公路工程预制梁场生产信息化平台的设计与实现

张富泉 罗 云

（中国铁建港航局集团有限公司，广东 广州 511442）

随着我们经济的迅猛发展和城市化建设进程的快速推进，交通运输行业也得到了快速发展。其中，公路作为传统的交通运输基础设施，公路总里程和公路密度也在不断增加。根据国家交通运输部发布的《2020 年交通运输行业发展统计公报》，截至2020 年年底，公路总里程519.81 万公里，公路密度54.15 公里/百平方公里[1]。目前，我国公路工程的路桥普遍采用预制梁，与传统的现浇法相比，采用预制梁具有诸多优势，主要体现在：场内预制，质量控制容易；施工过程对既有交通和环境影响小；节省大量的模板和支架，缩短工期，节约施工成本。因此，预制梁生产过程的重要性更为凸显，一定程度上可能直接影响整个公路工程的质量和进度。

信息化技术在预制梁场的创新应用已经有了一些实践，并取得了很好的效果，比较典型的有：预应力自动张拉系统、静载试验自动控制系统、自动喷淋养护系统、太阳能智慧照明信息系统、基于BIM 的预制梁信息管理平台、基于二维码的预制梁生产信息采集与质量监控方案、基于百度地图的预制梁施工位置管理方案、预制箱梁施工BIDE 流程化技术体系等[2-6]。但这些应用基本上聚焦于某个特定生产环节，或利用某种技术解决特定的生产问题，管理者需要借助多个系统来了解生产情况，不能从预制梁场自身的角度全方位获取整个生产过程的数据和信息。当多个信息化子系统存在且数据无法共享时，项目就会存在“数据孤岛”[7]现象，不仅效率低，还会增加管理和维护成本，对后续生产数据的统一管理和追溯带来了不便。市面上已经有一些成熟的管理系统，如制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）[8]、企 业 资 源 计 划 系 统（Enterprise Resource Planning，ERP）[9]等，这些系统虽然功能非常强大，但预制梁场的生产过程有其特殊性和专业性，通用的管理系统不能完全符合预制梁场的生产管理过程。

本研究基于Delphi、IntelliJ IDEA、AndroidSDK 及Oracle 数据库等工具，以莞番11 标预制梁场生产管理的实际需求为基础，设计并实现了公路工程预制梁场生产信息化平台。

1 预制梁场概况及需求分析

1.1 预制梁场概况

莞番十一标预制梁场位于广东省东莞市桥头镇莞番高速桥头西互通K6+600 左侧位置，占地面积93 亩，2020 年3 月开始投产。该预制场主要负责K0+000～K15+795.000 范围内预应力小箱梁制作，共5103 片。据现场施工需要，预制场内规划有钢筋加工场、钢筋胎架制作区、制梁区、存梁区、拌合站和工地试验室。其中设有：钢筋加工场2 个，制梁台座100 个。预制场内设置了3 条生产线，生产线1 区安装4 台10T 和2 台80T 龙门吊，生产线2 区安装4 台10T 和2 台80T 龙门吊，生产线3 区安装2台10T 和2 台100T 龙门吊。生产期间，投入20m 箱梁模板共2套，其中1 套中梁模板，1 套边梁模板，25m 箱梁模板共10 套，其中8 套中梁，2 套边梁模板，30m 箱梁模板共2 套，其中1 套中梁，1 套边梁模板，40m 箱梁模板共2 套，其中1 套中梁，1 套边梁模板。达到12 片/天的生产能力。

1.2 项目需求分析

公路工程预制梁场生产信息化平台在预制梁生产过程中具有重要作用，为预制梁场管理人员和生产过程的从业人员提供了方便、高效的管理平台，对生产过程、质量安全、文明施工等环节起到很好的监管作用，促进管理效率的提升。从宏观和微观两个层面对需求进行分析。

1.2.1 宏观层面。莞番十一标预制梁场服务的城市公路路桥工程有26 个，预制梁又分为8 种类型，分别是20m 预制小箱梁中梁、20m 预制小箱梁边梁、25m 预制小箱梁中梁、25m 预制小箱梁边梁、30m 预制小箱梁中梁、30m 预制小箱梁边梁、40m 预制小箱梁中梁、40m 预制小箱梁边梁。预制梁类型多，工序繁杂，如果依靠传统人工监管的方式或仅依靠多个且分散的信息化子系统，不仅耗时耗力，而且还会造成数据管理的复杂度和难度，难以保障施工质量和工程进度。因此，搭建预制梁场生产信息化平台，将所有的预制梁的生产过程纳入统一管理和监控，既可以全面了解整个预制梁场的生产情况，又可以缩短工期，加快工程进度。

