**：《混凝土世界》雜誌。
韓東陽1， 沈雪1， 郭潔南1， 劉澤鵬1， 苗雪峰2， 馬餘1， 齊鵬3
1.北京建材行業資訊中心.
2.深圳愛玲網*** 廣東深圳。
3.上海蒙博智慧型物聯網技術 *** 上海.
總結：針對預製混凝土製品（混凝土預製件、PC構件、PC預製構件）生產的各個步驟以及整體廠房系統架構和網路架構的要求，梳理了混凝土製品廠的智慧型化需求，分析了混凝土製品廠工藝智慧型化的必要性以及5G技術在混凝土製品智慧型工廠中的可行性， 並介紹了基於5G技術的混凝土智慧型工廠的系統功能架構和網路架構。針對預製混凝土構件生產過程中各工藝環節提出了智慧型解決方案。 為混凝土智慧型工廠的建設提供了實用參考。
關鍵字：5g；智慧型工廠; 混凝土製品; 混凝土預製構件。
介紹混凝土產品作為建材行業的重要組成部分，廣泛應用於交通（公路、鐵路、機場、橋梁）、礦山、住房建設、軍事和國防工程等眾多基礎設施和工程專案的建設。 近年來，隨著5G和眾多智慧型製造技術在製造業的深入應用[1-2]，建材領域的企業也積極探索轉型[3-8]，混凝土製品企業也與建材領域的其他企業一起積極探索5G和智慧型製造技術在行業的應用。 目前，我國混凝土製品行業政策利好，產品需求量迅速增加，已從過去的建築企業附屬部門逐步成長為乙個獨立的行業，未來發展潛力巨大。
與工業 40、隨著智慧型製造技術的不斷發展，混凝土製品行業的資訊化、網路化、智慧型化發展迅速，近年來國內外科研人員提出了許多相關研究。 杜珂等[9]梳理了裝配構件的生產工藝、行業發展歷程和未來發展方向。 陳峰等[10]** MES和ERP系統在裝配式建築構件生產線中的應用; 朱志華[11]介紹了近年來預製構件新技術、預製構件數位化生產裝置技術、預製構件資訊管理系統技術的發展情況。 Nv Kurakina[12]梳理了歐盟和俄羅斯在該領域現有的端到端數字前沿技術，如CAX、BIM等技術的應用; Sara Reichenbach[13]描述了該領域自動化技術的現狀。 然而，現有研究主要集中在MES、ERP等系統在預製構件生產線中的應用，以及預製構件與BIM技術相結合，使安裝過程更加智慧型化，以提公升整體效率為目標，針對整個生產工藝鏈的智慧型化解決方案和行業內關鍵智慧型製造技術的研發和應用尚有所欠缺。
本文基於混凝土製品行業智慧型化需求，闡述了混凝土製品生產工藝的現狀和工廠的智慧型化需求，提出了混凝土預製構件智慧型工廠的設計原則，設計闡述了混凝土預製構件完整智慧型工廠的完整功能架構; 為基於5G各環節智慧型方案的混凝土裝配構件產品企業智慧型工廠建設提供參考。
1 混凝土製品廠的智慧型化要求及設計原則
1.1、混凝土製品生產過程智慧型化的必要性
不同型別混凝土製品所用的工藝會略有不同，本文僅以混凝土件的生產為例，介紹其一般工藝。 混凝土零部件生產的一般工藝流程包括混凝土準備、模具組裝、鋼筋和網安裝、混凝土澆築、養護、脫模和吊裝、成品驗收、倉儲等，如圖1所示。
圖1 一般生產流程。
基於上述流程和步驟，混凝土製品廠智慧型化公升級改造的必要性包括：（1）通過各環節的智慧型化改造公升級，提高生產效率，減少成品，增強市場競爭力; （2）實現生產線柔性化生產，快速滿足市場需求; （3）進一步提高裝置聯網程度，實現裝置實時狀態獲取，降低維護難度; （4）通過智慧型系統實現安全生產監控，減少安全隱患; （5）通過對智慧型系統產品的實時質量檢測，確保產品質量。
