胡云發(fā)，董賀祥

1.中鐵十四局集團房橋有限公司，中國 北京 102400；2.SFRC Engineering，日本 橫濱 216-0015

1 前言

在隧道混凝土管片生產(chǎn)過程中，需進行產(chǎn)品信息管理和完整的，系統(tǒng)化的生產(chǎn)記錄，避免人為因素導(dǎo)致的質(zhì)量控制失誤，這樣才能有效和及時地追溯，管控產(chǎn)品質(zhì)量。針對混凝土管片生產(chǎn)過程存在生產(chǎn)管理比較松散、流水線的自動化程度有待強化、技術(shù)數(shù)據(jù)需要人工填寫和報告、以及發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量問題時追溯困難等等一些問題，較早開發(fā)的信息化系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)代工程信息化發(fā)展要求［1-3］。我們根據(jù)公司全國各地的混凝土管片，特別是大直徑盾構(gòu)隧道混凝土管片的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采用信息化先進技術(shù)的軟件，硬件載體，開發(fā)出一套混凝土管片生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，有效緩解生產(chǎn)流程中各個環(huán)節(jié)繁雜的產(chǎn)品管控壓力，并提高了整個生產(chǎn)工序的生產(chǎn)效率，確立了一整套混凝土管片生產(chǎn)質(zhì)量管理和保障體系。

2 信息化技術(shù)

混凝土管片生產(chǎn)信息化技術(shù)主要包括以下幾個方面：

（1）全流程生產(chǎn)工序質(zhì)量控制：將原來需要人工質(zhì)檢的工序控制交給信息化設(shè)備，將采集到的生產(chǎn)流程產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)信息上傳到控制中心，控制中心與生產(chǎn)現(xiàn)場做到實時的交互流通傳遞，從而確立貫穿全生產(chǎn)流程的完善質(zhì)量控制體系。

（2）成品質(zhì)量追溯：將生產(chǎn)工藝流程中采集到的信息數(shù)據(jù)，例如有關(guān)人工、制造設(shè)備、使用材料、制造過程、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)管理過程等數(shù)據(jù)信息整理，并作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的信息，存儲于信息載體之中，成為將來產(chǎn)品質(zhì)量追溯的依據(jù)。

（3）成品混凝土管片的動態(tài)堆場及物流管控：建立動態(tài)的堆場模型，以及發(fā)運物流訂單化處理模式，通過模式化處理來盡可能簡化型號，種類繁多的混凝土管片庫存盤點，堆放和定位，配環(huán)作業(yè)，以及物流發(fā)運程序，降低人力物力消耗。

（4）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用：有效活用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)采集、信息傳遞、產(chǎn)品標(biāo)示，提高生產(chǎn)精益化水平。

（5）數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用：應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，通過虛擬空間仿真，形成交互式三維數(shù)字鏡像，為掌控生產(chǎn)流程中的各個要素，快速定位管理等課題提供虛擬的決策參考工具。

3 主要應(yīng)用方法

混凝土管片的生產(chǎn)是一個復(fù)雜化的系統(tǒng)工程，綜合運用研發(fā)的信息化處理平臺，對各個關(guān)鍵生產(chǎn)要素分別進行實時處理，及時發(fā)現(xiàn)和解決出現(xiàn)的問題。信息化處理平臺按照“規(guī)范化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化”進行總體架構(gòu)設(shè)計，既體現(xiàn)對生產(chǎn)車間智能生產(chǎn)管理的需求，也滿足多種維度和層級的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)監(jiān)控需求。如圖1 所示，信息化管理平臺包括以下幾個部分：

（1）接入渠道：儀器設(shè)備工具的接入，包括個人電腦（PC）、筆記本電腦（Note PC）、移動掌上電腦（（PDA）等等。

（2）智能制造監(jiān)控平臺：提供對車間生產(chǎn)狀況的整體監(jiān)控，包括生產(chǎn)進度、設(shè)備狀況、生產(chǎn)質(zhì)量、庫存、物流等方面，通過總控中心大屏、崗位管理看板、手機看板等方式，實時掌握車間的總體運行狀況，為后續(xù)生產(chǎn)提供決策支持。

