高速公路智慧梁场全生命周期生产探究.pdf

年 増刊（总第 期）中国交通信息化 ：高速公路智慧梁场全生命周期生产探究罗如意，张鹏，彭俊霞（湖北交投科技发展有限公司，湖北武汉）摘要：预制梁场一直是桥梁工程的附属工程，而大 型预制 梁场的发展提高了装配式桥梁 的建设效率，发挥了不可小覷的作用。针对传统的预制梁场因管理出现的生产 质量难控、管理效率过低、原材浪费严重、周边环境污染 等诸多问題，基于此，本文结合管理实际需求，利用建筑信 息模型（，）、物联网、人工智能（丨，丨）、混合现实技术（，、云计算、大数换等新一代信 息技术，将信 息技术应用于预制 梁钢筋绑扎、混凝土浇筑、蒸 汽养护 等 全生命周期工序过程，实现了梁段生产 的“智慧化监控”和“数字化存档”，打造了“现场 看得见、要素管得住、业务抓得牢”的 智 慧梁 场 协同管理平台并 在多个项目中应用落地。关键词：智慧梁 场；技术；数字 孪生；全 生命周期现如今传统 制造业进行智慧化改造已成为大势所趋，预制梁场的发展从工业化、标准化、专业化的角度极大的提升了桥梁的建设效率。针对传统的预制梁场因管理出现的生产质量难控、管理效率过低、原材浪费严重、周边环境污染等诸多问题，为了解决此问题同时实现从传统工程管理到智慧、智能化工程管理的提升，本 文结合建设项目管理实际，通过、物联网、云计算、大数据等关键信息技术，将信息技术应用于预制梁钢筋绑扎、混凝土浇筑、张拉压浆、蒸汽养护等全生命周期工序过程，实现了梁段生产的“智慧化监控”和“数字化存档”，通过视频感 知分析技术，实现对智慧梁场生产作业面、作业流程的实时感知和进度识别，用以提高智慧梁场安全生产效能 和预制梁段生产质量，同时构建了预制梁场的数字孪生场景，利用技术将虚拟数字孪生场景结合现实生产数据，将质量、安全、技术生产进行可视化呈现，提高智慧梁场远程管理效率。一、国内外研究现状智 慧制造融进梁场规划和管理工作是 近些年 的研究热门，部分学者 结合近些年预制梁场在建造管理和工艺流程等 领域出现的实际问题，采用、技 术以及云计算、物联网、智能传感器等先进手段，以问题为导向，推动智慧梁场的开发和应用。夏小刚以预制梁 生产线为研究对象，基于和技术，采用松耦合、模 块化的架 构，打造基于的智 能 管理平台。同时根据梁场生产的工艺规划，以网络作为各业务板块间的数据传输媒介，形成梁厂生产工艺智能管控模式。韩晓强等针对传统梁场机械化水平低、缺乏标准化管理手段、无法进行数据关联、缺少预警管理机制等问题，对郑济铁路、京雄城际等梁场进行了智慧化改造，添加三维导航，对梁场建立起生产进度、生产工序、生产安全、质量控制、运营维护的全生命周期管理。王虎等在汉十铁路丁家营制梁场，将技术应用于制梁厂的规划阶段、建 设阶段、生产阶段，保证了生产安全，提升了设备利用率，同时降低了生产成本。李立 军等 为了对梁场进行系统科学的布置规划，利用 系统布置法（）对预制梁场各个功能区的关系进行研究分析，进而对各分区位置进行划分。在此基础上，建立各功能区的模型，在三维场景下模拟工艺流程，以得出梁场布局最优解。张俊存以京雄城际铁路箱梁预制场为研究对象，为实现智能梁场建设，首先明确了梁场各区域智能化的总体建设要求，然后结合和智能传感器研 制了梁场成套智能化设备，最后配置了基于技术和视频监控系统的智能化安全管理体系，为智慧梁场提供了执照标准。牛彦平等一方面应用技术可视化、模拟性、能提取工程量等特性，解决了山岭重丘区预制梁场建设效率低、现场坡度大、难以保证安全质量等问题。