船體分段外場物流實時綜合監控系統

張 恒， 向祖權， 王 沖， 姜春光

(1. 武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063； 2. 天津新港船舶重工有限責任公司， 天津 300000)

0 引 言

船體分段在組立車間加工完成后，一般需經過預舾裝、預噴涂、預總裝等工藝流程，最后運送至船臺進行總裝，而分段在此期間會在作業車間、堆場及其他場地之間多次轉運，這個過程稱之為分段外場物流。目前，船廠的生產部門負責人一般會在前一天制定第二天的分段外場物流作業計劃，然而，在船舶建造過程中干擾因素較多，造船生產計劃不得不經常變更，具有一定的隨意性。由于缺乏有效的監控手段，管理者無法系統掌握分段物流的實績流通情況和生產狀態，無法了解生產實績與對應的生產計劃的差異，導致無法科學有效地進行生產調度和控制[1]，因此，開展船體分段外場物流實時監控方面的研究十分必要。

有關這一問題的研究已有不少。LEE等[2]運用慣性測量單元(IMU)、數字羅盤、GPS和嵌入式系統為船廠平板運輸車設計了一種低成本的慣性導航系統(INS)，但該系統沒有考慮船廠金屬環境的影響，定位時易產生錯誤。馮曉波等[3]提出一種基于Android系統客戶端的面向船廠船體分段廠內物流作業的動態調度方法，實現在Android手機客戶端上進行分段調度管理。林加灶等[4]設計了一種分段物流仿真控制系統用于輔助造船生產過程，以指導平板運輸車的運輸指令和調度指令的評價系統為中心，實時管理和監控分段物流過程。除分段外場物流外，STROMGREN[5]使用射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術，同時融合其他相關物聯網技術，研究船廠造船物料在場內物流過程中的實時跟蹤和精確定位，并通過在某船廠的實際應用檢驗該方法在減少人工和成本上的有效性。徐晶[6]使用物聯網制造技術設計船舶管件精益制造物聯網系統，實現了船舶管件制造過程的精益化。

雖然國內外關于船廠生產實時監控及管理方面的研究已有不少，但專門針對船體分段外場物流過程進行實時監控的研究較少，且這些研究的系統性以及對于分段外場物流問題的適用性或多或少存在缺陷。因此，考慮到現有研究工作中的主要問題，以及國內主要船廠的實際情況，整合提出一套船體分段外場物流實時綜合監控系統方案，包括船廠外場區域地址編碼方案、分段大小和位置快速測量方案、基于GPS和RFID組合的平板運輸車定位方案、基于視頻監控技術的船廠外場關鍵區域監控方案、基于移動智能終端的分段外場物流在線指示方案。

1 船體分段外場物流實時綜合監控系統

1.1 船體分段外場物流實時監控問題分析

造船生產過程監控的主要方法是對總段、分段等中間產品或平板運輸車等關鍵設備進行監控，進而實現對生產過程的監控。造船生產過程監控主要分為數據采集、預處理和可視化等3個階段，通過這些手段監控造船過程，將生產實績信息及時反饋給船廠管理者，使他們做出更科學合理的決策。

目前，國內大部分船廠在船體分段外場物流的監控問題上，主要存在一些問題：

(1) 主要依靠人工采集分段的物流數據。這種模式人工操作量大，易受人為因素影響產生錯誤；且當前的數據采集工作主要是記錄物流進度，在采集的數據內容上不夠詳細，缺乏很多重要信息，如生產狀態、位置、責任人的變動等。

(2) 分段定位追蹤查找困難。由于我國船廠的分段運輸管理主要依靠人工進行，因此只有負責某分段轉運的工人比較清楚該分段的位置信息，一旦該工人不在，其他人很難快速追蹤查找到該分段。

(3) 分段運輸作業指示的動態調整性差。船廠生產部門負責人一般會在前一天制定第二天的分段外場物流作業計劃，當計劃受某些因素的影響變更時，這種紙質的、預先制定的運輸指令不能迅速響應新的分段運輸計劃。

1.2 船體分段外場物流實時綜合監控系統方案

針對第1.1節分析的問題，為了解決分段外場物流管理過程中自動化、信息化程度低以及動態調整能力不足等問題，提出船體分段外場物流實時綜合監控系統方案，如圖1所示。該系統的主要結構和目標如下：

圖1 船體分段外場物流實時綜合監控系統

(1) 構建船廠外場區域地址(簡稱“船廠地號”)編碼體系，基于地理信息系統 (Geographic Information System， GIS)構建船廠外場區域的數字化地圖。一方面，通過地址編碼實現對船廠各區域的定置化管理；另一方面，以GIS地圖為基礎，動態呈現分段的生產狀態和位置變化。

(2) 構建分段大小和位置的快速測量方案。利用RFID閱讀器手持終端和埋設的RFID標簽，測量計算出分段的大致包絡形狀和位置坐標，上傳數據并實時反饋分段的最新形狀和位置信息。

