王 輝 麟

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

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基于智能監(jiān)控的鐵路工程混凝土拌和站質(zhì)量管控系統(tǒng)

王 輝 麟

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

針對鐵路工程建設(shè)工點多、線路長、統(tǒng)一管理難度大、質(zhì)量安全關(guān)系重大等行業(yè)應(yīng)用特點，提出鐵路工地拌和站智能質(zhì)量管控的解決方案.利用無線傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)、超標預(yù)警技術(shù)為信息化手段，實現(xiàn)了拌和站信息化管理平臺、拌和站采集終端、智能化攪拌控制、混凝土和易性監(jiān)測等模塊.該系統(tǒng)能夠?qū)炷辽a(chǎn)過程進行監(jiān)控和質(zhì)量監(jiān)督，有效提高了混凝土原材料配合比精度，降低了原材料超標概率.

智能監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；智能化控制；和易性監(jiān)測

鐵路工程混凝土拌和站作為鐵路工程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對整個工程建設(shè)最終的質(zhì)量控制和安全保證起到非常重要的作用.鐵路工程混凝土拌和站智能質(zhì)量管控系統(tǒng)依據(jù)鐵路工程建設(shè)信息化的總體規(guī)劃和標準化管理辦法的規(guī)定，針對工地拌和站現(xiàn)場實際遇到的生產(chǎn)控制和質(zhì)量監(jiān)督等相關(guān)問題進行系統(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理、生產(chǎn)情況實時把控和質(zhì)量監(jiān)督全面推廣.在確保原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的嚴肅性和安全性的同時，為鐵路總公司和各級參建單位提供可視化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，為鐵路工程質(zhì)量控制和安全保證提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)基礎(chǔ)[1-2].

1 研究現(xiàn)狀

拌和站信息化管理主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與展示兩方面內(nèi)容.其中：數(shù)據(jù)采集主要實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)或試驗數(shù)據(jù)的準確、實時、高效采集；數(shù)據(jù)處理與展示主要完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計并將統(tǒng)計結(jié)果以圖表的形式展示給用戶，使用戶能夠更加直觀地掌握混凝土生產(chǎn)情況.

馬輝等研發(fā)的混凝土拌和站生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[3]通過一個安裝在拌和機控制器上的專用接口程序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集.鮑榴開發(fā)的鐵路隧道圍巖量測試終端采集軟件[4]通過藍牙通信將全站儀數(shù)據(jù)保存至手持終端并完成對數(shù)據(jù)的分析和展示.采用這種方式有利于現(xiàn)場人員取得第一手資料但并不利于信息的大范圍共享.龔霞[5]通過一個安裝在混凝土攪拌車上的嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集并傳輸攪拌車的位置及狀態(tài)參數(shù)等信息.為了適應(yīng)移動中的數(shù)據(jù)傳輸要求，該設(shè)備對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量做了限制.梁貴榮開發(fā)的混凝土質(zhì)量追蹤及動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)[6]使用RFID射頻芯片技術(shù)為每一批次的混凝土賦予一個唯一的數(shù)字標識.為不合格混凝土的定位提供了便利.韓光等開發(fā)的基于PDA 的大壩混凝土施工信息采集系統(tǒng)[7]通過PDA客戶端解析服務(wù)端數(shù)據(jù)并列表框控件展示給用戶.郭玲玲等開發(fā)的基于打印機數(shù)據(jù)流解析的瀝青拌合站監(jiān)控系統(tǒng)[8]通過并口采集打印機數(shù)據(jù)流，從中提取出有用的信息，使得大量獨立分散的數(shù)據(jù)得到有效的利用.蔣新花開發(fā)的基于字符識別的砼拌和站遠程監(jiān)控系統(tǒng)[9]通過VGA視頻采集卡采集現(xiàn)場工業(yè)控制機輸出到顯示視頻信號，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并提取需要的信息.

