航道整治混凝土预制构件自动化生产技术研究

唐宏观 杨涛 任桂金 王峰 张道荣

摘 要：本文结合当前混凝土预制构件工厂生产现状，提出混凝土预制构件批量自动化生产技术。针对自动化生产中的称重、锅炉监测、安全及故障诊断四个主要方面，设计了相关流程和实现方法，以期为相关企业的安全高效管理提供参考。

关键词：航道整治;混凝土;智慧工厂;应用

中图分类号：U617.8          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）01-0143-03

混凝土块软体排在长江航道整治中主要用于隔离和反滤，進行河床的护底和固滩，能有效防冲刷，且能适应岸坡的沉降变形，具有投资省、工期短、施工维修方便等优点[1]。目前，混凝土联锁块虽然已实现预制场生产，但仍以固定模台、人工操作的生产方式为主，存在生产效率低、自动化程度低、智能化水平低的现状。随着预制构件需求量的增加，传统的生产方式正逐步被智能化设备生产方式所代替[2]。

为实现生产运行最优配置、安全环保管理、质量控制及能耗优化，打造基于新一代依托物联网、大数据、人工智能技术的自动化混凝土联锁块生产线势在必行。本文将从无人值守称重技术、锅炉状态在线监测技术、不安全行为识别技术及智能故障诊断技术四个方面对混凝土预制构件批量自动化生产系统展开介绍。

1技术流程

1.1 混凝土预制构件生产流程

在生产混凝土预制构件之前，技术管理人员需要对产品的应用需求进行全面的考察，制定切实可行的生产方案，包括构件的尺寸、大小、用量等特征[4]。接着按照制定好的生产计划，通过货车将水泥、黄沙、丙纶绳等主要原材料运输到工厂，并通过地泵称重的方式复核后进入仓库。原料准备工作完成后即开始预制构件生产工艺，其主要流程包括：清理模具——喷脱模剂——穿绳——人工布料——人工振捣——自然养护——脱盖模——继续自然养护——脱底模。

1.2 无人值守称重技术流程

初始状态时，无人值守称重系统不间断地对出口地感与入口地感进行检测，如果入口地感触发，则流程开始，如果出口地感触发，则流程终止。但是在一个流程还没终止的情况下，下一个流程不会开始。若流程开始，首先地磅上的RFID读写器开始获取范围内的RFID标签信息;同时，防作弊模块运行，保证车辆完全在地磅上;接着获取车辆的重量，若此时读写器已经成功识别RFID标签，则停止读写器的读取操作，否则继续读取，直到超时;采集的工作完成后，把获取的数据上传到业务系统，等待返回结果并操作，如果可通行，则打印小票并抬杠，否则进入异常情况处理。

1.3 锅炉状态在线监测技术流程

工厂锅炉主要用来产生蒸汽养护混凝土联锁块。合理调配锅炉原料，能够提高锅炉效率，从而有效提高混凝土联锁块的生产质量。

锅炉监测管理的具体流程如下（见图1）：

（1）获取锅炉设置阈值信息及锅炉状态信息;

（2）根据相关算法模型，预判锅炉各状态是否处于正常;

（3）锅炉处于正常状态则正常显示;反之则报警提醒，并自动控制。

1.4不安全行为识别技术流程

依托现有视频监控资源，利用计算机视觉技术，就可以识别工厂生产中不安全行为本文以未佩戴安全帽为研究对象。主要流程如下（图2）：

1.4.1图像预处理

对原始视频资源通过灰度化、滤波、直方图均衡化等处理，减小数据信息量，增强处理效果，提高时效性。

1.4.2获取ROI

ROI通常称为感兴趣区域，也被称为检测区域。由于只对厂区内的人物感兴趣，故可利用ROI处理，将厂区外不感兴趣的图片进行处理。根据ROI确定的厂区边线及划定矩形区域，依据SVM训练库，识别出矩形区域内不佩戴安全帽人员。

根据实验结果，本算法检测精度为95%左右，检测单张图片时间为200ms左右，检测精度较高。

1.5 智能故障诊断技术流程

工厂户外监控科技设施大多为户外设备，数量多、分布广，易受到恶劣环境和人 为破坏，导致系统故障率高、可用性差。因此，故障诊断技术必不可少。智能故障诊断的具体流程（图3）为：①获取设备设置的阈值信息;②获取工厂设备的状态信息;③根据相关算法模型，预判各设备是否处于正常状态;④设备处于正常状态则正常显示;反之则报警提醒，并给出诊断决策。

2技术实现与应用

2.1 无人值守称重技术

2.1.1 FID电子识别

车辆的RFID电子标签可以作为车辆的电子标识。RFID读写器通过地感线圈检测车辆上磅信号，读取RFID车辆电子标识信息，并上传到采集终端软件。

2.1.2红外对射防作弊技术

针对前后轮不完全上磅问题，在磅体前后两端各安装一套红外感应器，红外线设备通过信号线连接到IO设备。只有两对红外感应器都没有被阻挡时，系统才从电子地磅获取有效重量数据。

