摘要：阐述智能建造技术在T梁生产线的应用，包括一体化智能建造管理平台和关键工艺智能化，然后以京德高速某预制T梁生产线为例，着重介绍智能建造协同管控信息化平台、智能张拉、智能检测、智能养护等关键技术，为铁路施工企业进行智能化转型在方法、应用、体系方面提供参考。
关键词：智能建造; 智能装备; 预制T梁; 铁路企业;
Application of Intelligent Construction Technology in Prefabricated T-beam Production Line
XIA Xiaogang
Tianjin Construction Engineering Co.,Ltd,China Railway First Engineering Group
Abstract：This paper expounds the application of intelligent construction technology in T-beam production line,including integrated intelligent construction management platform and key process intelligence. And then uses a prefabricated T-beam production line of Jingde expressway as an example,focuses on the key technologies such as intelligent construction collaborative management and control information platform,intelligent tensioning,intelligent detection,intelligent maintenance,etc. Provides references for the methods,applications and systems of intelligent transformation of railway construction enterprises.
1 引言
高质量发展成为产业转型升级的主题之一，破解施工行业高能耗、高风险、低效率、低智能化的困境是当前亟待解决的重要课题。智能建造高度契合了高质量发展模式的要求，通过技术创新将传统建造方式升级为智能建造成为必由之路。铁路施工企业技术创新实践一般依托工程项目，但项目具有工期限制、可靠性风险随新技术使用提高而增大等特点，因此，需要采用合理的技术创新对策将数字化、网络化、智能化技术和传统建设技术相融合，实现智能建造。
梁场是交通建设的重要组成项目，T梁制作具备了生产工业化、部品化、标准化、智能化的制造组织特点；但现有预制梁场重点关注于管理层面，各个工序模块相互间处于松散化状态，尚未实现贯通互联一体化；生产装备之间协同控制技术研究不足，未形装备协同一体化、智能化。
针对上述问题，结合京德高速某预制T梁生产线的建造实践，以打造工厂化的智能梁场进行探索实践，基于协同创新平台，细化剖析关键技术，为打造智慧梁场提供保障。
2 智能建造技术在预制T梁生产线的应用内容
智能建造技术在预制T梁生产线的综合应用按功能划分，主要涉及智能建造管理平台、工程数据感知、传输及共享技术、基于网络协同制造的作业生产线、智能化生产装备的配套应用等。
2.1 一体化智能建造管理平台
在剖析T梁制作特点的基础上，构建了以工序与流程为基础的生产过程动态调控系统，形成了面向生产全过程的数字化模型、工艺过程智能化控制的智能建造技术体系。以此为基础，开发T梁综合管理平台，包括集成控制系统、生产信息化管理系统、试验室管理系统、搅拌站管理系统、物料管理等系统、数据采集和监控系统等。实现设备运行状态实时监控、设备故障自动报警和预诊断，关键设备能够自动调试修复；并实现各个工序模块贯通互联一体化；生产装备协同一体化、智能化。
