大盾构隧道混凝土管片生产信息化技术

胡云发，董贺祥

1.中铁十四局集团房桥有限公司，中国 北京 102400；2.SFRC Engineering，日本 横滨 216-0015

1 前言

在隧道混凝土管片生产过程中，需进行产品信息管理和完整的，系统化的生产记录，避免人为因素导致的质量控制失误，这样才能有效和及时地追溯，管控产品质量。针对混凝土管片生产过程存在生产管理比较松散、流水线的自动化程度有待强化、技术数据需要人工填写和报告、以及发生产品质量问题时追溯困难等等一些问题，较早开发的信息化系统不能满足现代工程信息化发展要求［1-3］。我们根据公司全国各地的混凝土管片，特别是大直径盾构隧道混凝土管片的实际生产经验，采用信息化先进技术的软件，硬件载体，开发出一套混凝土管片生产信息化管理系统，有效缓解生产流程中各个环节繁杂的产品管控压力，并提高了整个生产工序的生产效率，确立了一整套混凝土管片生产质量管理和保障体系。

2 信息化技术

混凝土管片生产信息化技术主要包括以下几个方面：

（1）全流程生产工序质量控制：将原来需要人工质检的工序控制交给信息化设备，将采集到的生产流程产品质量数据信息上传到控制中心，控制中心与生产现场做到实时的交互流通传递，从而确立贯穿全生产流程的完善质量控制体系。

（2）成品质量追溯：将生产工艺流程中采集到的信息数据，例如有关人工、制造设备、使用材料、制造过程、产品质量、生产管理过程等数据信息整理，并作为产品质量控制的信息，存储于信息载体之中，成为将来产品质量追溯的依据。

（3）成品混凝土管片的动态堆场及物流管控：建立动态的堆场模型，以及发运物流订单化处理模式，通过模式化处理来尽可能简化型号，种类繁多的混凝土管片库存盘点，堆放和定位，配环作业，以及物流发运程序，降低人力物力消耗。

（4）物联网技术的综合应用：有效活用物联网技术于生产流程数据采集、信息传递、产品标示，提高生产精益化水平。

（5）数字孪生技术的应用：应用数字孪生技术，通过虚拟空间仿真，形成交互式三维数字镜像，为掌控生产流程中的各个要素，快速定位管理等课题提供虚拟的决策参考工具。

3 主要应用方法

混凝土管片的生产是一个复杂化的系统工程，综合运用研发的信息化处理平台，对各个关键生产要素分别进行实时处理，及时发现和解决出现的问题。信息化处理平台按照“规范化、系统化、标准化”进行总体架构设计，既体现对生产车间智能生产管理的需求，也满足多种维度和层级的数据分析和数据监控需求。如图1 所示，信息化管理平台包括以下几个部分：

（1）接入渠道：仪器设备工具的接入，包括个人电脑（PC）、笔记本电脑（Note PC）、移动掌上电脑（（PDA）等等。

（2）智能制造监控平台：提供对车间生产状况的整体监控，包括生产进度、设备状况、生产质量、库存、物流等方面，通过总控中心大屏、岗位管理看板、手机看板等方式，实时掌握车间的总体运行状况，为后续生产提供决策支持。

（3）数据分析报表：信息化生产管理平台的数据报表分析功能，对关键效绩指标KPI （Key Performance Indicator）进行自动汇总分析，对生产进度、工艺工序、产品质量等台账数据进行组合查询和分析，支持报表数据多种文件格式导出。

（4）生产管理：信息化生产管理平台提供对车间生产管理核心流程，包括工艺管理、物料管理、计划管理、工单管理、质量管理、设备管理、故障管理、产品溯源、库存管理的支持，并提供丰富的信息访问接口，确保系统的开放性和兼容性。

（5）数据采集：信息化生产管理平台兼容多种数据采集方式，包括OPC（Ole Process Controller）、PLC（Programmable Controller）、RS485 （Recommended Standard485）、RS232、RJ45（Registered Jack45）等方式；对生产线、传感器、数字表计等设备数据全面采集，实时掌握车间生产的执行情况，并对设备运行状态进行预测，避免被动故障，提高生产线运行效率。

4 关键技术

（1）数据自动采集以及数字台账自动汇总技术：在传统的管片生产过程中，生产工序数据需要人工汇总记录，经常会存在时效性和准确性达不到要求的情况。为此，通过下图1 所示分为四个层次的数据采集架构，实现数据自动采集和汇总：

图1 智能信息化平台架构原理图

1）数据采集层：采集对象为混凝土拌合站、材料称量地磅、混凝土管片生产流水线，以及成品蒸汽养护窑。通过数据采集仪器、串口通讯、传感器等仪器设备，实现数据的自动化采集和汇总。同时，针对生产过程中的工序数据，通过PDA、岗位自助一体机等设备终端进行工序确认，在工序确认过程中完成工序数据的采集。在数据采集层面，无需额外人员进行数据输入上报和汇总工作，采集工作均由软件平台自动完成。

2）数据采集加工服务层：对数据采集层上报的原始数据进行综合筛选和加工处理。软件平台根据数据调度任务工作安排，对原始数据进行完整性校验，自动去除重复的数据，补全缺失的数据。然后，对原始数据进行标准化加工，达到数据库存储的标准格式，从而完成原始数据的加工预处理工作。

3）数据存储层：数据由调度服务器抓取到临时存储区进行缓存，分别发送到云端历史数据库与本地历史数据库，本地生产管理的MES（Manufacturing Execution System）数据库与云端和本地历史数据实现异地交叉镜像备份，在数据存储机制上实现高度的存储安全性，确保混凝土管片生产过程各种数据的完整性、正确性和及时性，避免意外事故造成关键数据丢失。

