趙文佳，張國良，曾 翔

（中鐵工程裝備集團（天津）有限公司，天津 300450）

盾構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市地鐵、山嶺隧道，引水項目、城市綜合管廊。盾構(gòu)的智能化制造決定著設(shè)備的制造周期、成本和質(zhì)量。

本文提出一種以盾構(gòu)廠區(qū)為核心的數(shù)字化時效管理平臺，該系統(tǒng)旨在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)解決離散型盾構(gòu)生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯聚、更新和調(diào)度問題，尤其在疫情環(huán)境下無接觸式辦公的需求。由于大型設(shè)備生產(chǎn)影響要素很多，不同生產(chǎn)要素在生產(chǎn)中占比不同，自動化智能管理系統(tǒng)將關(guān)鍵因素進行權(quán)重化管理，實現(xiàn)廠區(qū)智能化管理。廠區(qū)管理的滯后導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)更新停滯、采購物流遲滯、人力資源浪費、廠區(qū)能源利用率低等一系列管理問題。時效管理平臺將整個項目生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中運算，根據(jù)自適應(yīng)結(jié)果調(diào)整廠區(qū)資源高效調(diào)度和物流聯(lián)網(wǎng)跟蹤等動態(tài)管理，該系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將廠區(qū)各生產(chǎn)要素數(shù)字化，對生產(chǎn)要素賦予不同權(quán)重，系統(tǒng)通過自訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)收斂得到影響廠區(qū)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，結(jié)合雙層安全網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫加密策略，將廠區(qū)商務(wù)、生產(chǎn)、采購進行數(shù)字化云加密管理，將關(guān)鍵要素作為重點控制點進行智能化管理。時效管理平臺實現(xiàn)設(shè)備由商務(wù)在線洽談、廠區(qū)智能制造、物聯(lián)網(wǎng)采購和售后的全生命周期定制化服務(wù)模式，根據(jù)生產(chǎn)要素進行智能化訓(xùn)練調(diào)整，縮短設(shè)備生產(chǎn)周期，提高組裝和售后質(zhì)量，逐步將傳統(tǒng)盾構(gòu)制造廠區(qū)打造為高效節(jié)能、綠色環(huán)保的智能化廠區(qū)。

1 智能系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)

1.1 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種解決復(fù)雜而又無法用公式定義的問題，在智能控制、機器人訓(xùn)練、生產(chǎn)過程優(yōu)化和信息處理等方面被廣泛研究。多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一個或者多個隱藏層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，同一層神經(jīng)元之間無聯(lián)系，但是與下級神經(jīng)有聯(lián)系。

圖1 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

生產(chǎn)輸入要素經(jīng)過ANN 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，需要調(diào)整神經(jīng)元間每條鏈路的權(quán)重。連接層中神經(jīng)元互相連接，每個神經(jīng)元計算結(jié)果與輸入其上級神經(jīng)元的權(quán)重之和有關(guān)，輸出值為激活函數(shù)調(diào)整過的值。S 形激活函數(shù)

輸入層，即輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要影響因素，直接關(guān)系到廠區(qū)生產(chǎn)執(zhí)行結(jié)果，β={x1，x1…xQ}為訓(xùn)練基。每個觀測值xi由項目實際生產(chǎn)要素給出輸入到訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

隱藏層，作為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部節(jié)點，由多層級構(gòu)成，集合結(jié)構(gòu)為（h1，h2，……，hN），ni為每個隱藏層hi的神經(jīng)元數(shù)量。每個隱藏層輸出元素由上一層或者輸入層計算得到

輸出層，根據(jù)hN隱藏層中的結(jié)果計算后輸出，輸出層神經(jīng)元計算公式為

其中，表示第Nth隱藏層的神經(jīng)元k與輸出層j間的權(quán)重，nN表示第Nth隱藏層中神經(jīng)元數(shù)量，Y=（y1，y2，…，ym）為輸出層向量，F(xiàn)表示傳遞函數(shù)，W為權(quán)重矩陣，具體定義為

