朱明清 楊秀禮 程茂林

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430048; 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430048; 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,武漢 430048)

引言

隨著我國(guó)預(yù)制裝配化推進(jìn)，各地區(qū)積極建設(shè)預(yù)制工廠予以支撐，據(jù)調(diào)研，已建成的預(yù)制工廠大多采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)督和經(jīng)驗(yàn)主義的粗放型施工管理模式，不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且不利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，管理水平不能滿足現(xiàn)代工程信息化的發(fā)展要求。

雖然在行業(yè)背景和地方政策的引導(dǎo)下，部分企業(yè)都探索了相應(yīng)的解決方案[1-2]，并初步建立了信息系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，但目前預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中仍然存在以下問(wèn)題：首先，用戶在使用系統(tǒng)時(shí)需要手動(dòng)輸入大量基本數(shù)據(jù)，這是低效且容易出錯(cuò)的[3]； 其次，在傳統(tǒng)生產(chǎn)階段下，數(shù)據(jù)化程度不足，多數(shù)的數(shù)據(jù)都是以記錄表、紙張、條子等形式存在，都被鎖在柜子里，數(shù)據(jù)分析能夠起到的作用是有限的，處理數(shù)據(jù)的成本是非常高的。

根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)家和地方的信息化需求，在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)行業(yè)引入RFID技術(shù)已經(jīng)是大勢(shì)所趨[4-6]，具體而言，通過(guò)RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的原材料、試件、預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)流程，讓每個(gè)步驟都被有效監(jiān)督，最終實(shí)現(xiàn)工程施工的質(zhì)量溯源，保證工程安全順利完工，并對(duì)施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、材料質(zhì)量、人員組織和設(shè)備進(jìn)行全方位的信息化管理。

基于上述行業(yè)背景以及存在的問(wèn)題，本文將依托成都新都預(yù)制工廠地鐵盾構(gòu)管片流水線，以RFID技術(shù)為核心，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)地鐵管片生產(chǎn)、水養(yǎng)、堆存各個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量控制點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并基于此開(kāi)發(fā)了地鐵管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件的智能化生產(chǎn)管理。

1 RFID技術(shù)概述

RFID 技術(shù)(無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù))是一種通過(guò)無(wú)線電波識(shí)別特定目標(biāo)而不在系統(tǒng)和特定目標(biāo)之間建立光學(xué)或機(jī)械接觸的技術(shù)[7]，廣泛應(yīng)用于交通、食品加工、物流領(lǐng)域，RFID技術(shù)可以很好地解決數(shù)據(jù)采集及時(shí)性的問(wèn)題。隨著國(guó)家對(duì)裝配式建筑的重視以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID芯片越來(lái)越多的應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件領(lǐng)域，在生產(chǎn)、物流、施工各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮了重要作用[8]，下面將重點(diǎn)論述RFID技術(shù)在盾構(gòu)管片流水線生產(chǎn)中研究和應(yīng)用。

2 RFID在管片生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

地鐵管片是承擔(dān)隧道結(jié)構(gòu)安全和防水功能的重要混凝土預(yù)制構(gòu)件[9]，已經(jīng)在工廠內(nèi)形成了標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程。傳統(tǒng)的管片廠設(shè)立有專職的資料管理員，負(fù)責(zé)對(duì)管片的生產(chǎn)履歷進(jìn)行記錄，這種記錄往往是事后補(bǔ)錄，信息不及時(shí)且容易出錯(cuò)，另外，管片的水養(yǎng)和堆存信息也需要專人進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)和更新，對(duì)于大型管片廠，上述數(shù)據(jù)錄入和處理的工作十分繁重，當(dāng)管片出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，這種手工記錄的方式也不利于快速進(jìn)行質(zhì)量定位。為此，本文利用RFID標(biāo)簽的自動(dòng)識(shí)別和遠(yuǎn)距離讀取的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了覆蓋管片生產(chǎn)、水養(yǎng)、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，有效支撐了進(jìn)度管理、質(zhì)量管理和庫(kù)存管理等生產(chǎn)業(yè)務(wù)，方便工作人員準(zhǔn)確高效的查詢歷史記錄，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

2.1 RFID安裝方案及選型研究

采用RFID技術(shù)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，首先需要對(duì)RFID標(biāo)簽類型和安裝方式進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前常用的有四種類型標(biāo)簽安裝方案。

表1 RFID芯片安裝方案對(duì)比

序號(hào)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)方案一標(biāo)準(zhǔn)化安裝,不會(huì)影響信息讀取,也利于美觀需要額外制作預(yù)埋件,再插入芯片封裝,安裝比較麻煩,價(jià)格較高方案二芯片完全嵌入混凝土構(gòu)件,有利于全過(guò)程信息跟蹤穿透能力弱,信息讀取成功率低,在構(gòu)件表面看不到構(gòu)件信息,依然需要人工噴涂信息方案三嵌入構(gòu)件且芯片與構(gòu)件持平,安裝方便對(duì)芯片安裝的穩(wěn)定性要求較高方案四RFID標(biāo)簽可回收利用運(yùn)營(yíng)期還需要拆徐,操作麻煩

