無(wú)線通信技術(shù)在造船廠的應(yīng)用

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

由于造船廠占地范圍大，環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，不可能完全通過(guò)鋪設(shè)光纜等有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)收集重要的生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信具有覆蓋面大，布置靈活便利，實(shí)時(shí)響應(yīng)等造船廠所需的特點(diǎn)。無(wú)線通信技術(shù)安全性、抗干擾性、移動(dòng)性好的優(yōu)勢(shì)，而成本卻逐年遞減，給造船企業(yè)的信息化建設(shè)帶來(lái)了很好的發(fā)展契機(jī)。

目前已經(jīng)有部分造船企業(yè)在局部區(qū)域運(yùn)用了無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，但仍然有很多重要區(qū)域仍然是信息盲點(diǎn)，為了打造整個(gè)船廠的信息一體化工程以服務(wù)于商業(yè)運(yùn)作，有必要構(gòu)建覆蓋全廠區(qū)的無(wú)線通信平臺(tái)。

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的選擇和部署

當(dāng)前流行的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有3G、Wi-Fi和WiMAX三種[1-3]，比較見(jiàn)表1。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)比較

當(dāng)然考慮到成本因素和某些特殊需求，可以在把WiMAX作為主干無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將Wi-Fi部署到局部分支區(qū)域，這樣并不影響整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用。

WiMAX無(wú)線接入系統(tǒng)主要由中心站和客戶端兩部分組成。WiMAX中心站設(shè)備為二層設(shè)備，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口與交換機(jī)相連，客戶端通過(guò)無(wú)線信號(hào)與中心站相連，客戶端下連數(shù)據(jù)設(shè)備提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。根據(jù)廠區(qū)的范圍和實(shí)際需求，將在企業(yè)完成WiMAX網(wǎng)的部署。在船廠主辦公樓樓頂安裝一臺(tái)中心站設(shè)備，并在廠區(qū)各個(gè)地點(diǎn)安裝CPE遠(yuǎn)端站。根據(jù)基站的總接入速率情況，選定3種類型(1D、4D2V、和NG-4D1W)CPE遠(yuǎn)端站應(yīng)用于該系統(tǒng)。

2 WiMAX網(wǎng)絡(luò)特性

1)保證基于WiMAX網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)易于擴(kuò)容。

2)應(yīng)該能夠使用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型，分層和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3)應(yīng)該能夠滿足多種形式回程連接要求，例如，有線、無(wú)線不同時(shí)延的回程連接。

4)應(yīng)該能夠支持設(shè)備的平滑擴(kuò)容，同時(shí)隨著用戶的增長(zhǎng)和每個(gè)用戶的IP業(yè)務(wù)的增加，分階段地引入IP業(yè)務(wù)。

5)能夠同時(shí)適用具有不同覆蓋能力和容量的基站設(shè)計(jì)。

由于WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性將對(duì)船廠無(wú)線運(yùn)用效果起到重要影響作用，所以在使用過(guò)程中需避免三種干擾。

1)系統(tǒng)內(nèi)部干擾。發(fā)射機(jī)的非線性會(huì)產(chǎn)生帶外干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾；如果相鄰扇區(qū)使用相鄰的頻率，會(huì)出現(xiàn)鄰頻干擾。通過(guò)設(shè)備自身濾波器就可抑制帶外干擾；WiMAX系統(tǒng)本身頻點(diǎn)較少不會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾；通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)功率控制功能及濾波器可抑制阻塞干擾；通過(guò)頻率和極化隔離手段抑制鄰頻干擾。

2)相鄰系統(tǒng)間的干擾。由于中心站的頻率復(fù)用會(huì)造成同頻干擾。同頻干擾主要取決于系統(tǒng)的載干比指標(biāo)，對(duì)使用相同頻率的站點(diǎn)可以使用距離隔離和方向隔離等手段，并通過(guò)調(diào)整扇區(qū)天線的方位角、俯仰角以及利用控制扇區(qū)的覆蓋范圍等措施來(lái)抑制同頻干擾。

3)系統(tǒng)外部的干擾。主要來(lái)自于其它頻譜的相鄰頻點(diǎn)的干擾。這類干擾需要進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，盡量在重疊的區(qū)域，采用相隔較遠(yuǎn)的頻段，優(yōu)先使用非相鄰的頻點(diǎn)，相鄰載頻采用不同極化方式，中心站和客戶端嚴(yán)格控制其發(fā)射功率等措施抑制干擾。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

