面向船舶分段胎架管理的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建及應(yīng)用

王 瑞，唐明明，劉明志，趙耀榮，周宏根

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

近年來，我國(guó)船舶制造業(yè)發(fā)展迅猛，船舶建造已朝著智能化方向發(fā)展，已能高質(zhì)量建造各類船舶，年造船總量已居世界第一。盡管我國(guó)的船舶建造水平和建造質(zhì)量與以往相比有顯著提升，但在船舶建造過程的信息采集與管理方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定的差距。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)的船舶建造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)仍主要采用人工記錄、人工輸入計(jì)算機(jī)的方式匯總，數(shù)據(jù)誤差較大，信息滯后，利用率較低，造成船舶企業(yè)存在嚴(yán)重的信息孤島問題。因此，對(duì)船舶分段建造過程中的工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和規(guī)范工藝數(shù)據(jù)管理進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)建造過程信息共享，是提高船舶建造信息化水平的重要基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things, IoT）是新一代信息技術(shù)的衍生技術(shù)，因具有智能感知和遠(yuǎn)程通信等特點(diǎn)而在各行各業(yè)得到應(yīng)用。胎架是船舶分段建造過程中應(yīng)用的重要工藝裝備之一，影響著船舶建造的質(zhì)量和效率。本文提出構(gòu)建船舶分段胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的建造信息的實(shí)時(shí)管控。IoT能解決當(dāng)前船舶建造現(xiàn)場(chǎng)胎架實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與管理方面的難題，推動(dòng)船舶制造業(yè)朝著智能化、數(shù)字化和信息化方向發(fā)展。

1 船舶分段胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

船舶分段建造過程中，需要將若干個(gè)胎架移動(dòng)到軌道上的準(zhǔn)確位置，固定胎架并調(diào)節(jié)其支撐高度，再將船舶分段放置在胎架位置點(diǎn)上進(jìn)行裝配焊接等操作，從而完成船舶建造。采用IoT實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶分段建造過程中的分段壓力、周圍溫度、胎架位置點(diǎn)和胎架位移等信息的采集，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息傳輸給系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶建造過程中的胎架建造數(shù)據(jù)的管控。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)是指根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本層次的特點(diǎn)，結(jié)合船舶分段建造現(xiàn)場(chǎng)信息采集與管理的要求，提出“感知-傳輸-分析-管理-反饋”的閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1）。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)管理層組成，其中：數(shù)據(jù)獲取層由多智能感知設(shè)備組成，用于對(duì)建造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括工藝數(shù)據(jù)和胎架運(yùn)行數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的底層；數(shù)據(jù)傳輸層采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)多個(gè)胎架上的多智能感知設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理層，是連接數(shù)據(jù)獲取層與數(shù)據(jù)管理層的橋梁；數(shù)據(jù)管理層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶分段建造胎架工藝數(shù)據(jù)的管控，并通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、位移和速度等數(shù)據(jù)的可視化。下面根據(jù)胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)闡述該系統(tǒng)各層次在船舶建造過程中的應(yīng)用情況。

圖1 胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取層

數(shù)據(jù)獲取層主要用于獲取系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)管理層提供數(shù)據(jù)支撐。通過RFID（Radio Frequency Identification）設(shè)備和傳感器等設(shè)備獲取建造過程數(shù)據(jù)（見圖2），并將其分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其中：靜態(tài)數(shù)據(jù)包括裝焊工藝信息、構(gòu)件屬性信息、胎架信息和其他設(shè)備信息；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括溫度、位移和壓力。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要通過條形掃碼槍掃描條碼標(biāo)簽獲??；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)需采用不同類型的傳感器采集，主要有輪輻拉壓力傳感器、溫度傳感器和拉線位移傳感器。分段外板在建造過程中會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，輪輻拉壓力傳感器采集其在建造過程的壓力變化，根據(jù)壓力變化對(duì)胎架高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，減少外板的變形量。溫度傳感器采集胎架周圍的環(huán)境溫度，時(shí)刻監(jiān)控胎架的工作環(huán)境，為胎架的維護(hù)和保養(yǎng)提供參考。在調(diào)整胎架高度過程中，拉線位移傳感器采集胎架在高度上的位移量，提高高度支撐定位的精度。采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為通信方式，保證信息傳輸?shù)目煽啃?，避免?shù)據(jù)缺失。

