关键词：物联网技术 盾构机 配件管理
一、引言
2013年，国家发展改革委、工业和信息化部、科技部等部门联合印发了《物联网发展专项行动计划》，表明在当前中国经济转型的关键阶段，国家赋予物联网拉动经济增长的重要历史使命。因党中央和国务院对物联网发展的高度重视，物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域得到广泛应用，且应用模式正日趋成熟[1]。
随着建设工程规模的不断扩大和工程技术含量的逐步提高，施工现场人员结构、设备类型、设备数量不断增多。与此同时，随着物联网技术、智慧工地等相关技术的快速发展，物联网技术应用为大型设备管理提供了有效途径。盾构机作为城市地铁隧道工程建设最重要的大型机械设备，盾构机配件的采购费用占设备使用成本比重较大，将物联网技术渗透到配件管理的全范围、全生命周期，必将有效提高配件管理效率，优化配件管理模式，也是保证设备正常运行，节省设备使用成本，提高经济效益的迫切需求。
二、基于物联网技术的盾构配件管理系统设计
物联网是以计算机互联网为基础的，通过RFID射频识别技术、EPC电子产品代码和无线传感器等，使物与物、物与计算机网络相连，从而构成一个超级网络，实现数据的获取、信息的转换、网络的连通、协同工作等功能。对于物联网技术，它分为四层体系结构，从下到上为感知、网络、数据和应用层：（1）感知层：主要功能是物体识别和信息采集。主要构成技术有二维码、识读器、RFID射频标签、GPS等；（2）网络层：主要功能是信息传递和处理。主要内容包括智能处理中心、互联网和通信网络融合、网络管理服务中心等等。感知层获取信息之后，由网络层进行传递和信息处理；（3）数据层：主要用于各类配件相关信息数据的存储、与公司盾构远程监控系统等其它信息系统数据互通以及采集数据的处理分析；（4）应用层：将信息处理分析后进行反馈应用，使信息可以被人们所认识、掌握并被人们改造实践运用[2]。
根据盾构配件管理情况，结合物联网系统结构，设计了如图1所示的基于物联网系统的盾构配件管理系统：
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图1 基于物联网的盾构配件管理创新
1、感知层
感知层是盾构配件管理系统的第一步，也是整个管理系统的基础。感知层主要由配件信息的录入、配件使用监测以及配件状态监测三个部分。如图2所示配件信息的录入主要有三种方式：（1）RFID电子射频标签录入，部分配件带有RFID射频识别标签可以通过识读录入系统；（2）通过条形码或二维码录入，可以通过配件自带或者后期制作的二维码、条件码作为配件的身份标识；（3）建立电子身份标识，对于无法通过前两种方法建立标识的配件，可编制具有唯一性的电子身份标识。通过身份标识后，需建立配件档案信息，档案包括配件的技术参数、价格、购买方式、购买时间、购买人、生产时间、供应商信息、配件类型（事故件、计划件、消耗件）、配件对应的部位、部件零件等级以及配件购买对应的配件计划等信息。
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图2 配件信息录入示意图
配件的使用监测主要指通过加装传感器或者利用盾构机现有的传感器对盾构配件的使用过程参数进行实时监测。
配件进出库管理实行验收负责人制，配件进出库需经过配件管理人员的人脸或指纹识别通过后才具有操作权限。配件进出库前需进行配件验收，配件验收实行责任人制，在配件全生命周期内，验收责任人需对配件验收结果负责。配件出库需配件责任人监督领料人做好出库配件检查，如检查配件不合格或不适用需组织更换，并将详细情况录入系统，由于电子身份标识和电子系统的介入，进出库的管理将更加便捷。
2、网络层
网络层是数据传输的媒介层，主要将感知层采集的数据传输至数据层。主要利用GPRS、WLAN、ZigBee、Profibus、IPIV4等无线或有线数据传输协议，进行数据的传递[3]。