目前市場上的混凝土拌和站管控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集與分析.但是，由于這些系統(tǒng)大多針對特定的混凝土生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計，可移植性較差，不利于在短時間內(nèi)大范圍部署.另外，這些系統(tǒng)一般只采集一些結(jié)果數(shù)據(jù)，并沒有深入到混凝土生產(chǎn)的全過程中，無法從根本上提高混凝土質(zhì)量.本文中的鐵路工程混凝土智能質(zhì)量管控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問中間件、智能攪拌控制系統(tǒng)及信息化管理平臺實現(xiàn)了拌和機控制系統(tǒng)無縫連接、生產(chǎn)過程智能控制及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的匯總展示.

2 混凝土拌和站質(zhì)量管控系統(tǒng)組成

2.1 拌和站信息化管理平臺

平臺主要完成建設(shè)單位、監(jiān)理、施工單位、拌和站等多級用戶的業(yè)務(wù)協(xié)同管理.對混凝土生產(chǎn)全過程進行監(jiān)管，包括原材料進場、檢驗、配合比設(shè)計、生產(chǎn)過程控制、養(yǎng)護、試塊檢驗評定、混凝土運輸?shù)冗^程.同時具備混凝土拌和質(zhì)量在線監(jiān)測的功能.平臺完成對拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合、挖掘、分析和處理，有良好的系統(tǒng)兼容性，可與鐵路工程建設(shè)管理平臺無縫對接，完成上傳數(shù)據(jù)的分類、查詢、管理、統(tǒng)計、報警提醒和圖表展示，實現(xiàn)生產(chǎn)管理和質(zhì)量監(jiān)督功能.

2.2 拌和站采集終端軟件

采集終端軟件[10]由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸3個模塊組成，見圖1.數(shù)據(jù)采集模塊用來連接各種類型的拌和機生產(chǎn)控制系統(tǒng)并采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標準格式；數(shù)據(jù)傳輸模塊將轉(zhuǎn)化后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺.

采集終端軟件安裝在拌和站的工控機中，實時采集混凝土拌和機生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)完成采集數(shù)據(jù)的實時加密傳輸，并支持斷點續(xù)傳，保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性.系統(tǒng)對采集的實時數(shù)據(jù)進行智能分析、綜合評判，對影響混凝土質(zhì)量的信息進行短信或者手機App報警提醒，并利用信息化手段對實時采集信息進行統(tǒng)計和分析.

采集終端軟件通過數(shù)據(jù)庫訪問中間件連接多種不同類型的數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)與多種鐵路工程建設(shè)應(yīng)用平臺的無縫對接.同時采用多線程技術(shù)使各功能模塊協(xié)同工作，從而保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實時性.使用動態(tài)鏈接庫程序?qū)⒏鞣N工程建設(shè)應(yīng)用平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一格式，方便數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計和查詢，并采用斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)重傳、數(shù)據(jù)加密等功能保證數(shù)據(jù)安全且不漏傳.

2.3 智能化攪拌控制

智能化攪拌控制系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合投料控制算法，實現(xiàn)混凝土拌和站智能化控制，可顯著提高拌和站配料精度，滿足鐵路混凝土質(zhì)量控制及信息化管理的需求.

由于拌和機配料時料流不穩(wěn)定，以及機械慣性導(dǎo)致每次配料時產(chǎn)生一個不確定的過沖量，這給提高拌和機的配料精度造成了很大困難[11].本文中的智能拌和機控制系統(tǒng)采用迭代算法逐次逼近目標配料值：

m∈(0,1)

(1)

2.4 和易性監(jiān)測模塊

在混凝土攪拌初期，混凝土比較干稠，坍落度較小、和易性較差，對拌和機的阻力較大，拌和機的輸出電流比較大.經(jīng)過一定時間的攪拌，電流會逐漸降低，待攪拌均勻后，電流會保持在一個比較平穩(wěn)的狀態(tài).和易性監(jiān)測模塊會根據(jù)拌和機型號、混凝土配比、盤方量及拌和機輸出電流自動判斷混凝土是否已經(jīng)攪拌均勻并提示操作員卸料，如圖2所示，A點表示開始投料時間；B點表示拌和機輸出電流達到峰值的時間；CD區(qū)間表示混凝土已經(jīng)攪拌均勻適合卸料的時間區(qū)間.