由于船廠環(huán)境具有相當(dāng)?shù)奶厥庑裕獙?shí)現(xiàn)敏捷化造船和真正意義上的整體信息化，在實(shí)時(shí)信息運(yùn)用方面企業(yè)主要面臨數(shù)據(jù)及視頻通訊、后勤供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理和安全控制的問(wèn)題。通過(guò)WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為主的一系列技術(shù)可以很好地解決這些問(wèn)題。

3.1 數(shù)據(jù)通信應(yīng)用

船廠占地范圍大，員工人數(shù)多，巨大而復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)等因素往往造成車間、船塢、船內(nèi)等特殊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)連接率較低，海試過(guò)程中如果想使用網(wǎng)絡(luò)也會(huì)受到諸多限制。目前船廠一般使用耐用型PDA和帶有2 G/3 G功能的調(diào)制解調(diào)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。該類設(shè)備有帶寬小、網(wǎng)絡(luò)易延遲和中斷、費(fèi)用較高等缺點(diǎn)，所以造成應(yīng)用范圍有限且利用率較低，很難達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的要求。為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題必須擴(kuò)大無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高通信的效率和質(zhì)量，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)通信。

使用支持WiMAX技術(shù)的筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)可以在辦公室、控制間、碼頭、定盤、車間等廠區(qū)的任何區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的工作流管理、造船圖面信息查詢及傳送。該技術(shù)的運(yùn)用將帶來(lái)以下便利。

1)現(xiàn)場(chǎng)人員能實(shí)時(shí)錄入現(xiàn)場(chǎng)的具體工作進(jìn)度和問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)工作的細(xì)微變化能及時(shí)傳遞到生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，以便于相關(guān)管理人員及時(shí)跟蹤并有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

2)實(shí)時(shí)獲取最新的設(shè)計(jì)圖面并按圖施工。可以大量減少現(xiàn)場(chǎng)使用的圖紙和作業(yè)票數(shù)量，逐步全方位實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、無(wú)紙化造船。圖面及作業(yè)信息的及時(shí)更新，能最大程度的避免錯(cuò)誤施工。

3)提供便利的平臺(tái)來(lái)查詢參考圖面或信息。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)往往需要經(jīng)常參考核實(shí)設(shè)計(jì)圖面，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作可以輕松解決這一問(wèn)題。

4)將現(xiàn)場(chǎng)的具體問(wèn)題及時(shí)反饋給相關(guān)人員。以前現(xiàn)場(chǎng)和辦公室溝通往往使用電話交流，辦公室人員很難直觀了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以把視頻信息傳給相關(guān)系統(tǒng)，在辦公室里就可以清楚觀察現(xiàn)場(chǎng)情況并及時(shí)解決問(wèn)題。

船體內(nèi)部是一個(gè)較為封閉的空間，由于光纜無(wú)法鋪設(shè)到位，所以過(guò)去很難在船內(nèi)外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖1所示，通過(guò)采取以下措施就可以在辦公室里輕松的獲得船內(nèi)的一系列數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行便利的視頻交流。

圖1 船內(nèi)無(wú)線通信

1)運(yùn)用移動(dòng)WiMAX技術(shù)和設(shè)備構(gòu)建一個(gè)高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋廠區(qū)以保障各區(qū)域都能安全穩(wěn)定的接收到數(shù)據(jù)信息。

2)在船甲板區(qū)域部署一部移動(dòng)WiMAX調(diào)制解調(diào)器來(lái)獲取無(wú)線信號(hào)。由于船體是由封閉的鋼板構(gòu)成，靜電屏蔽造成無(wú)線信號(hào)無(wú)法直接傳遞到船體內(nèi)，所以必須在船甲板區(qū)域接收信號(hào)后通過(guò)電力線纜傳遞到船體內(nèi)部。

3)通過(guò)電源線將信號(hào)傳送到船體內(nèi)部的Wi-Fi發(fā)射設(shè)備后，由Wi-Fi發(fā)射設(shè)備在船體內(nèi)部進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳送。考慮到Wi-Fi設(shè)備較便宜，并且船體內(nèi)部空間大小可以滿足Wi-Fi運(yùn)用的要求，所以在此處使用Wi-Fi設(shè)備更為合理。

4)工程技術(shù)人員可以使用網(wǎng)絡(luò)電話和具有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的計(jì)算機(jī)來(lái)完成遠(yuǎn)程協(xié)作任務(wù)和進(jìn)行雙邊視頻會(huì)話。網(wǎng)絡(luò)攝像頭和視頻電話的使用可以使得遠(yuǎn)程技術(shù)人員能清楚了解船艙內(nèi)部的具體情況，并在此基礎(chǔ)上做出正確的判斷。同時(shí)根據(jù)需要收集相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息并傳送回遠(yuǎn)程主機(jī)以便分析處理。

