鐵路機制砂智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計

譚冠華,汪 崢,范 琪,任繼強

（1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031；2.中鐵二局集團有限公司,成都 610031）

近年來,我國基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展,天然砂資源隨之減少,為保護環(huán)境、實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用,各地區(qū)逐步限制了河砂的開采。機制砂作為天然砂的一種替代資源[1],已在鐵路、公路、水利等工程項目中得到廣泛應(yīng)用。

目前,對于機制砂的研究主要側(cè)重于其生產(chǎn)工藝、監(jiān)測、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面,如孫江濤等人[2]針對不同的生產(chǎn)工藝流程、鄭鳴皋等人[3]針對不同的原材料類型,分別提出了不同生產(chǎn)設(shè)備的選型方案；曾曉輝等人[4]提出了基于圖像處理技術(shù)的石灰石機制砂形貌方法；陳思嘉[5]利用電荷耦合器件（CCD,Charge Coupled Device）相機實現(xiàn)對下落砂粒進行圖像采集的機制砂粒徑粒形檢測系統(tǒng)；李嵩林等人[6]分析了機制砂石粉含量對高強度混凝土性能的影響。在機制砂的生產(chǎn)管理方面,鄭皎等人[7]設(shè)計質(zhì)量智能管理系統(tǒng),對機制砂細度模數(shù)、石粉含量、級配進行監(jiān)控報警；雷濤[8]提出要采用信息化管理技術(shù),實現(xiàn)監(jiān)控生產(chǎn)過程、控制質(zhì)量波動、溯源物流信息。以上研究對機制砂的智能化生產(chǎn)管理提供了有益借鑒。

鐵路機制砂的智能化生產(chǎn)管理不僅包含原材料入庫、制砂、成品出庫等生產(chǎn)流程,還涉及設(shè)備監(jiān)控維護、砂場人員管理、原材料和成品質(zhì)量管理、人員健康及安全管理、周圍環(huán)境的環(huán)保管理等?，F(xiàn)有的機制砂場在生產(chǎn)管理上仍以紙質(zhì)單據(jù)為主,缺乏生產(chǎn)線設(shè)備管控、機制砂成品質(zhì)量智能化檢測等手段?；诖?本文設(shè)計鐵路機制砂智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)（簡稱：本文系統(tǒng)）,實現(xiàn)生產(chǎn)、設(shè)備、人員、質(zhì)量、安全及環(huán)保的統(tǒng)一管理,為機制砂場的信息化、智能化建設(shè)提供借鑒。

1 架構(gòu)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

本文系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖1 所示。

1.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

主要指機制砂場智能化建設(shè)的硬件基礎(chǔ),包括生產(chǎn)線設(shè)備、質(zhì)量檢測設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、故障診斷設(shè)備、環(huán)保監(jiān)測設(shè)備、控制室大屏、機房服務(wù)器等,是砂場生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)。

1.1.2 通信層

負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò),分為有線通信網(wǎng)絡(luò)及無線通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）有線通信網(wǎng)絡(luò)負責(zé)機制砂加工區(qū)、控制室與機房的大多數(shù)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信,根據(jù)通信距離布設(shè)網(wǎng)線或光纖。

（2）無線通信網(wǎng)絡(luò)主要用于故障診斷設(shè)備及人員巡檢,其中,故障診斷設(shè)備主要是生產(chǎn)線設(shè)備上安裝的傳感器,為避免傳感器布線影響生產(chǎn)作業(yè),采用無線傳輸?shù)姆绞缴蟼髦林悄芊治鰧?；人員巡檢須覆蓋整個砂場,因此采用無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1.1.3 智能分析層

（1）設(shè)備故障診斷基于故障診斷傳感器實時上傳的高頻采集數(shù)據(jù),通過故障診斷模型,判別設(shè)備風(fēng)險指數(shù),并通過設(shè)備自身的電流、電壓等參數(shù),識別設(shè)備故障狀態(tài)。

（2）安全分析主要采用AI 識別技術(shù)分析現(xiàn)場監(jiān)控視頻,其中,人員分析主要識別加工區(qū)作業(yè)人員是否佩戴安全帽、防塵口罩；生產(chǎn)異常分析主要識別傳輸皮帶是否異位、落料口及入料口是否堵塞等。