1.2.2 微观层面。①生产计划和生产管理：信息化平台可下达生产计划，并对生产进度和生产工序进行全过程跟踪和检查，实时呈现预制梁的生产进度情况、台座状态，根据生产进度计算产值。②质量管理：采集检验与试验的数据，对异常情况发出告警。③安全管理：统一管理各种生产设备的检修计划和检查维护保养情况，管理安全例会的组织情况和各项安全检查记录。④班组管理：管理班组人员的排班和考勤情况，并记录违规作业情况。⑤文明施工：通过视频AI 分析现场施工人员是否正确佩戴安全帽、施工区域有无意外闯入等情况，保障文明施工。

2 平台设计

2.1 软件架构设计

分层模式是软件架构设计中最常见的一种结构，每一层都有其特定的角色和职能，为了实现某种特定的业务请求，是具体工作的高度抽象，层与层之间通过接口通信，体现了“高内聚，低耦合”的软件设计思想。公路工程预制梁场生产信息化平台的软件架构设计采用分层模式，自上而下分别为：表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL），如图1 所示。

图1 软件架构设计图

表示层位于软件架构的最上层，即用户界面，负责视觉显示和人机互动。通过一些前端显示开发技术，在PC 桌面、浏览器、APP 进行页面呈现。

业务逻辑层位于表示层和数据访问层之间，具有承上启下的作用。业务逻辑层负责将用户在表示层发出的请求通过业务逻辑处理接口建立通信连接，经过业务逻辑处理之后再通过数据访问层与数据库进行数据交互。

数据访问层位于软件架构的最底层，主要负责系统软件与数据库的交互，实现数据的新增、删除、修改、查询等功能。同时，通过外部数据接口与外部应用系统实现数据对接，如预应力自动张拉数据、自动喷淋养护数据、各种试验数据等。

2.2 平台功能模块设计

公路工程预制梁场生产信息化平台分为三个部分，分别是预制梁场生产协调系统、预制场生产指挥中心Web 系统、预制梁场生产协调APP。

预制梁场生产协调系统是C/S（Client/Server）结构，侧重于预制梁生产过程的管理和监控。主要包括生产计划、生产管理、质量管理、安全管理、班组管理、视频管理、路况显示、三维BIM、统计分析、基础信息、后台管理这11 个模块，功能拓扑结构如图2 所示。

图2 预制梁场生产协调系统软件功能拓扑结构图

预制梁场生产指挥中心Web 系统是B/S（Browser/Server）结构，以大屏的形式呈现，为预制梁场管理人员提供“驾驶舱”可视化综合视图，可全方位了解预制梁场的生产情况。主要包括生产管理、质安管理、智能监测、拌合站、形象进度、台座状态、设备动态这7 个模块，功能拓扑结构如图3 所示。

图3 预制梁场生产指挥中心Web 系统软件功能拓扑结构图

预制梁场生产协调APP 主要包括生产管理、生产看板、个人中心这3 个模块。其中生产管理是重点，又细分为生产任务、工序扫码、工序检查、现场问题、移梁、安装、成品检查、消息提醒、梁信息、梁报废、梁孔信息、台座状态这12 个功能点。预制梁场生产协调APP 功能拓扑结构如图4 所示。

图4 预制梁场生产协调APP 软件功能拓扑结构图

2.3 数据库设计

本平台数据库设计遵循“一致性、完整性、安全性、可扩展性、规范化”的原则，包括10 个方面的内容：基础信息数据、生产计划数据、生产管理数据、质量管理数据、三维BIM 数据、智能监测数据、拌合站数据、形象进度数据、台座状态数据和设备动态数据等。限于论文篇幅，这里以预制梁场台座的信息表为例，如表1 所示。台座信息表用来存储台座的信息和状态，表名为Pedestal_Info，主键为Pedestal_Num（台座编号）。

表1 台座信息表

3 平台开发实现

3.1 开发和运行环境

公路工程预制梁场生产信息化平台的实现需要配套的开发环境，具体配置要求如表2 所示。

表2 平台开发环境配置表

公路工程预制梁场生产信息化平台所需要的服务器分为业务服务器和数据服务器，业务服务器负责事务逻辑的处理，数据库服务器负责数据逻辑的处理，两个类型的服务器均需要较好的配置，其配置如表3 所示。

表3 服务器环境配置表

为了使客户端有较好的使用体验，客户端的环境配置如表4 所示。

3.2 平台实现

3.2.1 预制梁场生产协调系统

预制梁场生产协调系统主界面左侧是预制梁场生产协调系统的菜单，分别是生产计划、生产管理、质量管理、安全管理、班组管理、视频管理、路况显示、三维BIM、统计分析、基础信息和后台管理。

首页呈现了制梁进度、生产情况、计划于实际对比、台座状态统计、各桥安装情况。

生产计划模块中包括总体计划、月度计划、计划与实际对比、物料需求计划、物料实际用量、物料偏差（损耗）分析。按工区/桥梁的“跨/孔”细度建立WBS 工作分解结构，综合下部结构的生产，编制梁安装生产的总体计划。根据总体计划，对生产构件进行计划排期，以月度计划为主、季度计划和年度计划为辅建立生产计划，并自动换算并生成预制场材料需求计划清单。