3.2 供應(yīng)鏈和后勤管理應(yīng)用

船舶產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、周期長(zhǎng)、配套內(nèi)容多的特點(diǎn)。在不斷的裝配組合過(guò)程中，整個(gè)船廠往往同時(shí)有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的零部件處于移動(dòng)處理狀態(tài)中，經(jīng)過(guò)組合而成的分段也有數(shù)千個(gè)之多。以上因素直接導(dǎo)致分段的定位安排和零部件的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控都異常困難，完全依靠現(xiàn)場(chǎng)人員憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)度必然會(huì)降低場(chǎng)地的利用率，也很難對(duì)零部件的使用進(jìn)行精確管理。

為此，通過(guò)使用 GIS和 WiMAX 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建一個(gè)分段運(yùn)輸定位管理系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)把握廠區(qū)場(chǎng)地和運(yùn)輸車的使用狀況，采取最優(yōu)的方法來(lái)運(yùn)輸和安排分段。圖2展示了系統(tǒng)運(yùn)作的簡(jiǎn)單過(guò)程。

圖2 分段輸送定位

1)在辦公樓里根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度檢查相應(yīng)的分段運(yùn)送計(jì)劃并按優(yōu)先級(jí)將分段標(biāo)記出來(lái)；通過(guò)分段運(yùn)輸定位系統(tǒng)的 GIS 功能觀察廠區(qū)的分段堆放情況結(jié)合用途找出便于放置和使用的場(chǎng)所；根據(jù)運(yùn)輸車的空閑狀況及距離安排合適車輛來(lái)負(fù)責(zé)運(yùn)輸。

2)運(yùn)輸車內(nèi)的移動(dòng)電腦通過(guò)WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲得分段運(yùn)輸定位系統(tǒng)中本次運(yùn)輸計(jì)劃的信息；檢查本次分段運(yùn)輸計(jì)劃的內(nèi)容；根據(jù)計(jì)劃選擇最優(yōu)的運(yùn)輸路徑(最短的合理距離)；完成運(yùn)送任務(wù)后將開(kāi)始/完成時(shí)間和分段最后位置等信息錄入系統(tǒng)并傳送回服務(wù)器。

造船用原材料主要分為以鋼板、條材等為代表的船體用材料和以管子、電纜、小配件等為代表的舾裝件兩大類。實(shí)時(shí)跟蹤管理造船原材料對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理作用巨大。如圖3所示，運(yùn)用WiMAX、條形碼、射頻識(shí)別、GIS等技術(shù)構(gòu)建一個(gè)供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，可以對(duì)各種原材料進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理。

1)鋼板管理。鋼板到貨后，按照統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行編碼并貼上條形碼標(biāo)簽；將鋼板運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)堆場(chǎng)并通過(guò)射頻掃描設(shè)備獲得鋼板信息，連同堆放位置信息通過(guò)WiMAX錄入到供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)中；按照設(shè)計(jì)系統(tǒng)指示從倉(cāng)庫(kù)堆場(chǎng)或者剩余材堆場(chǎng)調(diào)用合適的鋼材輸送到加工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)條碼掃描確認(rèn)后進(jìn)行加工并將完成情況反饋給設(shè)計(jì)系統(tǒng)；剩余材料返回剩余材堆場(chǎng)并進(jìn)行掃描錄入。所有流程和位置信息都通過(guò)WiMAX網(wǎng)絡(luò)傳輸回供應(yīng)鏈管理和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2)舾裝件管理。情況基本和鋼板管理類似。

通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤管理能對(duì)船廠的各種原材料進(jìn)行精細(xì)化管理，管理人員隨時(shí)隨地能通過(guò)系統(tǒng)了解任何材料當(dāng)前所出的位置及工序，這樣既能及時(shí)跟蹤配件的庫(kù)存情況來(lái)按需采購(gòu)，又能適時(shí)根據(jù)作業(yè)完成情況調(diào)整工作計(jì)劃。這些無(wú)疑為敏捷化造船打好了良好的基礎(chǔ)。如果條件許可甚至可以把管理擴(kuò)展到上下游企業(yè)，構(gòu)建虛擬企業(yè)集團(tuán)，從而做到真正意義上的無(wú)余量造船。

3.3 設(shè)備管理應(yīng)用

船廠擁有吊機(jī)(龍門吊、起重機(jī)、行車等)、運(yùn)輸車(平板車、卡車、叉車等)、焊機(jī)、切割機(jī)等大量的設(shè)備和設(shè)施，要保障這些設(shè)備的正常使用必須定期點(diǎn)檢和維修。要發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備的問(wèn)題會(huì)耗費(fèi)大量的人力和聯(lián)絡(luò)時(shí)間，并且很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備的故障，這無(wú)疑加大了管理的復(fù)雜度和難度。