2.2 关键工艺智能化
2.2.1 建立数字化模型
建立梁场总体设计、工艺流程、布局的BIM数字化模型，实现生产流程数据可视化，进而实现生产工艺的优化。
2.2.2 工业控制自动化与智能化生产体系
聚焦核心工艺过程，通过研发、采用先进的工艺过程智能控制成套装备，实现对关键工艺流程（如钢筋加工及骨架装配、混凝土浇筑、混凝土温控、预应力张拉、试验检测、安全监测、测量管理等）的数据采集、集成分析与展示应用，并实现基于数字模型的智能控制和在线优化的生产管控模式。
2.2.3 环形智能生产线
借鉴智能工厂的智能制造模式，在T梁车建造中，采用环形流水线的生产组织模式。环形生产线的应用，使得网络协同制造、各个工序模块的贯通、协作机器人的应用成为现实。
(1）骨架加工采用了协作机器人，实现了工业化、智能化。
(2）混凝土生产采用全封闭环保型混凝土搅拌站，送料及搅拌机械采用智能控制；并针对混凝土搅拌设备的外加剂精称支撑装置开发了主动隔振装置，大幅消除了称量装置振动影响，提升了商品混凝土成型质量。
(3）开发了感知-助动-控制一体化的智能化移动液压模具，减少了人为干预。
(4）针对现有预应力智能张拉的弊端，开发了新型预应力筋张拉智能系统，实现了智能控制及可视化，消除了张拉不同步、存在机械隐患等问题。
2.2.4 智能养护
针对蒸汽养护，开发了智能蒸汽流量调节阀，实现了自动测控-分析-控制的智能化监控架构。
针对喷淋养护，开发了基于AGV小车的自主养护系统，可以自动识别梁体有无、湿度状态、自主定点停靠、自主注水、自主监测水箱内水量；在作业模式上，集群化运行，可远程监控；梁体采用了表面湿度传感器，根据湿度值，按需养护。
2.3 高性能混凝土
开发了绿色、低成本高性能混凝土，及新型外加剂，提出了制备技术，材性测试方法与指标体系。
2.4 智能检测
设备运行监测系统对关键设备实行全状态实时监测，将监测数据通过图表和模型可视化展示警；针对梁体建造质量检测开发了阵列式冲击波检测装备。
3 预制T梁智能建造实践及关键技术分析
为大力推行智能建造，摸索智能建造的实践模式，系统策划了京德高速梁场智能建造体系，并通过智能梁场科研实践，实现了智能梁场核心工艺过程的智能化控制，突破了系统集成与扩展等技术瓶颈，形成预制T梁环形生产线成套智能建造技术。
3.1 基于BIM的智能管理平台
平台规划方面：遵循“总体规划、模块实施”的开发理念，按照“一平台、多应用”的模式规划和建设，采用松耦合、模块化的架构设计，建立基于BIM的梁场综合管控系统平台及应用系统；业务模块可基于项目自身目标的需要，进行定制和拓展，见图1。
数据驱动方面：通过数据共享、数据驱动，实现业务互通协同，有效促进通用化与标准化；形成了面向梁场的数据共享和数据实时处理、工艺流程控制智能化的数据驱动技术体系，具体体现为：
(1）统一数据标准，规范数据接口。以数据的标准、模型、类型、接口统一为基础，采用数据共享机制，通过数据感知、数据传输和数据集成构成规范数据源。
(2）构建加载有必要信息的BIM模型，形成结构化组织的数据源；通过物联网丰富数据来源，采用云计算技术实现大量数据的分布式存储，实现异地多方协同实时工作。
(3）围绕梁场的工艺流程（钢筋骨架—模板组装—混凝土布料与振捣—模具拆除—蒸养—预应力筋张拉等），运用云技术，对感知信息进行共享整合、智能分析和处理控制，并为后期运维数据的挖掘与分析提供了基础。
图1 BIM综合管理平台
3.2 梁体生产工艺智能控制
根据梁场生产工艺规划，系统开发和形成具有智能特征的生产管控模式。
3.2.1 基于5G网络环境的业务交互的通讯方式及协议
剖析分解业务逻辑，建立业务模型，确定梁体制作工艺流程，具体包括布料机子、行走模具、移动平台、预应力张拉、温控蒸养等工艺子模块业务模型，具体见图2。
