鐵路機制砂智能化生產管理系統設計

譚冠華,汪 崢,范 琪,任繼強

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031；2.中鐵二局集團有限公司,成都 610031）

近年來,我國基礎建設飛速發展,天然砂資源隨之減少,為保護環境、實現資源的可持續利用,各地區逐步限制了河砂的開采。機制砂作為天然砂的一種替代資源[1],已在鐵路、公路、水利等工程項目中得到廣泛應用。

目前,對于機制砂的研究主要側重于其生產工藝、監測、質量標準等方面,如孫江濤等人[2]針對不同的生產工藝流程、鄭鳴皋等人[3]針對不同的原材料類型,分別提出了不同生產設備的選型方案；曾曉輝等人[4]提出了基于圖像處理技術的石灰石機制砂形貌方法；陳思嘉[5]利用電荷耦合器件（CCD,Charge Coupled Device）相機實現對下落砂粒進行圖像采集的機制砂粒徑粒形檢測系統；李嵩林等人[6]分析了機制砂石粉含量對高強度混凝土性能的影響。在機制砂的生產管理方面,鄭皎等人[7]設計質量智能管理系統,對機制砂細度模數、石粉含量、級配進行監控報警；雷濤[8]提出要采用信息化管理技術,實現監控生產過程、控制質量波動、溯源物流信息。以上研究對機制砂的智能化生產管理提供了有益借鑒。

鐵路機制砂的智能化生產管理不僅包含原材料入庫、制砂、成品出庫等生產流程,還涉及設備監控維護、砂場人員管理、原材料和成品質量管理、人員健康及安全管理、周圍環境的環保管理等?，F有的機制砂場在生產管理上仍以紙質單據為主,缺乏生產線設備管控、機制砂成品質量智能化檢測等手段?；诖?本文設計鐵路機制砂智能化生產管理系統（簡稱：本文系統）,實現生產、設備、人員、質量、安全及環保的統一管理,為機制砂場的信息化、智能化建設提供借鑒。

1 架構設計

1.1 總體架構

本文系統總體架構,如圖1 所示。

1.1.1 基礎設施層

主要指機制砂場智能化建設的硬件基礎,包括生產線設備、質量檢測設備、視頻監控設備、故障診斷設備、環保監測設備、控制室大屏、機房服務器等,是砂場生產管理的基礎。

1.1.2 通信層

負責數據傳輸的通信網絡,分為有線通信網絡及無線通信網絡。

（1）有線通信網絡負責機制砂加工區、控制室與機房的大多數設備的數據通信,根據通信距離布設網線或光纖。

（2）無線通信網絡主要用于故障診斷設備及人員巡檢,其中,故障診斷設備主要是生產線設備上安裝的傳感器,為避免傳感器布線影響生產作業,采用無線傳輸的方式上傳至智能分析層；人員巡檢須覆蓋整個砂場,因此采用無線通信網絡。

1.1.3 智能分析層

（1）設備故障診斷基于故障診斷傳感器實時上傳的高頻采集數據,通過故障診斷模型,判別設備風險指數,并通過設備自身的電流、電壓等參數,識別設備故障狀態。

（2）安全分析主要采用AI 識別技術分析現場監控視頻,其中,人員分析主要識別加工區作業人員是否佩戴安全帽、防塵口罩；生產異常分析主要識別傳輸皮帶是否異位、落料口及入料口是否堵塞等。

（3）質量檢測分析分為機制砂成品質量分析和環境質量分析,其中,機制砂成品質量分析根據質量檢測設備檢測的機制砂品質參數,判斷是否符合機制砂I/II 類國家標準并可用于鐵路施工建設；環境質量分析主要分析生產環保指標是否超標。

完成以上步驟后,統一由分析決策給出調度控制意見,由智能控制模塊根據調度規則進行智能控制。

1.1.4 業務管理層

通過終端設備輔助機制砂場人員完成業務管理,主要包含統一調度、生產管理、質量管理、人員管理、設備管理、環保管理等功能。

1.2 硬件架構

本文系統硬件架構主要包括現場設備層、中心層及調度層,通過內部局域網實現各層之間的網絡通信連接,如圖2 所示。

1.2.1 現場設備層

包括生產線設備、環保監測設備、質量檢測設備、視頻監控、聲光報警器、無線覆蓋設備、設備監測傳感器、巡檢移動終端等,安裝在砂場的各個區域,是系統智能化管理的管控、感知主體。