3 智能管控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

采集終端軟件可對不同廠家拌和機數(shù)據(jù)庫進行讀取，實現(xiàn)對拌和機生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集.采集終端軟件可實現(xiàn)拌和機廠家、數(shù)據(jù)源、采集時間間隔、目標主機和拌和站所在線路(包括：線路、標段、工區(qū)、站名和拌和機編號)的選擇.

該終端軟件支持開機自動啟動、自動保存和斷點續(xù)傳等功能，可兼容50多家拌和機生產(chǎn)廠家的拌和機數(shù)據(jù)庫并根據(jù)拌和站現(xiàn)場情況利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)上傳，將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整合和挖掘，提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將實時拌和的盤信息等原材料用量等信息關(guān)聯(lián)起來，形成拌和站生產(chǎn)圖表，完成數(shù)據(jù)輸出，同時在數(shù)據(jù)分析處理平臺上進行圖形化展示.

3.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)采集終端軟件獲得的數(shù)據(jù)通過無線透傳模塊DTU(Data Transfer Unit)上傳至后端數(shù)據(jù)分析處理平臺.DTU模塊內(nèi)置無線上網(wǎng)卡，通過無線網(wǎng)絡(luò)對采集到的數(shù)據(jù)進行實時傳輸，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的斷網(wǎng)續(xù)傳，整個傳輸過程通過密鑰進行加密，確保數(shù)據(jù)的嚴肅性、安全性和實時性.

根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，大多數(shù)拌和站地處偏遠，連接有線網(wǎng)絡(luò)成本過高，因此多采用無線GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的實時上傳，采用無線透傳技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的安全性和不可篡改性，利用無線透傳設(shè)備DTU，研發(fā)出拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集終端軟件，通過無線透傳技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸.

采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳至后端數(shù)據(jù)分析處理平臺.在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用數(shù)據(jù)加密方法，保證原始數(shù)據(jù)的安全性.同時，現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)也將上傳至鐵路總公司的鐵路工程建設(shè)信息化平臺.

3.3 動態(tài)監(jiān)測和展示

依照國家、行業(yè)等標準規(guī)范，對動態(tài)監(jiān)測的拌和時間、拌和材料用量、產(chǎn)能分析和材料誤差分析等進行圖表的輸出展示，包括柱狀圖、餅狀圖和數(shù)據(jù)曲線圖等形式，更形象的展示拌和時間和材料用量的走勢，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過規(guī)定閾值時啟動短信報警功能，獨立顯示超差信息，便于統(tǒng)計分析和比較.

3.4 統(tǒng)計查詢分析

統(tǒng)計查詢分析包括產(chǎn)能統(tǒng)計、原材料用量統(tǒng)計、材料誤差統(tǒng)計等功能.其中，原材料用量統(tǒng)計可對某一時間段內(nèi)某臺拌和機對每種原材料的日消耗量進行統(tǒng)計并以柱狀圖的形式展示給用戶，如圖3所示.材料誤差統(tǒng)計可對某一時間段內(nèi)某臺拌和機對每種材料的日平均投料誤差比例進行統(tǒng)計，并以折線圖的形式展示給用戶，如圖4所示，用戶可根據(jù)這些信息直觀的了解生產(chǎn)情況.

3.5 原材料進場管理

系統(tǒng)可實現(xiàn)原材料進場管理擴展功能，對混凝土攪拌所需原材料如水泥、粗骨料、細骨料、粉煤灰、外加劑的產(chǎn)地、生產(chǎn)廠家、重量、規(guī)格、級別、進場時間、質(zhì)量情況、抽檢復(fù)試情況等進行管理，從混凝土生產(chǎn)源頭嚴抓質(zhì)量，保證安全.