（3）數(shù)據(jù)分析報表：信息化生產(chǎn)管理平臺的數(shù)據(jù)報表分析功能，對關(guān)鍵效績指標(biāo)KPI （Key Performance Indicator）進行自動匯總分析，對生產(chǎn)進度、工藝工序、產(chǎn)品質(zhì)量等臺賬數(shù)據(jù)進行組合查詢和分析，支持報表數(shù)據(jù)多種文件格式導(dǎo)出。

（4）生產(chǎn)管理：信息化生產(chǎn)管理平臺提供對車間生產(chǎn)管理核心流程，包括工藝管理、物料管理、計劃管理、工單管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、故障管理、產(chǎn)品溯源、庫存管理的支持，并提供豐富的信息訪問接口，確保系統(tǒng)的開放性和兼容性。

（5）數(shù)據(jù)采集：信息化生產(chǎn)管理平臺兼容多種數(shù)據(jù)采集方式，包括OPC（Ole Process Controller）、PLC（Programmable Controller）、RS485 （Recommended Standard485）、RS232、RJ45（Registered Jack45）等方式；對生產(chǎn)線、傳感器、數(shù)字表計等設(shè)備數(shù)據(jù)全面采集，實時掌握車間生產(chǎn)的執(zhí)行情況，并對設(shè)備運行狀態(tài)進行預(yù)測，避免被動故障，提高生產(chǎn)線運行效率。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)自動采集以及數(shù)字臺賬自動匯總技術(shù)：在傳統(tǒng)的管片生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)需要人工匯總記錄，經(jīng)常會存在時效性和準(zhǔn)確性達不到要求的情況。為此，通過下圖1 所示分為四個層次的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和匯總：

圖1 智能信息化平臺架構(gòu)原理圖

1）數(shù)據(jù)采集層：采集對象為混凝土拌合站、材料稱量地磅、混凝土管片生產(chǎn)流水線，以及成品蒸汽養(yǎng)護窯。通過數(shù)據(jù)采集儀器、串口通訊、傳感器等儀器設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集和匯總。同時，針對生產(chǎn)過程中的工序數(shù)據(jù)，通過PDA、崗位自助一體機等設(shè)備終端進行工序確認(rèn)，在工序確認(rèn)過程中完成工序數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集層面，無需額外人員進行數(shù)據(jù)輸入上報和匯總工作，采集工作均由軟件平臺自動完成。

2）數(shù)據(jù)采集加工服務(wù)層：對數(shù)據(jù)采集層上報的原始數(shù)據(jù)進行綜合篩選和加工處理。軟件平臺根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)度任務(wù)工作安排，對原始數(shù)據(jù)進行完整性校驗，自動去除重復(fù)的數(shù)據(jù)，補全缺失的數(shù)據(jù)。然后，對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化加工，達到數(shù)據(jù)庫存儲的標(biāo)準(zhǔn)格式，從而完成原始數(shù)據(jù)的加工預(yù)處理工作。

3）數(shù)據(jù)存儲層：數(shù)據(jù)由調(diào)度服務(wù)器抓取到臨時存儲區(qū)進行緩存，分別發(fā)送到云端歷史數(shù)據(jù)庫與本地歷史數(shù)據(jù)庫，本地生產(chǎn)管理的MES（Manufacturing Execution System）數(shù)據(jù)庫與云端和本地歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)異地交叉鏡像備份，在數(shù)據(jù)存儲機制上實現(xiàn)高度的存儲安全性，確?；炷凉芷a(chǎn)過程各種數(shù)據(jù)的完整性、正確性和及時性，避免意外事故造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：永久存儲的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，可以為上層應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，包括手機APP、微信小程序、中心控制中心的大屏軟件、崗位管理看板、溫濕度監(jiān)控看板等。同時，信息化生產(chǎn)管理平臺會根據(jù)實際工作需求，自動匯總數(shù)據(jù)信息，并生成智能化的數(shù)字臺賬，通過信息化軟件工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、匯總、監(jiān)控以及展示。

