王 辉 麟

(中国铁道科学研究院，北京 100081)



基于智能监控的铁路工程混凝土拌和站质量管控系统

王 辉 麟

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

针对铁路工程建设工点多、线路长、统一管理难度大、质量安全关系重大等行业应用特点，提出铁路工地拌和站智能质量管控的解决方案.利用无线传输技术、数据采集技术、数据分析与处理技术、超标预警技术为信息化手段，实现了拌和站信息化管理平台、拌和站采集终端、智能化搅拌控制、混凝土和易性监测等模块.该系统能够对混凝土生产过程进行监控和质量监督，有效提高了混凝土原材料配合比精度，降低了原材料超标概率.

智能监控；数据采集；智能化控制；和易性监测

铁路工程混凝土拌和站作为铁路工程建设的基础环节，对整个工程建设最终的质量控制和安全保证起到非常重要的作用.铁路工程混凝土拌和站智能质量管控系统依据铁路工程建设信息化的总体规划和标准化管理办法的规定，针对工地拌和站现场实际遇到的生产控制和质量监督等相关问题进行系统研发，实现数据信息统一管理、生产情况实时把控和质量监督全面推广.在确保原始生产数据的严肃性和安全性的同时，为铁路总公司和各级参建单位提供可视化的数据统计分析结果，为铁路工程质量控制和安全保证提供数据支持和技术基础[1-2].

1 研究现状

拌和站信息化管理主要涉及数据采集、数据处理与展示两方面内容.其中：数据采集主要实现混凝土生产数据或试验数据的准确、实时、高效采集；数据处理与展示主要完成生产数据的分析统计并将统计结果以图表的形式展示给用户，使用户能够更加直观地掌握混凝土生产情况.

马辉等研发的混凝土拌和站生产过程动态监控系统[3]通过一个安装在拌和机控制器上的专用接口程序实现生产数据的自动采集.鲍榴开发的铁路隧道围岩量测试终端采集软件[4]通过蓝牙通信将全站仪数据保存至手持终端并完成对数据的分析和展示.采用这种方式有利于现场人员取得第一手资料但并不利于信息的大范围共享.龚霞[5]通过一个安装在混凝土搅拌车上的嵌入式数据采集设备采集并传输搅拌车的位置及状态参数等信息.为了适应移动中的数据传输要求，该设备对传输的数据量做了限制.梁贵荣开发的混凝土质量追踪及动态监管系统[6]使用RFID射频芯片技术为每一批次的混凝土赋予一个唯一的数字标识.为不合格混凝土的定位提供了便利.韩光等开发的基于PDA 的大坝混凝土施工信息采集系统[7]通过PDA客户端解析服务端数据并列表框控件展示给用户.郭玲玲等开发的基于打印机数据流解析的沥青拌合站监控系统[8]通过并口采集打印机数据流，从中提取出有用的信息，使得大量独立分散的数据得到有效的利用.蒋新花开发的基于字符识别的砼拌和站远程监控系统[9]通过VGA视频采集卡采集现场工业控制机输出到显示视频信号，将其转换成数字图像并提取需要的信息.

目前市场上的混凝土拌和站管控系统基本实现了生产数据的自动采集与分析.但是，由于这些系统大多针对特定的混凝土生产控制系统设计，可移植性较差，不利于在短时间内大范围部署.另外，这些系统一般只采集一些结果数据，并没有深入到混凝土生产的全过程中，无法从根本上提高混凝土质量.本文中的铁路工程混凝土智能质量管控系统通过数据库访问中间件、智能搅拌控制系统及信息化管理平台实现了拌和机控制系统无缝连接、生产过程智能控制及生产数据的汇总展示.

2 混凝土拌和站质量管控系统组成

2.1 拌和站信息化管理平台

平台主要完成建设单位、监理、施工单位、拌和站等多级用户的业务协同管理.对混凝土生产全过程进行监管，包括原材料进场、检验、配合比设计、生产过程控制、养护、试块检验评定、混凝土运输等过程.同时具备混凝土拌和质量在线监测的功能.平台完成对拌和站生产数据整合、挖掘、分析和处理，有良好的系统兼容性，可与铁路工程建设管理平台无缝对接，完成上传数据的分类、查询、管理、统计、报警提醒和图表展示，实现生产管理和质量监督功能.

2.2 拌和站采集终端软件

采集终端软件[10]由数据采集、数据处理和数据传输3个模块组成，见图1.数据采集模块用来连接各种类型的拌和机生产控制系统并采集生产数据；数据处理模块将采集到的数据转化成标准格式；数据传输模块将转化后的生产数据发送至管理平台.

采集终端软件安装在拌和站的工控机中，实时采集混凝土拌和机生产管理数据，利用有线或无线网络完成采集数据的实时加密传输，并支持断点续传，保证数据的实时性和准确性.系统对采集的实时数据进行智能分析、综合评判，对影响混凝土质量的信息进行短信或者手机App报警提醒，并利用信息化手段对实时采集信息进行统计和分析.

