趙寧寧，趙歡歡，李艷群

（北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149）

0 引 言

隨著“建筑工業(yè)化”的發(fā)展，預(yù)制件也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)外的港口、橋梁、風(fēng)機(jī)、鐵塔等大型建筑逐漸形成了整體預(yù)制的大趨勢(shì)。迄今為止，混凝土預(yù)制技術(shù)的發(fā)展歷史已有120余年，預(yù)制件在美國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本、新加坡等國(guó)家的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛[2]。預(yù)制件是指預(yù)先在工廠中通過標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化方式加工生產(chǎn)好的混凝土制品，它不需要在建筑工地現(xiàn)場(chǎng)制模和澆注，只需要將制好的預(yù)制件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配即可[3]。使用預(yù)制件裝配式建筑方式，不僅有利于提高施工效率和工程質(zhì)量，還減少了建筑垃圾和噪聲[4]。雖然預(yù)制件的使用在許多行業(yè)得到了一致的認(rèn)可與好評(píng)，但其自身也存在著較大的運(yùn)輸安全隱患。加強(qiáng)預(yù)制件的運(yùn)輸安全管理，以及保障預(yù)制件和相關(guān)人員的運(yùn)輸安全極為重要。

1 預(yù)制件運(yùn)輸管理需求

預(yù)制件憑借其多種優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，如建筑行業(yè)的預(yù)制混凝土構(gòu)件、交通領(lǐng)域的橋梁預(yù)制件、大型風(fēng)機(jī)的葉片、配網(wǎng)工程的預(yù)制電纜井、大型鐵塔的預(yù)制基礎(chǔ)等。隨著預(yù)制件的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其運(yùn)輸安全管理的需求也日益增加。

然而預(yù)制件自身的特性卻加大了運(yùn)輸?shù)碾y度。預(yù)制件通常具有超寬、超高和超重的特性，所以需要在運(yùn)輸前規(guī)劃好運(yùn)輸路線，確保預(yù)制件的高度和重量能順利通過。由于預(yù)制件外形的不規(guī)則，在運(yùn)輸車上放置的穩(wěn)定性較差，在運(yùn)輸途中要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制件的運(yùn)輸狀況，包括預(yù)制件自身的振動(dòng)情況、傾斜情況、運(yùn)輸車輛的地理位置信息等。

預(yù)制件的廣泛應(yīng)用和自身較大的運(yùn)輸難度使得預(yù)制件的運(yùn)輸安全管理需求越來越迫切。

2 國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

面對(duì)日益增加的運(yùn)輸管理需求，我國(guó)當(dāng)前的預(yù)制件運(yùn)輸管理的水平是否能夠滿足，本文就相關(guān)研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。

2.1 研究現(xiàn)狀

為了研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型預(yù)制件的運(yùn)輸管理方面的應(yīng)用情況，使用“預(yù)制件”“運(yùn)輸”“管理”“安全”“物流”等關(guān)鍵詞，對(duì)國(guó)內(nèi)外近5年的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共查得國(guó)內(nèi)文章32篇，國(guó)外文章10篇，整理了9種相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過這42篇文章的整理，發(fā)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)制件運(yùn)輸安全管理方面研究的一些問題。

2.1.1 相關(guān)研究

搜索從2015—2019年之間每年發(fā)表的論文數(shù)量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2015—2019年國(guó)內(nèi)外關(guān)于預(yù)制件運(yùn)輸管理研究的論文數(shù)量

從圖1可以看出，近5年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的研究雖然呈逐年增加的趨勢(shì)，但是總體來說目前的研究仍然較少，每年的文章數(shù)量均低于10篇。其中，有些文章是對(duì)預(yù)制件從生產(chǎn)到施工的整個(gè)物流過程的研究，文中僅有小部分是對(duì)運(yùn)輸階段安全管理的研究；單獨(dú)側(cè)重運(yùn)輸方面的文章是少之又少。

2.1.2 相關(guān)技術(shù)比較落后

通過這42篇文章，發(fā)現(xiàn)預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的研究總共涉及到BIM、RFID、GPS、WSN、3D/4D、4G、二維碼、AR/VR和條形碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。統(tǒng)計(jì)這些技術(shù)分別出現(xiàn)的次數(shù)，結(jié)果如圖2所示，BIM、RFID和GPS技術(shù)是我國(guó)研究最多的技術(shù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在預(yù)制件運(yùn)輸安全管理中的應(yīng)用研究