根据工艺设计，把生产各工序布置在一条流水线上，通过多台布设在轨道上的智能移动平台实现流水作业；T梁被定义成数字化构件产品，根据其生产需求从产品类型定义，通过BIM实现设计与加工信息的互通，具体为：起点是数控的钢筋加工，钢筋构件运转至移动平台，由协作机器人装配成型钢筋骨架，移动平台前移至下一工序；骨架进入伺服模具；智能布料机由空中轨道进行布料及振捣作业；由移动平台拖运，依次转入蒸养工序、预应力张拉、成品吊运等；移动平台由垂直轨道的小车搬运至下一轨道，周转一圈，进入工艺流程的起点，即继续做为骨架装配的平台，依次循环。根据上述业务逻辑，确定交互的通讯方式及协议，并针对T梁生产设备的数据连接高通量、低延时的需求，研究了基于5G通讯技术的生产设备接入技术，实现T梁生产设备的数字化全连接。
针对梁场内多类型智能装备，如机器人、数控加工中心、移动平台等多机动态协作控制方面的需求，研发基于边缘计算的具有实时网络接入、统一信息模型、模块化控制、智能化特征的智能控制系统；并根据各子模块间工艺流程关键节点的检测形式及通信方式，制定组态机制。
3.2.2 智能生产线管控与集成系统
建立C50T梁的制备过程报表数据库，搭建实验硬件平台，显示子模块工位的工作状态、现场关键节点的视频等以及各种故障显示和处理机制，接口层支持多种通信协议和接口。其中，T梁制备过程主要节点信息，包括梁体制作及养护、预应力加载、成品梁检验、入库的全过程。体系框架如图3，实现了系统的综合自主控制，形成工业网络环境下的T梁制作成型工艺设计、生产组织、过程控制和质量检测的协同运行与反馈溯源体系及智能生产线管控与集成技术。
3.2.3 基于协作机器人的钢筋骨架智能装配
在钢筋加工方面，建立钢筋骨架BIM模型，完成基于BIM的钢筋深化设计，通过数据接口与全自动钢筋加工机械对接和数据共享，实现设备的自动化生产；实现钢筋构件从信息输入、排产、加工、储存、配送等，进而实现成型骨架的工厂化、专业化和信息化加工。
图2 梁体制作工艺流程
图3 生产线集成管理系统体系框架
研发智能骨架装配安装协作机器人，针对人—机协同装配、多机器人协同装配和柔性作业等工艺开展协同研究，实现自动智能定位、自动3D轮廓扫描识别、自动构件抓取，以及自动连接钢筋施工。协作机器人的应用提高了效率，减少了工人的职业病害，有助于开展应用示范。
3.2.4 智能张拉系统
针对传统智能张拉系统存在设备故障隐患和同步控制质量风险问题，基于现代信息技术，研发了基于伺服控制技术的智能预应力张拉设备，在动力方面，实现压力和流量的精确伺服控制，满足了高压时低速控制的要求，解决油泵的稳定控制问题；在智能传感技术方面，开发了新型夹片回缩量传感器，实现了回缩量自动测量，实现了加载、卸载速度和时间的精确动态调控；在控制系统方面，通过张力传感器及拉线位移传感器精确测量应力及伸长量，实时比对，采用PID闭环控制实现精确控制。提高了张拉控制精度、通过对传感数据的挖掘实现了故障实时自诊断。
3.2.5 智能压浆系统
智能压浆有利于保证预应力筋免受锈蚀，系统具有自动上料、自动称重、自动保压、压浆机部分为连续工作方式，压力无波动，泵送浆体无气泡等特点。分别在管道的进浆口和出浆口设置精密传感器对相关的参数进行实时的监测，通过智能控制，准确控制压力，调节流量，确保压浆饱满和密实；并经无线传输将数据实时反馈，实现预应力管道压浆的远程监控。保证了智能压浆注浆管道的密实度和质量，使梁体结构的安全性和耐久性得以提高。
3.2.6 液压行走伺服模具智能控制
行走整体式液压伺服模板无需拼接，不需要吊装，由液压系统完成合模、开模，为流水线作业创造了条件；模板自动控制系统基于闭环控制理论，采用固高运动控制卡，通过距离传感器，实现模板自动横移和纵移。由轨道、移动平台、模板3部分组成，移动平台设置水平、及竖向液压油缸，分别实现模板的开模合模、及调节模板的高低。采用网络分布式同步控制系统，将多个单缸液压油顶组合成智能液压动力系统，实现模板在平台的精确定位；针对液压模板合模时易造成梁体损害的情况，开发了基于力—位移的精确控制算法，避免了开合模的施工风险；避免了传统模板安装、拆卸时的频繁和大量吊装作业，减少了模板周转量，提高了自动化水平；标准化作业程度高。
