大型預制件物流運輸安全管理分析

趙寧寧，趙歡歡，李艷群

（北京物資學院 信息學院，北京 101149）

0 引 言

隨著“建筑工業(yè)化”的發(fā)展，預制件也得到了廣泛的應用[1]。國內(nèi)外的港口、橋梁、風機、鐵塔等大型建筑逐漸形成了整體預制的大趨勢。迄今為止，混凝土預制技術(shù)的發(fā)展歷史已有120余年，預制件在美國、德國、瑞典、日本、新加坡等國家的應用已相當廣泛[2]。預制件是指預先在工廠中通過標準化、機械化方式加工生產(chǎn)好的混凝土制品，它不需要在建筑工地現(xiàn)場制模和澆注，只需要將制好的預制件運輸至現(xiàn)場進行裝配即可[3]。使用預制件裝配式建筑方式，不僅有利于提高施工效率和工程質(zhì)量，還減少了建筑垃圾和噪聲[4]。雖然預制件的使用在許多行業(yè)得到了一致的認可與好評，但其自身也存在著較大的運輸安全隱患。加強預制件的運輸安全管理，以及保障預制件和相關(guān)人員的運輸安全極為重要。

1 預制件運輸管理需求

預制件憑借其多種優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域的應用越來越多，如建筑行業(yè)的預制混凝土構(gòu)件、交通領(lǐng)域的橋梁預制件、大型風機的葉片、配網(wǎng)工程的預制電纜井、大型鐵塔的預制基礎等。隨著預制件的應用領(lǐng)域越來越廣，其運輸安全管理的需求也日益增加。

然而預制件自身的特性卻加大了運輸?shù)碾y度。預制件通常具有超寬、超高和超重的特性，所以需要在運輸前規(guī)劃好運輸路線，確保預制件的高度和重量能順利通過。由于預制件外形的不規(guī)則，在運輸車上放置的穩(wěn)定性較差，在運輸途中要實時監(jiān)測預制件的運輸狀況，包括預制件自身的振動情況、傾斜情況、運輸車輛的地理位置信息等。

預制件的廣泛應用和自身較大的運輸難度使得預制件的運輸安全管理需求越來越迫切。

2 國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀分析

面對日益增加的運輸管理需求，我國當前的預制件運輸管理的水平是否能夠滿足，本文就相關(guān)研究與應用的現(xiàn)狀進行了分析。

2.1 研究現(xiàn)狀

為了研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型預制件的運輸管理方面的應用情況，使用“預制件”“運輸”“管理”“安全”“物流”等關(guān)鍵詞，對國內(nèi)外近5年的相關(guān)文獻進行檢索，共查得國內(nèi)文章32篇，國外文章10篇，整理了9種相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過這42篇文章的整理，發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)外對預制件運輸安全管理方面研究的一些問題。

2.1.1 相關(guān)研究

搜索從2015—2019年之間每年發(fā)表的論文數(shù)量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2015—2019年國內(nèi)外關(guān)于預制件運輸管理研究的論文數(shù)量

從圖1可以看出，近5年來國內(nèi)外對于預制件運輸安全管理的研究雖然呈逐年增加的趨勢，但是總體來說目前的研究仍然較少，每年的文章數(shù)量均低于10篇。其中，有些文章是對預制件從生產(chǎn)到施工的整個物流過程的研究，文中僅有小部分是對運輸階段安全管理的研究；單獨側(cè)重運輸方面的文章是少之又少。

2.1.2 相關(guān)技術(shù)比較落后

通過這42篇文章，發(fā)現(xiàn)預制件運輸安全管理的研究總共涉及到BIM、RFID、GPS、WSN、3D/4D、4G、二維碼、AR/VR和條形碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。統(tǒng)計這些技術(shù)分別出現(xiàn)的次數(shù)，結(jié)果如圖2所示，BIM、RFID和GPS技術(shù)是我國研究最多的技術(shù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在預制件運輸安全管理中的應用研究