通過分析這42篇文獻(xiàn)，將預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的主要研究?jī)?nèi)容分為如圖3所示的8個(gè)大類。從圖3可以看出，國(guó)內(nèi)外的研究多集中在實(shí)現(xiàn)預(yù)制件運(yùn)輸過程的溯源查詢、位置監(jiān)控、可視化和實(shí)時(shí)跟蹤這4個(gè)方面，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究較少。需要指出的是，我國(guó)還沒有對(duì)于在線預(yù)警的研究。

圖3 預(yù)制件運(yùn)輸安全管理研究

圖2和圖3在一定程度上相互關(guān)聯(lián)，圖2中研究最多的技術(shù)分別是BIM、RFID和GPS，分別對(duì)應(yīng)圖3中可視化、溯源跟蹤和位置監(jiān)控功能。

通過圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)在預(yù)制件運(yùn)輸安全管理方面存在技術(shù)落后的問題。在預(yù)制件的運(yùn)輸過程中，目前我國(guó)研究所使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多為BIM、RFID和GPS，僅能實(shí)現(xiàn)溯源查詢、位置監(jiān)控、可視化和實(shí)時(shí)跟蹤功能，對(duì)于預(yù)制件這種超大、超重的大型貨物來說，僅有這些是不夠的，滿足不了目前預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的需求。相較而言，國(guó)外已經(jīng)將WSN技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)在途環(huán)境監(jiān)測(cè)和在線預(yù)警功能，能夠更好地保證預(yù)制件運(yùn)輸?shù)陌踩?，減少預(yù)制件受損和人員傷亡。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 對(duì)預(yù)制件的物流運(yùn)輸安全管理缺乏足夠的認(rèn)識(shí)

物流管理的概念和管理方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在許多現(xiàn)代企業(yè)的管理之中[5]。但我國(guó)建筑施工企業(yè)對(duì)于預(yù)制件管理的重點(diǎn)仍然局限于預(yù)制件的生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工階段，對(duì)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的重要性缺乏足夠重視。

2.2.2 建筑施工企業(yè)運(yùn)輸管理體系不完善

盡管一些建筑施工企業(yè)對(duì)原有的物流管理體系進(jìn)行了改革，但是大多數(shù)企業(yè)沒有建立足夠完善的運(yùn)輸安全管理體系，在建筑施工企業(yè)施工中沒有單獨(dú)的運(yùn)輸階段信息管理系統(tǒng)，大多數(shù)是沿用生產(chǎn)階段的信息管理技術(shù)。

2.3 預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的信息化水平偏低

相較于國(guó)外，我國(guó)預(yù)制件運(yùn)輸安全管理的相關(guān)技術(shù)較為落后，信息化管理系統(tǒng)應(yīng)用受到制約，造成運(yùn)輸過程中的位置監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息實(shí)時(shí)性差、在線預(yù)警難以保證，缺乏可靠的技術(shù)支撐。

3 存在問題與改革建議

3.1 管理制度方面

（1）加強(qiáng)政府引導(dǎo)作用：大型預(yù)制件的運(yùn)輸安全問題需要國(guó)家和市場(chǎng)的共同引導(dǎo)，充分完善相關(guān)法律法規(guī)政策，增強(qiáng)相關(guān)企業(yè)對(duì)預(yù)制件運(yùn)輸安全問題的重視。

（2）積極發(fā)展相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：我國(guó)應(yīng)積極發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將優(yōu)秀物流企業(yè)的相關(guān)技術(shù)引入預(yù)制件的運(yùn)輸安全管理中，建立完善的預(yù)制件物流運(yùn)輸安全管理系統(tǒng)。

（3）制定運(yùn)輸操作規(guī)范：國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)統(tǒng)一大型預(yù)制件的運(yùn)輸規(guī)范，并建立完善的監(jiān)督系統(tǒng)，確保各企業(yè)遵循規(guī)范的操作準(zhǔn)則，進(jìn)行預(yù)制件的運(yùn)輸工作。

3.2 技術(shù)應(yīng)用方面

有了政府的政策扶持，在預(yù)制件實(shí)際的運(yùn)輸管理中，技術(shù)的應(yīng)用也至關(guān)重要，先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大大提高運(yùn)輸安全管理的效率。

由于預(yù)制件具有超高、超長(zhǎng)、超重等特點(diǎn)，在運(yùn)輸過程中容易發(fā)生損壞。為保證預(yù)制件的運(yùn)輸安全，在運(yùn)輸?shù)倪^程中要做好路徑規(guī)劃、在途的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，而這些都需要有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。為實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制件從運(yùn)輸規(guī)劃到溯源查詢的全程監(jiān)管，文章提出應(yīng)用WSN和GPS技術(shù)構(gòu)建一體化的預(yù)制件運(yùn)輸安全管理系統(tǒng)。