另一方面运用这款有限元分析软件，对吊梁区进行数值模拟分析，为梁场的施工提供了安全保障。郭一枝依据部分异形位置易引发局部龟裂现象、安装喷淋作业存在安全 隐 患、湿度把握不准等梁场养 护中存在 的实际问题，研发了一款养护全方位、实时性、标 准化的 智 能养护机器人，有效提供了养护质量。袁大卫为了实现预制梁厂在生产过程中的智能化、信息化、可视化，开发了一套基于技术和技术智慧梁场管理平台，能有效提高预制梁场的生产效率，同时能降低梁场的用工需求。综合杨元 元运用网络层次 分析法与二维云模型相结合的 方法评价对现有的预制梁场智慧化水平进行评价，来分析梁场建 造各个环节的智慧化程度，以及存在的不足之处，并以此为依据进行进一步提升改造。二、技术应用场景探究（一）基于模型的精细管控本文借助三维模型以可视化方式反映预制梁场动态作业情况，辅助精细化管控。预制梁场按照科学、智能、环保的原则，预制梁场布设个功能分区，分別为：混凝土输送中心、信息化控制中心、钢筋制作区、钢筋绑扎区、内膜拼装区、混凝土浇筑区、蒸汽养生区、张拉提吊区和存梁区。本文基于高 精度模型对预制梁场进行了：建模，以台 座、预制梁段为最小模型单元，便于直观了解场站布局；模型挂接每个台座、梁段对应的所有设计、生产过程信息，接人养生舱实时养生数据，实现场站施工实时可视化展现；通过模型交互可査看台座 的基本信息及使用记录；支持梁段全生命过程多源异构数据的集 成展示，包括梁段基本信息、全流程工艺路线及生产过程影像资料；在梁段模型上釆用不同颜色表示不同工序，实现梁场生产状态一目了然同时同步了现场布设监控摄像头点位，模型交互自动推出实时作业 画面，叠加算法自动识别并抓拍现场安全隐患以及人员不安全行为；对梁场的生产数据进行汇总分析，提供预制梁段的制梁、存梁和架梁三种状态施工进展分析模型。把控预制梁场生产情况、台座使用情况、存梁生产饱和情况等，基于模型的精细化生产管控极大提高梁场生产效率。梁场台座模型交互详情如图所示，养生仓模型挂接实时温度数据如图所示。图梁场台座模型 交互详情（二）基于物联网的智能建造智慧钢筋厂结合云服务、大数据、物联网、智能控制等核心技术，达到优化管理，节省材料、人工及管理成本，确保生产质量及进度的目的，大大提高钢筋厂整体生产效率和管理效率。图养生仓模型挂接实时温度数 据龙门吊监测利用现场硬件设备、传感器、云端数据库、管理后台，硬件设备实现现场的人脸识別、参数采集传输，后台和数据实现数据的管理、预警推送、数据査询及 统计分析等功能，软硬件关联协同，实现龙门吊运行安全的智能监控。拌合站生产监测，平台自动计 算拌合站生 产的每一盘料偏差、对比产能分析，实现实时生产动态监控。全自动蒸 汽养生监测，由温度监测系统，自动喷淋系统和排水系统等组成，釆用框架式移动养生棚，配备蒸汽锅炉、铺设蒸汽管道（保温）、燃料、检测器材等设备，养护棚内的温度、湿度等所有的现场数 据均上传至线上数 字孪生平台进行实时监测跟踪。预应力智能张拉压浆监测，远程把控整个张拉、压浆工作过程数据，一方面，确保了工艺流程正确执行，提高了张拉控制精度，能准确控制施加张拉所需应力，实时反馈校核伸长量，达到预应力与伸长量同步控制；另一方面，通过实时的数据采集、保存张拉过程中的张拉力值及预应力筋伸长量值，实现全程管理控制预应力张拉施工质量。环境监测由噪声实时监控系统、扬尘实时监控系统、视频叠加系统、数据釆集传输处理系统等部分组成的集数据采集、信号传输、后台数据处理、终端数据呈现等功能为一体的现场环境监测模块，及时准确地掌握预制梁场现场 的环境质量状况和工程施工过程对环境的影响程度，为污染控制、污染治理、生态保护提供环境信息支持和管理决策依据。