基于智能監(jiān)控的鐵路工程混凝土拌和站質(zhì)量管控系統(tǒng)

王 輝 麟

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

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基于智能監(jiān)控的鐵路工程混凝土拌和站質(zhì)量管控系統(tǒng)

王 輝 麟

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

針對(duì)鐵路工程建設(shè)工點(diǎn)多、線路長(zhǎng)、統(tǒng)一管理難度大、質(zhì)量安全關(guān)系重大等行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，提出鐵路工地拌和站智能質(zhì)量管控的解決方案.利用無(wú)線傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)、超標(biāo)預(yù)警技術(shù)為信息化手段，實(shí)現(xiàn)了拌和站信息化管理平臺(tái)、拌和站采集終端、智能化攪拌控制、混凝土和易性監(jiān)測(cè)等模塊.該系統(tǒng)能夠?qū)炷辽a(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和質(zhì)量監(jiān)督，有效提高了混凝土原材料配合比精度，降低了原材料超標(biāo)概率.

智能監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；智能化控制；和易性監(jiān)測(cè)

鐵路工程混凝土拌和站作為鐵路工程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)工程建設(shè)最終的質(zhì)量控制和安全保證起到非常重要的作用.鐵路工程混凝土拌和站智能質(zhì)量管控系統(tǒng)依據(jù)鐵路工程建設(shè)信息化的總體規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)化管理辦法的規(guī)定，針對(duì)工地拌和站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際遇到的生產(chǎn)控制和質(zhì)量監(jiān)督等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理、生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)把控和質(zhì)量監(jiān)督全面推廣.在確保原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)肅性和安全性的同時(shí)，為鐵路總公司和各級(jí)參建單位提供可視化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，為鐵路工程質(zhì)量控制和安全保證提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)基礎(chǔ)[1-2].

1 研究現(xiàn)狀

拌和站信息化管理主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與展示兩方面內(nèi)容.其中：數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效采集；數(shù)據(jù)處理與展示主要完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表的形式展示給用戶，使用戶能夠更加直觀地掌握混凝土生產(chǎn)情況.

馬輝等研發(fā)的混凝土拌和站生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[3]通過(guò)一個(gè)安裝在拌和機(jī)控制器上的專用接口程序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集.鮑榴開(kāi)發(fā)的鐵路隧道圍巖量測(cè)試終端采集軟件[4]通過(guò)藍(lán)牙通信將全站儀數(shù)據(jù)保存至手持終端并完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析和展示.采用這種方式有利于現(xiàn)場(chǎng)人員取得第一手資料但并不利于信息的大范圍共享.龔霞[5]通過(guò)一個(gè)安裝在混凝土攪拌車上的嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集并傳輸攪拌車的位置及狀態(tài)參數(shù)等信息.為了適應(yīng)移動(dòng)中的數(shù)據(jù)傳輸要求，該設(shè)備對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量做了限制.梁貴榮開(kāi)發(fā)的混凝土質(zhì)量追蹤及動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)[6]使用RFID射頻芯片技術(shù)為每一批次的混凝土賦予一個(gè)唯一的數(shù)字標(biāo)識(shí).為不合格混凝土的定位提供了便利.韓光等開(kāi)發(fā)的基于PDA 的大壩混凝土施工信息采集系統(tǒng)[7]通過(guò)PDA客戶端解析服務(wù)端數(shù)據(jù)并列表框控件展示給用戶.郭玲玲等開(kāi)發(fā)的基于打印機(jī)數(shù)據(jù)流解析的瀝青拌合站監(jiān)控系統(tǒng)[8]通過(guò)并口采集打印機(jī)數(shù)據(jù)流，從中提取出有用的信息，使得大量獨(dú)立分散的數(shù)據(jù)得到有效的利用.蔣新花開(kāi)發(fā)的基于字符識(shí)別的砼拌和站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[9]通過(guò)VGA視頻采集卡采集現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制機(jī)輸出到顯示視頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并提取需要的信息.

