■ 索寧 王楠 王輝麟 安然
RFID電子標簽在鐵路預(yù)制構(gòu)件和原材料管理中的應(yīng)用研究
■ 索寧 王楠 王輝麟 安然
對RFID標簽在鐵路工程預(yù)制構(gòu)件和原材料管理的技術(shù)標準和應(yīng)用進行分析和研究。針對鐵路梁場和軌道板場的預(yù)制構(gòu)件和試驗試件的生產(chǎn)過程和信息化管理業(yè)務(wù)需求,以RFID電子標簽為媒介,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)加密技術(shù)實現(xiàn)與鐵路工程建設(shè)管理信息平臺的數(shù)據(jù)互聯(lián),并通過工程試點實現(xiàn)鐵路預(yù)制構(gòu)件從原材料進場、加工、生產(chǎn)、架梁、鋪軌及開通運維等各個階段的全生命周期管理和質(zhì)量溯源。
預(yù)制構(gòu)件和原材料管理;RFID標簽;數(shù)據(jù)加密;鐵路工程信息化
鐵路工程施工過程中,對原材料、試件、預(yù)制構(gòu)件的管理和生產(chǎn)工藝流程的標準化尤其重要,與工程質(zhì)量息息相關(guān),傳統(tǒng)的人工監(jiān)督和檢查手段無法適應(yīng)工程信息化的發(fā)展要求,耗費大量的人力和物力,無法嚴格規(guī)范生產(chǎn)工藝流程,不利于工程進度、成本和質(zhì)量水平的提升。
根據(jù)鐵路工程施工特點,結(jié)合信息化和標準化的需求,引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工程施工中的原材料、試件、預(yù)制構(gòu)件進行標準化統(tǒng)一管理,同時嚴格規(guī)范生產(chǎn)工藝流程,讓每個步驟都被有效監(jiān)督,最終實現(xiàn)工程施工的質(zhì)量溯源,保證工程安全、順利完工,并對施工質(zhì)量、施工進度、材料質(zhì)量、人員組織、機具設(shè)備等進行全方位的信息化管理,提升施工單位預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理水平,優(yōu)化資源配置。
結(jié)合鐵路工程業(yè)務(wù)需求,將RFID標簽的應(yīng)用場景分為預(yù)制構(gòu)件和原材料及試件兩類情況。其中預(yù)制構(gòu)件主要為預(yù)制軌道板和預(yù)制梁;原材料主要為鋼筋,工程試件可分為混凝土同條件養(yǎng)護時間和水泥抗折抗壓試驗試件兩種。RFID標簽在鐵路工程中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)見圖1。
預(yù)制梁和預(yù)制板是以鋼筋混凝土為主要結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件,還應(yīng)考慮RFID標簽的工作頻率要求和其他特性,如抗金屬性。另外,對于本次設(shè)計使用的無源RFID標簽的壽命也有要求,需要保證在一定的讀寫次數(shù)內(nèi)能有效工作。最后,在構(gòu)件與試件養(yǎng)護過程對標簽的工作性能也提出了具體的環(huán)境要求。具體考慮如下設(shè)計要求:工作參數(shù)要求、安裝要求和性能要求。
2.1 RFID標簽的工作參數(shù)要求
2.1.1 用于預(yù)制構(gòu)件的RFID電子標簽
由于預(yù)制構(gòu)件為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),故為適應(yīng)工程實際應(yīng)用的要求,RFID標簽應(yīng)采用抗金屬標簽,確保其固定在預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部時可以正常工作,不受鋼筋的影響。為保證讀寫距離,RFID電子標簽應(yīng)選用超高頻電子標簽,其工作頻率為920~925 MHz。考慮到埋入式的安裝方式,使得標簽一旦埋入預(yù)制構(gòu)件將無法取出,故應(yīng)選用無需自帶電池?zé)o源工作方式的標簽,且保證正常讀取次數(shù)為20萬次,寫入次數(shù)為10萬次。應(yīng)用在預(yù)制構(gòu)件中抗金屬標簽的尺寸不宜過大,根據(jù)C60高強混凝土中骨料的粒徑大小,其厚度應(yīng)不大于為10 mm。電子標簽外部封裝為ABS塑料材質(zhì),采用超聲波焊接,具有耐弱酸弱堿性,可使電子標簽在-45~+80 ℃下正常工作,其外觀見圖2。
2.1.2 用于試件表面的RFID電子標簽
固定在試件表面的RFID標簽可以選擇非抗金屬性標簽,由于試件為立方體混凝土或者水泥試件,故可不考慮鋼筋的影響,但需要注意RFID標簽的形狀和固定方式,在嵌入試件表面的同時又不對試件的受力結(jié)構(gòu)造成破壞,同時在試件和原材料管理中的RFID標簽多為一次性使用,故應(yīng)盡量選擇低成本的標簽,工作頻率13.56 MHz,封裝可選擇PVC材質(zhì),利用四周的支腳與試件固定。試件用RFID標簽外觀見圖3。
2.2 RFID標簽的安裝要求