采集终端软件通过数据库访问中间件连接多种不同类型的数据库，从而实现与多种铁路工程建设应用平台的无缝对接.同时采用多线程技术使各功能模块协同工作，从而保证生产数据采集的实时性.使用动态链接库程序将各种工程建设应用平台的生产数据转化成统一格式，方便数据展示、统计和查询，并采用断点续传、数据重传、数据加密等功能保证数据安全且不漏传.

2.3 智能化搅拌控制

智能化搅拌控制系统利用互联网技术、现场总线技术，结合投料控制算法，实现混凝土拌和站智能化控制，可显著提高拌和站配料精度，满足铁路混凝土质量控制及信息化管理的需求.

由于拌和机配料时料流不稳定，以及机械惯性导致每次配料时产生一个不确定的过冲量，这给提高拌和机的配料精度造成了很大困难[11].本文中的智能拌和机控制系统采用迭代算法逐次逼近目标配料值：

m∈(0,1)

(1)

2.4 和易性监测模块

在混凝土搅拌初期，混凝土比较干稠，坍落度较小、和易性较差，对拌和机的阻力较大，拌和机的输出电流比较大.经过一定时间的搅拌，电流会逐渐降低，待搅拌均匀后，电流会保持在一个比较平稳的状态.和易性监测模块会根据拌和机型号、混凝土配比、盘方量及拌和机输出电流自动判断混凝土是否已经搅拌均匀并提示操作员卸料，如图2所示，A点表示开始投料时间；B点表示拌和机输出电流达到峰值的时间；CD区间表示混凝土已经搅拌均匀适合卸料的时间区间.

3 智能管控系统功能实现

3.1 数据采集

采集终端软件可对不同厂家拌和机数据库进行读取，实现对拌和机生产数据的采集.采集终端软件可实现拌和机厂家、数据源、采集时间间隔、目标主机和拌和站所在线路(包括：线路、标段、工区、站名和拌和机编号)的选择.

该终端软件支持开机自动启动、自动保存和断点续传等功能，可兼容50多家拌和机生产厂家的拌和机数据库并根据拌和站现场情况利用有线或无线网络完成数据上传，将采集到的数据进行数据整合和挖掘，提取关键数据，将实时拌和的盘信息等原材料用量等信息关联起来，形成拌和站生产图表，完成数据输出，同时在数据分析处理平台上进行图形化展示.

3.2 数据上传

数据采集终端软件获得的数据通过无线透传模块DTU(Data Transfer Unit)上传至后端数据分析处理平台.DTU模块内置无线上网卡，通过无线网络对采集到的数据进行实时传输，并实现数据的断网续传，整个传输过程通过密钥进行加密，确保数据的严肃性、安全性和实时性.

根据现场实际应用情况，大多数拌和站地处偏远，连接有线网络成本过高，因此多采用无线GPRS(General Packet Radio Service)网络完成数据的实时上传，采用无线透传技术来保证数据的安全性和不可篡改性，利用无线透传设备DTU，研发出拌和站生产数据采集终端软件，通过无线透传技术完成数据传输.

采集到的数据通过GPRS无线网络上传至后端数据分析处理平台.在数据传输过程中采用数据加密方法，保证原始数据的安全性.同时，现场检测数据也将上传至铁路总公司的铁路工程建设信息化平台.

3.3 动态监测和展示

依照国家、行业等标准规范，对动态监测的拌和时间、拌和材料用量、产能分析和材料误差分析等进行图表的输出展示，包括柱状图、饼状图和数据曲线图等形式，更形象的展示拌和时间和材料用量的走势，当监测数据超过规定阈值时启动短信报警功能，独立显示超差信息，便于统计分析和比较.

3.4 统计查询分析

统计查询分析包括产能统计、原材料用量统计、材料误差统计等功能.其中，原材料用量统计可对某一时间段内某台拌和机对每种原材料的日消耗量进行统计并以柱状图的形式展示给用户，如图3所示.材料误差统计可对某一时间段内某台拌和机对每种材料的日平均投料误差比例进行统计，并以折线图的形式展示给用户，如图4所示，用户可根据这些信息直观的了解生产情况.

3.5 原材料进场管理

系统可实现原材料进场管理扩展功能，对混凝土搅拌所需原材料如水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、外加剂的产地、生产厂家、重量、规格、级别、进场时间、质量情况、抽检复试情况等进行管理，从混凝土生产源头严抓质量，保证安全.

3.6 超标预警

超标预警功能采用分级报警模式，针对原材料用量的超标，将线路名称、标段名称、拌和站名称、盘信息和预警日期等内容以手机短信的形式通知相关人员.采集到的拌和站生产数据经过系统的分析统计，对于拌和时间、原材料用量、产能分析和原材料用料误差等内容，会同相关技术人员进行专业技术分析，对于超标值特别大的异常数据，还将进行远程专家会审，通过专家鉴定得出结论，采取进一步的现场控制和施工安全问题的处理.

超标报警功能通过对比每种材料的设定用量及实际用量或每一盘混凝土的设定搅拌时间和实际搅拌时间，找到差值超过标准范围的材料或混凝土盘，在平台上显示报警信息并向相关人员发送报警短信，可以迅速发现混凝土生产过程中存在的不规范操作及安全隐患并及时通知业主或监理单位进行处置.在管理平台上显示的报警监控列表及报警短信发送状态如表1所示.