智慧梁场智能监控监测如图所示。（三）基于的数字孪生场景基于引擎形成数字 孪生场景主舞台，结合高精度建模和渲染技术，构建预制梁场的作业区域和周边环境的：虚拟场景，智慧梁场数字 孪生场景应用于钢筋 加工、内外模安 装、浇筑、蒸汽养 生等预 制梁生产全工序过程，通过实 时数据釆集技术，动态釆集设备、车辆、人员、环境等实时数据，根据设置的规则进行预警提醒和定位，实现现实预制梁场和虚拟数字场景的动态交互与多源数据融合，将数据融合应用到具体场景中，为数字孪生平台提供数据展示、统计、筛选等服务。年增刊（总第 期）中国交通信息化 图智慧梁场 智能监控监测通过模型交互可査看台座的基本信息及使用记录；支持梁段全生命过程数据，包括梁段基本信息、全流程工艺路线及生产过程影像资料；数字孪生场景下按照现场点位布设监控摄像头，点击摄像头可自动推出实时作业画面，如图所示。图智慧梁场数字孪 生场 景（四）基于人工智能识别的生产工序流转预制梁场生产作业安全生产要求高，施工质量与进度把控要求严格，为实现全面把控预制梁场生产进度，本文基于预制梁场作业区的视频监控图像，通过图像识别技术，智能识别分析当前预制梁工序，包括钢筋绑扎、模板安装，混凝土浇筑等全过程工序识别，并根据视频中梁段位置、状态的变化，计算其工序时长和工序完成进度百分比，根据计算结果自动判断每一步工序是否按照标准工艺时长生产，将生产时长以倒计时预警的方式通知现场生产责任人，并将识别的工序和生产进度上传至平台，实现数字化生产管控，提升智慧梁场数字化生产监测能力。（五）基于的全景沉浸式管控利用智慧梁场数字孪生场景，管理者佩戴眼镜后，就会将预制梁场虚拟场景投射 在现实中，置身于虚与实的生产 情景里，所有的台座、梁片以及生产设备等都触手可及，例如注视梁板可自动弹出生产信息、注视梁板可自动弹出台座使用信息、注视视频监控摄像 头可自动推出实时作业画面，能够使管理者感受真实的作业环境，査看每条生产线上的每一个台座、梁板的生产状况。沉浸式梁场生产体验使得项目管理人员可直观、真实把控梁场生产进度、台座使用情况、梁场生产饱和情况等，智慧化生产管控极大提高梁场生产效率。当施工人员佩戴眼镜后，就会将生产作业场景投射在现实中，所有的生产设备、生产作业手册、施工管理规范等都置于虚拟场景中，利用漫游，将施工工艺及流程呈现出来，利用真实 的生产设备与虚拟场景的结合，使得施工人员感受施工工艺并进行模拟和推演，组织施工作业培训，提高质量，实现质量交底，提供施工质量；作业人员可通过不同的模拟场景，体现不同场景方位发生安全事故始的应急处理，以虚实结合的体验可令作业者有强大的视觉、听觉感受，让事故紧迫感真实重现；利用真实的安全处置设备与场景的互动，使作业者快速掌握应急处理技能，组织安全生产施工培训和应急演练。如图所示。三、生产应用场景探究（一）智慧化监测、生产过程智能化按照科学、智能、环保的原则，预制梁场布设有个功能分区，分别为混凝土输送中心、信息化控制中心、钢筋制作区、钢筋绑扎区、内膜拼装区、混凝 土浇筑区、蒸汽 养生区、张拉提综合图基于的智 慧梁场 虚拟 场 景 投射吊区和存梁区，各设置条生产线，釆用侧模固定，底模滑移工艺，通过移动台 座、全自动蒸汽养生、智能张拉压浆，实现箱梁预制循环生产，实现从场到厂的升级转化。通过开展高温蒸养预应力混凝土箱梁性能优化，有效压缩工序之间衔接时长，实现日生 产片、月生产片，月作业人员较传统模式减少。，有效提升了预制梁场效能。