RFID標簽的固定問題是需要解決的主要問題,為了滿足質(zhì)量溯源的功能要求,RFID標簽需要與預(yù)制構(gòu)件或試件結(jié)合在一起,但又不能破壞預(yù)制構(gòu)件或試件的受力結(jié)構(gòu),以免造成受力能力的喪失,這對標簽的外觀有一定的要求。
為適應(yīng)預(yù)制構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu),根據(jù)不同預(yù)制梁和預(yù)制軌道板的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效固定于預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部的RFID標簽外形。標簽需安裝在混凝土構(gòu)件內(nèi)部,因為標簽對方向性要求較高,故應(yīng)形成有效固定效果,避免在振搗和澆筑過程發(fā)生位置偏移,造成無法讀取的結(jié)果。對于試件表面的RFID標簽也要求良好的方向性,可在試件初凝前安裝。(1)固定要求:通過定位孔沿上層非預(yù)應(yīng)力鋼筋縱向綁扎固定,保證標簽識別的方向性和澆筑、振搗的固定性;(2)易檢測性:標簽安裝位置易于手持終端的檢測和讀寫;(3)安裝位置:軌道板標識牌正下方(以軌道板為例,見圖4)。
2.3 RFID標簽的性能要求
根據(jù)應(yīng)用場景的不同,標簽的性能要求也不同,主要可從標簽壽命、工作環(huán)境、讀寫速度、存儲要求和讀寫距離等要求。一般來說預(yù)制構(gòu)件場景中的要求較高,由于其無法更換,故需要保證其性能在規(guī)定時間內(nèi)的有效性,同時通過冗余備份增加標簽的使用壽命。(1)讀寫操作:無源電子標簽可進行10萬次寫操作,20萬次讀操作。(2)工作環(huán)境:滿足溫度沖擊、交變濕熱試驗、振動、IP防護、電磁兼容性試驗指標參數(shù)。(3)標簽冗余:預(yù)制構(gòu)件中應(yīng)對電子標簽進行1+1冗余備份。(4)讀寫速度:標簽讀寫速度小于1 s。(5)讀寫率:埋入工程構(gòu)件中的電子標簽讀寫成功率為100%。(6)存儲要求:用戶區(qū)512 b,EPC區(qū)96 b,TID區(qū)64 b。(7)讀寫距離:手持終端可在RFID電子標簽埋入混凝土構(gòu)件前后正常讀寫,距離滿足相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定。
滿足鐵路工程信息化和標準化的業(yè)務(wù)需求,結(jié)合預(yù)制構(gòu)件和原材料試件生產(chǎn)量大、質(zhì)量要求高、過程難追溯和不易管理等特點,RFID標簽的功能和性能應(yīng)具有如下功能。
3.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理與質(zhì)量溯源
對預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理主要包括預(yù)制軌道板和預(yù)制梁等基礎(chǔ)構(gòu)件,具有生產(chǎn)量大、應(yīng)用廣、質(zhì)量要求高等特點,通過將RFID電子標簽固定在預(yù)制構(gòu)件中,利用其唯一的RFID識別碼實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程的規(guī)范化管理。在預(yù)制構(gòu)件每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)對RFID標簽進行配對讀寫,對生產(chǎn)所處的狀態(tài)進行標記。一般的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程包括鋼筋處理、澆筑、養(yǎng)護、張拉、管道壓漿、封錨、成品檢查、出庫、使用、維護等全生命周期進行管理,并將相關(guān)的生產(chǎn)單位、施工單位、維護單位的信息進行統(tǒng)計和關(guān)聯(lián),最終實現(xiàn)質(zhì)量溯源。同時通過數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)對RFID內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)信息進行不對稱算法加密處理,保證數(shù)據(jù)交互的安全性和數(shù)據(jù)的嚴肅性。
3.2 原材料和試驗試件管理
對原材料和試驗試件的管理主要包括鋼筋原材、混凝土養(yǎng)護試件和水泥抗壓抗折試件等。利用RFID標簽對原材料進場檢驗、試驗和領(lǐng)用等各個環(huán)節(jié)進行質(zhì)量管控,在試件制作初凝前將RFID標簽固定在試件表面,在同條件養(yǎng)護期對試件在高溫、低溫、交變濕熱、振動、試驗等全生命周期進行管理,并將相關(guān)的制作人員、制作單位、試驗人員的信息進行統(tǒng)計和關(guān)聯(lián),最終實現(xiàn)質(zhì)量溯源。