針對上述需求，本文將構建一整套基於5G的具體產品智慧型工廠解決方案，包括智慧型工廠整體架構的設計和產線自動化、資訊化、智慧型化的改造，從而實時獲取生產裝置狀態，連線各種隔離流程和資料孤島， 為行業智慧型工廠的進一步發展奠定基礎。
1.2 5G技術在混凝土產品智慧型工廠中的可行性同時，5G與雲計算、邊緣計算、大資料、人工智慧等技術的深度融合，使其成為各行業數位化轉型的關鍵基礎設施之一。 5G技術彌補了傳統工業無線速度低、覆蓋範圍小、可靠性差等缺點，成為工廠裝置頻繁移動、生產環境惡劣等場景下裝置連線的首選，成為工業網路的重要組成部分。 工廠內5G網路建設模式有三種：（1）虛擬專網模式。 基於公網，通過網路切片、定製DNN等技術，為企業提供差異化的網路連線服務。 在這種模式下，基站和核心網在工廠和公網使用者之間共享，5G裝置部署在運營商的機房，工廠業務資料和5G控制面信令將離開工廠園區，適合對時延和私隱要求不高的使用者。 （2）混合專用網路模式。 基於公網，將5G使用者面功能裝置的UPF部署到工廠，實現工廠資料的本地解除安裝，從而達到資料不出廠園區，支援時延敏感業務的目的。 在這種模式下，工廠和公網使用者共享基站和核心控制面的功能，因此5G控制面信令將離開工廠園區。 適用於對延遲和私隱要求較高的使用者。 （3）5G本地網路模式。 它是與公網完全隔離的獨立物理專網，5G網路的所有裝置，包括基站、傳輸網路、核心網，均獨立部署在工廠內。 非常適合對高延遲和資料私隱要求或希望完全控制其網路的使用者。 在這種模式下，使用者一次性投資建網，未來無需支付資料傳輸費用。 5G 本地網路提供商通常提供簡單易用的配置和維護介面，可供工業使用者操作。 這種模式通常採用定製化的輕量級核心網，及時滿足工業使用者的個性化需求。 德國、日本、南韓等國家紛紛為垂直行業分配了專門的5G專網頻段，建設自己的5G專網，形成了與運營商網路共存的多形態格局。 通過5G本地網路，工廠內具有自主可控安全性、自主可控成本、自主可控能力的專網，逐漸成為工業使用者的選擇。
由於應用場景廣泛，具體產品對不同企業智慧型工廠的時延和資料私隱有不同的要求，可以根據自己的具體需求選擇合適的網路建設模式。
1.3 預製混凝土構件智慧型工廠設計原則基於以上對裝配式混凝土構件工廠智慧型化要求的描述和5G預製混凝土構件智慧型工廠應具備的特點，以及GB T 37393-2019《數位化車間通用技術要求》的要求，本文提出5G裝配式混凝土構件智慧型工廠的建設原則如下： （1）滿足混凝土製品廠在裝置、生產工藝、產品和管理等方面的全方位智慧型化需求，保證可擴充套件性;（2）採用智慧型化生產裝置，實現更高效、更高質量的生產; （3）在合規條件下，運用智慧型技術和裝置，實現脫工、節約成本、提高效率; （4）基於工業5G現場網路，實現工廠全流程一體化; （5）構建基於智慧型裝備和系統的智慧型工廠管理，逐步實現具體產品智慧型工廠的精益化、敏捷化管理。
基於以上原理，混凝土製品行業智慧型工廠的整體功能框架如圖2所示，在系統層面縱向完成各模組的資料互動，在橫向完成生命週期各環節的系統整合。
圖2 整體功能框架。
裝置設施層：包括與5G模組整合的混凝土產品生產智慧型裝置，如模具臺、擺渡裝置、拆封裝置、噴塗裝置、貼片機、工業相機、工業機械人等，以及資訊基礎設施、通用計算基礎設施等。