1.2.2 中心層

包括應用服務器、智能分析服務器、數據庫服務器、網絡視頻錄像機（NVR,Network Video Recorder）、通信前置機、加工控制安全可編程邏輯控制器（PLC,Programmable Logic Controller）、不間斷電源（UPS,Uninterruptible Power Supply）、交換機等,安裝在中心機房,承載著該系統的核心應用服務。

1.2.3 調度層

包括調度顯示大屏、指紋人臉打卡設備、視頻終端、加工控制終端及智能化系統終端等,分布在調度控制室、實驗室和計量室,實現生產管理的調度和監控。

1.3 邏輯架構

鐵路機制砂智能化生產管理系統邏輯架構如圖3 所示。

圖3 系統邏輯架構

1.3.1 接口層

主要實現與現場設備的數據交互,根據不同的設備類型,采取TCP、HTTP、串口等方式實現與現場設備互聯,包括質量檢測接口、環保接口等；

1.3.2 數據層采用MySQL 數據庫進行數據存儲,視頻數據則存儲到網絡視頻錄像機（NVR,Network Video Recorder）中。采用Redis、消息隊列等中間件進行數據的輔助處理[9]。

1.3.3 應用層

包括應用服務和智能分析服務。從數據層獲取數據后,通過統一調度、設備管理、生產管理等應用服務提供給用戶層應用數據,同時通過設備故障診斷、安全分析等智能分析服務實現智能調度,并將信息反饋給用戶層。

1.3.4 用戶層

采用B/S 架構,通過瀏覽器即可訪問本文系統,主要面對控制中心調度人員、實驗室試驗人員、巡檢人員等。

2 系統功能

本文系統功能涵蓋生產、設備、人員、質量、安全、環保等方面,以及各方面之間的聯動和支撐關系,功能架構如圖4 所示。

圖4 系統功能架構

2.1 統一調度

通過對界面合理布局,將產量、設備、質量、環保、報警、人員等關鍵信息集成在一個頁面中,便于控制室總覽全局,進行調度。提供近期每日產量、定時檢測的成品質量指標、環保監測、在崗人員等信息的實時查看。此外,系統采用傾斜攝影、三維激光雷達獲取砂場內部各設施設備位置和尺寸信息的高精度點云,完成室內三維建模,并在模型中加載設備運行狀態等數據,進行模擬場景展示。

2.2 生產管理

機制砂生產全過程管理：（1）母材管理,記錄原材料入庫及消耗情況；（2）生產記錄,記錄每日各類砂石產量；（3）出庫管理,對成品出庫數量及用途等進行記錄。

2.3 設備管理

設備的全過程管理：（1）設備信息管理,記錄設備的基礎信息及設備運行數據；（2）運行狀態,實時監測生產線設備運行狀態,并查看當前未處理的設備故障報警；（3）運行記錄,查看設備的啟停記錄,了解設備的使用次數；（4）歷史故障,可查詢生產線設備發生的所有故障信息；（5）設備巡檢,生成巡檢計劃,并查看計劃巡檢執行進度；（6）設備維護,記錄設備維護記錄及故障修復記錄。

2.4 人員管理

人員信息的全過程管理：（1）人員信息,分為內部人員管理及訪客管理；（2）打卡記錄,記錄人員打卡情況,確定當前在崗人員信息,支撐緊急情況下的人員調度；（3）安全行為監控,可查看人員出入加工車間時未佩戴安全帽、防塵口罩記錄。

2.5 質量管理

機制砂質量的全過程管理：（1）母材性能,通過物理、化學試驗,檢驗原材料的性能,如堅固性、堿活性、抗壓強度、吸水率等,記錄并分析其適合生產何種砂石及比例,輔助砂場人員根據原材料性能的差異,合理調整設備參數,從而確保生產合格的成品；（2）成品質量,對設備自動檢測的質量數據及臨時試驗輸入的質量數據進行管理,輔助砂場人員根據質量數據確定成品的品質,避免生產大量廢品；（3）成品試驗,針對機制砂成品進行的各項試驗,記錄相應的試驗數據及試驗報告。

2.6 環保管理

機制砂廠的環保檢測：（1）實時數據,支持各節點環保參數及未確認的環保報警信息的實時查看,輔助支撐決策,如生產是否臨時暫停、是否可排放污水等；（2）歷史數據,查看生產全過程的環保情況；（3）環保報警,查看歷史環保報警信息。