（2）多重產(chǎn)品標(biāo)示體系綜合運用

數(shù)字化的質(zhì)量管理工具就離不開產(chǎn)品標(biāo)識體系，對鋼筋籠、混凝土管片成品，均綜合采用多種標(biāo)識體系，實現(xiàn)在不同場景下的管理目標(biāo)對象數(shù)字化標(biāo)示和識別，這樣通過手機APP 或者PDA 等移動通訊工具，可隨時對鋼筋籠的骨架，混凝土管片成品進行質(zhì)量檢驗和數(shù)據(jù)追溯，具體如下圖2 所示。

圖2 鋼筋籠標(biāo)示體系

（3）車間移動和技術(shù)協(xié)同作業(yè)

利用PDA 設(shè)備，開發(fā)各類質(zhì)檢作業(yè)用應(yīng)用程序APP，如鋼筋質(zhì)檢、入模具匹配質(zhì)檢、混凝土管片成品質(zhì)檢、入養(yǎng)護水池、入庫、盤庫、以及訂單式物流等等，做到能夠即時檢測，管理各個生產(chǎn)工序中，制造過程中的混凝土管片半成品質(zhì)量（合格、不合格、返工、返工完成、脫模、未脫模、入庫、出庫等），并掌控管理信息。半成品質(zhì)檢完成后，應(yīng)用程序APP 將會生成標(biāo)簽，以待下道工序質(zhì)檢人員檢驗，這個過程中不需要記錄任何數(shù)據(jù)，只需掃描半成品的質(zhì)量信息標(biāo)簽，便可獲知上道工序前的狀態(tài)信息，判斷本道工序是否合格。

（4）采用MRPII 理論實現(xiàn)管片供需動態(tài)平衡

制造資源計劃簡稱為MRPII，是以MRP（Manufacturing Resources Planning）為核心，運用科學(xué)的管理方法，對企業(yè)的各種制造資源和生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)實行合理有效地計劃、組織、控制和協(xié)調(diào)，達到既能連續(xù)均衡生產(chǎn)，又能最大限度地降低各種物品的庫存量，進而提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

混凝土管片生產(chǎn)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，對外需要協(xié)調(diào)隧道的施工進度，各種使用材料的供應(yīng)情況；對內(nèi)需要協(xié)調(diào)生產(chǎn)、經(jīng)管、物資、設(shè)備等諸多部門和資源之間的配合；以及混凝土管片的養(yǎng)護周期，有限的堆場庫存容量等各種客觀條件的限制，所以選用了MRPII 理論，并進行優(yōu)化調(diào)整，使各個部門都能夠依據(jù)共享的同一數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)管理，按照規(guī)范化的處理程序進行管理和決策。同時對后續(xù)的生產(chǎn)流程進行預(yù)測性估計，從而對混凝土管片生產(chǎn)計劃和產(chǎn)品質(zhì)量提供可靠保障。

在采用MRPII 理論進行混凝土管片生產(chǎn)管理以后，各種費用，庫存成本都大幅度降低，大大降低了管理人員的工作負(fù)擔(dān)。

（5）動態(tài)庫存管理APP 技術(shù)

通過產(chǎn)品信息條碼或芯片動態(tài)化管理庫存。在產(chǎn)品入庫前對庫存位置進行編碼，定位，附加開發(fā)出盤查產(chǎn)品在庫的功能，對產(chǎn)品庫存系統(tǒng)查掃，覆蓋和更新數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地把握庫存數(shù)量。

（6）出廠訂單式管理APP 技術(shù)