、业务管理精细化以“提质、增效、降本、溯源”为目标，本文 集合了六大管理功能，一是物料管理功能，通过远程监控地磅数据、原材料溯源、物资超市化管理，实现物料可追溯；二是梁场生产管理，通过基于技术建立的高精度建筑模型，实施分析当前按工序划 分的梁板生产进度、架梁进度等；三是现场管理，通过手机对梁的各生产工序进行开工报检、跟踪、分析，实现工艺管控流程化；四是台座管理，通过台座基础信息维护及台 座使用情况展示，实现实现快速一览台座使用情况和制梁进度；五是设备管理，通过安装于各类设备中的定位装置及监控系统等实现对设备当前位置、运行状态等跟踪反馈；六是智能监控，针对拌合设备、龙门起重机等大型设备及关键工序装置监控视频，实现过程控制，真实反映施工数据，提高实体质量。、生产管控智慧化（管理决策智慧化）本文以智慧 管理为核心，通过对智慧梁场平台 的建设，将预制梁场生产计划、生产进度、生产质量、存梁饱和率、架设进度等数据进行统计分析展示，根据大数据分析情况，对不同管理层推送生产日报、周报、月报等，基于此有效地减少了人工干扰，使生产过程全面可控、可视、可测，从而推动智慧梁场管理水平的提升，实现各环节全面协同，降低资源浪费，提高生产力及项目人员工作效率，达到质量零缺陷、安全零事故、项目进度可控以及成本降低的各项目标。数字孪生场景，数字孪生场景应用于预制梁生产全工序过程，每一片预制梁从钢筋绑扎、内外模安装、浇筑、张拉压浆到蒸汽养生全过程中生产开工时间、工序负责人、监理人、该工序实际生产时长、图片影像资料等数据全部同步至数字孪生场景，使得预制梁场生产状态一目了然，真正实现智慧梁场生产可视化展现。同时数字孪生场景还接人了智能养生仓、视频监控点位、梁场户外大屏，对梁场的各个工序、各种设备、各区域进行远程视频监控，实时把控智慧梁场的生产动态情况。、质量监理标准化根据质量监理标准库中针对梁板预制的事前、事中、事后检査内容，对施工全过程进行检査、监督和管理，消除影响工程质量的各种不利因素，使预制梁符合合同图纸、技术规范、使用要求和验收标准。在巡视旁站监理过程中，监理人员发现存在质量隐患的、综合场站生产数据如混凝土拌合站、张拉压浆不合格数据，记录并下发整改指令，整改完成后确认通过后，完成质量监理的闭环和留痕。三、应用成效本 文以安全、进度、质量、绿色施工等预制梁场管理需求为出发点，充 分运用、等新技术，打造多层级多维度的“智慧 管控大脑”，实现预制梁场“人机料法环测”等要素的全面感知、互通互联、信息共享、决策分析、风险预控，助 力工地协同化的智慧 管理、精益化智慧生产、一体化智慧监控、精细化智慧服务。本文智慧梁场平台已在湖北交投孝汉应高速、武天高速天门段、宜来高速等项目落地应用，并取得良好反响。参考文献丨夏小刚智 能建造技术在预制梁生 产线的应用？建筑经济，（）：丨一丨 韩晓 强，刘文荐，江忠贵，等铁 路智 能化预 制 梁场实践】中国铁路，（）：】王虎，封大为，米 亚鵄技术在丁家营制梁场规划与管理中的应用建 筑经济，（）：丨丨李立军秦宏 磊基于技术和的预制梁场 布置规划研究】太原理工大学学 报，丨，（）：丨？【张俊存京雄城际铁路智能化 梁 场建设】铁道建筑，（）：牛彦平孟旭，刘朋山岭重丘区預劁梁场建设技术探索应用分析】建 筑结构，（）：郭一枝预制梁智 能养护机器人研发及应用研究公路工程，（）：（二）数字化存档、生产数据可视化基于高精度模型打造的精细、可交互的三维智慧梁场【袁大卫梁 场信 息 化管理平台设计与实现】？西安：长安大学，【杨元元 基于的大 型預制梁场智慧建造过程研究兰州：兰州交通大学，交责任编辑孙婧