大型预制件物流运输安全管理分析

赵宁宁，赵欢欢，李艳群

（北京物资学院 信息学院，北京 101149）

0 引 言

随着“建筑工业化”的发展，预制件也得到了广泛的应用[1]。国内外的港口、桥梁、风机、铁塔等大型建筑逐渐形成了整体预制的大趋势。迄今为止，混凝土预制技术的发展历史已有120余年，预制件在美国、德国、瑞典、日本、新加坡等国家的应用已相当广泛[2]。预制件是指预先在工厂中通过标准化、机械化方式加工生产好的混凝土制品，它不需要在建筑工地现场制模和浇注，只需要将制好的预制件运输至现场进行装配即可[3]。使用预制件装配式建筑方式，不仅有利于提高施工效率和工程质量，还减少了建筑垃圾和噪声[4]。虽然预制件的使用在许多行业得到了一致的认可与好评，但其自身也存在着较大的运输安全隐患。加强预制件的运输安全管理，以及保障预制件和相关人员的运输安全极为重要。

1 预制件运输管理需求

预制件凭借其多种优势，在各个领域的应用越来越多，如建筑行业的预制混凝土构件、交通领域的桥梁预制件、大型风机的叶片、配网工程的预制电缆井、大型铁塔的预制基础等。随着预制件的应用领域越来越广，其运输安全管理的需求也日益增加。

然而预制件自身的特性却加大了运输的难度。预制件通常具有超宽、超高和超重的特性，所以需要在运输前规划好运输路线，确保预制件的高度和重量能顺利通过。由于预制件外形的不规则，在运输车上放置的稳定性较差，在运输途中要实时监测预制件的运输状况，包括预制件自身的振动情况、倾斜情况、运输车辆的地理位置信息等。

预制件的广泛应用和自身较大的运输难度使得预制件的运输安全管理需求越来越迫切。

2 国内外研究与应用现状分析

面对日益增加的运输管理需求，我国当前的预制件运输管理的水平是否能够满足，本文就相关研究与应用的现状进行了分析。

2.1 研究现状

为了研究物联网技术在大型预制件的运输管理方面的应用情况，使用“预制件”“运输”“管理”“安全”“物流”等关键词，对国内外近5年的相关文献进行检索，共查得国内文章32篇，国外文章10篇，整理了9种相关的物联网技术。通过这42篇文章的整理，发现了国内外对预制件运输安全管理方面研究的一些问题。

2.1.1 相关研究

搜索从2015—2019年之间每年发表的论文数量，结果如图1所示。

图1 2015—2019年国内外关于预制件运输管理研究的论文数量

从图1可以看出，近5年来国内外对于预制件运输安全管理的研究虽然呈逐年增加的趋势，但是总体来说目前的研究仍然较少，每年的文章数量均低于10篇。其中，有些文章是对预制件从生产到施工的整个物流过程的研究，文中仅有小部分是对运输阶段安全管理的研究；单独侧重运输方面的文章是少之又少。

2.1.2 相关技术比较落后

通过这42篇文章，发现预制件运输安全管理的研究总共涉及到BIM、RFID、GPS、WSN、3D/4D、4G、二维码、AR/VR和条形码技术等物联网技术。统计这些技术分别出现的次数，结果如图2所示，BIM、RFID和GPS技术是我国研究最多的技术。

图2 物联网技术在预制件运输安全管理中的应用研究

通过分析这42篇文献，将预制件运输安全管理的主要研究内容分为如图3所示的8个大类。从图3可以看出，国内外的研究多集中在实现预制件运输过程的溯源查询、位置监控、可视化和实时跟踪这4个方面，对于环境监测的研究较少。需要指出的是，我国还没有对于在线预警的研究。

图3 预制件运输安全管理研究

图2和图3在一定程度上相互关联，图2中研究最多的技术分别是BIM、RFID和GPS，分别对应图3中可视化、溯源跟踪和位置监控功能。

通过图2和图3可以发现我国在预制件运输安全管理方面存在技术落后的问题。在预制件的运输过程中，目前我国研究所使用的物联网技术多为BIM、RFID和GPS，仅能实现溯源查询、位置监控、可视化和实时跟踪功能，对于预制件这种超大、超重的大型货物来说，仅有这些是不够的，满足不了目前预制件运输安全管理的需求。相较而言，国外已经将WSN技术用于实现在途环境监测和在线预警功能，能够更好地保证预制件运输的安全性，减少预制件受损和人员伤亡。

