轨道交通预制管片厂电子沙盘研究与设计★

刘 宇， 孙喜利， 陈 桢， 高兴华

（1.中铁信（北京）网络技术研究院有限公司， 北京 100038； 2.中国铁路信息科技集团有限公司， 北京 100038；3.京津冀城际铁路投资有限公司， 北京 100097）

0 引言

截至2022 年底，我国铁路营业里程达15.5 万km，城市轨道交通运营线路总长度达10 287.45 km，我国轨道交通营业里程已位居世界前列。目前，我国在建铁路里程超3 000 km，在建城市轨道交通里程超6 000 km，在建轨道交通里程规模仍十分庞大[1-2]。轨道交通建设项目具有工程量大、建设周期长以及配套设施多等特点，建设过程中各相关工程、工序的进展状态都影响整体工程的进度与质量[3]，全面掌握项目工程建设情况也是难点。盾构管片作为轨道交通地下盾构段的重要施工材料，其生产质量与生产进度是工程地下盾构段安全高质完成的保障，对盾构预制管片厂的生产状态监测与管理是十分必要的。

目前，业内相关学者或企业对预制厂的智能化生产与管理做了相关研究，张俊存介绍了一系列智能化设备，提升了预制厂智能化水平[4]。朱明清、马大伟等分别研发了生产管理系统，对混凝土预制品实现生产管理[5-6]。董娜等研究了利用RFID 技术进行构件的进度管理方法[7]。虽然行业内做了相关研究与应用，但多数研究集中于新技术在某一步骤的应用，或者智能设备的研发。总体来看，预制盾构管片厂的信息化及智能化程度仍不高，对生产过程的管理较为松散，对生产状态的监测不够清晰，难以做到对生产全过程的追踪与实施监控[8-9]。本文融合BIM、视频识别和RFID等技术研发数字沙盘系统，将业务数据与电子模型进行融合，为预制厂的生产全流程、实时生产状态监控提供了一种解决思路。

1 系统需求

1.1 行业需求

近年来，国务院、交通运输部和国铁集团相继印发了《“十四五”数字经济发展规划》《数字交通发展规划纲要》《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》等，要求大力推进产业进行数字化转型，并加快新一代信息技术与轨道交通的融合应用，提升交通运输行业数字化、信息化水平。对预制管片厂的电子沙盘进行研究，有利于实时掌握建设动态情况，提升轨道交通工程建设数字化水平，同时也是交通强国、轨交先行的具体落实。

1.2 数据融合需求

行业内部分单位已经对预制厂的数字化转型进行了探索，构建了自动抹面机器人、人脸识别系统、蒸养窖池温控系统和基于AI 视频的电子围栏系统等一系列基于新技术的数字化系统。上述系统大多为独立的子系统，而在管片预制的过程中产生并且需进行监控的物料、质量、作业监控和作业进度等数据，未能在上述系统、设备中得到有效整合，故亟需对生产过程中的系统及数据进行有效融合。

1.3 业务融合需求

目前，行业内针对管片预制过程研发的系列数字化系统，大多围绕生产过程中的单一环节，未能覆盖管片生产的全过程环节。面向单一环节的系统仅仅反应当前环节的生产状态，不能全面反应预制厂的实时生产动态。既有系统多面向于对现场熟悉的生产操作人员，管理人员或者建设方在使用系统时不能快速、全面了解生产现场。因此，需建立厂区数字模型，并将模型与业务数据相结合，提升管控效果。

2 系统设计

2.1 总体架构

轨道交通预制管片厂电子沙盘采用分层设计的原则，将系统分为数据采集层、数据层、网络传输层、系统应用层和展示层等5 个层次，如图1 所示。

图1 电子沙盘总体架构

2.1.1 数据采集层

本层包含系统所使用的各种数据采集设备，既包括拌合站、抹面机器人和温湿度传感器等流程专用设备，又包括人员定位、摄像头和RFID 等通用采集设备，为系统运行提供所需的数据采集环境。

2.1.2 数据层

本层包含预制管片生产过程中所产生的物料数据、拌合站数据、质检数据、监控数据、人员数据、蒸养温度数据、计划生产数据和进度数据等业务数据内容，同时也包含系统所建设的钢筋、模具、生产线、拌合机、蒸养池和水养池等模型数据内容，共同为系统运行提供基础数据支撑。

2.1.3 网络传输层

本层包含进行数据传输的无线及有线网络，为系统运行提供网络传输条件。

2.1.4 系统应用层

本层包含工序状态监测、进度监测、物料监测和人员监测等运行监测应用模块，以及信息概览、质量管理等管理应用模块，是系统的核心应用功能。

2.1.5 展示层

本层根据厂区使用需要包含大屏显示器、APP 等Web 端和移动端展示形式。

2.2 技术架构

预制管片厂电子沙盘系统采用浏览器/服务器（B/S)和客户端/ 服务器（C/S）相结合的系统技术架构，便于系统在不同设备上查看与使用，并预留对外接口，便于与其他系统、平台拓展衔接，其技术架构如图2 所示。