2.7 巡檢

巡檢App 安裝在巡檢手持機上,方便巡檢人員按計劃執行巡檢任務,并通過掃描設備二維碼確認完成對應設備的巡檢工作,實時更新巡檢進度,對巡檢過程中發現的異常情況進行上報。巡檢App 主要包括巡檢計劃、二維碼掃描、故障提報、數據匯總等功能。

3 關鍵技術

3.1 設備故障診斷技術

機制砂生產線設備的穩定運行是保證機制砂場正常運轉的基礎。本文系統針對不同設備采用了2種故障診斷方法：（1）根據設備的工作基本參數（如電流、功率、轉速等）設置參數預警上限,若發現設備參數超過預警上限,立即進行設備報警；（2）通過安裝在設備的高頻振動傳感器,實時采集設備的振動信號,無線傳輸至系統的智能分析服務器,通過基于多因素綜合分析的故障診斷算法,綜合考慮工作電流、振動信號、入料荷載等,對數據進行特征提取,給出設備的診斷結果。

3.2 機制砂質量檢測技術

機制砂是粒徑小于4.75 mm 的巖石顆粒,由機械破碎、篩分制成。為滿足鐵路工程建設標準,須嚴格把控機制砂成品質量,依據GB/T-14684-2022《建筑用砂》標準[10],本文系統通過質量檢測設備,運用毫米波和圖像處理技術,用抓取器定時自動從機制砂運輸皮帶抓取檢測樣本,計算機制砂顆粒數量,識別每粒砂的粒徑、影像,計算出質量參數,發送至智能分析服務器并進行質量評估。

3.3 智能調度技術

3.3.1 環保智能調度

當本文系統檢測到環境參數PM2.5、PM10 超標時,自動啟用噴霧系統,降低加工車間粉塵,若長時間超標,則自動控制生產線,降低生產速率；當本文系統檢測到污水的PH 值、濁度超標時,自動控制生產線,降低生產速率,若長時間超標,則停止生產線。

3.3.2 質量智能調度

本文系統可持續檢測設備運行狀態,只有當生產線設備正常運行時,質量檢測設備才進行定時檢測,避免出現空檢測產生誤報；本文系統根據機制砂成品質量情況,進行分級報警,出現最高報警級別時立即停止生產線,其他等級則進行報警提示。

3.3.3 生產智能調度

本文系統根據質量檢測數據及母材性能數據,預先配置加工生產模型,并根據當前的母材性能、生產過程中的質量檢測參數,自動調整設備運行參數,提高機制砂成品合格率；本文系統實時處理設備故障信息,若設備發生故障,可根據生產線設備前后序列,立即停止前序設備,避免因設備故障擴大事故影響。

3.3.4 安全生產調度

本文系統根據現場視頻監控,分析識別現場人員的安全帽、防塵口罩佩戴情況,進行現場語音警報,提醒工作人員并記錄現場視頻,確認生產安全。

4 系統應用

本文系統已在中鐵二局集團有限公司在建項目成達萬（成都—達州—萬州）高速鐵路某機制砂場進行示范應用,效果如圖5 所示。

圖5 系統應用效果

該系統將現場紙質化生產管理轉為電子化管理,提高了生產管理效率；通過對機制砂場信息的集成展示,提高控制室對于砂場的掌控能力；該系統的智能調度功能,提高了機制砂廠場的智能化水平,提高了現場管理水平；人員安全管理、實時設備故障診斷等措施,極大地避免了人員傷害、設備故障維修帶來的經濟損失；通過實時監測成品質量、智能調整設備參數,降低了機制砂廢品率,提高了經濟效益。

5 結束語

本文結合現有機制砂場的現狀、發展需求及行業政策要求,設計了鐵路機制砂智能化生產管理系統,實現了機制砂場生產、質量、設備、環保、人員的全方面管控。該系統的應用,極大提高了砂場生產管理水平,為鐵路工程機制砂信息化管理和智能化制造提供支撐。根據應用反饋,該系統還可進一步向智能化、無人化方向發展,將重點研究母巖性能、加工工藝和加工設備的調控原理,根據機制砂成品質量檢測結果,進行加工設備的智能反饋調控,提高機制砂成品合格率。