大盾構隧道混凝土管片生產信息化技術

胡云發，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過程中，需進行產品信息管理和完整的，系統化的生產記錄，避免人為因素導致的質量控制失誤，這樣才能有效和及時地追溯，管控產品質量。針對混凝土管片生產過程存在生產管理比較松散、流水線的自動化程度有待強化、技術數據需要人工填寫和報告、以及發生產品質量問題時追溯困難等等一些問題，較早開發的信息化系統不能滿足現代工程信息化發展要求［1-3］。我們根據公司全國各地的混凝土管片，特別是大直徑盾構隧道混凝土管片的實際生產經驗，采用信息化先進技術的軟件，硬件載體，開發出一套混凝土管片生產信息化管理系統，有效緩解生產流程中各個環節繁雜的產品管控壓力，并提高了整個生產工序的生產效率，確立了一整套混凝土管片生產質量管理和保障體系。

2 信息化技術

混凝土管片生產信息化技術主要包括以下幾個方面：

（1）全流程生產工序質量控制：將原來需要人工質檢的工序控制交給信息化設備，將采集到的生產流程產品質量數據信息上傳到控制中心，控制中心與生產現場做到實時的交互流通傳遞，從而確立貫穿全生產流程的完善質量控制體系。

（2）成品質量追溯：將生產工藝流程中采集到的信息數據，例如有關人工、制造設備、使用材料、制造過程、產品質量、生產管理過程等數據信息整理，并作為產品質量控制的信息，存儲于信息載體之中，成為將來產品質量追溯的依據。

（3）成品混凝土管片的動態堆場及物流管控：建立動態的堆場模型，以及發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，配環作業，以及物流發運程序，降低人力物力消耗。

（4）物聯網技術的綜合應用：有效活用物聯網技術于生產流程數據采集、信息傳遞、產品標示，提高生產精益化水平。

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

3 主要應用方法

混凝土管片的生產是一個復雜化的系統工程，綜合運用研發的信息化處理平臺，對各個關鍵生產要素分別進行實時處理，及時發現和解決出現的問題。信息化處理平臺按照“規范化、系統化、標準化”進行總體架構設計，既體現對生產車間智能生產管理的需求，也滿足多種維度和層級的數據分析和數據監控需求。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）智能制造監控平臺：提供對車間生產狀況的整體監控，包括生產進度、設備狀況、生產質量、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，為后續生產提供決策支持。

（3）數據分析報表：信息化生產管理平臺的數據報表分析功能，對關鍵效績指標KPI （Key Performance Indicator）進行自動匯總分析，對生產進度、工藝工序、產品質量等臺賬數據進行組合查詢和分析，支持報表數據多種文件格式導出。

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

（5）數據采集：信息化生產管理平臺兼容多種數據采集方式，包括OPC（Ole Process Controller）、PLC（Programmable Controller）、RS485 （Recommended Standard485）、RS232、RJ45（Registered Jack45）等方式；對生產線、傳感器、數字表計等設備數據全面采集，實時掌握車間生產的執行情況，并對設備運行狀態進行預測，避免被動故障，提高生產線運行效率。

4 關鍵技術

（1）數據自動采集以及數字臺賬自動匯總技術：在傳統的管片生產過程中，生產工序數據需要人工匯總記錄，經常會存在時效性和準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據采集架構，實現數據自動采集和匯總：

圖1 智能信息化平臺架構原理圖

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

2）數據采集加工服務層：對數據采集層上報的原始數據進行綜合篩選和加工處理。軟件平臺根據數據調度任務工作安排，對原始數據進行完整性校驗，自動去除重復的數據，補全缺失的數據。然后，對原始數據進行標準化加工，達到數據庫存儲的標準格式，從而完成原始數據的加工預處理工作。

3）數據存儲層：數據由調度服務器抓取到臨時存儲區進行緩存，分別發送到云端歷史數據庫與本地歷史數據庫，本地生產管理的MES（Manufacturing Execution System）數據庫與云端和本地歷史數據實現異地交叉鏡像備份，在數據存儲機制上實現高度的存儲安全性，確保混凝土管片生產過程各種數據的完整性、正確性和及時性，避免意外事故造成關鍵數據丟失。

4）數據應用層：永久存儲的標準化數據，可以為上層應用軟件提供基礎數據訪問服務，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、溫濕度監控看板等。同時，信息化生產管理平臺會根據實際工作需求，自動匯總數據信息，并生成智能化的數字臺賬，通過信息化軟件工具，實現數據的自動采集、匯總、監控以及展示。

（2）多重產品標示體系綜合運用

數字化的質量管理工具就離不開產品標識體系，對鋼筋籠、混凝土管片成品，均綜合采用多種標識體系，實現在不同場景下的管理目標對象數字化標示和識別，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量檢驗和數據追溯，具體如下圖2 所示。