圖2 數(shù)據(jù)獲取過程

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸模塊準(zhǔn)確、安全地實(shí)時(shí)傳輸采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收胎架控制指令。本文采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸原理見圖3。由于分段建造過程中的胎架數(shù)量繁多，需采集所有胎架的建造信息，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)。在每個(gè)胎架上布置1個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，以中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)組建網(wǎng)絡(luò)。如果終端采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多，可增加路由器節(jié)點(diǎn)作為終端采集節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的“橋梁”。輪輻拉壓力傳感器、溫度傳感器和拉線位移傳感器采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)最終通過中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸給通信網(wǎng)關(guān)，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。中心控制節(jié)點(diǎn)連接各驅(qū)動(dòng)適配器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過RS485串口將胎架控制指令發(fā)送給中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，中心控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制指令對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)適配器節(jié)點(diǎn)發(fā)出不同的調(diào)整指令，控制胎架運(yùn)動(dòng)。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理

1.2.3 數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸層的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、篩選、分析和挖掘，并將其與應(yīng)用相結(jié)合。對(duì)于采集到的大量數(shù)據(jù)，只有在挖掘、轉(zhuǎn)換、分析、分組和計(jì)算之后才能應(yīng)用。系統(tǒng)軟件動(dòng)態(tài)內(nèi)存按指定頻率讀取串口信息，并將其交由顯示屏和MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫保存。智能胎架系統(tǒng)對(duì)胎架的控制是通過壓力數(shù)據(jù)完成的，將壓力數(shù)據(jù)與本地?cái)?shù)據(jù)庫中的壓力范圍相對(duì)比，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)胎架支撐高度的微調(diào)控制；根據(jù)對(duì)船廠的實(shí)際調(diào)研，船廠往往更關(guān)注冬季和夏季溫度對(duì)分段外板變形量的影響，采集各階段分段的溫度和占胎時(shí)間等信息，并進(jìn)行工時(shí)檢測(cè)，有助于建立分段外板變形的影響模型，為優(yōu)化工藝提供數(shù)據(jù)支撐。此外，良好的人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際建造情況、運(yùn)行數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表生成等功能。

2 船舶分段胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建

2.1 胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取層設(shè)備選型

主控模塊的主要功能有：與其他模塊建立通信連接，組成一個(gè)通信系統(tǒng)總體，完成信息采集、轉(zhuǎn)換和傳輸；控制胎架運(yùn)動(dòng)?？紤]到胎架的工作環(huán)境比較惡劣，主控模塊必須有足夠的穩(wěn)定性，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，故選擇三菱PLC FX2N系列主控模塊。該系列主控模塊具有穩(wěn)定性好、運(yùn)算速度快和體積小等特點(diǎn)，能對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，解決系統(tǒng)軟件無法接收傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)的問題。此外，船舶建造周期長(zhǎng)，占用胎架時(shí)間長(zhǎng)，主控模塊需要長(zhǎng)時(shí)間工作，三菱PLC FX2N系列在使用過程中的功耗較低，能滿足胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的要求。

本文采用的傳感器主要有輪輻拉壓傳感器、拉線位移傳感器和溫度傳感器。輪輻式壓力傳感器選擇型號(hào)為DYLF-102的傳感器，這主要是因?yàn)樵搨鞲衅骶哂锌蛊d、精度高和安裝方便等特點(diǎn)，符合稱重分段質(zhì)量的要求，當(dāng)分段放置到胎架上之后，能檢測(cè)分段放置在胎架上時(shí)的壓力值。拉線位移傳感器的主要用途是采集胎架位移量，提高胎架位移的精度，采用WXY31型號(hào)的傳感器能準(zhǔn)確檢測(cè)胎架的高度，溫度傳感器采用SHT31型號(hào)，所采集的溫度數(shù)據(jù)可供后期胎架維護(hù)和保養(yǎng)參考，同時(shí)為建造過程中的外板變形預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要作用是將數(shù)據(jù)獲取層采集的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)軟件，并傳輸系統(tǒng)軟件下達(dá)的控制指令。本文采用型號(hào)為DRF2659C的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸模塊。該ZigBee采用TI公司的CC2630芯片，運(yùn)算速度比8051內(nèi)核更快，能組成更大、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，滿足分段建造過程中需要傳輸大量數(shù)據(jù)的要求。