感知控制層：SCADA等控制系統、邊緣計算平台、控制優化系統等。 負責採集混凝土製品廠的物料、倉庫、模具表、工藝、工藝路徑、生產線等資料，通過資料融合和平台通訊，將資料傳輸到相應的智慧型生產層功能模組或工業應用軟體。
智慧型生產層：包括以MES或MOM為核心的混凝土產品工廠智慧型化，實現基礎資料管理、專案管理、生產訂單管理、原材料管理、質量管理、生產計畫管理、生產績效管理、堆場管理等關鍵應用場景，實現高效、優質、低成本生產。
精益管理層：包括採購層、銷售層、客戶層、碳資產管理層等，結合業務分析工具，幫助具體產品工廠做出智慧型決策。
敏捷服務層：包括混凝土製品原材料第一鏈協同、靈活定製等，加速工廠將生產優勢輸出輻射到混凝土製品行業。
2 基於5G的裝配式混凝土構件的智慧型工廠系統架構
本文提出的基於5G的裝配式混凝土工廠的系統架構分為以下三個部分：（1）物聯網工業裝置。 包括生產線的各種智慧型生產裝置，如布料機、各種機械手、各種感測器、用於運輸零部件的自動運輸車等; 它還包括為支援智慧型製造而部署的附加裝置，例如攝像機、工業相機、RFID 標籤閱讀器等。 工業裝置可以嵌入5G模組接入5G網路，但目前此類裝置相對較少，大多數情況下，工業裝置通過外部5G終端實現5G網路接入。 （2）工業5G現場網路。 它由5G終端、5G接入網、5G核心網、5G網管等部分組成，基於5G本地網路建設模式，將5G核心網控制面和資料面功能以虛擬化和微服務的形式部署，並存在於各程序環節的邊緣計算中心。 5G核心網的各個元件也是本地5G工業網路的一部分。 根據現場條件和應用場景，可部署室內小站或室外巨集站。 5G網路至少應具備以下能力：1）5G網路應完全覆蓋工廠內的業務區域;2）5G網路應確保業務處理能力滿足高峰期業務需求;3）5G網路應保證網路各項業務的效能要求;4）5G網路應保證5G終端在網路覆蓋區域內移動時保持業務連續性;5）5G網路應確保敏感資料不離開工廠區域;6）5G網路應確保通訊過程中的安全;7）應提供易於操作的圖形化維護介面。（3）部署在雲端的工業邊緣智慧型中心。 基於邊緣計算平台，部署虛擬化的5G核心網功能和各種工業應用。 邊緣智慧型中心基於虛擬機器、容器等微資料中心的超融合架構，以及本地化5G網路接入能力的構建，工業邊緣智慧型中心可部署雲端，形成基於5G本地網路的ICT和OT融合解決方案。
3 基於5G的裝配式混凝土構件智慧型工廠生產過程智慧型化
混凝土預製構件智慧型工廠的智慧型生產過程涉及模具平台的流量跟蹤、模具的裝配、鋼筋和網的安裝、混凝土澆築模組、養護、脫模和吊裝、質量檢驗、成品的入庫、安全監控等過程。
3.1.模具工作台流量跟蹤在模具臺的側面布置RFID電子標籤，並在每個工位布置RFID標籤閱讀器。 RFID標籤閱讀器通過5G終端裝置連線到5G網路。 當模臺流向相應的工位時，RFID標籤閱讀器讀取標籤ID，通過5G網路上報給上位機，然後通知MES，以便MES掌握特定產品在生產過程中的位置。 如圖 3 所示。
圖3 模具流量跟蹤功能。
3.2.模具組裝通過5G網路，連線模臺清洗站的模具工作台清洗機械手、模具工作台放置機械手、模具工作台噴塗機等裝置，實現噴塗、模具工作台清洗等狀態資訊的傳輸和後續工藝切換的觸發。 如圖 4 所示。
圖4 模具裝配功能。