M2M(Machine-to-Machine，物聯(lián)網(wǎng))由多種不同類型的通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，包括機(jī)器之間的通信、機(jī)器控制通信、人機(jī)交互通信、移動(dòng)互聯(lián)通信。隨著該技術(shù)的不斷普及，越來(lái)越多的設(shè)備和設(shè)施具備了無(wú)線通信的功能。如圖4所示，通過(guò)運(yùn)用M2M移動(dòng)通信裝置和WiMAX技術(shù)可以對(duì)廠區(qū)設(shè)備及設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1)監(jiān)控服務(wù)器從氣壓、火警、處理車間、自動(dòng)化設(shè)備等設(shè)施自動(dòng)獲取相關(guān)狀態(tài)信息后，通過(guò)WiMAX傳送到監(jiān)控中心系統(tǒng)，這樣監(jiān)控中心就可以實(shí)時(shí)了解設(shè)備及設(shè)施的運(yùn)行狀況，并在發(fā)生問(wèn)題時(shí)第一時(shí)間采取相應(yīng)的處置措施，從而避免由于設(shè)備的損壞而影響生產(chǎn)。

2)吊機(jī)、運(yùn)輸車、廠房等設(shè)施并不具備物聯(lián)網(wǎng)的功能，只能由技術(shù)維修人員現(xiàn)場(chǎng)檢查和維修，但維修人員可以把現(xiàn)場(chǎng)檢查和處理的情況及時(shí)通過(guò)智能手機(jī)、IPAD、PDA等移動(dòng)設(shè)備傳送回服務(wù)器，以便監(jiān)控中心實(shí)時(shí)了解情況并提供及時(shí)的指示和處理。

圖4 設(shè)備監(jiān)控

通過(guò)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，維修人員能在第一時(shí)間了解到故障的發(fā)生地點(diǎn)和大致的原因，從而做出正確的判斷并及時(shí)解決問(wèn)題。這樣能減少故障時(shí)間，提高工作效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修費(fèi)用。

3.4 安全控制應(yīng)用

船廠這種類型的重工企業(yè)作業(yè)環(huán)境相當(dāng)艱苦，化學(xué)品泄露、火災(zāi)、爆炸、觸電、高空墜落等危險(xiǎn)隨時(shí)會(huì)威脅員工的生命。因此船廠的事故率往往高于一般的工廠。要保障作業(yè)環(huán)境的安全，就必需實(shí)時(shí)了解作業(yè)環(huán)境的變化，從而在出現(xiàn)異常情況時(shí)第一時(shí)間做出響應(yīng)。目前環(huán)境變化情況的收集主要靠使用各種類型的傳感器，通過(guò)在工作場(chǎng)所大量部署傳感器并集成射頻識(shí)別、WiMAX等技術(shù)就可以構(gòu)成一個(gè)較為完善的安全控制系統(tǒng)。傳感器主要應(yīng)用于三個(gè)方面。

1)工作環(huán)境用。溫度、濕度、化學(xué)氣體、煙霧、火焰等傳感器。

2)船塢碼頭用。風(fēng)向、風(fēng)速、浪高、煙霧、火焰等傳感器。

3)作用人員安全用。溫度、濕度、脈搏、血壓等傳感器。

傳感器采集到相關(guān)信息后，通過(guò)WiMAX網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)傳遞給工作環(huán)境管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)分析處理就能得到重用的安全信息，一旦出現(xiàn)異常情況就能及時(shí)采取措施以避免事故的發(fā)生或者減小事故的影響程度。

3 結(jié)論

以國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果為基礎(chǔ),結(jié)合造船廠特有的環(huán)境要求和工作流程,運(yùn)用較為成熟的WiMAX無(wú)線技術(shù)，創(chuàng)建了適用于造船企業(yè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在以下幾個(gè)方面有所創(chuàng)新。

1)充分考慮了船廠的實(shí)際需求和成本投入，選擇了較為合理的WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方案。

2)網(wǎng)絡(luò)不再局限于辦公樓和車間辦公室，而是將網(wǎng)絡(luò)拓展覆蓋到整個(gè)船廠，最大程度地發(fā)揮了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

3)將無(wú)線通信廣泛應(yīng)用于船廠的數(shù)據(jù)通信、船內(nèi)的無(wú)線通信、分段定位安排、實(shí)時(shí)后勤管理、設(shè)備監(jiān)控、工作環(huán)境管理等多個(gè)方面，全面提升船廠的管理能力和工作效率。

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