铁路机制砂智能化生产管理系统设计

谭冠华,汪 峥,范 琪,任继强

（1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031；2.中铁二局集团有限公司,成都 610031）

近年来,我国基础建设飞速发展,天然砂资源随之减少,为保护环境、实现资源的可持续利用,各地区逐步限制了河砂的开采。机制砂作为天然砂的一种替代资源[1],已在铁路、公路、水利等工程项目中得到广泛应用。

目前,对于机制砂的研究主要侧重于其生产工艺、监测、质量标准等方面,如孙江涛等人[2]针对不同的生产工艺流程、郑鸣皋等人[3]针对不同的原材料类型,分别提出了不同生产设备的选型方案；曾晓辉等人[4]提出了基于图像处理技术的石灰石机制砂形貌方法；陈思嘉[5]利用电荷耦合器件（CCD,Charge Coupled Device）相机实现对下落砂粒进行图像采集的机制砂粒径粒形检测系统；李嵩林等人[6]分析了机制砂石粉含量对高强度混凝土性能的影响。在机制砂的生产管理方面,郑皎等人[7]设计质量智能管理系统,对机制砂细度模数、石粉含量、级配进行监控报警；雷涛[8]提出要采用信息化管理技术,实现监控生产过程、控制质量波动、溯源物流信息。以上研究对机制砂的智能化生产管理提供了有益借鉴。

铁路机制砂的智能化生产管理不仅包含原材料入库、制砂、成品出库等生产流程,还涉及设备监控维护、砂场人员管理、原材料和成品质量管理、人员健康及安全管理、周围环境的环保管理等。现有的机制砂场在生产管理上仍以纸质单据为主,缺乏生产线设备管控、机制砂成品质量智能化检测等手段。基于此,本文设计铁路机制砂智能化生产管理系统（简称：本文系统）,实现生产、设备、人员、质量、安全及环保的统一管理,为机制砂场的信息化、智能化建设提供借鉴。

1 架构设计

1.1 总体架构

本文系统总体架构,如图1 所示。

1.1.1 基础设施层

主要指机制砂场智能化建设的硬件基础,包括生产线设备、质量检测设备、视频监控设备、故障诊断设备、环保监测设备、控制室大屏、机房服务器等,是砂场生产管理的基础。

1.1.2 通信层

负责数据传输的通信网络,分为有线通信网络及无线通信网络。

（1）有线通信网络负责机制砂加工区、控制室与机房的大多数设备的数据通信,根据通信距离布设网线或光纤。

（2）无线通信网络主要用于故障诊断设备及人员巡检,其中,故障诊断设备主要是生产线设备上安装的传感器,为避免传感器布线影响生产作业,采用无线传输的方式上传至智能分析层；人员巡检须覆盖整个砂场,因此采用无线通信网络。

1.1.3 智能分析层

（1）设备故障诊断基于故障诊断传感器实时上传的高频采集数据,通过故障诊断模型,判别设备风险指数,并通过设备自身的电流、电压等参数,识别设备故障状态。

（2）安全分析主要采用AI 识别技术分析现场监控视频,其中,人员分析主要识别加工区作业人员是否佩戴安全帽、防尘口罩；生产异常分析主要识别传输皮带是否异位、落料口及入料口是否堵塞等。

（3）质量检测分析分为机制砂成品质量分析和环境质量分析,其中,机制砂成品质量分析根据质量检测设备检测的机制砂品质参数,判断是否符合机制砂I/II 类国家标准并可用于铁路施工建设；环境质量分析主要分析生产环保指标是否超标。

完成以上步骤后,统一由分析决策给出调度控制意见,由智能控制模块根据调度规则进行智能控制。

1.1.4 业务管理层

通过终端设备辅助机制砂场人员完成业务管理,主要包含统一调度、生产管理、质量管理、人员管理、设备管理、环保管理等功能。

1.2 硬件架构

本文系统硬件架构主要包括现场设备层、中心层及调度层,通过内部局域网实现各层之间的网络通信连接,如图2 所示。

1.2.1 现场设备层

包括生产线设备、环保监测设备、质量检测设备、视频监控、声光报警器、无线覆盖设备、设备监测传感器、巡检移动终端等,安装在砂场的各个区域,是系统智能化管理的管控、感知主体。