目前市場(chǎng)上的混凝土拌和站管控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與分析.但是，由于這些系統(tǒng)大多針對(duì)特定的混凝土生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可移植性較差，不利于在短時(shí)間內(nèi)大范圍部署.另外，這些系統(tǒng)一般只采集一些結(jié)果數(shù)據(jù)，并沒(méi)有深入到混凝土生產(chǎn)的全過(guò)程中，無(wú)法從根本上提高混凝土質(zhì)量.本文中的鐵路工程混凝土智能質(zhì)量管控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)中間件、智能攪拌控制系統(tǒng)及信息化管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了拌和機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)縫連接、生產(chǎn)過(guò)程智能控制及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的匯總展示.

2 混凝土拌和站質(zhì)量管控系統(tǒng)組成

2.1 拌和站信息化管理平臺(tái)

平臺(tái)主要完成建設(shè)單位、監(jiān)理、施工單位、拌和站等多級(jí)用戶的業(yè)務(wù)協(xié)同管理.對(duì)混凝土生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管，包括原材料進(jìn)場(chǎng)、檢驗(yàn)、配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程控制、養(yǎng)護(hù)、試塊檢驗(yàn)評(píng)定、混凝土運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程.同時(shí)具備混凝土拌和質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)的功能.平臺(tái)完成對(duì)拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合、挖掘、分析和處理，有良好的系統(tǒng)兼容性，可與鐵路工程建設(shè)管理平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接，完成上傳數(shù)據(jù)的分類、查詢、管理、統(tǒng)計(jì)、報(bào)警提醒和圖表展示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和質(zhì)量監(jiān)督功能.

2.2 拌和站采集終端軟件

采集終端軟件[10]由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)模塊組成，見(jiàn)圖1.數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)連接各種類型的拌和機(jī)生產(chǎn)控制系統(tǒng)并采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式；數(shù)據(jù)傳輸模塊將轉(zhuǎn)化后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺(tái).

采集終端軟件安裝在拌和站的工控機(jī)中，實(shí)時(shí)采集混凝土拌和機(jī)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，利用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)加密傳輸，并支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性.系統(tǒng)對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、綜合評(píng)判，對(duì)影響混凝土質(zhì)量的信息進(jìn)行短信或者手機(jī)App報(bào)警提醒，并利用信息化手段對(duì)實(shí)時(shí)采集信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.

采集終端軟件通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)中間件連接多種不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)與多種鐵路工程建設(shè)應(yīng)用平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接.同時(shí)采用多線程技術(shù)使各功能模塊協(xié)同工作，從而保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性.使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)程序?qū)⒏鞣N工程建設(shè)應(yīng)用平臺(tái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一格式，方便數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)和查詢，并采用斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)重傳、數(shù)據(jù)加密等功能保證數(shù)據(jù)安全且不漏傳.

2.3 智能化攪拌控制

智能化攪拌控制系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，結(jié)合投料控制算法，實(shí)現(xiàn)混凝土拌和站智能化控制，可顯著提高拌和站配料精度，滿足鐵路混凝土質(zhì)量控制及信息化管理的需求.

由于拌和機(jī)配料時(shí)料流不穩(wěn)定，以及機(jī)械慣性導(dǎo)致每次配料時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不確定的過(guò)沖量，這給提高拌和機(jī)的配料精度造成了很大困難[11].本文中的智能拌和機(jī)控制系統(tǒng)采用迭代算法逐次逼近目標(biāo)配料值：

m∈(0,1)

(1)

2.4 和易性監(jiān)測(cè)模塊

在混凝土攪拌初期，混凝土比較干稠，坍落度較小、和易性較差，對(duì)拌和機(jī)的阻力較大，拌和機(jī)的輸出電流比較大.經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的攪拌，電流會(huì)逐漸降低，待攪拌均勻后，電流會(huì)保持在一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài).和易性監(jiān)測(cè)模塊會(huì)根據(jù)拌和機(jī)型號(hào)、混凝土配比、盤方量及拌和機(jī)輸出電流自動(dòng)判斷混凝土是否已經(jīng)攪拌均勻并提示操作員卸料，如圖2所示，A點(diǎn)表示開(kāi)始投料時(shí)間；B點(diǎn)表示拌和機(jī)輸出電流達(dá)到峰值的時(shí)間；CD區(qū)間表示混凝土已經(jīng)攪拌均勻適合卸料的時(shí)間區(qū)間.