方案一：分離式的安裝結(jié)構(gòu)[10]，將RFID標(biāo)簽嵌入預(yù)制混凝土構(gòu)件中，使芯片表面與構(gòu)件光潔面持平(圖1)。

圖1 RFID標(biāo)簽分離式安裝方法

方案二：將RFID電子標(biāo)簽綁扎[11]到鋼筋籠(圖2)，并使用其RFID識(shí)別碼實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

圖2 RFID標(biāo)簽綁扎安裝法

方案三：一種類似“身份證”的RFID芯片[12]形式，在構(gòu)件制作過(guò)程中埋入，便于工人操作，價(jià)格低廉。

方案四：在構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)模具標(biāo)簽[13]進(jìn)行生產(chǎn)管理，構(gòu)件脫模后模具與成品構(gòu)件的分離，再給成品構(gòu)件的表面增加一個(gè)RFID標(biāo)簽，方便在運(yùn)維階段對(duì)RFID標(biāo)簽在不損壞構(gòu)件的情況下進(jìn)行拆卸處理。

綜上所述，四種方案的優(yōu)劣對(duì)比如表1。本文以成都新都預(yù)制場(chǎng)地鐵管片生產(chǎn)線為研究對(duì)象，業(yè)主提出要對(duì)管片進(jìn)行全壽命周期管理，包括管片安裝后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理。因此方案四不可行。方案一價(jià)格較高，安裝比較麻煩，不予考慮。下面對(duì)方案二和方案三進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比。

由于預(yù)制構(gòu)件為鋼筋混凝混凝土結(jié)構(gòu)，芯片要嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此對(duì)標(biāo)簽通信存在一定的干擾，為保證壽命和讀取距離，本項(xiàng)目將采用高頻無(wú)源標(biāo)簽，工作頻率為920～925 MHz。為了更進(jìn)一步進(jìn)行方案比選，本文選取不同類型的標(biāo)簽對(duì)方案二和方案三分別進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)于方案二，試驗(yàn)時(shí)將RFID標(biāo)簽綁扎在鋼筋骨架最上方，混凝土澆筑成型后標(biāo)簽完全嵌入管片內(nèi)部，距離構(gòu)件表面大概5cm，方案三是直接在鋼筋籠入模前將標(biāo)簽粘貼在模具內(nèi)表面，管片脫模后標(biāo)簽露出表面。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同標(biāo)簽測(cè)試結(jié)果

廠家標(biāo)簽類型讀取距離(cm)方案二:嵌入構(gòu)件5cm方案三:標(biāo)簽露出構(gòu)件表面意聯(lián)R620>120H4710609662030R6改050

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，方案三中PDA的讀取距離遠(yuǎn)大于方案二中的讀取距離，尤其是對(duì)于意聯(lián)9662和R6改芯片，PDA甚至無(wú)法讀取到芯片信息。因此，本文將采用方案三進(jìn)行RFID標(biāo)簽安裝，具體來(lái)說(shuō)就是在管片入模工位，采用粘接的方式進(jìn)行信息芯片安裝，在涂抹完脫模劑后將標(biāo)簽粘接到模具較平整表面，利用混凝土自重使標(biāo)簽和模具表面緊密貼合，安裝效果及水養(yǎng)后的效果如圖3-4所示。從圖4可以看到，水養(yǎng)出池后標(biāo)簽外表面基本與管片表面齊平。

圖3 脫模劑涂抹后粘貼標(biāo)簽

圖4 地鐵管片轉(zhuǎn)運(yùn)到堆場(chǎng)

在方案三中，由于鋼筋骨架會(huì)對(duì)RFID天線信號(hào)讀取產(chǎn)生嚴(yán)重干擾[14]，導(dǎo)致管片在流線上運(yùn)動(dòng)時(shí)固定終端設(shè)備因距離過(guò)遠(yuǎn)無(wú)法讀取到模具表面標(biāo)簽信息，因此考慮在每一個(gè)模具上掛一個(gè)可周轉(zhuǎn)的RFID標(biāo)簽(圖5)。模具RFID標(biāo)簽除了記錄模具編號(hào)、質(zhì)檢信息、循環(huán)次數(shù)等信息外，還需要在鋼筋入模的時(shí)候?qū)⑵渑c構(gòu)件標(biāo)簽綁定，最后，管片在流水線上的所有生產(chǎn)信息都記錄到模具芯片，管片脫模后，構(gòu)件RFID標(biāo)簽附著在管片表面，再次掃描構(gòu)件RFID芯片和模具芯片，從而將模具芯片記錄的生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)到構(gòu)件芯片。