（3）質(zhì)量檢測分析分為機制砂成品質(zhì)量分析和環(huán)境質(zhì)量分析,其中,機制砂成品質(zhì)量分析根據(jù)質(zhì)量檢測設(shè)備檢測的機制砂品質(zhì)參數(shù),判斷是否符合機制砂I/II 類國家標(biāo)準(zhǔn)并可用于鐵路施工建設(shè)；環(huán)境質(zhì)量分析主要分析生產(chǎn)環(huán)保指標(biāo)是否超標(biāo)。

完成以上步驟后,統(tǒng)一由分析決策給出調(diào)度控制意見,由智能控制模塊根據(jù)調(diào)度規(guī)則進行智能控制。

1.1.4 業(yè)務(wù)管理層

通過終端設(shè)備輔助機制砂場人員完成業(yè)務(wù)管理,主要包含統(tǒng)一調(diào)度、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、人員管理、設(shè)備管理、環(huán)保管理等功能。

1.2 硬件架構(gòu)

本文系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要包括現(xiàn)場設(shè)備層、中心層及調(diào)度層,通過內(nèi)部局域網(wǎng)實現(xiàn)各層之間的網(wǎng)絡(luò)通信連接,如圖2 所示。

1.2.1 現(xiàn)場設(shè)備層

包括生產(chǎn)線設(shè)備、環(huán)保監(jiān)測設(shè)備、質(zhì)量檢測設(shè)備、視頻監(jiān)控、聲光報警器、無線覆蓋設(shè)備、設(shè)備監(jiān)測傳感器、巡檢移動終端等,安裝在砂場的各個區(qū)域,是系統(tǒng)智能化管理的管控、感知主體。

1.2.2 中心層

包括應(yīng)用服務(wù)器、智能分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機（NVR,Network Video Recorder）、通信前置機、加工控制安全可編程邏輯控制器（PLC,Programmable Logic Controller）、不間斷電源（UPS,Uninterruptible Power Supply）、交換機等,安裝在中心機房,承載著該系統(tǒng)的核心應(yīng)用服務(wù)。

1.2.3 調(diào)度層

包括調(diào)度顯示大屏、指紋人臉打卡設(shè)備、視頻終端、加工控制終端及智能化系統(tǒng)終端等,分布在調(diào)度控制室、實驗室和計量室,實現(xiàn)生產(chǎn)管理的調(diào)度和監(jiān)控。

1.3 邏輯架構(gòu)

鐵路機制砂智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.3.1 接口層

主要實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交互,根據(jù)不同的設(shè)備類型,采取TCP、HTTP、串口等方式實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián),包括質(zhì)量檢測接口、環(huán)保接口等；

1.3.2 數(shù)據(jù)層采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲,視頻數(shù)據(jù)則存儲到網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機（NVR,Network Video Recorder）中。采用Redis、消息隊列等中間件進行數(shù)據(jù)的輔助處理[9]。

1.3.3 應(yīng)用層

包括應(yīng)用服務(wù)和智能分析服務(wù)。從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)后,通過統(tǒng)一調(diào)度、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理等應(yīng)用服務(wù)提供給用戶層應(yīng)用數(shù)據(jù),同時通過設(shè)備故障診斷、安全分析等智能分析服務(wù)實現(xiàn)智能調(diào)度,并將信息反饋給用戶層。

1.3.4 用戶層

采用B/S 架構(gòu),通過瀏覽器即可訪問本文系統(tǒng),主要面對控制中心調(diào)度人員、實驗室試驗人員、巡檢人員等。

2 系統(tǒng)功能

本文系統(tǒng)功能涵蓋生產(chǎn)、設(shè)備、人員、質(zhì)量、安全、環(huán)保等方面,以及各方面之間的聯(lián)動和支撐關(guān)系,功能架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 統(tǒng)一調(diào)度

通過對界面合理布局,將產(chǎn)量、設(shè)備、質(zhì)量、環(huán)保、報警、人員等關(guān)鍵信息集成在一個頁面中,便于控制室總覽全局,進行調(diào)度。提供近期每日產(chǎn)量、定時檢測的成品質(zhì)量指標(biāo)、環(huán)保監(jiān)測、在崗人員等信息的實時查看。此外,系統(tǒng)采用傾斜攝影、三維激光雷達獲取砂場內(nèi)部各設(shè)施設(shè)備位置和尺寸信息的高精度點云,完成室內(nèi)三維建模,并在模型中加載設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù),進行模擬場景展示。