2.2 应用现状

2.2.1 对预制件的物流运输安全管理缺乏足够的认识

物流管理的概念和管理方法已经被广泛地应用在许多现代企业的管理之中[5]。但我国建筑施工企业对于预制件管理的重点仍然局限于预制件的生产和现场施工阶段，对运输环节的重要性缺乏足够重视。

2.2.2 建筑施工企业运输管理体系不完善

尽管一些建筑施工企业对原有的物流管理体系进行了改革，但是大多数企业没有建立足够完善的运输安全管理体系，在建筑施工企业施工中没有单独的运输阶段信息管理系统，大多数是沿用生产阶段的信息管理技术。

2.3 预制件运输安全管理的信息化水平偏低

相较于国外，我国预制件运输安全管理的相关技术较为落后，信息化管理系统应用受到制约，造成运输过程中的位置监控和环境监测的信息实时性差、在线预警难以保证，缺乏可靠的技术支撑。

3 存在问题与改革建议

3.1 管理制度方面

（1）加强政府引导作用：大型预制件的运输安全问题需要国家和市场的共同引导，充分完善相关法律法规政策，增强相关企业对预制件运输安全问题的重视。

（2）积极发展相关物联网技术：我国应积极发展物联网技术，将优秀物流企业的相关技术引入预制件的运输安全管理中，建立完善的预制件物流运输安全管理系统。

（3）制定运输操作规范：国家相关部门应统一大型预制件的运输规范，并建立完善的监督系统，确保各企业遵循规范的操作准则，进行预制件的运输工作。

3.2 技术应用方面

有了政府的政策扶持，在预制件实际的运输管理中，技术的应用也至关重要，先进的物联网技术将大大提高运输安全管理的效率。

由于预制件具有超高、超长、超重等特点，在运输过程中容易发生损坏。为保证预制件的运输安全，在运输的过程中要做好路径规划、在途的实时监测和管理，而这些都需要有物联网技术的支持。为实现对预制件从运输规划到溯源查询的全程监管，文章提出应用WSN和GPS技术构建一体化的预制件运输安全管理系统。

3.2.1 WSN和GPS的应用概述

在运输过程中，对于预制件本身需要监测的信息包括：预制件承受的压力、预制件自身的振动和倾斜情况；对于运输车辆需要监测的信息包括：路线信息、路况信息、实时的位置信息、车辆的行驶速度[6]。

该运输管理系统应用GPS技术来获取运输车辆的实时信息，应用WSN技术来获取运输途中预制件本身振动和倾斜情况的信息。采集来的车辆和预制件的实时信息由车载终端通过GPRS传输给远程监控中心。根据上述功能需求，预制件运输安全管理信息系统的架构设计如图4所示。

图4 预制件运输安全管理信息系统的架构设计

该预制件运输安全管理系统将对整个运输过程实现全程的监管，流程主要包括：运输前的路径规划，运输中的在途监测、位置监控和在线预警，运输完成后的溯源查询。

3.2.2 GPS的功能

（1）路径规划

由于大型预制件自身的高度和重量问题，需要考虑到沿途可能经过的桥梁、桥洞、车道的承载能力，通行高度、宽度、弯度和坡度限制，需在运输前对运输路线进行规划[7]。用全球定位系统（Global Position System, GPS）结合Googlemap在线地图，可提前预设好始发地和目的地，然后根据沿途路况规划出最优路径。

（2）车辆监控

目前我国对预制件的运输多使用平板拖车运输方式，大型预制件的运输过程中容易发生安全事故，故在运输时要控制好车辆行驶速度。在预制件运输车辆的车载终端中装配GPS和GPRS集成设备，在运输过程中，运输管理中心的工作人员不仅能够实时掌握车辆的行驶速度，还可以准确地获取车辆的地理位置信息、运输时间计划执行变更情况等[8]。

应用GPS技术进行车辆监控的原理是：安装于车载终端中的GPS定位模块，按照设定的时间间隔对地理位置进行采样定位，并通过GPRS通信将车辆的位置信息传到运输管理中心，运输管理中心的工作人员收到数据后，再将其与Googlemap在线地图相结合，并计算出车辆当前的行驶速度，在后台的电子地图上，就可以显示出预制件运输车辆实时的位置信息和行驶速度。