图2 技术架构

预制管片厂电子沙盘的技术架构分为操作系统层、数据采集层、数据解析层、应用层和展示层等5 层结构。预制管片厂电子沙盘运行于操作系统层，通过CAD 图纸、摄像头、传感器以及智能设备采集系统所需的数据，并通过有线或无线网络传输，对数据进行解析处理，形成系统的监测与管理功能模块，最终在PC 端、移动端等不同设备上进行展示。

3 系统功能

如图3 所示，预制管片厂电子沙盘分为系统管理、生产监测和生产管理三部分。其中，系统管理完成系统用户权限及数据编辑处理。生产监测主要完成物料监测、人员监测以及工序监测等功能。生产管理实现大屏展示、质量管理和产品跟踪等生产管理功能。

图3 功能架构

3.1 系统管理

1）用户权限管理主要完成系统用户的账户分配、账户权限管理以及系统其他相关参数设置，为系统提供后台管理及配置功能，实现系统账户的添加与删除，用户权限的授权与取消等。

2）数据编辑处理主要完成基于CAD 图纸的数据提取，BIM 模型的轻量化处理与发布等系统模型数据编辑与处理功能。

3.2 生产监测

3.2.1 物料监测

本模块可对物料的每日用量、库存余量进行监测，并根据历史用量对库存物料的使用时间进行预测，可设定库存余量的报警值，当物料不足时及时发出提醒。本模块可降低物料不足风险，提升物料管理效率。

3.2.2 人员监测

本模块可实现对工人排班管理、人员定位监测等功能。可对工人进行信息维护与管理，制定工人排班计划，并通过智能视频解析对工人进行定位，将定位数据与BIM模型融合，实时监测工人的位置信息，提高用工效率，确保用工安全。

3.2.3 工序监测

本模块通过接入预制管片厂生产线智能设备数据、相关生产管理系统数据，获取生产各工序当前状态数据，并将状态数据作为输入数据，驱动BIM 模型中各工序的模型状态，实现在BIM模型中复现流水线生产实时状态，显示相关工序的关键信息。

1）钢筋骨架焊接状态复现，并显示骨架焊接数量，监测钢筋骨架是否入模。

2）接入抹面机器人状态数据，实现抹面机器人抹面状态复现。

3）接入浇筑振捣设备信息，复现实时浇筑进度、振捣状态等工序内容，显示模具浇筑数量、每盘混凝土配比等信息。

4）接入蒸养窖管理系统数据，显示各蒸养窖升温速率、降温速率、当前温湿度和蒸养时间等信息。

5）复现管片脱模、转运入水养池过程，统计当前水养池中不同天数的管片数量。

电子沙盘全面复现预制管片厂以上5 个工序的实时生产状态，并根据每日生产计划及统计数据，完成工程所需管片生产进度统计，便于快速掌握生产进度，为生产计划调整提供数据支撑。

3.3 生产管理

3.3.1 大屏展示

本模块为用户提供厂区概要、工程概要等信息，支持基于BIM模型的预制管片场总体概览、空间漫游，结合生产监测复现及生产信息，便于全面掌握厂区总体空间布置情况与实时生产动态。

3.3.2 质量管理

本模块主要提供质量管理与质量跟踪功能。

1）质量跟踪。本系统利用RFID 技术，在钢筋焊接环节将RFID 标签与钢筋骨架绑扎，并在后续入模、浇筑振捣、抹面、蒸养和脱模等工序中记录相关工序时间与操作人，实现产品生产过程追踪。

2）质量管理。根据质量检测结果显示产品的合格率、返工率和废品率，根据质量跟踪结果追踪各工序的负责人，分析返工及废品的产生原因，并对各工序、工法进行针对性优化改进，提高产品合格率，提升生产效率。

4 关键技术

4.1 BIM技术

BIM技术即建筑信息模型，利用建模软件工具创建三维信息模型，广泛应用于建筑行业。电子沙盘基于BIM 建模技术建立预制管片厂三维数字模型，该模型包含预制管片厂区土建结构、装饰装修、工序设备与周围环境情况，实现厂区物理环境的全面建模，可支持模型内漫游，为业务人员掌握厂区及周边环境提供服务。电子沙盘通过与各工序设备、系统的通信接口接入实时数据，利用数据驱动BIM 模型的动态展示效果，实现预制管片厂的实时生产流程、状态的复现。

4.2 RFID 技术

RFID 技术是一种自动射频识别技术，可以通过阅读器与无线标签之间通过非接触式来进行传输，完成信息读写，广泛应用于物流、物料和门禁等行业及场景。本研究在钢筋笼绑扎RFID 标签，在与手持PDA 的配合下，代替传统管片厂记录员记录产品生产履历信息，实现管片生产履历的电子化管理与生产过程的标准化管理。并将RFID 记录信息接入电子沙盘，实现与电子沙盘相关功能进行信息交互与联动，提升管片生产管理高效化、智能化。

5 结语

本文提出了轨道交通预制管片厂电子沙盘的设计方案，并给出了具体的系统总体架构、技术架构与功能架构。本文提出的电子沙盘将BIM、RFID 等技术用于预制管片厂的生产管理，并融合生产设备、系统数据，为预制管片厂的生产管理提供了一种解决思路与工具。目前，在行业内，BIM、RFID 与业务数据相融合的案例较少，如何更加充分发挥信息化技术优势，提升预制管片厂智能制造水平，仍需继续深入研究。