圖2 鋼筋籠標示體系

（3）車間移動和技術協同作業

利用PDA 設備，開發各類質檢作業用應用程序APP，如鋼筋質檢、入模具匹配質檢、混凝土管片成品質檢、入養護水池、入庫、盤庫、以及訂單式物流等等，做到能夠即時檢測，管理各個生產工序中，制造過程中的混凝土管片半成品質量（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。半成品質檢完成后，應用程序APP 將會生成標簽，以待下道工序質檢人員檢驗，這個過程中不需要記錄任何數據，只需掃描半成品的質量信息標簽，便可獲知上道工序前的狀態信息，判斷本道工序是否合格。

（4）采用MRPII 理論實現管片供需動態平衡

制造資源計劃簡稱為MRPII，是以MRP（Manufacturing Resources Planning）為核心，運用科學的管理方法，對企業的各種制造資源和生產經營各環節實行合理有效地計劃、組織、控制和協調，達到既能連續均衡生產，又能最大限度地降低各種物品的庫存量，進而提高企業經濟效益。

混凝土管片生產是一個復雜的系統性工程，對外需要協調隧道的施工進度，各種使用材料的供應情況；對內需要協調生產、經管、物資、設備等諸多部門和資源之間的配合；以及混凝土管片的養護周期，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，并進行優化調整，使各個部門都能夠依據共享的同一數據信息進行系統管理，按照規范化的處理程序進行管理和決策。同時對后續的生產流程進行預測性估計，從而對混凝土管片生產計劃和產品質量提供可靠保障。

在采用MRPII 理論進行混凝土管片生產管理以后，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擔。

（5）動態庫存管理APP 技術

通過產品信息條碼或芯片動態化管理庫存。在產品入庫前對庫存位置進行編碼，定位，附加開發出盤查產品在庫的功能，對產品庫存系統查掃，覆蓋和更新數據，準確地把握庫存數量。

（6）出廠訂單式管理APP 技術

依據小程序功能推出訂單式管理混凝土管片出場檢驗，與工程現場的交接程序等，厘清各個環節的責任所在。

（7）人員、設備、物資、安全生產、技術等管理應用

1）信息化管理平臺，通過PDA 直接讀取產品或現場的標簽與生產現場的數據信息交互聯通，隨時掌握產品移動軌跡。

2）各種信息化設備均用芯片做檢查，保養記錄數據信息

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，現場工作人員隨時可以查看

5）安全實現產品移動作業，直接上傳隱患檢查等信息

（8）數字孿生互動體驗的突破性嘗試

建立三維數字仿真交互平臺，可隨時切換全生產流程的監控和場景，實時監控生產流程、原材料供需、各環節崗位員工配置、成品堆場情況，并與中控中心，各環節管理共享信息。

5 應用效果及社會經濟效益分析

生產信息化管理平臺技術，成功應用在濟南黃河隧道工程（盾構外徑15.2m，公路·鐵路雙用超大型盾構隧道），基本實現了混凝土管片生產工藝流程，物資，人員和設備，產品發運，以及質量的數字化、智能化管理，不僅減少工序間的失誤率，節省人力物力，而且能夠對生產流程各個環節做到實時管控，降低了產品質量問題的發生概率，取得了良好的經濟效益。

同時，信息化管理平臺建設也推動了混凝土管片生產流程的管理標準化，以及作業程序的規范化，協助生產管理人員實現對混凝土管片生產的數字化管理，產品的需求、庫存、發運情況精準透明，產品質量的準確追溯和缺陷跟蹤，提高了管片生產的整體管理效率。同時，也消除了產品質量管控盲區，廣泛運用提升了混凝土管片等產品質量的管控整體水平。

本項技術在2019 年申請了發明專利《一種隧道過程盾構管片智能制造平臺》和軟件著作權。專利內容包括采用APP 的管理方式，使用二維碼、條紋碼、RFID 芯片等進行生產流程各個環節信息的交流和轉換，生產流程和質量管控的模塊化，各個工序之間的圓滑銜接和操作方法。

6 結語

本項信息化管理技術的運用，實現了移動作業和管理過程的有效調控，同時對混凝土管片生產的各類數據信息，如原材料在庫調配、生產線運轉等進行實時采集和分析，實現了對生產流程的有效和實時的質量管控障。

今后的預制混凝土構件生產流程，產品質量管理將由信息化管理技術逐步替代人工管理，實現各種信息的精準實時共享及透明，整合所有的管理程序。隨著5G 時代的即將到來，引入工業化5G 系統，將生產線操作智能化設備體系（如代替人工的機械臂）、全自動混凝土振搗體系、生產管理（安全、質量、進度）控制體系等高度融合，實現數字化生產及施工管理。