2.2 生產(chǎn)管理

機制砂生產(chǎn)全過程管理：（1）母材管理,記錄原材料入庫及消耗情況；（2）生產(chǎn)記錄,記錄每日各類砂石產(chǎn)量；（3）出庫管理,對成品出庫數(shù)量及用途等進行記錄。

2.3 設(shè)備管理

設(shè)備的全過程管理：（1）設(shè)備信息管理,記錄設(shè)備的基礎(chǔ)信息及設(shè)備運行數(shù)據(jù)；（2）運行狀態(tài),實時監(jiān)測生產(chǎn)線設(shè)備運行狀態(tài),并查看當(dāng)前未處理的設(shè)備故障報警；（3）運行記錄,查看設(shè)備的啟停記錄,了解設(shè)備的使用次數(shù)；（4）歷史故障,可查詢生產(chǎn)線設(shè)備發(fā)生的所有故障信息；（5）設(shè)備巡檢,生成巡檢計劃,并查看計劃巡檢執(zhí)行進度；（6）設(shè)備維護,記錄設(shè)備維護記錄及故障修復(fù)記錄。

2.4 人員管理

人員信息的全過程管理：（1）人員信息,分為內(nèi)部人員管理及訪客管理；（2）打卡記錄,記錄人員打卡情況,確定當(dāng)前在崗人員信息,支撐緊急情況下的人員調(diào)度；（3）安全行為監(jiān)控,可查看人員出入加工車間時未佩戴安全帽、防塵口罩記錄。

2.5 質(zhì)量管理

機制砂質(zhì)量的全過程管理：（1）母材性能,通過物理、化學(xué)試驗,檢驗原材料的性能,如堅固性、堿活性、抗壓強度、吸水率等,記錄并分析其適合生產(chǎn)何種砂石及比例,輔助砂場人員根據(jù)原材料性能的差異,合理調(diào)整設(shè)備參數(shù),從而確保生產(chǎn)合格的成品；（2）成品質(zhì)量,對設(shè)備自動檢測的質(zhì)量數(shù)據(jù)及臨時試驗輸入的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行管理,輔助砂場人員根據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)確定成品的品質(zhì),避免生產(chǎn)大量廢品；（3）成品試驗,針對機制砂成品進行的各項試驗,記錄相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)及試驗報告。

2.6 環(huán)保管理

機制砂廠的環(huán)保檢測：（1）實時數(shù)據(jù),支持各節(jié)點環(huán)保參數(shù)及未確認(rèn)的環(huán)保報警信息的實時查看,輔助支撐決策,如生產(chǎn)是否臨時暫停、是否可排放污水等；（2）歷史數(shù)據(jù),查看生產(chǎn)全過程的環(huán)保情況；（3）環(huán)保報警,查看歷史環(huán)保報警信息。

2.7 巡檢

巡檢App 安裝在巡檢手持機上,方便巡檢人員按計劃執(zhí)行巡檢任務(wù),并通過掃描設(shè)備二維碼確認(rèn)完成對應(yīng)設(shè)備的巡檢工作,實時更新巡檢進度,對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況進行上報。巡檢App 主要包括巡檢計劃、二維碼掃描、故障提報、數(shù)據(jù)匯總等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備故障診斷技術(shù)

機制砂生產(chǎn)線設(shè)備的穩(wěn)定運行是保證機制砂場正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。本文系統(tǒng)針對不同設(shè)備采用了2種故障診斷方法：（1）根據(jù)設(shè)備的工作基本參數(shù)（如電流、功率、轉(zhuǎn)速等）設(shè)置參數(shù)預(yù)警上限,若發(fā)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)超過預(yù)警上限,立即進行設(shè)備報警；（2）通過安裝在設(shè)備的高頻振動傳感器,實時采集設(shè)備的振動信號,無線傳輸至系統(tǒng)的智能分析服務(wù)器,通過基于多因素綜合分析的故障診斷算法,綜合考慮工作電流、振動信號、入料荷載等,對數(shù)據(jù)進行特征提取,給出設(shè)備的診斷結(jié)果。

3.2 機制砂質(zhì)量檢測技術(shù)