圖5 模具鉤掛RFID標(biāo)簽

圖6 硬件布置圖

2.2 管片車間流水線數(shù)據(jù)采集方案研究

地鐵管片的自動(dòng)生產(chǎn)線是通過(guò)在流水線上流轉(zhuǎn)模具來(lái)實(shí)現(xiàn)每一步工序生產(chǎn)的，其中模具的運(yùn)動(dòng)、混凝土的振搗控制、養(yǎng)護(hù)室的溫度控制由一套集中控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)[15]。本文提出以RFID標(biāo)簽為載體，實(shí)現(xiàn)從鋼筋籠生產(chǎn)、管片生產(chǎn)、堆存到運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集(表3)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管片生產(chǎn)的及時(shí)管控，其硬件方案如圖6所示。

表3 數(shù)據(jù)采集硬件配置及方法

序號(hào)工位參數(shù)基本配置1鋼筋籠制作型號(hào)、人員、時(shí)間證卡打印機(jī)2鋼筋籠安裝質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)、人員、時(shí)間PDA3預(yù)埋件安裝質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)、人員、時(shí)間PDA4混凝土澆筑及振搗進(jìn)出振搗時(shí)間自動(dòng)采集5收面及抹平質(zhì)量異常記錄PDA6蒸養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)溫度、進(jìn)入時(shí)間自動(dòng)采集7脫模脫模溫度、脫模時(shí)間自動(dòng)采集

以管片流水線生產(chǎn)為例，其主要工藝路徑為：鋼筋籠制作—鋼筋籠入模安裝—混凝土澆筑及振搗—混凝土收面及靜養(yǎng)—蒸汽養(yǎng)護(hù)—管片脫?！B(yǎng)池養(yǎng)護(hù)—產(chǎn)品堆存—產(chǎn)品發(fā)運(yùn)。

第一步：鋼筋籠制作。工人在鋼筋籠工位完成鋼筋籠制作后，在證卡打印機(jī)上選擇錄入鋼筋籠型號(hào)及生產(chǎn)時(shí)間，機(jī)器自動(dòng)打印出鋼筋籠RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽可設(shè)計(jì)成可回收標(biāo)簽，重復(fù)利用。

第二步：鋼筋安裝。在入模區(qū)，技術(shù)員用PDA掃描模具標(biāo)簽、鋼筋籠標(biāo)簽，綁定并上傳系統(tǒng)，系統(tǒng)向打印機(jī)下發(fā)指令，打印機(jī)自動(dòng)打印對(duì)應(yīng)的管片標(biāo)簽，將管片標(biāo)簽貼在模具指定位置，從而實(shí)現(xiàn)管片標(biāo)簽、模具標(biāo)簽、鋼筋籠標(biāo)簽的信息關(guān)聯(lián)和綁定。

第三步：預(yù)埋件安裝。預(yù)埋件安裝完成后，技術(shù)員通過(guò)PDA掃描模具標(biāo)簽，記錄質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)。

第四步：澆筑振搗。在振搗房出/入口安裝RFID讀寫(xiě)器記錄盾構(gòu)管片進(jìn)出振搗房時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)工控機(jī)采集設(shè)備控制系統(tǒng)參數(shù)，包括振搗時(shí)間以及蒸養(yǎng)溫度。

第五步：收面。工人通過(guò)PDA記錄收面過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將信息反饋到班組長(zhǎng)。

第六步：蒸養(yǎng)。在蒸養(yǎng)室入口安裝RFID讀寫(xiě)器采集管片進(jìn)入蒸養(yǎng)室時(shí)間，并從設(shè)備控制系統(tǒng)采集管片在蒸養(yǎng)室經(jīng)過(guò)三個(gè)區(qū)域溫度。

第七步：脫模。在管片脫模工位安裝RFID讀寫(xiě)器采集管片脫模時(shí)間。

第八步：水養(yǎng)入池。管片入池前，操作工人通過(guò)測(cè)溫儀、PDA分別采集當(dāng)前盾構(gòu)管片溫度及管片信息，自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)到系統(tǒng)。