3.2.1 WSN和GPS的應(yīng)用概述

在運(yùn)輸過程中，對(duì)于預(yù)制件本身需要監(jiān)測(cè)的信息包括：預(yù)制件承受的壓力、預(yù)制件自身的振動(dòng)和傾斜情況；對(duì)于運(yùn)輸車輛需要監(jiān)測(cè)的信息包括：路線信息、路況信息、實(shí)時(shí)的位置信息、車輛的行駛速度[6]。

該運(yùn)輸管理系統(tǒng)應(yīng)用GPS技術(shù)來獲取運(yùn)輸車輛的實(shí)時(shí)信息，應(yīng)用WSN技術(shù)來獲取運(yùn)輸途中預(yù)制件本身振動(dòng)和傾斜情況的信息。采集來的車輛和預(yù)制件的實(shí)時(shí)信息由車載終端通過GPRS傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。根據(jù)上述功能需求，預(yù)制件運(yùn)輸安全管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 預(yù)制件運(yùn)輸安全管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

該預(yù)制件運(yùn)輸安全管理系統(tǒng)將對(duì)整個(gè)運(yùn)輸過程實(shí)現(xiàn)全程的監(jiān)管，流程主要包括：運(yùn)輸前的路徑規(guī)劃，運(yùn)輸中的在途監(jiān)測(cè)、位置監(jiān)控和在線預(yù)警，運(yùn)輸完成后的溯源查詢。

3.2.2 GPS的功能

（1）路徑規(guī)劃

由于大型預(yù)制件自身的高度和重量問題，需要考慮到沿途可能經(jīng)過的橋梁、橋洞、車道的承載能力，通行高度、寬度、彎度和坡度限制，需在運(yùn)輸前對(duì)運(yùn)輸路線進(jìn)行規(guī)劃[7]。用全球定位系統(tǒng)（Global Position System, GPS）結(jié)合Googlemap在線地圖，可提前預(yù)設(shè)好始發(fā)地和目的地，然后根據(jù)沿途路況規(guī)劃出最優(yōu)路徑。

（2）車輛監(jiān)控

目前我國(guó)對(duì)預(yù)制件的運(yùn)輸多使用平板拖車運(yùn)輸方式，大型預(yù)制件的運(yùn)輸過程中容易發(fā)生安全事故，故在運(yùn)輸時(shí)要控制好車輛行駛速度。在預(yù)制件運(yùn)輸車輛的車載終端中裝配GPS和GPRS集成設(shè)備，在運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸管理中心的工作人員不僅能夠?qū)崟r(shí)掌握車輛的行駛速度，還可以準(zhǔn)確地獲取車輛的地理位置信息、運(yùn)輸時(shí)間計(jì)劃執(zhí)行變更情況等[8]。

應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行車輛監(jiān)控的原理是：安裝于車載終端中的GPS定位模塊，按照設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)地理位置進(jìn)行采樣定位，并通過GPRS通信將車輛的位置信息傳到運(yùn)輸管理中心，運(yùn)輸管理中心的工作人員收到數(shù)據(jù)后，再將其與Googlemap在線地圖相結(jié)合，并計(jì)算出車輛當(dāng)前的行駛速度，在后臺(tái)的電子地圖上，就可以顯示出預(yù)制件運(yùn)輸車輛實(shí)時(shí)的位置信息和行駛速度。

3.2.3 WSN的功能

在運(yùn)輸途中，除了對(duì)運(yùn)輸車輛的行駛情況進(jìn)行監(jiān)控外，還應(yīng)對(duì)預(yù)制件自身的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保預(yù)制件不受損。因?yàn)轭A(yù)制件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)輸路線出現(xiàn)障礙、路面不平整、技術(shù)人員操作不當(dāng)?shù)惹闆r時(shí)，容易發(fā)生晃動(dòng)和傾覆，造成預(yù)制件受損，甚至人員傷亡[9]。因此，需要對(duì)預(yù)制件的在途情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這里運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）在途監(jiān)測(cè)功能

文章選用慣性式振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)預(yù)制件的振動(dòng)情況。將傳感器固定在預(yù)制件的表面，當(dāng)傳感器外殼隨預(yù)制件運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器內(nèi)部的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，記錄下相對(duì)振動(dòng)位移幅值，并求出預(yù)制件的振動(dòng)位移波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制件振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)[10]。

文章選用姿態(tài)傳感器用于監(jiān)測(cè)預(yù)制件的傾斜情況。將姿態(tài)傳感器固定在預(yù)制件表面，通過內(nèi)部的三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、電子羅盤等獲取預(yù)制件的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制件傾斜情況的監(jiān)測(cè)。

通過多個(gè)慣性式振動(dòng)傳感器和姿態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工作原理如圖5所示。