通過分析這42篇文獻，將預制件運輸安全管理的主要研究內(nèi)容分為如圖3所示的8個大類。從圖3可以看出，國內(nèi)外的研究多集中在實現(xiàn)預制件運輸過程的溯源查詢、位置監(jiān)控、可視化和實時跟蹤這4個方面，對于環(huán)境監(jiān)測的研究較少。需要指出的是，我國還沒有對于在線預警的研究。

圖3 預制件運輸安全管理研究

圖2和圖3在一定程度上相互關(guān)聯(lián)，圖2中研究最多的技術(shù)分別是BIM、RFID和GPS，分別對應圖3中可視化、溯源跟蹤和位置監(jiān)控功能。

通過圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)我國在預制件運輸安全管理方面存在技術(shù)落后的問題。在預制件的運輸過程中，目前我國研究所使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多為BIM、RFID和GPS，僅能實現(xiàn)溯源查詢、位置監(jiān)控、可視化和實時跟蹤功能，對于預制件這種超大、超重的大型貨物來說，僅有這些是不夠的，滿足不了目前預制件運輸安全管理的需求。相較而言，國外已經(jīng)將WSN技術(shù)用于實現(xiàn)在途環(huán)境監(jiān)測和在線預警功能，能夠更好地保證預制件運輸?shù)陌踩?，減少預制件受損和人員傷亡。

2.2 應用現(xiàn)狀

2.2.1 對預制件的物流運輸安全管理缺乏足夠的認識

物流管理的概念和管理方法已經(jīng)被廣泛地應用在許多現(xiàn)代企業(yè)的管理之中[5]。但我國建筑施工企業(yè)對于預制件管理的重點仍然局限于預制件的生產(chǎn)和現(xiàn)場施工階段，對運輸環(huán)節(jié)的重要性缺乏足夠重視。

2.2.2 建筑施工企業(yè)運輸管理體系不完善

盡管一些建筑施工企業(yè)對原有的物流管理體系進行了改革，但是大多數(shù)企業(yè)沒有建立足夠完善的運輸安全管理體系，在建筑施工企業(yè)施工中沒有單獨的運輸階段信息管理系統(tǒng)，大多數(shù)是沿用生產(chǎn)階段的信息管理技術(shù)。

2.3 預制件運輸安全管理的信息化水平偏低

相較于國外，我國預制件運輸安全管理的相關(guān)技術(shù)較為落后，信息化管理系統(tǒng)應用受到制約，造成運輸過程中的位置監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測的信息實時性差、在線預警難以保證，缺乏可靠的技術(shù)支撐。

3 存在問題與改革建議

3.1 管理制度方面

（1）加強政府引導作用：大型預制件的運輸安全問題需要國家和市場的共同引導，充分完善相關(guān)法律法規(guī)政策，增強相關(guān)企業(yè)對預制件運輸安全問題的重視。

（2）積極發(fā)展相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：我國應積極發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將優(yōu)秀物流企業(yè)的相關(guān)技術(shù)引入預制件的運輸安全管理中，建立完善的預制件物流運輸安全管理系統(tǒng)。

（3）制定運輸操作規(guī)范：國家相關(guān)部門應統(tǒng)一大型預制件的運輸規(guī)范，并建立完善的監(jiān)督系統(tǒng)，確保各企業(yè)遵循規(guī)范的操作準則，進行預制件的運輸工作。

3.2 技術(shù)應用方面

有了政府的政策扶持，在預制件實際的運輸管理中，技術(shù)的應用也至關(guān)重要，先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大大提高運輸安全管理的效率。

由于預制件具有超高、超長、超重等特點，在運輸過程中容易發(fā)生損壞。為保證預制件的運輸安全，在運輸?shù)倪^程中要做好路徑規(guī)劃、在途的實時監(jiān)測和管理，而這些都需要有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。為實現(xiàn)對預制件從運輸規(guī)劃到溯源查詢的全程監(jiān)管，文章提出應用WSN和GPS技術(shù)構(gòu)建一體化的預制件運輸安全管理系統(tǒng)。