第九步：堆存。操作工人掃描標(biāo)簽，記錄堆存位置。

3 地鐵管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于以上研究成果，應(yīng)用asp.net、Windows服務(wù)以及WPF、Android等技術(shù)，采用Visual Studio 2014集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了地鐵管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用B/S體系架構(gòu)，包括網(wǎng)頁(yè)端和移動(dòng)端，移動(dòng)端基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)了手持PDA程序，通過(guò)掃描RFID芯片進(jìn)行質(zhì)檢管理、堆存管理、進(jìn)度管理等功能(圖7)。通過(guò)PDA和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集設(shè)備采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，以網(wǎng)頁(yè)端的形式呈現(xiàn)給用戶，方便用戶快速進(jìn)行進(jìn)度查詢，物料消耗查詢、庫(kù)位查詢等，同時(shí)，這部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)分析決策模塊，以圖表等方式輔助領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行頂層決策分析。所有工作人員可以通過(guò)基于其訪問(wèn)權(quán)限訪問(wèn)各自所需的信息。

圖7 總體功能架構(gòu)圖

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

1)進(jìn)度管理

基于RFID芯片對(duì)管片每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終會(huì)形成管片的生產(chǎn)履歷信息。對(duì)于進(jìn)度管理，工作人員可以查詢到當(dāng)天的實(shí)際產(chǎn)量(圖8)，以及每一環(huán)管片的詳細(xì)生產(chǎn)信息，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)量與計(jì)劃產(chǎn)量偏差較大，可以迅速組織現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整改，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)度的實(shí)時(shí)管控。

圖8 管片生產(chǎn)信息查詢

2)堆存管理

管片入池時(shí)，操作人員用手持PDA掃描待出池管片，出現(xiàn)圖9操作界面，在該界面選擇正確的水養(yǎng)池編號(hào)，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄管片的水養(yǎng)時(shí)間和水養(yǎng)區(qū)域。同理，管片由水養(yǎng)池轉(zhuǎn)運(yùn)到堆場(chǎng)也是采取相同的操作。

圖9 管片入池操作

3)質(zhì)量管理

對(duì)于質(zhì)量檢驗(yàn)，由質(zhì)檢員通過(guò)手持PDA掃描管片RFID芯片進(jìn)行預(yù)埋件、鋼筋籠等隱蔽工程驗(yàn)收(圖10)，也可以使用手持PDA實(shí)時(shí)記錄產(chǎn)線質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于質(zhì)量隱患，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)一線操作工人發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患，也可以通過(guò)PDA將信息及時(shí)上報(bào)給管理層。

圖10 鋼筋籠質(zhì)檢

以抹面工序?yàn)槔?，現(xiàn)場(chǎng)工人若發(fā)現(xiàn)振搗后的混凝土抹面阻力較大，可以通過(guò)PDA記錄現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題并拍照，該消息自動(dòng)推送給攪拌站管理人員，攪拌站收到該消息后及時(shí)對(duì)下一盤生產(chǎn)的混凝土含水量進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量隱患的閉環(huán)控制。

4)進(jìn)度查詢

圖11 產(chǎn)品信息查詢

圖12 鋼筋籠一次不合格項(xiàng)分析

用戶在系統(tǒng)中輸入管片ID可以查詢到該管片詳細(xì)生產(chǎn)進(jìn)度信息(圖11)，包括入模時(shí)間、澆筑時(shí)間、蒸養(yǎng)時(shí)間、水養(yǎng)時(shí)間等，若出現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度延誤，通過(guò)對(duì)每個(gè)工序生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn)異常工序時(shí)間，從而對(duì)異常工序進(jìn)行更進(jìn)一步剖析從而找到生產(chǎn)異常原因。

5)質(zhì)量分析

以質(zhì)量管理為例，質(zhì)檢人員通過(guò)手持PDA記錄質(zhì)檢一次不合格項(xiàng)，系統(tǒng)自動(dòng)生產(chǎn)不合格項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便管理人員針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理。如圖12所示，該圖顯示了鋼筋籠產(chǎn)線一周內(nèi)出現(xiàn)的鋼筋籠質(zhì)檢一次不合格項(xiàng)次數(shù)，可以看出箍筋間距不合格次數(shù)是最多，分析原因有可能是鋼筋綁扎胎架長(zhǎng)期磨損造成的，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以輔助管理人員發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的質(zhì)量隱患，并針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行整改。

4 總結(jié)

本文以地鐵管片為研究對(duì)象，探討了RFID技術(shù)應(yīng)用于地鐵管片自動(dòng)化流水線生產(chǎn)管理的技術(shù)路線，闡述了RFID芯片安裝選型研究以及自動(dòng)采集方案研究，結(jié)合具體的生產(chǎn)業(yè)務(wù)，如質(zhì)量管理、庫(kù)存管理等論述了信息化系統(tǒng)在生產(chǎn)管理中的作用，最后以質(zhì)量分析為例探索了數(shù)據(jù)分析對(duì)于生產(chǎn)管理提升的潛在價(jià)值。

由于篇幅所限，本文僅探討了RFID在生產(chǎn)管理中的應(yīng)用，并未涉及在施工現(xiàn)場(chǎng)以及后期管養(yǎng)中的應(yīng)用，該功能有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。