基于Web的船廠能耗管理系統(tǒng)設(shè)計

黃凱 徐軼群 黃龍 郭勇川

摘 要：船廠能耗管理系統(tǒng)設(shè)計有助于解決船廠能耗利用率低、管理粗放等問題，對船廠實現(xiàn)精細化管理、節(jié)能減排、降本增效有著十分重要的意義。文中設(shè)計了基于Web的船廠能耗管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，利用3G通信技術(shù)或無線通信技術(shù)，實時將船廠能耗數(shù)據(jù)遠傳至云端數(shù)據(jù)中心，管理者可通過Web瀏覽器在線實時監(jiān)測船廠造船流程各車間能耗數(shù)據(jù)，為管理人員分析耗能情況、實行人員設(shè)備調(diào)度提供有力的數(shù)據(jù)支撐，提高了船廠生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。本系統(tǒng)響應(yīng)了國家低碳經(jīng)濟和綠色造船戰(zhàn)略的號召，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：船舶建造；Web；船廠能耗；管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-06

0 引 言

船舶工業(yè)是先進裝備制造業(yè)的重要組成部分，是展示強大的國民經(jīng)濟和先進國防科技工業(yè)的重要標志。國務(wù)院在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》中明確了我國能源發(fā)展要調(diào)整優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變能源消費理念，強化工業(yè)、交通、建筑節(jié)能和需求管理，重視生活節(jié)能，切實扭轉(zhuǎn)粗放用能方式，不斷提高能源使用效率。船舶工業(yè)作為能源消耗大戶，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，強化創(chuàng)新驅(qū)動是船舶工業(yè)完成轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)由大做強的必經(jīng)之路。文獻[1]提出基于準時化的生產(chǎn)方式，通過收集設(shè)備及人員能力數(shù)據(jù)得出優(yōu)化工序，進而提高生產(chǎn)效率；文獻[2]引入智能制造概念，結(jié)合智能應(yīng)用技術(shù)，驗證物聯(lián)網(wǎng)對提高船廠生產(chǎn)效率的作用，為船舶工業(yè)由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變提供了思路；文獻[3]基于RFID無線射頻技術(shù)和條形碼技術(shù)等采集技術(shù)，研發(fā)了一套信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶分段建造數(shù)據(jù)信息完整化；文獻[4]借鑒舾裝托盤集配管理模式，建立精細化托盤集配送管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備的最優(yōu)配置，降低了造船周期與成本；文獻[5]闡述了船廠能耗最多的電力損耗，在變壓器經(jīng)濟運行、控制功率因數(shù)、線損管理和用電設(shè)備等方面提出了可行的節(jié)能措施。大量研究者通過借鑒國外先進的管理模式，改良了工藝流程，提高了建造標準與精度，使船舶行業(yè)在轉(zhuǎn)型升級中取得了可喜成就，但放眼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與耗能情況相結(jié)合等方面，實現(xiàn)對船廠降本增效的研究還不夠深入。

本文船廠能耗設(shè)計開發(fā)基于Web開發(fā)船廠能耗管理系統(tǒng)，將當前先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于船廠能耗管理中，充分利用互聯(lián)網(wǎng)高效傳遞、全面感知和智能處理的優(yōu)點，將船廠現(xiàn)場管理與能耗管理相結(jié)合，形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，使船廠管理人員能夠?qū)崟r、全面地掌握能耗動態(tài)。在為船廠能耗管理決策提供數(shù)據(jù)支持的同時，實現(xiàn)了船廠能耗管理的信息化，從而達到節(jié)能減排、降本增效的目的。

1 船舶建造生產(chǎn)模式和能源管理現(xiàn)狀分析

1.1 船舶建造生產(chǎn)模式

船舶建造是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，涵蓋多種專業(yè)技術(shù)，包容性強。現(xiàn)階段我國大多數(shù)船廠為提高生產(chǎn)效率，都已采用現(xiàn)代化造船模式。通過應(yīng)用成組技術(shù)原理，以中間產(chǎn)品為導向，把船體建造、區(qū)域曬裝、區(qū)域涂裝及曬裝件的加工等作業(yè)統(tǒng)籌合理安排，實現(xiàn)均衡、連續(xù)地總裝造船。殼、曬、涂一體化作業(yè)總裝造船模式[6]如圖1所示。

在現(xiàn)代造船模式下，船舶制造是一個面向中間產(chǎn)品的制造過程。中間產(chǎn)品由零部件按各種方法組裝而成，低一級的中間產(chǎn)品與零件加工組裝生產(chǎn)為另一個中間產(chǎn)品，然后再將大量中間產(chǎn)品（分段）通過組裝形成現(xiàn)代化船舶。每一級中間產(chǎn)品都具有相對的獨立性和完整性[7]。圖2所示為現(xiàn)代造船工程生產(chǎn)組織流程。