3.2.1 WSN和GPS的應用概述

在運輸過程中，對于預制件本身需要監(jiān)測的信息包括：預制件承受的壓力、預制件自身的振動和傾斜情況；對于運輸車輛需要監(jiān)測的信息包括：路線信息、路況信息、實時的位置信息、車輛的行駛速度[6]。

該運輸管理系統(tǒng)應用GPS技術(shù)來獲取運輸車輛的實時信息，應用WSN技術(shù)來獲取運輸途中預制件本身振動和傾斜情況的信息。采集來的車輛和預制件的實時信息由車載終端通過GPRS傳輸給遠程監(jiān)控中心。根據(jù)上述功能需求，預制件運輸安全管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)設計如圖4所示。

圖4 預制件運輸安全管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)設計

該預制件運輸安全管理系統(tǒng)將對整個運輸過程實現(xiàn)全程的監(jiān)管，流程主要包括：運輸前的路徑規(guī)劃，運輸中的在途監(jiān)測、位置監(jiān)控和在線預警，運輸完成后的溯源查詢。

3.2.2 GPS的功能

（1）路徑規(guī)劃

由于大型預制件自身的高度和重量問題，需要考慮到沿途可能經(jīng)過的橋梁、橋洞、車道的承載能力，通行高度、寬度、彎度和坡度限制，需在運輸前對運輸路線進行規(guī)劃[7]。用全球定位系統(tǒng)（Global Position System, GPS）結(jié)合Googlemap在線地圖，可提前預設好始發(fā)地和目的地，然后根據(jù)沿途路況規(guī)劃出最優(yōu)路徑。

（2）車輛監(jiān)控

目前我國對預制件的運輸多使用平板拖車運輸方式，大型預制件的運輸過程中容易發(fā)生安全事故，故在運輸時要控制好車輛行駛速度。在預制件運輸車輛的車載終端中裝配GPS和GPRS集成設備，在運輸過程中，運輸管理中心的工作人員不僅能夠?qū)崟r掌握車輛的行駛速度，還可以準確地獲取車輛的地理位置信息、運輸時間計劃執(zhí)行變更情況等[8]。

應用GPS技術(shù)進行車輛監(jiān)控的原理是：安裝于車載終端中的GPS定位模塊，按照設定的時間間隔對地理位置進行采樣定位，并通過GPRS通信將車輛的位置信息傳到運輸管理中心，運輸管理中心的工作人員收到數(shù)據(jù)后，再將其與Googlemap在線地圖相結(jié)合，并計算出車輛當前的行駛速度，在后臺的電子地圖上，就可以顯示出預制件運輸車輛實時的位置信息和行駛速度。

3.2.3 WSN的功能

在運輸途中，除了對運輸車輛的行駛情況進行監(jiān)控外，還應對預制件自身的情況進行監(jiān)測，確保預制件不受損。因為預制件本身的結(jié)構(gòu)特點，當運輸路線出現(xiàn)障礙、路面不平整、技術(shù)人員操作不當?shù)惹闆r時，容易發(fā)生晃動和傾覆，造成預制件受損，甚至人員傷亡[9]。因此，需要對預制件的在途情況進行實時監(jiān)測，這里運用無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）來進行監(jiān)測。

（1）在途監(jiān)測功能

文章選用慣性式振動傳感器用于監(jiān)測預制件的振動情況。將傳感器固定在預制件的表面，當傳感器外殼隨預制件運動時，傳感器內(nèi)部的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對運動，記錄下相對振動位移幅值，并求出預制件的振動位移波形，實現(xiàn)對預制件振動情況的監(jiān)測[10]。

文章選用姿態(tài)傳感器用于監(jiān)測預制件的傾斜情況。將姿態(tài)傳感器固定在預制件表面，通過內(nèi)部的三軸加速度計、三軸陀螺儀、電子羅盤等獲取預制件的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對預制件傾斜情況的監(jiān)測。