在本文的數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)中：終端節(jié)點(diǎn)通電工作之后，加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在ZigBee協(xié)議棧中調(diào)用AF-DataRequest函數(shù)，能通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)之后，將這些數(shù)據(jù)封裝在消息隊(duì)列中，動(dòng)態(tài)地接收壓力、溫度和位移等數(shù)據(jù)，并通過RS485接口將這些數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)軟件。船舶分段胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 船舶分段胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 數(shù)據(jù)管理層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控程序采用工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王開發(fā)，組態(tài)王提供有可視化的監(jiān)控界面，有利于工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但考慮到系統(tǒng)需采集并處理大量數(shù)據(jù)，組態(tài)王在數(shù)據(jù)處理方面不具有優(yōu)勢(shì)。采用高級(jí)語言編程具有可讀性高、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，常用的高級(jí)語言有VC、Java、C#、VB、Pascal和Python等。Python是一種面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)類型語言，具有強(qiáng)大的第三方庫，能大大縮短開發(fā)周期；同時(shí)，具有較強(qiáng)的可移植性，無需過分依賴某種特定的系統(tǒng)。因此，最終選擇采用Python語言進(jìn)行程序開發(fā)。

系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)處理、信息可視化和胎架空間坐標(biāo)等多項(xiàng)功能。在Windows環(huán)境下，采用Python語言，結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成船舶分段建造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖5為智能胎架系統(tǒng)功能選擇界面。

圖5 智能胎架系統(tǒng)功能選擇界面

根據(jù)分段的大小合理地布置胎架的位置，此時(shí)需獲取船體分段信息。掃描船體分段，獲得船體分段的三維模型，由此計(jì)算出胎架最優(yōu)的空間坐標(biāo)，完成胎架智能布置。胎架空間坐標(biāo)計(jì)算界面見圖6。

圖6 胎架空間坐標(biāo)計(jì)算界面

建立單個(gè)胎架的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，查看單個(gè)胎架信息。操作人員通過胎架控制系統(tǒng)軟件發(fā)送命令給指定胎架，對(duì)胎架的位移量和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。胎架定位點(diǎn)和支撐點(diǎn)控制界面見圖7。

圖7 胎架定位點(diǎn)和支撐點(diǎn)控制界面

2.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

以一個(gè)平面投影尺寸為2100mm×1900mm的分段模型為例，對(duì)胎架管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。該系統(tǒng)包含軌道、6個(gè)胎架和布置的傳感器，其中胎架為系統(tǒng)的智能單元，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取層的主要載體。下面對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。

首先建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，包括系統(tǒng)端協(xié)調(diào)器Coordinator，設(shè)置PAN ID為0001，頻道為20，波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無奇偶校驗(yàn)。傳輸模式為透明傳輸，分別設(shè)置6個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，并為每個(gè)模塊設(shè)置自定義地址之后重啟。由于所搭建網(wǎng)絡(luò)的胎架數(shù)目較少，該網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中胎架數(shù)目增多時(shí)，可適當(dāng)增加路由節(jié)點(diǎn)，將其作為長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)收發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

無線網(wǎng)絡(luò)搭建完成之后進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，船舶分段建造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)物搭建場(chǎng)景見圖8。系統(tǒng)運(yùn)行之后由系統(tǒng)軟件發(fā)出控制指令，控制搭載傳感器的胎架在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的壓力、溫度和位移數(shù)據(jù)。當(dāng)人為控制胎架位移量超過閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障警報(bào)，對(duì)應(yīng)胎架報(bào)警燈變紅，提醒操作人員排除故障，停機(jī)檢修。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)船舶分段建造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與管理，節(jié)省人力和物力，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 船舶分段建造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)物搭建場(chǎng)景

3 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合分段支撐胎架，構(gòu)建了一套面向船舶分段建造胎架管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建造過程信息采集、數(shù)據(jù)傳輸和質(zhì)量監(jiān)控等功能。利用多智能感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)了胎架壓力、溫度和位移等信息的實(shí)時(shí)獲取。通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，基于智能胎架系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了建造工藝的實(shí)時(shí)管控，為提升建造過程中的數(shù)據(jù)管理水平奠定了基礎(chǔ)，具有很好的應(yīng)用前景。