3.3.鋼筋和網的安裝當模臺流向鋼筋網放置工位時，模盤迴圈跟蹤系統掃瞄模盤編號，MES根據訂單通過5G網路通知DCS，指示機械手根據訂單的加固要求在模具中布置鋼筋網。 安排完成後，機械手通過5G網路向DCS傳送完成訊息。 如圖 5 所示。
圖5 鋼筋和網狀安裝功能。
3.4 混凝土澆築模組貼片機通過5G網路連線DCS和MES，在混凝土澆築站上方布置工業攝像頭和光源，在邊緣計算平台上部署織物質量檢測應用。 工業相機通過5G網路連線到織物質量檢測應用和DCS。 如圖 6 所示。
圖6 混凝土澆築模組的功能。
3.5 固化環境監測裝置通過5G網路將環境監測資料上報給部署在邊緣計算平台上的上位機，上位機軟體儲存環境資訊，呼叫邊緣計算平台提供的資料分析，對業務計算需要採取的行為進行處理，然後指示DCS對環境控制裝置進行精準控制，穩定維護環境通過5G網路。如圖 7 所示。
圖7 維護功能。
3.6 脫模和提公升壓板開啟裝置和板公升降機通過5G網路連線到DCS。 MES通過5G網路控制編碼裝置。 零件維護完成後，DCS通過5G網路指示平板開模器拆模，平板開孔裝置完成後通過5G網路反饋給DCS。 DCS控制公升降機通過5G網路提公升零件。 MES生成程式碼並控制編碼裝置對零件進行編碼。 如圖 8 所示。
圖8 脫模和提公升功能。
3.7.質量檢驗工業相機對待檢測的零件進行拍照，並通過5G網路將其傳送到智慧型質量管理應用程式。 智慧型質檢管理應用對採集到的影象進行分析，並輸出質檢結果。 智慧型質檢管理應用可以檢測零件的尺寸，包括長、寬、截面高度、對角線長度等指標，並通過零件的外觀質檢，基於不良品的全流程生產工藝引數，結合人工智慧演算法，可以預測故障點，及時解決問題， 並避免再次出現產品缺陷。如圖 9 所示。
圖9 質量檢測功能。
3.8.成品入庫在物流運輸裝置上安裝定位裝置，在邊緣計算平台上部署位置跟蹤管理應用程式。 當零件入庫時，MES將零件的起始位置資訊和目標位置資訊傳送到位置跟蹤管理應用程式。 位置跟蹤管理應用程式控制物流運輸裝置將零部件運輸到指定位置，實現自動化運輸。 定位裝置通過5G網路定期向位置跟蹤管理應用上報坐標資訊，使定位跟蹤應用實時掌握物流運輸裝置的位置。 如圖 10 所示。
圖10 成品入庫。
3.9 安全監控高畫質攝像裝置通過5G網路將模具車、渡船、窯車等裝置的執行狀態實時傳輸到邊緣計算平台到安防監控應用，通過人工智慧演算法準確識別模具車、渡船車和窯車的碰撞脫軌情況，並及時通知DCS，控制產線停機，避免生產事故。
4 基於5G的預製混凝土構件智慧型工廠建設的具體建議
以5G、邊緣計算、人工智慧為代表的新一代ICT技術融入具體產品生產過程，將為行業轉型公升級帶來強勁動力。 目前，這種整合還處於起步階段，也需要行業各方密切合作，在實踐中積極探索，共同推動行業健康發展。 針對未來2-3年產業發展的關鍵時期，建議如下：（1）製造商、解決方案提供商和研究機構應緊密合作，探索創新應用場景，在生產上創新，以創新促生產。 （二）建立標桿企業和標桿應用，形成示範效應和帶動效應，加快成熟場景和方案的落地和推廣。 （三）加快標準化工作，以標準推進推廣。
結論
5G和智慧型製造技術的深入應用將是混凝土裝配構件工廠發展轉型的重要里程碑之一。 5G時代，混凝土製品行業將全面公升級，以5G為核心的融合創新將成為我國混凝土製品行業高質量發展的強大動力和有力支撐。
引用