3、数据层
数据层作为系统的数据处理和计算中心的信息中心，通过互联网与各配件仓库的进场库信息感知层相互联系，它主要包括数据库和计算中心两个部分。数据库主要用于各处配件信息的存储，从而达到代替配件台账、配件进出库台账、配件验收台账等纸质资料。从而避免纸质化资料随着人员变动易丢失，纸质化台账编制费时费力、纸质化台账不易动态处理和集中管理等缺点。在数据归集过程中，可逐步优化配件管理系统。例如通过大数据管理可以对配件分类、配件供应商信息、配件技术资料等信息进行归集，可以大大提高系统输入的便捷性，减少操作人员的输入和选择时间。
数据存储只是信息中心的基础功能，而基于大数据的计算分析才是数据管理的重中之重。计算中心主要包括以下几个部分：
（1）配件全寿命周期管理
因为每个盾构配件都具有唯一的身份标识，可以通过系统对配件的全寿命周期进行跟踪管理，杜绝了以往配件自安装以后就不再过问管理的弊端。系统可以跟踪自配件购置至配件被替换或配件消耗完毕的整个生命周期，可自动分析统计不同配件的配件使用寿命，特别对于磨损类配件的寿命管理可以有效考核不同供应商配件的使用成本。
（2）配件对比分析
利用配件管理系统对配件的各类情况进行对比分析：
1）姊妹设备的横向对比
公司保有盾构中有多对姊妹机型，可以通过它们的配件使用情况对比，分析配件使用过程的差异，并深入分析造成差异的原因，为后续使用提供数据支撑。
2）同一设备不同部位的纵向对比
同种配件可能使用于同一设备的不同部位，同理可以通过不同部位的使用情况分析配件使用情况。
3）不同配件供应商的对比
通过不同供应商提供配件的对比，分析各配件的使用寿命、使用效果或性能、购置价格、平均使用成本的信息，为后续配件的使用选择提供依据。
4）不同操作人员的对比
通过对同一设备，不同盾构司机的操作习惯的对比，分析不同配件的使用情况，从而有助于盾构操作人员技能水平的提高。
5）不同施工条件的对比
通过对同一设备在不同地质条件下的配件使用情况的对比，分析不同施工条件下，配件的消耗情况。
6）不同型号设备的对比
通过对同一配件在不同盾构品牌、不同开挖尺寸和不同型号等设备条件下的配件消耗情况对比，从而分析出配件对设备型号的适应性。
（3）维修考核分析
通过维修更换配件使用情况的跟踪分析维修的质量水平，特别是同类设备类似故障的维修，可通过配件使用寿命、使用情况等折射出维修质量水平。例如主轴承的大齿圈按照使用手册或大数据分析经验值，得出可使用8公里，但是实际仅使用5公里便需更换，便可根据结果诊断设备维保工作可能未到位，或可能是设备大修质量不高
（4） 盾构故障预警
各类配件的使用寿命和更换周期都具有一定的数理统计规律可循，通过大数据样本的积累与分析，可以摸清配件使用寿命的规律，从而提前采取预防性措施，合理提报配件计划，提前采取盾构故障停机预防措施，避免或减少盾构故障停机时间。
通过对配件使用寿命规律的分析和配件使用情况的掌握，对可能发生的由配件引起的故障进行报警，并将预警信息推送至管理人员。
3、应用层
（1）供应商信用评价体系
管理平台可以结合供应商供盾构配件使用情况、配件购置价格已经配件管理人员的主观评价，对各类配件供应商进行排名，配件管理小组可以根据配件供应商的评价定期清理不合格、配件供应情况较差的配件供应商。
信用评价体系可对各配件供应商进行综合排名，优秀供应商的信息公开，以便后续配件购买和配件国产化替代，从而减少购置配件和盾构维修的成本和质量，同时也大大减少配件采购人员市场调查的工作量。
（2）配件信息查询
系统可对配件公司、区域及项目三个层级的库存情况进行实时查询，并且可以根据盾构主要部位检索配件入库责任人、入库时间等详细信息。
同一生产区间常存在某一配件各工点均无库存，而有些配件存在配件积压的现象，通过建立区域化配件仓库，结合配件管理系统，可统筹管理区域各工点配件库的配件采购计划，从而在配件快速供应和备件成本控制中找到最佳平衡点。