首個隱藏層的輸出值根據(jù)輸入值確定

第i層輸出計算結(jié)果

優(yōu)化目標函數(shù)：目標函數(shù)表示實際輸出結(jié)果和預(yù)計結(jié)果直接的誤差值

邊界約束條件滿足

1.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是基于智能感應(yīng)裝置，經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場指定的信息經(jīng)過處理，最終匯總到服務(wù)器，實現(xiàn)人力、物料的數(shù)據(jù)化和再分配管理的智能網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)主要可以分為5 層結(jié)構(gòu)體系：感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層以及應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)具有3 個重要的特性。

1）全面感知性 利用射頻識別技術(shù)（RFID）、智能傳感器、信號接收器等智能終端設(shè)備獲取現(xiàn)場物料、人員、設(shè)備的信息。

2）可靠傳遞性 基于物聯(lián)網(wǎng)與廠區(qū)物料的聯(lián)系，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)到智能服務(wù)器的匯集。

3）智能處理性 通過對網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的數(shù)據(jù)進行處理，并且對數(shù)據(jù)進行分析和決策，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的反饋管理。物聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)處理為中心，起感知數(shù)據(jù)管理和決策處理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。

1.3 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)

數(shù)字化安全管理系統(tǒng)是企業(yè)核心競爭力的保障，高效的信息化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展造成數(shù)據(jù)資源的稀缺性，掌握行業(yè)核心數(shù)據(jù)會對項目實施起到關(guān)鍵性作用，甚至直接導(dǎo)致商業(yè)競爭的成敗，主要有數(shù)據(jù)庫云管理平臺和企業(yè)內(nèi)部數(shù)字化管理平臺組成。

云管理平臺將離散的數(shù)據(jù)源通過數(shù)據(jù)庫進行集中管理，將設(shè)備掘進履歷、制造過程、供貨商和設(shè)備設(shè)計資料經(jīng)過數(shù)據(jù)加密和再分類后傳輸?shù)接脩舳诉M行安全使用。實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對象的數(shù)據(jù)創(chuàng)建、查詢、添加、修改與刪除操作等功能。

數(shù)字化管理平臺是面向制造企業(yè)的智能化管理平臺，企業(yè)通過OA系統(tǒng)集成了包括公告通知、個人考勤、工作流、考勤管理、采購計劃、工資上報、績效考核、會議管理、車輛管理、銷售管理、系統(tǒng)日志等功能項。通過特定功能項將企業(yè)內(nèi)部管理納入平臺化管理，節(jié)約管理成本和提高協(xié)同辦公能力。

2 盾構(gòu)智能廠區(qū)時效管理的設(shè)計

基于人工智能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化安全管理技術(shù)的盾構(gòu)智能廠區(qū)系統(tǒng)，主要解決盾構(gòu)生產(chǎn)廠過程數(shù)據(jù)分散化和滯后性，尤其是特殊環(huán)境下的對時效性的要求。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化安全管理系統(tǒng)相結(jié)合，不斷提升現(xiàn)場作業(yè)智能化水平，同時利用加密手段對廠區(qū)的核心數(shù)據(jù)進行管理，保證廠區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的高效安全利用。

2.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測系統(tǒng)

利用人工智能預(yù)測平臺將主要生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)化，盾構(gòu)廠區(qū)主要的生產(chǎn)要素包括商務(wù)、設(shè)計、采購、制造以及售后整個生命周期。通過初始化生產(chǎn)要素，再利用系統(tǒng)參數(shù)修正功能，動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)進度。具體生產(chǎn)要素如表1 所示。

表1 輸入輸出數(shù)字化權(quán)重值

項目初始階段，將各生產(chǎn)要素進行初始化為{h1，…，hn}，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算訓(xùn)練，得到的輸出結(jié)果{y1，…，yn}。將hi與yi進行對比，預(yù)測值越低說明生產(chǎn)要素對項目影響越小，當(dāng)yi值超過設(shè)定的預(yù)警值，說明該要素滯后，影響生產(chǎn)進度就越大。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將得到數(shù)據(jù)經(jīng)過安全網(wǎng)送達各部門，對生產(chǎn)項目起預(yù)警作用，指導(dǎo)生產(chǎn)組裝進度。