1.2.2 中心层

包括应用服务器、智能分析服务器、数据库服务器、网络视频录像机（NVR,Network Video Recorder）、通信前置机、加工控制安全可编程逻辑控制器（PLC,Programmable Logic Controller）、不间断电源（UPS,Uninterruptible Power Supply）、交换机等,安装在中心机房,承载着该系统的核心应用服务。

1.2.3 调度层

包括调度显示大屏、指纹人脸打卡设备、视频终端、加工控制终端及智能化系统终端等,分布在调度控制室、实验室和计量室,实现生产管理的调度和监控。

1.3 逻辑架构

铁路机制砂智能化生产管理系统逻辑架构如图3 所示。

图3 系统逻辑架构

1.3.1 接口层

主要实现与现场设备的数据交互,根据不同的设备类型,采取TCP、HTTP、串口等方式实现与现场设备互联,包括质量检测接口、环保接口等；

1.3.2 数据层采用MySQL 数据库进行数据存储,视频数据则存储到网络视频录像机（NVR,Network Video Recorder）中。采用Redis、消息队列等中间件进行数据的辅助处理[9]。

1.3.3 应用层

包括应用服务和智能分析服务。从数据层获取数据后,通过统一调度、设备管理、生产管理等应用服务提供给用户层应用数据,同时通过设备故障诊断、安全分析等智能分析服务实现智能调度,并将信息反馈给用户层。

1.3.4 用户层

采用B/S 架构,通过浏览器即可访问本文系统,主要面对控制中心调度人员、实验室试验人员、巡检人员等。

2 系统功能

本文系统功能涵盖生产、设备、人员、质量、安全、环保等方面,以及各方面之间的联动和支撑关系,功能架构如图4 所示。

图4 系统功能架构

2.1 统一调度

通过对界面合理布局,将产量、设备、质量、环保、报警、人员等关键信息集成在一个页面中,便于控制室总览全局,进行调度。提供近期每日产量、定时检测的成品质量指标、环保监测、在岗人员等信息的实时查看。此外,系统采用倾斜摄影、三维激光雷达获取砂场内部各设施设备位置和尺寸信息的高精度点云,完成室内三维建模,并在模型中加载设备运行状态等数据,进行模拟场景展示。

2.2 生产管理

机制砂生产全过程管理：（1）母材管理,记录原材料入库及消耗情况；（2）生产记录,记录每日各类砂石产量；（3）出库管理,对成品出库数量及用途等进行记录。

2.3 设备管理

设备的全过程管理：（1）设备信息管理,记录设备的基础信息及设备运行数据；（2）运行状态,实时监测生产线设备运行状态,并查看当前未处理的设备故障报警；（3）运行记录,查看设备的启停记录,了解设备的使用次数；（4）历史故障,可查询生产线设备发生的所有故障信息；（5）设备巡检,生成巡检计划,并查看计划巡检执行进度；（6）设备维护,记录设备维护记录及故障修复记录。

2.4 人员管理

人员信息的全过程管理：（1）人员信息,分为内部人员管理及访客管理；（2）打卡记录,记录人员打卡情况,确定当前在岗人员信息,支撑紧急情况下的人员调度；（3）安全行为监控,可查看人员出入加工车间时未佩戴安全帽、防尘口罩记录。

2.5 质量管理

机制砂质量的全过程管理：（1）母材性能,通过物理、化学试验,检验原材料的性能,如坚固性、碱活性、抗压强度、吸水率等,记录并分析其适合生产何种砂石及比例,辅助砂场人员根据原材料性能的差异,合理调整设备参数,从而确保生产合格的成品；（2）成品质量,对设备自动检测的质量数据及临时试验输入的质量数据进行管理,辅助砂场人员根据质量数据确定成品的品质,避免生产大量废品；（3）成品试验,针对机制砂成品进行的各项试验,记录相应的试验数据及试验报告。

2.6 环保管理

机制砂厂的环保检测：（1）实时数据,支持各节点环保参数及未确认的环保报警信息的实时查看,辅助支撑决策,如生产是否临时暂停、是否可排放污水等；（2）历史数据,查看生产全过程的环保情况；（3）环保报警,查看历史环保报警信息。