圖5 WSN工作原理

①在預(yù)制件自身表面部署慣性式振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)和姿態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

②傳感器節(jié)點(diǎn)采集預(yù)制件的振動(dòng)和傾斜數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，再傳遞給車載終端，進(jìn)行分析、融合和預(yù)處理。

③車載終端通過GPRS通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理中心，管理人員就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制件的振動(dòng)和傾斜情況。遠(yuǎn)程管理中心將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet，并將傳感數(shù)據(jù)的日志保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

④用戶可以通過接入Internet，使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)。

（2）在線預(yù)警功能

除了對(duì)運(yùn)輸途中預(yù)制件的振動(dòng)和傾斜情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之外，這個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還具有在線報(bào)警功能。根據(jù)所測(cè)得的振動(dòng)位移波形和三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器設(shè)置分級(jí)報(bào)警，數(shù)值達(dá)到某個(gè)級(jí)別的閾值時(shí)，車載終端就開始自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意預(yù)制件的振動(dòng)情況或者傾斜情況。

當(dāng)振動(dòng)劇烈或傾斜角度過大時(shí)，傳感器還有報(bào)警功能，運(yùn)輸管理中心可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)并提醒工作人員。

（3）溯源查詢功能

在整個(gè)運(yùn)輸過程中，遠(yuǎn)程的運(yùn)輸管理中心獲取了GPS傳輸?shù)男旭偮肪€、發(fā)貨信息、送達(dá)時(shí)間等信息，還獲取了WSN采集的運(yùn)輸途中的振動(dòng)和傾斜數(shù)據(jù)，運(yùn)輸管理中心將這些數(shù)據(jù)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。若到達(dá)客戶手中的預(yù)制件有受損情況，則可以通過調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄追溯到具體的運(yùn)輸階段，明確責(zé)任的歸咎。

3.2.4 總結(jié)

融合了GPS、WSN和GPRS技術(shù)的一體化預(yù)制件運(yùn)輸安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路徑規(guī)劃、在途監(jiān)測(cè)、位置監(jiān)控、在線預(yù)警、溯源查詢的運(yùn)輸管理功能。這一運(yùn)輸管理系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高預(yù)制件的運(yùn)輸安全程度。

3.3 人員培訓(xùn)方面

確保運(yùn)輸安全是預(yù)制件物流安全管理的重要部分。在開展運(yùn)輸活動(dòng)時(shí)，應(yīng)提前對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行崗前安全教育和培訓(xùn)，并在整個(gè)運(yùn)輸過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

（1）提高安全意識(shí)：提高工作人員安全意識(shí)和防范意識(shí)，正確認(rèn)識(shí)運(yùn)輸?shù)淖⒁馐马?xiàng)。

（2）規(guī)范運(yùn)輸操作：在運(yùn)輸過程中，要考慮到預(yù)制件外形特殊、自身穩(wěn)定性較差，按照規(guī)范的操作將預(yù)制件進(jìn)行固定，避免造成預(yù)制件的碰撞。

（3）正確使用相關(guān)設(shè)備：對(duì)工作人員要進(jìn)行相關(guān)設(shè)備操作的培訓(xùn)，要確保工作人員能夠掌握相關(guān)技術(shù)裝備的使用方法，保證運(yùn)輸?shù)陌踩M(jìn)行。

（4）做好預(yù)防措施，排除安全隱患：在運(yùn)輸工作進(jìn)行前，提前規(guī)劃好運(yùn)輸路線，詳細(xì)了解運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方案。

4 結(jié) 語

目前，我國(guó)裝配式建筑快速發(fā)展，預(yù)制件起到了巨大的推動(dòng)作用，在大型鐵塔、風(fēng)機(jī)、橋梁等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于預(yù)制件自身外形的特殊性，使得預(yù)制件的運(yùn)輸安全問題日益突出。然而目前我國(guó)的相關(guān)研究仍然較少，研究中使用的技術(shù)也較為落后。在實(shí)際預(yù)制件運(yùn)輸中，大多建筑企業(yè)對(duì)運(yùn)輸安全管理仍然不夠重視，且存在運(yùn)輸管理體系不完善、沒有制定相應(yīng)的運(yùn)輸規(guī)定等問題。針對(duì)我國(guó)預(yù)制件物流運(yùn)輸安全管理的現(xiàn)狀，文章提出完善管理制度、加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用、重視人員培訓(xùn)等改革建議。通過國(guó)家、企業(yè)和工人的配合，發(fā)展和運(yùn)用好相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完善預(yù)制件的物流運(yùn)輸安全管理體系，進(jìn)一步促進(jìn)預(yù)制件在更多領(lǐng)域的發(fā)展。