3.2.7 混凝土智能蒸养温控系统
对C50T梁进行蒸养，采用闭环恒温控制，在蒸汽养护设备中布置一定数量的温度传感器，实时监测设备的蒸汽温度，并将温度测量值，及流量计测得的回路实时流量数据反馈至温控系统子模块中，与给定温度指令求得温度偏差；运动控制系统根据控制目标，通过伺服电机控制流量智能调节阀控制蒸汽调节，实现PID闭环控制，采用并联校正策略，提高温控系统的准确性和调节的快速性。智能蒸养温控系统的采用，在满足混凝土养护工艺要求的情况下节约燃料，实现绿色制造（图4）。
图4 温控系统控制方框
3.2.8 智能养护系统关键技术
传统车载养护系统属于半自动化，体现在无数据接口，需要人工干预，可拓展性低等方面；地埋管固定喷淋系统在提倡绿色、节能的背景下，需要被淘汰；实现绿色、智能养护是建设行业的社会责任和最新方向。
在针对传统养护系统缺陷深入分析的基础上，确定了由智能小车承载，小车可以无轨行进，全自主化，具备避障功能的技术方案；智能小车具备较强的拓展性，具备统一的数据接口和标准，并对感知系统、注水系统、喷淋系统、动力系统进行了系统集成；并联机械臂可实现自动旋转、升降，不会影响梁的起吊或放置。所开发的自动复位充电系统，及多点注水系统，结合地表传感器的应用，实现了小车可以养护多道梁的性能提升。
3.2.9 自密实混凝土智能布料机
为实现自密实混凝土高品质浇筑。研发了智能布料机，通过传感器（温度传感器、定位仪、激光测距仪等），智能布料机可实现混凝土自动布料、密实检测、自动浇筑以及浇筑速度控制。
3.2.1 0 多功能检测及预应力质量一体化智能检测系统
混凝土多功能无损检测是T梁制作的关键工序，对每一条C50T梁均进行强度和弹性模量等材料参数检测，并将检测参数上传至采集系统，判断是否满足性能要求。
开发了预应力质量检测一体化检测系统，采用AP-SPC在线监控系统实时监控结构张拉施工过程数据，及时判断和评价张拉施工质量。
针对梁体及预应力管道脱空缺陷检测技术难点，研发了阵列式超声波法对预应力管道内的灌浆情情况进行检测，同时可实现精准检测缺陷脱空位置、脱空面积、脱空高度，可视化处理形成二维或三维图像。
4 智能建造发展展望
智能建造在施工建造领域的应用处于快速发展阶段，围绕行业新需求，结合企业核心业务板块，如何利用先进的信息技术及工业装备制造资源，建立有特色的智能建造技术体系是当前面临的核心难题，也是本领域研究发展的趋势。可概括为以下3点：
(1）多种技术的融合集成是发展重点。通过跨学科协作，完善智能建造理论创新。综合运用现代信息技术及人工智能技术，立足机械化与信息化深度融合，构建适用于我国国情的智能建造顶层设计体系及功能架构。
(2）加快多功能智能化装备研发。高技术、高附加值的智能建造装备研发关联到材料、电子、信息、机械等工业方向，尽快开展系列特种智能建造单工序机器人化装备与多功能集成化施工大机装备研发。
(3）完善智能建造施工、验收、工程造价方面各阶段的标准机械化施工流程与工艺，通过现场应用推广进一步形成建造工法。
参考文献
[1] 王同军.中国智能高速铁路体系架构研究及应用[J].铁道学报，2019(1):1-9.
[2] 刘占省.智能建造技术发展现状与未来趋势[J].建筑技术，2019(7):772-779.
[3] 樊启祥，周绍武，林鹏，等.大型水利水电工程施工智能控制成套技术及应用[J].水利学报，2016(7):916-923.
[4] 樊启祥，强茂山，金和平，等.大型工程建设项目智能化管理[J].水力发电学报，2017(2):112-120.
[5] 赵有明.基于BIM技术的智能建造在铁路行业的应用与发展[J].铁路计算机应用，2018(6):1-6.
[6] 刘飞香.铁路隧道智能化建造装备技术创新与施工协同管理展望[J].隧道技术，2019(5):545-554.
[7] 王辉麟.BIM技术在智能高铁预制梁场管理的应用研究[J].铁路技术创新，2019(4):60-64.