2.7 巡检

巡检App 安装在巡检手持机上,方便巡检人员按计划执行巡检任务,并通过扫描设备二维码确认完成对应设备的巡检工作,实时更新巡检进度,对巡检过程中发现的异常情况进行上报。巡检App 主要包括巡检计划、二维码扫描、故障提报、数据汇总等功能。

3 关键技术

3.1 设备故障诊断技术

机制砂生产线设备的稳定运行是保证机制砂场正常运转的基础。本文系统针对不同设备采用了2种故障诊断方法：（1）根据设备的工作基本参数（如电流、功率、转速等）设置参数预警上限,若发现设备参数超过预警上限,立即进行设备报警；（2）通过安装在设备的高频振动传感器,实时采集设备的振动信号,无线传输至系统的智能分析服务器,通过基于多因素综合分析的故障诊断算法,综合考虑工作电流、振动信号、入料荷载等,对数据进行特征提取,给出设备的诊断结果。

3.2 机制砂质量检测技术

机制砂是粒径小于4.75 mm 的岩石颗粒,由机械破碎、筛分制成。为满足铁路工程建设标准,须严格把控机制砂成品质量,依据GB/T-14684-2022《建筑用砂》标准[10],本文系统通过质量检测设备,运用毫米波和图像处理技术,用抓取器定时自动从机制砂运输皮带抓取检测样本,计算机制砂颗粒数量,识别每粒砂的粒径、影像,计算出质量参数,发送至智能分析服务器并进行质量评估。

3.3 智能调度技术

3.3.1 环保智能调度

当本文系统检测到环境参数PM2.5、PM10 超标时,自动启用喷雾系统,降低加工车间粉尘,若长时间超标,则自动控制生产线,降低生产速率；当本文系统检测到污水的PH 值、浊度超标时,自动控制生产线,降低生产速率,若长时间超标,则停止生产线。

3.3.2 质量智能调度

本文系统可持续检测设备运行状态,只有当生产线设备正常运行时,质量检测设备才进行定时检测,避免出现空检测产生误报；本文系统根据机制砂成品质量情况,进行分级报警,出现最高报警级别时立即停止生产线,其他等级则进行报警提示。

3.3.3 生产智能调度

本文系统根据质量检测数据及母材性能数据,预先配置加工生产模型,并根据当前的母材性能、生产过程中的质量检测参数,自动调整设备运行参数,提高机制砂成品合格率；本文系统实时处理设备故障信息,若设备发生故障,可根据生产线设备前后序列,立即停止前序设备,避免因设备故障扩大事故影响。

3.3.4 安全生产调度

本文系统根据现场视频监控,分析识别现场人员的安全帽、防尘口罩佩戴情况,进行现场语音警报,提醒工作人员并记录现场视频,确认生产安全。

4 系统应用

本文系统已在中铁二局集团有限公司在建项目成达万（成都—达州—万州）高速铁路某机制砂场进行示范应用,效果如图5 所示。

图5 系统应用效果

该系统将现场纸质化生产管理转为电子化管理,提高了生产管理效率；通过对机制砂场信息的集成展示,提高控制室对于砂场的掌控能力；该系统的智能调度功能,提高了机制砂厂场的智能化水平,提高了现场管理水平；人员安全管理、实时设备故障诊断等措施,极大地避免了人员伤害、设备故障维修带来的经济损失；通过实时监测成品质量、智能调整设备参数,降低了机制砂废品率,提高了经济效益。

5 结束语

本文结合现有机制砂场的现状、发展需求及行业政策要求,设计了铁路机制砂智能化生产管理系统,实现了机制砂场生产、质量、设备、环保、人员的全方面管控。该系统的应用,极大提高了砂场生产管理水平,为铁路工程机制砂信息化管理和智能化制造提供支撑。根据应用反馈,该系统还可进一步向智能化、无人化方向发展,将重点研究母岩性能、加工工艺和加工设备的调控原理,根据机制砂成品质量检测结果,进行加工设备的智能反馈调控,提高机制砂成品合格率。