中間產(chǎn)品的制造來自不同的車間，有些甚至是幾個車間的組合。船舶制造過程中的車間類別繁多，一般包括鋼板預處理車間、切割加工車間、平面分段車間、曲面分段車間、總組車間、船臺、船塢等，每類車間在船舶制造過程中起到不同的作用。原材料通過不同車間的相應(yīng)處理，經(jīng)過除銹、校正、切割、裝配、焊接、預曬裝、涂裝等工藝流程，形成平直分段或曲面分段，分段再組合成總段，然后將完成的分段、總段送至船臺進行吊裝搭載成船[6]。分段加工流程如圖3所示。

1.2 船廠能源管理現(xiàn)狀

經(jīng)過“十二五”期間的大力發(fā)展，我國船舶制造業(yè)規(guī)模躍居世界第一，實現(xiàn)了對日韓的超越。但與許多行業(yè)類似，船舶制造業(yè)依然存在“大而不強”的問題，尤其管理模式相對簡單，信息化水平較為落后，先進節(jié)能應(yīng)用的開展缺乏基礎(chǔ)性條件支撐，具有明顯的粗放式增長的傳統(tǒng)特征[8]。目前，船廠能耗管理中存在的問題主要有以下幾點：

（1）船廠耗能主要以電、燃氣、CO2為主，同時還大量消耗蒸汽、水、O2等資源，能源品種多，管理難度大[9，10]。盡管造船工藝實現(xiàn)了流水線作業(yè)，但仍有不少工序交叉作業(yè)，給能源的精確使用與管理帶了諸多困難。船廠能耗比例分布情況如圖4 所示。

（2）船廠決策人員對能耗管理的認識理解不夠深入。絕大多數(shù)船廠為了降低船廠成本開支，越來越重視發(fā)展節(jié)能降耗技術(shù)，但對能耗的實際情況了解不夠深入，對節(jié)能降耗沒有真正地重視，僅僅偏重于對技術(shù)層面的改良，缺乏對管理層面節(jié)能的挖潛。

（3）船廠能耗數(shù)據(jù)采集自動化水平落后。大部分船廠的現(xiàn)有計量儀表多為機械表，計量誤差過大，缺乏電流、電壓、負荷率、功率等實時數(shù)據(jù)，船廠分析報表大多由人工統(tǒng)計制作，工作量大、效率低，數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度低，能源數(shù)據(jù)分析方法單一。

不同于傳統(tǒng)企業(yè)生產(chǎn)過程中工藝、流程的固定單一，船廠能耗的特點決定了船廠能耗的管理模式不同于傳統(tǒng)工業(yè)。同時，船廠能耗不只是資源和設(shè)備的消耗，車間一線工人的操作和作業(yè)習慣也與能源損耗存在較大關(guān)系，加大了船廠能耗的管理難度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

船廠能耗管理系統(tǒng)的功能實現(xiàn)依賴于軟件和硬件兩部分，兩者相輔相成，協(xié)同工作[11]。用符合多協(xié)議的智能化數(shù)顯儀表取代船廠原有計量儀表，依據(jù)功能需求對車間現(xiàn)場完成傳感器改造，借助有線或無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳輸需求，通過能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠程抄表，配備滿足大量能耗數(shù)據(jù)儲存的數(shù)據(jù)庫完成后臺搭建。船廠能耗管理系統(tǒng)由能耗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船廠能耗管理在線平臺架構(gòu)三部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

（1）能耗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：首先利用智能計量表采集能耗數(shù)據(jù)，通過RS 485總線直接將數(shù)據(jù)上傳到能耗采集網(wǎng)關(guān)，能耗采集網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析處理后打包發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)，然后由數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)的能耗管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，最后將處理后的結(jié)果呈現(xiàn)給能耗管理部門。

（2）通信系統(tǒng)：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能是實現(xiàn)能耗信息的傳輸以及采集命令的接收，是實現(xiàn)車間現(xiàn)場工作和管理人員信息共享、人機交互的橋梁[12]，提供有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種方式，可根據(jù)船廠和車間現(xiàn)場實際需求選配合適的通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）船廠能耗在線管理系統(tǒng)平臺：該平臺的主要功能是接受從船廠車間發(fā)送的采集到的水表、電表等各類數(shù)據(jù)，對各車間的數(shù)據(jù)進行類比分析，以直觀的圖表形式（如柱狀圖、折線圖、扇形圖等）向客戶展示，便于客戶查詢相關(guān)情況。

3 系統(tǒng)硬件選用

本實驗室自主研發(fā)的能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)具有時鐘讀寫、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳等功能，滿足實驗要求，在網(wǎng)關(guān)現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)上通過C語言編寫了適用于船舶制造業(yè)等離散型行業(yè)在惡劣工況條件下與底層計量表的通信程序。