2.2锅炉状态在线监测技术

2.2.1锅炉运行监测

系统对与锅炉运行相关的温度，压力，流量，液位、电机电流、频率、阀门开度等参数全部检测，并利用计算机完成数据的显示、存储、记录、报警、打印及分析处理。

2.2.2燃烧系统自动调节

为了使炉膛热量达到一定值，保证蒸汽锅炉的蒸汽产量、热水锅炉的出水量与供热量相对平衡，系统会自动调节进入炉膛的煤量和风量，以达到最佳风煤比。

2.2.3蒸汽压力自动调节

针对供热负荷的变化，系统通过计算机调节炉排电机变频器的输出频率，改变炉排速度来改变燃料量，通过调节鼓风电机转速改变送风量，使之达到最佳风煤比，达到锅炉最佳燃烧效果。

2.2.4炉膛负压调节

炉膛负压直接影响锅炉的热效率及锅炉的安全运行，系统通过控制鼓风量的大小来控制炉膛负压产生的扰动。

2.3不安全行为识别技术

本文以Faster R-CNN算法为基础模型，结合多尺度训练和负样本挖掘策略，利用KITTI数据集训练深度神经网络模型，并进行合理的参数调节，把未佩戴安全帽检测问题转换为未佩戴安全帽的二分类问题，解决了光照、目标尺度和图像质量等因素的影响，训练时负样本空间大的问题，进一步提高了未佩戴安全帽检测的效率和精确度。

采用多尺度训练方法，将每张图像设置了3种尺度（768、960、1024），每张图像随机选择三种尺度之一输入进网络进行训练，使得训练出来的模型对目标大小具有一定的鲁棒性。训练的原始数据集为KITTI数据集，该数据集在房地产、土木、港航等场景采集的真实图像数据，每张图像中最多包含15个人。实验中选取了3000张图像，并根据实验需求将其转化为 VOC2012数据集格式进行训练。

根据实验结果，本算法检测精度为95%左右，检测单张图片时间为200ms左右，检测精度较高。

2.4 智能故障诊断技术

2.4.1运行环境保障

实时监控前端机箱内电力、网络、防雷、空开、温湿度、柜门开关、震动、水浸等运行环境状态，具有异常告警功能。

2.4.2在线监测

实时获取布料机、振捣机、蒸汽养护机等机械的状态数据，还实时获取网络交换机、路由器，防火墙等数据，并根据相应的策略，进行在线监测，实现实时掌握各设备和应用系统的状态，确保始终处于安全状态。

2.4.3自动报警

根据在线监测获取的状态信息，并结合设定的阈值，依靠运维管理模型算法，分析所有监测资源的异常事件，并在平台进行告警提醒。

2.4.4自动故障诊断

对于一些常规的异常事件和告警信息，结合专家策略，平台自动生成故障诊断方法，并提供維护技术方案，以达到提升效率的目的。

3结论

在航道治理过程中，混凝土预制构件的应用能够很好地节省施工时间，降低治理成本，提高工程效率。但其当前大量依靠人工值守、监管的生产方式严重影响了其生产工厂的生产效率及生产安全。

本文主要研究航道整治混凝土预制构件批量自动化生产中无人值守称重技术、锅炉状态在线监测技术、不安全行为识别技术及智能故障诊断技术四个关键技术。采取上述多项技术能够显著提升当前混凝土预制构件生产企业的生产、安全、管理水平，提升其市场智能化水平、竞争力、经济效益。

参考文献：

[1] 周生利，张俊峰.混凝土单元排护滩结构在航道整治工程中的应用[J].水运工程，2014（11）：105-109.

[2] 吴杰，朱敏涛，陈兆荣，等.新型预制混凝土构件生产技术研究及工艺装备开发[J].智能制造，2018（12）：42-51.

[3] 杨勇，尹桂平，李结华.模袋混凝土技术在航道岸坡除险加固工程中的应用[J].中国水运，2020 （8）：85-87.

[4] 王利军. 水运工程预制混凝土构件的生产施工与技术管理探析[J].珠江水运，2019（05）：92-93.

[5] 周生利，刘常全，张俊.混凝土单元排护滩结构在航道整治工程中的应用[J].水运工程，2012（10）：102-114.

[6] 中国建筑科学研究院.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7] 张伟.模袋混凝土护坡施工技术在港口航道整治中的运用研究[J].中国水运，2019（09）：89-90.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部混凝土结构工程施工质量验收规范.GB50204-2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2014：34.

[9] 胡国宁， 夏静波， 张树辉，等. 智能布料机控制系统设计与应用[J].建筑标准化，2019，560（12）：7-11.

基金项目：国家重点研发计划专项（2018YFB1600400）