（3）单价核算
配件管理系统大大提高了配件盘点的效率，通过系统可以盘点库房配件的消耗量、剩余量、分期消耗量、总存量、分类信息等管理信息，并且可以设置系统按期自动盘点配件，自动生成配件库存、配件使用台账。
三、应用效果
通过基于物联网技术的盾构配件管理系统在公司30余项目的试用，总结出以下应用效果：
1、减少盾构机故障停机时间
配件未到位，等待配件约占盾构在故障停机时间中的60-80%，配件管理系统的接入，可有效提高预防性维修的占比，优化配件库存的结构，大大减少了盾构故障停机的时间，提高了盾构设备的施工效率。自盾构配件管理系统使用以来，盾构机故障停机时长已压缩至占盾构每环总用时的1.1%。截至2018年12月份，在盾构机数量增加不到30%的前提条件下， 2018年盾构掘进长度预计将超2017年长度达45%，说明随着基于物联网技术的盾构配件管理系统的使用，有效促进了盾构施工效率的提高。
2、合理配置配件库存，减少了配件积压
通过配件库存的优化，可以有效减少配件库存积压的现象，降低配件购置和存储成本，也可有效避免配件因保存所发生的损坏和损耗。自盾构配件管理系统使用以来，根据配件的分级管理制度和配件采购成本等因素，可以做到区域配件仓库内a类、b类部件的100%供应，c类部件满足区域供应需求，从而使盾构机故障发生时不会因配件等待原因耽误维修时间，并且在保证配件供应的前提下，有限节约了配件库存量，仅杭州片区配件库存节超就达72%左右。
3、配件信息共享，降低市场调查和配件购置成本
在闭塞的市场环境下，配件购置人员需花费大量的物力和人力去进行配件市场调查，并且易购置成本较高或者使用效果较差的配件，通过信息共享可购买使用效果相近的国产化配件等成本较低的配件或者配件性价比大幅提升的配件代替进口配件或价格昂贵的可替代配件，从而在保证使用效果的前提下，节省配件购置和使用费用。在综合分析配件使用效果和采购的前提下，截至2018年12月，节约配件使用费用累计已超130万元，节约率达35%左右。同时优秀配件节约替代方案也可通过管理系统进行信息共享，供后续配件计划的编制中参考。
配件管理系统定期会根据配件使用、配件采购、配件管理人员主观评价等因素自动进行配件供应商选择，从而增加配件供应商的透明度，减少配件采购成本，保证配件供应质量。根据配件供应评价，截至2018年12月，公司已清理不合格供应商3家，并根据评价情况优化了不同供应商的订单量分配和配件购置计划。
4、增加盾构配件的适配度
因具有不同操作人员、不同地质情况、不同盾构机型、不同使用部位等不同施工条件下的对比分析数据，可以分析出不同条件的盾构配件使用参数，从而增加盾构配件在不同使用条件的适配度，增加在不同施工条件下，盾构配件的使用性能和使用成本。
例如，如图3所示通过对某类刀具在不同地质条件下推进长度数据的分析，可以总结出该类刀具的地质适配情况，从而对盾构机刀具选型和盾构适应性分析提供数据支撑。
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图3 边刮刀地质适应性分析示意图
参考文献：
1、绳立成;张颖;王光辉;中国物联网产业集群发展态势分析及路径[J];北京科技大学学报(社会科学版);2010年03期
2、孙其博;刘杰;黎羴;范春晓;孙娟娟;物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J];北京邮电大学学报;2010年03期
3、钱志鸿;王义君;物联网技术与应用研究[J];电子学报;2012年05期
论文作者:丁超
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/22
标签：配件论文; 盾构论文; 管理系统论文; 情况论文; 信息论文; 数据论文; 供应商论文; 《工程管理前沿》2020年第4期论文;