3.2.3 WSN的功能

在运输途中，除了对运输车辆的行驶情况进行监控外，还应对预制件自身的情况进行监测，确保预制件不受损。因为预制件本身的结构特点，当运输路线出现障碍、路面不平整、技术人员操作不当等情况时，容易发生晃动和倾覆，造成预制件受损，甚至人员伤亡[9]。因此，需要对预制件的在途情况进行实时监测，这里运用无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）来进行监测。

（1）在途监测功能

文章选用惯性式振动传感器用于监测预制件的振动情况。将传感器固定在预制件的表面，当传感器外壳随预制件运动时，传感器内部的惯性质量块将与外壳发生相对运动，记录下相对振动位移幅值，并求出预制件的振动位移波形，实现对预制件振动情况的监测[10]。

文章选用姿态传感器用于监测预制件的倾斜情况。将姿态传感器固定在预制件表面，通过内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘等获取预制件的三维姿态数据，实现对预制件倾斜情况的监测。

通过多个惯性式振动传感器和姿态传感器节点构建一个无线传感器网络，工作原理如图5所示。

图5 WSN工作原理

①在预制件自身表面部署惯性式振动传感器节点和姿态传感器节点，通过自组织的方式构成网络。

②传感器节点采集预制件的振动和倾斜数据传给汇聚节点，再传递给车载终端，进行分析、融合和预处理。

③车载终端通过GPRS通信将数据传输到远程管理中心，管理人员就可以实时监测预制件的振动和倾斜情况。远程管理中心将数据发送到Internet，并将传感数据的日志保存到本地数据库中。

④用户可以通过接入Internet，使用远程数据服务。

（2）在线预警功能

除了对运输途中预制件的振动和倾斜情况实时监测之外，这个无线传感器网络还具有在线报警功能。根据所测得的振动位移波形和三维姿态数据，对传感器设置分级报警，数值达到某个级别的阈值时，车载终端就开始自动报警，提醒工作人员注意预制件的振动情况或者倾斜情况。

当振动剧烈或倾斜角度过大时，传感器还有报警功能，运输管理中心可以及时发现潜在危险并提醒工作人员。

（3）溯源查询功能

在整个运输过程中，远程的运输管理中心获取了GPS传输的行驶路线、发货信息、送达时间等信息，还获取了WSN采集的运输途中的振动和倾斜数据，运输管理中心将这些数据保存在本地数据库。若到达客户手中的预制件有受损情况，则可以通过调取数据库中的记录追溯到具体的运输阶段，明确责任的归咎。

3.2.4 总结

融合了GPS、WSN和GPRS技术的一体化预制件运输安全管理系统，实现了路径规划、在途监测、位置监控、在线预警、溯源查询的运输管理功能。这一运输管理系统的应用将大大提高预制件的运输安全程度。

3.3 人员培训方面

确保运输安全是预制件物流安全管理的重要部分。在开展运输活动时，应提前对相关人员进行岗前安全教育和培训，并在整个运输过程中进行实时监控。培训内容应包括以下几个方面：

（1）提高安全意识：提高工作人员安全意识和防范意识，正确认识运输的注意事项。

（2）规范运输操作：在运输过程中，要考虑到预制件外形特殊、自身稳定性较差，按照规范的操作将预制件进行固定，避免造成预制件的碰撞。

（3）正确使用相关设备：对工作人员要进行相关设备操作的培训，要确保工作人员能够掌握相关技术装备的使用方法，保证运输的安全进行。

（4）做好预防措施，排除安全隐患：在运输工作进行前，提前规划好运输路线，详细了解运输过程中可能出现的问题和解决方案。

4 结 语

目前，我国装配式建筑快速发展，预制件起到了巨大的推动作用，在大型铁塔、风机、桥梁等诸多领域都得到了广泛的应用。但是由于预制件自身外形的特殊性，使得预制件的运输安全问题日益突出。然而目前我国的相关研究仍然较少，研究中使用的技术也较为落后。在实际预制件运输中，大多建筑企业对运输安全管理仍然不够重视，且存在运输管理体系不完善、没有制定相应的运输规定等问题。针对我国预制件物流运输安全管理的现状，文章提出完善管理制度、加强物联网技术的应用、重视人员培训等改革建议。通过国家、企业和工人的配合，发展和运用好相关的物联网技术，完善预制件的物流运输安全管理体系，进一步促进预制件在更多领域的发展。