了一種解決思路與工具。目前，在行業內，BIM、RFID 與業務數據相融合的案例較少，如何更加充分發揮信息化技術優勢，提升預制管片廠智能制造水平，仍需繼續深入研究。