依據(jù)小程序功能推出訂單式管理混凝土管片出場檢驗，與工程現(xiàn)場的交接程序等，厘清各個環(huán)節(jié)的責(zé)任所在。

（7）人員、設(shè)備、物資、安全生產(chǎn)、技術(shù)等管理應(yīng)用

1）信息化管理平臺，通過PDA 直接讀取產(chǎn)品或現(xiàn)場的標(biāo)簽與生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息交互聯(lián)通，隨時掌握產(chǎn)品移動軌跡。

2）各種信息化設(shè)備均用芯片做檢查，保養(yǎng)記錄數(shù)據(jù)信息

3）物資出入庫用類似于超市的管理方式，庫存更加明晰。

4）施工圖紙上傳到平臺，現(xiàn)場工作人員隨時可以查看

5）安全實現(xiàn)產(chǎn)品移動作業(yè)，直接上傳隱患檢查等信息

（8）數(shù)字孿生互動體驗的突破性嘗試

建立三維數(shù)字仿真交互平臺，可隨時切換全生產(chǎn)流程的監(jiān)控和場景，實時監(jiān)控生產(chǎn)流程、原材料供需、各環(huán)節(jié)崗位員工配置、成品堆場情況，并與中控中心，各環(huán)節(jié)管理共享信息。

5 應(yīng)用效果及社會經(jīng)濟效益分析

生產(chǎn)信息化管理平臺技術(shù)，成功應(yīng)用在濟南黃河隧道工程（盾構(gòu)外徑15.2m，公路·鐵路雙用超大型盾構(gòu)隧道），基本實現(xiàn)了混凝土管片生產(chǎn)工藝流程，物資，人員和設(shè)備，產(chǎn)品發(fā)運，以及質(zhì)量的數(shù)字化、智能化管理，不僅減少工序間的失誤率，節(jié)省人力物力，而且能夠?qū)ιa(chǎn)流程各個環(huán)節(jié)做到實時管控，降低了產(chǎn)品質(zhì)量問題的發(fā)生概率，取得了良好的經(jīng)濟效益。

同時，信息化管理平臺建設(shè)也推動了混凝土管片生產(chǎn)流程的管理標(biāo)準(zhǔn)化，以及作業(yè)程序的規(guī)范化，協(xié)助生產(chǎn)管理人員實現(xiàn)對混凝土管片生產(chǎn)的數(shù)字化管理，產(chǎn)品的需求、庫存、發(fā)運情況精準(zhǔn)透明，產(chǎn)品質(zhì)量的準(zhǔn)確追溯和缺陷跟蹤，提高了管片生產(chǎn)的整體管理效率。同時，也消除了產(chǎn)品質(zhì)量管控盲區(qū)，廣泛運用提升了混凝土管片等產(chǎn)品質(zhì)量的管控整體水平。

本項技術(shù)在2019 年申請了發(fā)明專利《一種隧道過程盾構(gòu)管片智能制造平臺》和軟件著作權(quán)。專利內(nèi)容包括采用APP 的管理方式，使用二維碼、條紋碼、RFID 芯片等進行生產(chǎn)流程各個環(huán)節(jié)信息的交流和轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)流程和質(zhì)量管控的模塊化，各個工序之間的圓滑銜接和操作方法。

6 結(jié)語

本項信息化管理技術(shù)的運用，實現(xiàn)了移動作業(yè)和管理過程的有效調(diào)控，同時對混凝土管片生產(chǎn)的各類數(shù)據(jù)信息，如原材料在庫調(diào)配、生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)等進行實時采集和分析，實現(xiàn)了對生產(chǎn)流程的有效和實時的質(zhì)量管控障。

今后的預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)流程，產(chǎn)品質(zhì)量管理將由信息化管理技術(shù)逐步替代人工管理，實現(xiàn)各種信息的精準(zhǔn)實時共享及透明，整合所有的管理程序。隨著5G 時代的即將到來，引入工業(yè)化5G 系統(tǒng)，將生產(chǎn)線操作智能化設(shè)備體系（如代替人工的機械臂）、全自動混凝土振搗體系、生產(chǎn)管理（安全、質(zhì)量、進度）控制體系等高度融合，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)及施工管理。