3 智能管控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

采集終端軟件可對(duì)不同廠家拌和機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)拌和機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集.采集終端軟件可實(shí)現(xiàn)拌和機(jī)廠家、數(shù)據(jù)源、采集時(shí)間間隔、目標(biāo)主機(jī)和拌和站所在線路(包括：線路、標(biāo)段、工區(qū)、站名和拌和機(jī)編號(hào))的選擇.

該終端軟件支持開(kāi)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)保存和斷點(diǎn)續(xù)傳等功能，可兼容50多家拌和機(jī)生產(chǎn)廠家的拌和機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)并根據(jù)拌和站現(xiàn)場(chǎng)情況利用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)上傳，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和挖掘，提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)拌和的盤信息等原材料用量等信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成拌和站生產(chǎn)圖表，完成數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)在數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)上進(jìn)行圖形化展示.

3.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)采集終端軟件獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線透?jìng)髂KDTU(Data Transfer Unit)上傳至后端數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái).DTU模塊內(nèi)置無(wú)線上網(wǎng)卡，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的斷網(wǎng)續(xù)傳，整個(gè)傳輸過(guò)程通過(guò)密鑰進(jìn)行加密，確保數(shù)據(jù)的嚴(yán)肅性、安全性和實(shí)時(shí)性.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，大多數(shù)拌和站地處偏遠(yuǎn)，連接有線網(wǎng)絡(luò)成本過(guò)高，因此多采用無(wú)線GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，采用無(wú)線透?jìng)骷夹g(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全性和不可篡改性，利用無(wú)線透?jìng)髟O(shè)備DTU，研發(fā)出拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集終端軟件，通過(guò)無(wú)線透?jìng)骷夹g(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸.

采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至后端數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái).在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用數(shù)據(jù)加密方法，保證原始數(shù)據(jù)的安全性.同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)也將上傳至鐵路總公司的鐵路工程建設(shè)信息化平臺(tái).

3.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和展示

依照國(guó)家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的拌和時(shí)間、拌和材料用量、產(chǎn)能分析和材料誤差分析等進(jìn)行圖表的輸出展示，包括柱狀圖、餅狀圖和數(shù)據(jù)曲線圖等形式，更形象的展示拌和時(shí)間和材料用量的走勢(shì)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)啟動(dòng)短信報(bào)警功能，獨(dú)立顯示超差信息，便于統(tǒng)計(jì)分析和比較.

3.4 統(tǒng)計(jì)查詢分析

統(tǒng)計(jì)查詢分析包括產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)、原材料用量統(tǒng)計(jì)、材料誤差統(tǒng)計(jì)等功能.其中，原材料用量統(tǒng)計(jì)可對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)某臺(tái)拌和機(jī)對(duì)每種原材料的日消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以柱狀圖的形式展示給用戶，如圖3所示.材料誤差統(tǒng)計(jì)可對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)某臺(tái)拌和機(jī)對(duì)每種材料的日平均投料誤差比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以折線圖的形式展示給用戶，如圖4所示，用戶可根據(jù)這些信息直觀的了解生產(chǎn)情況.

3.5 原材料進(jìn)場(chǎng)管理

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)原材料進(jìn)場(chǎng)管理擴(kuò)展功能，對(duì)混凝土攪拌所需原材料如水泥、粗骨料、細(xì)骨料、粉煤灰、外加劑的產(chǎn)地、生產(chǎn)廠家、重量、規(guī)格、級(jí)別、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、質(zhì)量情況、抽檢復(fù)試情況等進(jìn)行管理，從混凝土生產(chǎn)源頭嚴(yán)抓質(zhì)量，保證安全.