生产管理模块按照月度计划向台座自动排期并下达生产任务，之后现场施工人员开始执行工序生产、工序检查、移梁出厂安装、成品检查等业务环节。当遇到特殊或紧急情况时，系统可调整某片预制梁生产任务时间，直接排队生产。

质量管理模块通过接口对接实现系统集成和数据共享，自动采集预制梁生产中涉及的原材料检验、试块抗压强度、智能张拉、孔道压浆等试验数据，实时监控预制梁质量情况。系统将采集到的试验数据自动生成质检报表，形成电子档案，实现智能归档。

安全管理模块供预制梁场管理人员将发现的安全隐患提出整改，下发整改通知书，落实相关责任人整改并回复，做到问题闭环，消除隐患。

班组管理模块通过视频AI 人脸识别智能判断班组人员进场和离场情况，根据管理人员和劳务人员的出勤情况统计实际用工量。

视频管理模块可调取摄像机实时查看现场生产情况，视频AI 还可智能识别现场施工人员是否正确佩戴安全帽（如图5 所示，系统在1#存梁区自动抓拍到某位工人未佩戴安全帽）、施工区域有无意外闯入等安全隐患，自动抓拍，保留截图，并自动下发问题整改，向相关责任人推送信息。

图5 安全帽智能识别

路况显示模块可为运梁车辆智能规划最优运输路线，并根据实际路况灵活调整线路，保障预制梁及时运抵安装现场。

三维BIM 模块通过数字孪生技术，建立预制梁场三维实景，三维台座可实时显示当前生产工序的实时数据，预制梁场管理人员可远程直观且形象的了解生产实况。

统计分析模块汇聚和集成了大量的制梁生产数据，对这些数据进行分析，按预制梁场管理要求提供不同维度的统计数据展示，如工序耗时、月度产量、平均工时、工序问题、混凝土用量、问题处理、工序补录、月度产值和桥梁进度。

基础信息模块主要负责管理和维护预制梁场的基本信息，如梁场信息、台座信息、工序管理、梁类型、物料编码、梁信息、物料清单、车辆资料等。

后台管理模块供管理员进行系统功能维护使用。

3.2.2 预制场生产指挥中心Web 系统

预制场生产指挥中心Web 系统在生产指挥大屏上呈现，汇总生产进度、质量安全、设备动态、拌合站等数据。首页的上方是预制场生产指挥中心Web 系统的菜单，分别是生产管理、质安管理、智能监测、拌合站、形象进度、台座状态、设备动态。

首页呈现了梁场介绍、制梁进度、台座状态统计、生产情况、计划实际对比、梁浇筑生产情况、安装情况、生产照片。

生产管理模块中展示了月度产值、累计产值、工序问题统计（本月）、工序检查情况（本月）、工序处理情况、实际与设计工时对比、设计/实际工序耗时占比。质安管理模块中展示了原材料检验情况（本月）、试块试验情况（近半年）、成品质量检查、设备检修保养情况（近半年）、安全检查情况（近半年）、安全违规识别记录、抓拍图片显示区。智能监测模块中展示了张拉情况、压浆情况、张拉压浆合格率、梁片张拉明细、养护记录、喷淋实时数据。拌合站模块中展示了生产信息、生产合格率、材料库存、本月材料消耗、地磅进场材料信息、产能统计、预警统计。形象进度模块中可以查看各个桥梁梁片安装进度一览表。台座状态模块展示了各个台座的状态。设备动态中可查看运梁车辆的实时位置，方便指挥调度。

3.2.3 预制梁场生产协调APP

预制梁场生产协调APP 主界面如图6 所示。该APP 由现场生产人员使用，便于现场数据的录入和生产技术问题的处理，还具有消息提醒功能。当模板安装结束后，现场人员可通过APP 通知拌合站做好打料准备。在偶发情况下，现场人员发现实际生产数据与智能监测数据有出入时，可通过APP 进行修正。预制梁加工完成后，现场人员可通过APP 记录移梁和存梁情况。

图6 预制梁场生产协调APP 主界面

4 结论

本文以莞番十一标预制梁场为依托，从实际需求出发构建了公路工程预制梁场生产信息化平台，设计和开发了预制梁场生产协调系统、预制场生产指挥中心Web 系统和预制梁场生产协调APP，实现了数据的集成和共享，打破了多个孤立应用系统的数据壁垒，提高了管理效率，加快了工程进度，促进了预制梁生产信息化水平的提升，进而保障了公路工程的建设。本平台主要是基于公路工程预制梁设计和研发的，对铁路等其他工程预制梁生产同样具有一定的参考意义。虽然本平台的建设实现了预制梁场生产信息化，但距离智慧化生产还有一定的距离，有待进一步研究和创新。