機制砂是粒徑小于4.75 mm 的巖石顆粒,由機械破碎、篩分制成。為滿足鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),須嚴(yán)格把控機制砂成品質(zhì)量,依據(jù)GB/T-14684-2022《建筑用砂》標(biāo)準(zhǔn)[10],本文系統(tǒng)通過質(zhì)量檢測設(shè)備,運用毫米波和圖像處理技術(shù),用抓取器定時自動從機制砂運輸皮帶抓取檢測樣本,計算機制砂顆粒數(shù)量,識別每粒砂的粒徑、影像,計算出質(zhì)量參數(shù),發(fā)送至智能分析服務(wù)器并進行質(zhì)量評估。

3.3 智能調(diào)度技術(shù)

3.3.1 環(huán)保智能調(diào)度

當(dāng)本文系統(tǒng)檢測到環(huán)境參數(shù)PM2.5、PM10 超標(biāo)時,自動啟用噴霧系統(tǒng),降低加工車間粉塵,若長時間超標(biāo),則自動控制生產(chǎn)線,降低生產(chǎn)速率；當(dāng)本文系統(tǒng)檢測到污水的PH 值、濁度超標(biāo)時,自動控制生產(chǎn)線,降低生產(chǎn)速率,若長時間超標(biāo),則停止生產(chǎn)線。

3.3.2 質(zhì)量智能調(diào)度

本文系統(tǒng)可持續(xù)檢測設(shè)備運行狀態(tài),只有當(dāng)生產(chǎn)線設(shè)備正常運行時,質(zhì)量檢測設(shè)備才進行定時檢測,避免出現(xiàn)空檢測產(chǎn)生誤報；本文系統(tǒng)根據(jù)機制砂成品質(zhì)量情況,進行分級報警,出現(xiàn)最高報警級別時立即停止生產(chǎn)線,其他等級則進行報警提示。

3.3.3 生產(chǎn)智能調(diào)度

本文系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)及母材性能數(shù)據(jù),預(yù)先配置加工生產(chǎn)模型,并根據(jù)當(dāng)前的母材性能、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測參數(shù),自動調(diào)整設(shè)備運行參數(shù),提高機制砂成品合格率；本文系統(tǒng)實時處理設(shè)備故障信息,若設(shè)備發(fā)生故障,可根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)備前后序列,立即停止前序設(shè)備,避免因設(shè)備故障擴大事故影響。

3.3.4 安全生產(chǎn)調(diào)度

本文系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場視頻監(jiān)控,分析識別現(xiàn)場人員的安全帽、防塵口罩佩戴情況,進行現(xiàn)場語音警報,提醒工作人員并記錄現(xiàn)場視頻,確認(rèn)生產(chǎn)安全。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本文系統(tǒng)已在中鐵二局集團有限公司在建項目成達萬（成都—達州—萬州）高速鐵路某機制砂場進行示范應(yīng)用,效果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)將現(xiàn)場紙質(zhì)化生產(chǎn)管理轉(zhuǎn)為電子化管理,提高了生產(chǎn)管理效率；通過對機制砂場信息的集成展示,提高控制室對于砂場的掌控能力；該系統(tǒng)的智能調(diào)度功能,提高了機制砂廠場的智能化水平,提高了現(xiàn)場管理水平；人員安全管理、實時設(shè)備故障診斷等措施,極大地避免了人員傷害、設(shè)備故障維修帶來的經(jīng)濟損失；通過實時監(jiān)測成品質(zhì)量、智能調(diào)整設(shè)備參數(shù),降低了機制砂廢品率,提高了經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)有機制砂場的現(xiàn)狀、發(fā)展需求及行業(yè)政策要求,設(shè)計了鐵路機制砂智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng),實現(xiàn)了機制砂場生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、環(huán)保、人員的全方面管控。該系統(tǒng)的應(yīng)用,極大提高了砂場生產(chǎn)管理水平,為鐵路工程機制砂信息化管理和智能化制造提供支撐。根據(jù)應(yīng)用反饋,該系統(tǒng)還可進一步向智能化、無人化方向發(fā)展,將重點研究母巖性能、加工工藝和加工設(shè)備的調(diào)控原理,根據(jù)機制砂成品質(zhì)量檢測結(jié)果,進行加工設(shè)備的智能反饋調(diào)控,提高機制砂成品合格率。