時效管理平臺的雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，由兩個獨立的安全網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。上層安全網(wǎng)絡(luò)主要包括領(lǐng)導(dǎo)決策、數(shù)據(jù)審核、采購、生產(chǎn)和掘進履歷歸檔等公司核心數(shù)據(jù)。下層網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行管理層下傳達數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過審核加密后進入數(shù)據(jù)循環(huán)系統(tǒng)，分配到廠區(qū)數(shù)據(jù)和外部相關(guān)單位的客戶端。其主要的構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 智能廠區(qū)主要構(gòu)架

2.2 上層管理網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架

上層網(wǎng)絡(luò)的建立是直接面向客戶的服務(wù)模塊。受特殊環(huán)境影響，造成設(shè)備采購招標、商務(wù)洽談、售后服務(wù)滯后等問題。為了滿足智能工廠需求，平臺主要解決3個方面外部數(shù)據(jù)交互問題。

1）面向客戶的商務(wù)服務(wù)平臺，受限于無法進行面對面商務(wù)洽談的情況。服務(wù)平臺可以通過在線服務(wù)平臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)咨詢、再制造設(shè)計方案交流咨詢、閑置設(shè)備網(wǎng)上評估與租賃。經(jīng)過遠程視頻聯(lián)線地質(zhì)、設(shè)計專家進行設(shè)計聯(lián)絡(luò)，通過將設(shè)備數(shù)據(jù)與地質(zhì)情況進行模擬，實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)上選型和商務(wù)談判。

2）設(shè)備故障在線診斷系統(tǒng)，設(shè)備在現(xiàn)場掘進過程中遇到故障常有發(fā)生。線上對故障進行會診，判定現(xiàn)場和遠程故障排查，以及對應(yīng)的服務(wù)費用，及時為客戶排除故障。

3）設(shè)備掘進數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，為全面跟蹤設(shè)備的整個生命周期的掘進和故障數(shù)據(jù)。協(xié)助對客戶其他品牌設(shè)備的數(shù)據(jù)進行更新維護，保證設(shè)備在維護和再制造時數(shù)據(jù)的完整性和時效性，更好服務(wù)客戶需求。具體功能如圖3 所示。

圖3 上層外部管理系統(tǒng)

2.3 廠區(qū)下層管理網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架

智能化廠區(qū)的管理主要以下層安全網(wǎng)為主，盾構(gòu)廠區(qū)的管理的目的是為保障生產(chǎn)的順暢和設(shè)備的按期完工，同時降低制造成本，實現(xiàn)綠色制造。主要從以下幾個方面進行構(gòu)架。

1）立體物料庫房動態(tài)管理系統(tǒng)，庫房作為盾構(gòu)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，支撐著生產(chǎn)項目的順利推進。但是仍然存在不良的庫存管理會造成物料積壓，占用企業(yè)資金流動的狀況。立體式庫房的智能化建設(shè)有助于動態(tài)管理物資，有計劃消耗和補充庫存。通過動態(tài)管理系統(tǒng)充分釋放公司資金壓力，避免造成物資積壓的現(xiàn)象。

2）數(shù)字化作業(yè)指導(dǎo)和無紙化圖紙管理模塊，不同品牌的盾構(gòu)之間存在不同的技術(shù)壁壘，單盾構(gòu)市場的競爭性愈發(fā)激烈。利用廠區(qū)的安全管理模塊，在車間安裝數(shù)字化屏幕，采用面部識別登錄管理，對核心數(shù)據(jù)使用實名登錄式使用，隨時查閱設(shè)備關(guān)鍵部件的組裝拆解工藝、可視化作業(yè)指導(dǎo)等工藝文件，做到廠區(qū)數(shù)據(jù)的安全使用，實現(xiàn)核心數(shù)據(jù)的安全交流。