3.1 能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)簡介

能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)帶有GPRS控制器（帶SAM），具備與安全認證模塊間的數(shù)據(jù)傳輸接口和能力，自帶FALSH，將記錄保存在FLASH中，并通過GPRS上傳到中心。能耗數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)規(guī)格見表1所列。

其中，工作溫度為-20℃～55℃，相對濕度為20%～90%RH；工作溫度為-20℃～60℃；工作電壓為DC 12～DC 24 V，輸入電源為DC 12～DC 24 V，0.5 A。電路板實物圖如圖6所示，接口示意圖如圖7所示。

3.2 能耗網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計

能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)基于IAR Embedded Workbenchfor集成開發(fā)環(huán)境。使用過程中可以模擬任何ARM 內(nèi)核、外部設(shè)備，即使在中斷的軟件運行環(huán)境下仍可通過EWARM操作，且無需硬件支持就可完成。能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)使用C語言開發(fā)[13]，通過相應(yīng)程序編寫，可實現(xiàn)在船廠車間工況下的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)傳輸功能，網(wǎng)關(guān)中程序main（）函數(shù)流程如圖8所示。

3.3 能耗數(shù)據(jù)采集終端實地測試

實地測試的目的是檢測整個網(wǎng)關(guān)程序開發(fā)是否有效，將具有通信功能的流量計與能耗網(wǎng)關(guān)相連接，配置IP地址和端口參數(shù)，連接本地有線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)可以將XML文件的數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠端服務(wù)器，同時數(shù)據(jù)庫錄入相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖9、圖10所示。

4 船廠能耗管理系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)

船廠能耗在線開發(fā)環(huán)境的搭建主要包含三個部分，通過在個人電腦上開發(fā)語言環(huán)境、安裝與配置，即可完成在線管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)。本系統(tǒng)以Windows操作系統(tǒng)，Tomcat服務(wù)器，MySQL數(shù)據(jù)庫為環(huán)境，基于SSH框架開發(fā)。采用Java語言作為系統(tǒng)軟件的開發(fā)語言，選用MyEclipse作為系統(tǒng)軟件的開發(fā)工具。通過上述開發(fā)框架，不僅可以做到業(yè)務(wù)層和持久層分工協(xié)作，而且真正實現(xiàn)了MVC模式，即模型、視圖、控制器的徹底分離。如果對視圖層網(wǎng)頁進行修改，只需要在模型層做微量調(diào)整，不會對其他結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生影響，在提高項目可重復利用率的同時，降低了各層之間的耦合度，也有利于開發(fā)人員提高工作效率。軟件運行原理圖如圖11所示。

4.1 系統(tǒng)網(wǎng)站功能實現(xiàn)

建設(shè)船廠在線能耗管理平臺有助于船企清晰掌握本企業(yè)的能耗結(jié)構(gòu)，進行能耗數(shù)據(jù)行業(yè)對標，合理分解節(jié)能指標；登錄用戶界面可以實現(xiàn)船廠車間及設(shè)備的相關(guān)管理，隨時查看各車間和主要設(shè)備的能源使用數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化動能調(diào)度；能耗數(shù)據(jù)自動歸檔，船廠還可根據(jù)需求詳查能源使用過程數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，以不同的報表形式呈現(xiàn)，方便客戶查詢；從系統(tǒng)軟件的安全性出發(fā)，對登錄用戶實行權(quán)限分配。能耗管理系統(tǒng)功能如圖12所示。

4.2 首頁

輸入能耗系統(tǒng)網(wǎng)址local host：8081/ship進入系統(tǒng)首頁，首頁是系統(tǒng)的登錄頁面，包括用戶名、密碼。當用戶名、密碼和后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相同時，即可進入系統(tǒng)主頁面，否則登錄失敗。系統(tǒng)登錄頁面中管理員類Admin Action 繼承Struts的Action Support類，調(diào)用Admin Service中的Login方法，Admin Service調(diào)用Admin Dao中的Login方法，Admin Dao通過Hibernate完成數(shù)據(jù)庫訪問，查找數(shù)據(jù)庫中管理員的實體信息。若查詢存在，則返回至input視圖，登錄成功；若查詢不存在，則返回至error視圖，提示用戶名或者密碼錯誤。系統(tǒng)首頁如圖13所示。登錄功能主要實現(xiàn)代碼如下：

public class admin Action extends Action Support{

//請求數(shù)據(jù)庫中的admin表數(shù)據(jù)封裝

private Admin admin；

public Admin get Admin（） {

return admin；}

public void set Admin（Admin admin） {

this .admin = admin；}

//調(diào)用service方法

private admin Service admin service= new admin Service（）；

public String login（）{

try {

Admin user Info=admin service .login（admin）；

//判斷是否登錄