4）数据应用层：永久存储的标准化数据，可以为上层应用软件提供基础数据访问服务，包括手机APP、微信小程序、中心控制中心的大屏软件、岗位管理看板、温湿度监控看板等。同时，信息化生产管理平台会根据实际工作需求，自动汇总数据信息，并生成智能化的数字台账，通过信息化软件工具，实现数据的自动采集、汇总、监控以及展示。

（2）多重产品标示体系综合运用

数字化的质量管理工具就离不开产品标识体系，对钢筋笼、混凝土管片成品，均综合采用多种标识体系，实现在不同场景下的管理目标对象数字化标示和识别，这样通过手机APP 或者PDA 等移动通讯工具，可随时对钢筋笼的骨架，混凝土管片成品进行质量检验和数据追溯，具体如下图2 所示。

图2 钢筋笼标示体系

（3）车间移动和技术协同作业

利用PDA 设备，开发各类质检作业用应用程序APP，如钢筋质检、入模具匹配质检、混凝土管片成品质检、入养护水池、入库、盘库、以及订单式物流等等，做到能够即时检测，管理各个生产工序中，制造过程中的混凝土管片半成品质量（合格、不合格、返工、返工完成、脱模、未脱模、入库、出库等），并掌控管理信息。半成品质检完成后，应用程序APP 将会生成标签，以待下道工序质检人员检验，这个过程中不需要记录任何数据，只需扫描半成品的质量信息标签，便可获知上道工序前的状态信息，判断本道工序是否合格。

（4）采用MRPII 理论实现管片供需动态平衡

制造资源计划简称为MRPII，是以MRP（Manufacturing Resources Planning）为核心，运用科学的管理方法，对企业的各种制造资源和生产经营各环节实行合理有效地计划、组织、控制和协调，达到既能连续均衡生产，又能最大限度地降低各种物品的库存量，进而提高企业经济效益。

混凝土管片生产是一个复杂的系统性工程，对外需要协调隧道的施工进度，各种使用材料的供应情况；对内需要协调生产、经管、物资、设备等诸多部门和资源之间的配合；以及混凝土管片的养护周期，有限的堆场库存容量等各种客观条件的限制，所以选用了MRPII 理论，并进行优化调整，使各个部门都能够依据共享的同一数据信息进行系统管理，按照规范化的处理程序进行管理和决策。同时对后续的生产流程进行预测性估计，从而对混凝土管片生产计划和产品质量提供可靠保障。

在采用MRPII 理论进行混凝土管片生产管理以后，各种费用，库存成本都大幅度降低，大大降低了管理人员的工作负担。

（5）动态库存管理APP 技术

通过产品信息条码或芯片动态化管理库存。在产品入库前对库存位置进行编码，定位，附加开发出盘查产品在库的功能，对产品库存系统查扫，覆盖和更新数据，准确地把握库存数量。

（6）出厂订单式管理APP 技术

依据小程序功能推出订单式管理混凝土管片出场检验，与工程现场的交接程序等，厘清各个环节的责任所在。

（7）人员、设备、物资、安全生产、技术等管理应用

1）信息化管理平台，通过PDA 直接读取产品或现场的标签与生产现场的数据信息交互联通，随时掌握产品移动轨迹。

2）各种信息化设备均用芯片做检查，保养记录数据信息

3）物资出入库用类似于超市的管理方式，库存更加明晰。

4）施工图纸上传到平台，现场工作人员随时可以查看

5）安全实现产品移动作业，直接上传隐患检查等信息

（8）数字孪生互动体验的突破性尝试

建立三维数字仿真交互平台，可随时切换全生产流程的监控和场景，实时监控生产流程、原材料供需、各环节岗位员工配置、成品堆场情况，并与中控中心，各环节管理共享信息。

5 应用效果及社会经济效益分析

生产信息化管理平台技术，成功应用在济南黄河隧道工程（盾构外径15.2m，公路·铁路双用超大型盾构隧道），基本实现了混凝土管片生产工艺流程，物资，人员和设备，产品发运，以及质量的数字化、智能化管理，不仅减少工序间的失误率，节省人力物力，而且能够对生产流程各个环节做到实时管控，降低了产品质量问题的发生概率，取得了良好的经济效益。

同时，信息化管理平台建设也推动了混凝土管片生产流程的管理标准化，以及作业程序的规范化，协助生产管理人员实现对混凝土管片生产的数字化管理，产品的需求、库存、发运情况精准透明，产品质量的准确追溯和缺陷跟踪，提高了管片生产的整体管理效率。同时，也消除了产品质量管控盲区，广泛运用提升了混凝土管片等产品质量的管控整体水平。

本项技术在2019 年申请了发明专利《一种隧道过程盾构管片智能制造平台》和软件著作权。专利内容包括采用APP 的管理方式，使用二维码、条纹码、RFID 芯片等进行生产流程各个环节信息的交流和转换，生产流程和质量管控的模块化，各个工序之间的圆滑衔接和操作方法。

6 结语

本项信息化管理技术的运用，实现了移动作业和管理过程的有效调控，同时对混凝土管片生产的各类数据信息，如原材料在库调配、生产线运转等进行实时采集和分析，实现了对生产流程的有效和实时的质量管控障。

今后的预制混凝土构件生产流程，产品质量管理将由信息化管理技术逐步替代人工管理，实现各种信息的精准实时共享及透明，整合所有的管理程序。随着5G 时代的即将到来，引入工业化5G 系统，将生产线操作智能化设备体系（如代替人工的机械臂）、全自动混凝土振捣体系、生产管理（安全、质量、进度）控制体系等高度融合，实现数字化生产及施工管理。