表1 报警监控列表

4 结论

1)系统基于SOA服务模式采用插件组件开发、云计算、大数据分析等技术，符合铁路工程建设信息化整体框架要求，能与铁路工程建设数据和应用平台无缝对接和上传数据；采用监控组态开发技术，面向对象的动态图形开发技术，实时和历史数据的记录和趋势图形化展现技术.各功能模块子系统可灵活组合，满足不同铁路工程建设的各种应用需求.

2)系统采集的质量监控数据采集采用拌和机数据库读取和原材料仪表传感器采集等信息采集方式，保证了数据的可靠性.建立拌和站统一信息处理与交互平台，实现数据信息统一管理、生产情况实时把控、质量监督全面推广，并可完成拌和站及试验室的信息共享和数据交互，平台兼容性和可靠性强.

3)功能多样化方面：可实现多样化生产模式，支持多次投料、多次搅拌等工艺；采用模块化设计，实现分布式布置，便于安装、调试；智能化信息数据处理技术，实现生产过程数据的即时采集、统计与分析.

[1] 王辉麟, 安然, 史宏, 等. 铁路工程建设安全监测及管理系统的研究[C]// 2014第九届中国智能交通年会大会论文集, 2014. WANG Huilin, AN Ran, SHI Hong, et al. Research of railway project safety monitoring and management system[C]//9th China Annual Conference of IntelligentTransportation, 2014. (in Chinese)

[2] 周岩, 白丽. 高速铁路工程建设项目管理信息化的研究[J]. 铁路计算机应用, 2011, 20(2): 28-30. ZHOU Yan, BAI Li. Research on informatization of project management for engineering construction of high-speed railway [J]. Railway Computer Application, 2011, 20(2): 28-30. (in Chinese)

[3] 马辉, 刘仁智, 董庆, 等. 混凝土拌合站生产过程动态监控系统的开发与应用[J].路基工程, 2012(2): 144-147. MA Hui, LIU Renzhi, DONG Qing, et al.Development and application of dynamic monitoring system for production process at concrete mixing plant[J]. Subgrade Engineering, 2012(2): 144-147. (in Chinese)

[4] 鲍榴. 铁路隧道施工围岩监测信息化平台研究与实现[D]. 北京：中国铁道科学研究院，2014. BAO Liu.Research and implementation of railway tunnel wall rock monitoring information platform[D]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2014. (in Chinese)

[5] 龚霞. 混凝土搅拌车数据采集终端的设计与实现[D]. 长沙：湖南大学, 2014. GONG Xia. Design and implementation of concrete mixer data acquisition terminal[D]. Changsha: Hunan University, 2014. (in Chinese)

[6] 梁贵荣. 混凝土质量追踪及动态监管系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2014. LIANG Guirong. The design and implementation of concrete quality tracing and dynamic supervision system[D]. Changchun: Jilin University, 2014.(in Chinese)

[7] 韩光, 杨晋生, 崔博. 基于PDA 的大坝混凝土施工信息采集系统的设计与实现[J]. 计算机应用与软件, 2013,30(7): 62-65. HAN Guang, YANG Pusheng, Cui Bo. Design and implementation of DAM concrete constructing information collection system based on PDA[J].Computer Applications and Software, 2013, 30(7): 62-65. (in Chinese)

[8] 郭玲玲, 夏波, 王鑫东, 等. 基于打印机数据流解析的沥青拌合站监控系统[J]. 工业控制计算机, 2011, 24(8): 28-29. GUO Lingling, XIA Bo, WANG Xindong, et al.Remote monitoring system of asphalt plants based on analyzing printer data[J]. Industrial Control Computer, 2011, 24(8): 28-29. (in Chinese)

[9] 蒋新花. 基于字符识别的砼拌和站远程监控系统的应用[J]. 交通工程，2013(2): 73-77. JIANG Xinhua.Applications of concrete mixing station remote monitoring system based on character recognition[J]. Traffic Engineering, 2013(2): 73-77. (in Chinese)

[10] 刘北胜, 王彤, 王辉麟, 等. 铁路工地拌和站生产信息采集终端软件开发与应用[J]. 北京交通大学学报, 2015, 39(5): 54-60. LIU Beisheng, WANG Tong, WANG Huilin, et al.Development and application of a railway site mixing plantproduction information acquisition software[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2015, 39(5): 54-60. (in Chinese)

[11] 张伟, 欧志新. 基于预测控制的动态配料系统非线性误差研究[J]. 兰州交通大学学报, 2010, 29(1): 34-37. ZHANG Wei, OU Zhixin. Research on nonlinear error in dynamic batching system based on predictive control[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2010, 29(1): 34-37. (in Chinese)

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

中国铁道科学研究院基金项目资助(2013YJ024)

王辉麟(1970—)，男，吉林双辽人，副研究员.研究方向为BIM及铁路工程建设信息化.email: tkywhl@163.com.

TP319

A