通過多個慣性式振動傳感器和姿態(tài)傳感器節(jié)點構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡，工作原理如圖5所示。

圖5 WSN工作原理

①在預制件自身表面部署慣性式振動傳感器節(jié)點和姿態(tài)傳感器節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。

②傳感器節(jié)點采集預制件的振動和傾斜數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，再傳遞給車載終端，進行分析、融合和預處理。

③車載終端通過GPRS通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程管理中心，管理人員就可以實時監(jiān)測預制件的振動和傾斜情況。遠程管理中心將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet，并將傳感數(shù)據(jù)的日志保存到本地數(shù)據(jù)庫中。

④用戶可以通過接入Internet，使用遠程數(shù)據(jù)服務。

（2）在線預警功能

除了對運輸途中預制件的振動和傾斜情況實時監(jiān)測之外，這個無線傳感器網(wǎng)絡還具有在線報警功能。根據(jù)所測得的振動位移波形和三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，對傳感器設置分級報警，數(shù)值達到某個級別的閾值時，車載終端就開始自動報警，提醒工作人員注意預制件的振動情況或者傾斜情況。

當振動劇烈或傾斜角度過大時，傳感器還有報警功能，運輸管理中心可以及時發(fā)現(xiàn)潛在危險并提醒工作人員。

（3）溯源查詢功能

在整個運輸過程中，遠程的運輸管理中心獲取了GPS傳輸?shù)男旭偮肪€、發(fā)貨信息、送達時間等信息，還獲取了WSN采集的運輸途中的振動和傾斜數(shù)據(jù)，運輸管理中心將這些數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫。若到達客戶手中的預制件有受損情況，則可以通過調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的記錄追溯到具體的運輸階段，明確責任的歸咎。

3.2.4 總結(jié)

融合了GPS、WSN和GPRS技術(shù)的一體化預制件運輸安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了路徑規(guī)劃、在途監(jiān)測、位置監(jiān)控、在線預警、溯源查詢的運輸管理功能。這一運輸管理系統(tǒng)的應用將大大提高預制件的運輸安全程度。

3.3 人員培訓方面

確保運輸安全是預制件物流安全管理的重要部分。在開展運輸活動時，應提前對相關(guān)人員進行崗前安全教育和培訓，并在整個運輸過程中進行實時監(jiān)控。培訓內(nèi)容應包括以下幾個方面：

（1）提高安全意識：提高工作人員安全意識和防范意識，正確認識運輸?shù)淖⒁馐马棥?/p>

（2）規(guī)范運輸操作：在運輸過程中，要考慮到預制件外形特殊、自身穩(wěn)定性較差，按照規(guī)范的操作將預制件進行固定，避免造成預制件的碰撞。

（3）正確使用相關(guān)設備：對工作人員要進行相關(guān)設備操作的培訓，要確保工作人員能夠掌握相關(guān)技術(shù)裝備的使用方法，保證運輸?shù)陌踩M行。

（4）做好預防措施，排除安全隱患：在運輸工作進行前，提前規(guī)劃好運輸路線，詳細了解運輸過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方案。

4 結(jié) 語

目前，我國裝配式建筑快速發(fā)展，預制件起到了巨大的推動作用，在大型鐵塔、風機、橋梁等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。但是由于預制件自身外形的特殊性，使得預制件的運輸安全問題日益突出。然而目前我國的相關(guān)研究仍然較少，研究中使用的技術(shù)也較為落后。在實際預制件運輸中，大多建筑企業(yè)對運輸安全管理仍然不夠重視，且存在運輸管理體系不完善、沒有制定相應的運輸規(guī)定等問題。針對我國預制件物流運輸安全管理的現(xiàn)狀，文章提出完善管理制度、加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用、重視人員培訓等改革建議。通過國家、企業(yè)和工人的配合，發(fā)展和運用好相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完善預制件的物流運輸安全管理體系，進一步促進預制件在更多領(lǐng)域的發(fā)展。