3.6 超標預(yù)警

超標預(yù)警功能采用分級報警模式，針對原材料用量的超標，將線路名稱、標段名稱、拌和站名稱、盤信息和預(yù)警日期等內(nèi)容以手機短信的形式通知相關(guān)人員.采集到的拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)的分析統(tǒng)計，對于拌和時間、原材料用量、產(chǎn)能分析和原材料用料誤差等內(nèi)容，會同相關(guān)技術(shù)人員進行專業(yè)技術(shù)分析，對于超標值特別大的異常數(shù)據(jù)，還將進行遠程專家會審，通過專家鑒定得出結(jié)論，采取進一步的現(xiàn)場控制和施工安全問題的處理.

超標報警功能通過對比每種材料的設(shè)定用量及實際用量或每一盤混凝土的設(shè)定攪拌時間和實際攪拌時間，找到差值超過標準范圍的材料或混凝土盤，在平臺上顯示報警信息并向相關(guān)人員發(fā)送報警短信，可以迅速發(fā)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過程中存在的不規(guī)范操作及安全隱患并及時通知業(yè)主或監(jiān)理單位進行處置.在管理平臺上顯示的報警監(jiān)控列表及報警短信發(fā)送狀態(tài)如表1所示.

表1 報警監(jiān)控列表

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)基于SOA服務(wù)模式采用插件組件開發(fā)、云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，符合鐵路工程建設(shè)信息化整體框架要求，能與鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用平臺無縫對接和上傳數(shù)據(jù)；采用監(jiān)控組態(tài)開發(fā)技術(shù)，面向?qū)ο蟮膭討B(tài)圖形開發(fā)技術(shù)，實時和歷史數(shù)據(jù)的記錄和趨勢圖形化展現(xiàn)技術(shù).各功能模塊子系統(tǒng)可靈活組合，滿足不同鐵路工程建設(shè)的各種應(yīng)用需求.

2)系統(tǒng)采集的質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)采集采用拌和機數(shù)據(jù)庫讀取和原材料儀表傳感器采集等信息采集方式，保證了數(shù)據(jù)的可靠性.建立拌和站統(tǒng)一信息處理與交互平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理、生產(chǎn)情況實時把控、質(zhì)量監(jiān)督全面推廣，并可完成拌和站及試驗室的信息共享和數(shù)據(jù)交互，平臺兼容性和可靠性強.

3)功能多樣化方面：可實現(xiàn)多樣化生產(chǎn)模式，支持多次投料、多次攪拌等工藝；采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)分布式布置，便于安裝、調(diào)試；智能化信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的即時采集、統(tǒng)計與分析.

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Intelligent monitoring based railway project concrete mixing plant quality management system

WANGHuilin

(China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

This paper proposes an intelligent solution to the problems raised in the railway site mixing plant production process. The problems involve multi-site long distance unified management and safety control. Intelligent railway site concrete mixing plant control and management system applies state-of-the-art informatization techniques such as wireless communication, data acquisition, data processing and non-conformity alerting. By combining a mixing plant management platform, a mixing plant data acquisition module, an intelligent mixing control module and concrete mixing workability monitoring module, the system can be used to monitor the quality of the concrete mixing plant process,improve the accuracy of the mixing proportion and to decrease the non-conformity product ratio.

intelligent monitoring; data acquisition; intelligent control;workability monitoring

1673-0291(2016)06-0038-05

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.007

2016-03-23

中國鐵道科學(xué)研究院基金項目資助(2013YJ024)

王輝麟(1970—)，男，吉林雙遼人，副研究員.研究方向為BIM及鐵路工程建設(shè)信息化.email: tkywhl@163.com.

TP319

A