3.6 超標(biāo)預(yù)警

超標(biāo)預(yù)警功能采用分級(jí)報(bào)警模式，針對(duì)原材料用量的超標(biāo)，將線路名稱、標(biāo)段名稱、拌和站名稱、盤信息和預(yù)警日期等內(nèi)容以手機(jī)短信的形式通知相關(guān)人員.采集到的拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析統(tǒng)計(jì)，對(duì)于拌和時(shí)間、原材料用量、產(chǎn)能分析和原材料用料誤差等內(nèi)容，會(huì)同相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)技術(shù)分析，對(duì)于超標(biāo)值特別大的異常數(shù)據(jù)，還將進(jìn)行遠(yuǎn)程專家會(huì)審，通過(guò)專家鑒定得出結(jié)論，采取進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)控制和施工安全問(wèn)題的處理.

超標(biāo)報(bào)警功能通過(guò)對(duì)比每種材料的設(shè)定用量及實(shí)際用量或每一盤混凝土的設(shè)定攪拌時(shí)間和實(shí)際攪拌時(shí)間，找到差值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍的材料或混凝土盤，在平臺(tái)上顯示報(bào)警信息并向相關(guān)人員發(fā)送報(bào)警短信，可以迅速發(fā)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過(guò)程中存在的不規(guī)范操作及安全隱患并及時(shí)通知業(yè)主或監(jiān)理單位進(jìn)行處置.在管理平臺(tái)上顯示的報(bào)警監(jiān)控列表及報(bào)警短信發(fā)送狀態(tài)如表1所示.

表1 報(bào)警監(jiān)控列表

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)基于SOA服務(wù)模式采用插件組件開(kāi)發(fā)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，符合鐵路工程建設(shè)信息化整體框架要求，能與鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接和上傳數(shù)據(jù)；采用監(jiān)控組態(tài)開(kāi)發(fā)技術(shù)，面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)圖形開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的記錄和趨勢(shì)圖形化展現(xiàn)技術(shù).各功能模塊子系統(tǒng)可靈活組合，滿足不同鐵路工程建設(shè)的各種應(yīng)用需求.

2)系統(tǒng)采集的質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集采用拌和機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取和原材料儀表傳感器采集等信息采集方式，保證了數(shù)據(jù)的可靠性.建立拌和站統(tǒng)一信息處理與交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理、生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)把控、質(zhì)量監(jiān)督全面推廣，并可完成拌和站及試驗(yàn)室的信息共享和數(shù)據(jù)交互，平臺(tái)兼容性和可靠性強(qiáng).

3)功能多樣化方面：可實(shí)現(xiàn)多樣化生產(chǎn)模式，支持多次投料、多次攪拌等工藝；采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分布式布置，便于安裝、調(diào)試；智能化信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的即時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)與分析.

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Intelligent monitoring based railway project concrete mixing plant quality management system

WANGHuilin

(China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

This paper proposes an intelligent solution to the problems raised in the railway site mixing plant production process. The problems involve multi-site long distance unified management and safety control. Intelligent railway site concrete mixing plant control and management system applies state-of-the-art informatization techniques such as wireless communication, data acquisition, data processing and non-conformity alerting. By combining a mixing plant management platform, a mixing plant data acquisition module, an intelligent mixing control module and concrete mixing workability monitoring module, the system can be used to monitor the quality of the concrete mixing plant process,improve the accuracy of the mixing proportion and to decrease the non-conformity product ratio.

intelligent monitoring; data acquisition; intelligent control;workability monitoring

1673-0291(2016)06-0038-05

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.007

2016-03-23

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目資助(2013YJ024)

王輝麟(1970—)，男，吉林雙遼人，副研究員.研究方向?yàn)锽IM及鐵路工程建設(shè)信息化.email: tkywhl@163.com.

TP319

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