2014年9月,在鄭徐客專民權(quán)板場對RFID電子標簽在預(yù)制板場中的應(yīng)用進行試點,先后完成適合CRTSIII型無砟軌道板RFID標簽的設(shè)計、安裝、試驗、調(diào)試、應(yīng)用等工作,共投入500枚RFID標簽,全部埋入預(yù)制板中,參與從鋼筋綁扎、入模、澆筑、振搗、養(yǎng)護、入庫、出庫、鋪設(shè)等全過程的生產(chǎn),與板場信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)對預(yù)制軌道板的生產(chǎn)管理和質(zhì)量監(jiān)督。
2015年8月至今,在京沈高鐵沈陽段的4個板場完成RFID電子標簽的第二次試點工作,對其各項參數(shù)進行驗證,修改并最終確定安裝方式、安裝位置和性能參數(shù),實現(xiàn)在軌道板正式生產(chǎn)過程中的應(yīng)用,完成對軌道板生產(chǎn)過程的信息化管理和質(zhì)量監(jiān)督功能。
4.1 RFID標簽的安裝
根據(jù)軌道板的構(gòu)造特點,CRTSIII型無砟軌道板內(nèi)部為雙層鋼筋,RFID標簽須固定在上層鋼筋上,同時需要避開接地端子部分,為了檢測的方便,最終把標簽的安裝固定位置定在軌道板左右兩側(cè)的標識處。
4.2 RFID標簽在生產(chǎn)流程管理中應(yīng)用
以軌道板場為應(yīng)用實例,RFID電子標簽在生產(chǎn)流程管理中的應(yīng)用包括RFID識別碼初始化、鋼筋綁扎的初步固定、入模、澆筑和振搗、終凝固定、出模、封錨、養(yǎng)護、入庫、出庫和現(xiàn)場鋪設(shè)等過程,包含了軌道板生產(chǎn)到使用的全部過程。(1)初始化:RFID標簽出廠后進行的第一次數(shù)據(jù)寫入,包括ID識別碼等基本標志信息;(2)鋼筋綁扎:將RFID標簽通過鋼絲初步固定在軌道板的上層鋼筋上,要求方向朝向為上,且有效固定;(3)入模:已綁扎標簽的鋼筋籠入模工序;(4)澆筑和振搗:對入模后的鋼筋籠進行混凝土澆筑,邊澆筑邊振搗,同時確保整個過程中RFID標簽不發(fā)生移位;(5)出模:經(jīng)過初凝和終凝階段后,利用龍門吊將軌道板吊起出模;(6)養(yǎng)護:先后經(jīng)過水養(yǎng)和干養(yǎng)過程;(7)入庫:經(jīng)過養(yǎng)護后的軌道板入庫,并通過灑水等方式繼續(xù)養(yǎng)護直至出庫;(8)出庫:一般周期為30 d;(9)使用:軌道板的鋪設(shè)。
針對鐵路工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程和原材料管理的標準化、信息化要求,采用射頻識別和信息化技術(shù)相融合方式,以RFID標簽作為媒介,通過其內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)信息(生產(chǎn)參數(shù)、施工信息、養(yǎng)護信息和維保信息等)與鐵路梁場或板場信息化系統(tǒng)進行交互,實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件和原材料試件的全生命周期信息化管理和質(zhì)量溯源,從工程源頭對質(zhì)量進行有效監(jiān)督和管控,同時對RFID標簽內(nèi)部信息進行加密,保證數(shù)據(jù)的嚴謹性和安全性。
RFID標簽內(nèi)部數(shù)據(jù)信息通過算法加密,不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能,還能實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)能分析、工序管控、質(zhì)量監(jiān)督、數(shù)據(jù)整合、分析處理、綜合統(tǒng)計查詢、圖表展示和安全預(yù)警等功能,并通過對用戶反饋問題的不斷改進,逐步滿足鐵路工程建設(shè)業(yè)務(wù)需求,提高業(yè)務(wù)融合程度,為鐵路工程質(zhì)量管理提供信息化支持和系統(tǒng)級的保障。
[1] 中國鐵道科學(xué)研究院. 鐵路工程CRTSIII型板式無砟軌道埋入式電子標簽暫行技術(shù)要求[R],2015.
[2] GB/T 25340—2010 鐵路機車車輛自動識別設(shè)備技術(shù)條件[S].
[3] TB/T 3070—2002 鐵路機車車輛自動識別設(shè)備技術(shù)條件[S].
[4] GB/T 29768—2013 信息技術(shù) 射頻識別 800~900 MHz空中接口協(xié)議[S].
索 寧:中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所,助理研究員,北京,100081
王 楠: 中國鐵道科學(xué)研究院,助理研究員,北京,100081
王輝麟:中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所,副研究員,北京,100081
安 然:中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所,工程師,北京,100081
責(zé)任編輯 王志明
U21
A
1672-061X(2015)06-0090-03