3）基于TDOA 定位技術(shù)和廠區(qū)智能調(diào)度管理系統(tǒng)。主要包括以下3 個方面：①在崗人員的動態(tài)管理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場TDOA 定位技術(shù)，通過對在崗人員進行局域網(wǎng)識別，實現(xiàn)人員合理調(diào)配和安防定位，實現(xiàn)廠區(qū)安全生產(chǎn)；②叉車動態(tài)的管理，通過數(shù)據(jù)采集傳輸將車間叉車使用動態(tài)情況匯集和分析，在車間監(jiān)控平臺進行上位機動態(tài)顯示，提高生產(chǎn)效率；③廠區(qū)能源監(jiān)控采集系統(tǒng)，針對廠區(qū)的主要用電設(shè)備，行吊、在調(diào)盾構(gòu)、樓宇電力系統(tǒng)精細化管理。利用電能監(jiān)控組件的分析，實現(xiàn)廠區(qū)能源的監(jiān)控和高效分配，降低企業(yè)制造成本。

4）廠區(qū)生產(chǎn)及采購進度自動調(diào)整系統(tǒng)，以盾構(gòu)生產(chǎn)為中心的廠區(qū)，組裝與采購到貨時間的沖突直接制約著設(shè)備的按期出廠，在關(guān)鍵部件上尤為凸顯。到貨周期數(shù)據(jù)化可以避免組裝延誤和庫存的積壓問題，降低物料資源的滯留。以上具體功能如圖4 所示。

圖4 廠區(qū)下層管理系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)MES 系統(tǒng)與設(shè)備需求數(shù)據(jù)中心連接，設(shè)備需求數(shù)據(jù)中心與EPR 模塊和PDM 模塊連接。生產(chǎn)人員和采購人員可以實時了解物料流動情況，適時安排生產(chǎn)進度，同時根據(jù)進度反饋采購進度進行動態(tài)調(diào)整，做到不積壓和不浪費。最大程度實現(xiàn)生產(chǎn)進度和采購的銜接，保證設(shè)備按期完工。完整生產(chǎn)流程圖如5 所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化生產(chǎn)動態(tài)管理系統(tǒng)

2.4 廠區(qū)數(shù)據(jù)管理中心

智能廠區(qū)的管理是以廠區(qū)數(shù)據(jù)管理中心為主要數(shù)據(jù)庫，上層數(shù)據(jù)管理平臺以數(shù)據(jù)管理中心為基礎(chǔ)，對外展示公司信息，商務(wù)交流，技術(shù)參數(shù)、在線故障處理及設(shè)備履歷更新等功能。數(shù)據(jù)管理中心主要功能。

1）為用戶盾構(gòu)數(shù)據(jù)搭建云平臺，在云平臺上對可以實現(xiàn)用戶盾構(gòu)數(shù)據(jù)存儲、更新和自動存儲歷史故障，同時可以為用戶尋求設(shè)備租賃和再制造維修，通過歷史數(shù)據(jù)指導(dǎo)再制造生產(chǎn)，研究設(shè)備的適應(yīng)性。

2）為下層生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將立體庫房和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤采購件進度和調(diào)整生產(chǎn)計劃，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后動態(tài)管理廠區(qū)生產(chǎn)。

3 總結(jié)

本文針對解決掘進機生產(chǎn)廠區(qū)離散型、數(shù)據(jù)泄露的特性，通過預(yù)測平臺將生產(chǎn)要素數(shù)字化，生產(chǎn)過程中參數(shù)做出預(yù)測性。利用物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字安全管理系統(tǒng)和對盾構(gòu)廠區(qū)進行時效化管控，做到精準控制廠區(qū)的生產(chǎn)。智能工廠通過雙安全網(wǎng)獨立管理，將離散型盾構(gòu)生產(chǎn)廠區(qū)的能源、數(shù)據(jù)、安全進行數(shù)據(jù)化再分配應(yīng)用。盾構(gòu)廠區(qū)的數(shù)據(jù)分級式管理，不同部門人員具有不同數(shù)據(jù)使用權(quán)限，保障數(shù)據(jù)的安全使用，最終實現(xiàn)離散型廠區(qū)向人工智能科技型廠區(qū)的轉(zhuǎn)變。