(3) 構建GPS和RFID的組合定位方案，與GIS地圖搭配動態呈現平板運輸車的位置變化情況。

(4) 構建基于視頻監控技術的船廠外場關鍵區域監控方案，制定關鍵區域的監控設備布置方法，實現對這些關鍵區域的全方位、實時監控，預防安全事故，即便發生了事故，也便于查找事故原因。

(5) 基于移動智能終端技術構建分段外場物流的在線指示系統。通過移動智能終端，每個現場管理人員都能像船廠中央監控室的人一樣全面掌握分段外場物流過程。實時在線處理作業指令，動態調整計劃，每一項作業在開始時就及時上傳至系統，提前掌握所有作業場的分段位置變化及其他變更事項。

1.2.1 船廠外場區域地址編碼體系

船廠外場區域地址編碼是現場定置管理的基礎，也是實現船廠數字化管理的要素之一。這里所說的“定置”，其實就是確定分段在船廠相關區域中的位置。區域地址編碼存在一定的原則要求，需根據特定船廠的布局特點，構建具有系統性、層次性和目的性的編碼體系。在對船廠外場區域地址編碼時，需特別注意以下幾點：(1)編碼對象不應該包含與造船過程無關的部門或區域；(2)編碼體系應該是唯一的，不能與船廠其他編碼體系發生混淆；(3)編碼體系應有一定的容量，能夠滿足多種屬性要求；(4)編碼體系應有一定的層次性，體現不同等級區域的從屬關系。

如圖2所示，基于編碼的主要原則和某船廠的實際，定義針對該船廠的編碼體系，包含大區域、中區域和小區域等3個層次的地址編號，簡稱為大地號、中地號和小地號。大地號指的是船廠一些關鍵的大區域；中地號則指的是特定的沿海區域或靠陸地區域；小地號的構成形式比較特殊：(1)大地號基準點(0～9)+行編號(0～9)；(2)基于主要道路的列編號(0～9)。在船廠中，當船廠廠區發生變化(拆除或新建作業車間等)時，各區域在特定情況下需進行調整，將小區域編碼與其他兩種區域編碼進行一定的分割，可避免新區域產生或舊區域刪除對小地號體系產生影響。

圖2 某船廠新建編碼體系示例

將新構建的船廠地號系統與GIS技術進行融合，建立船廠地號管理數據庫，并在系統中進行可視化顯示。在此基礎上，將人員、部門和區域一一對應，明確作業管理人員的管理范圍和責任分工，使特定部門對應于特定的船廠區域，具有專門的管理人員指導特定的分段運輸任務。這種基于場地地址的編碼體系可幫助實現船廠建造場地、管理人員和相關裝備的組合效益最大化，實現“分工明確、責任到人”的分段外場物流的管理目標。

1.2.2 分段大小和位置快速測量方案

為實時監控分段在外場物流過程中的大小和位置變化，提出分段大小和位置快速測量方案。首先，在船廠若干區域埋設帶有地理坐標信息的RFID標簽，建立一個船廠RFID標簽網絡；然后，每當分段被移動到新的位置時，由平板運輸車的駕駛員利用RFID閱讀器，讀取最近的RFID標簽，并以該標簽所在位置為基本點，使用RFID閱讀器上的角度傳感器和距離傳感器分別測量該點至分段4個轉角點的方位角和距離；最后，結合RFID標簽上的地理坐標信息，基于坐標換算原理，計算分段4個轉角點的地理坐標并實時上傳數據，從而在WebGIS中可視化展現出分段的大致輪廓和最新位置。

分段大小和位置快速測量示例如圖3所示：工作人員將測量終端對準分段的轉角點，讀取距離L、水平方位角α和豎直方位角β，其測量原理如圖4所示；之后進行坐標轉換和計算得出分段轉角點的坐標，從而得到分段的大致包絡形狀；最后通過無線通信的方式將數據傳送至服務器終端。

圖3 分段大小和位置快速測量示例

圖4 手持終端測量原理圖

1.2.3 基于GPS/RFID組合的平板運輸車定位方案

GPS是一種全天候的衛星導航定位系統，可為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息[7]。然而，其存在一個關鍵的缺陷，就是在一定的金屬環境特別是船廠這種極度復雜的金屬環境中，信號強度和精度都會受到嚴重影響。因此，為了彌補GPS系統的不足，很多研究人員和專家對導航傳感器或其他無線定位技術(如RFID定位技術[8-10])與GPS系統的組合定位方式進行大量研究，以提高定位精度和定位的適用性[11-12]。

本方案針對船廠的特殊環境，設計與該環境相對應的GPS/RFID組合定位方案，如圖5所示。該方案首先采用基于RFID信號強度的方式進行測距，之后整合GPS的觀測值，對平板運輸車位置進行組合定位解算。

圖5 平板運輸車GPS/RFID組合定位場景示例

為了提高RFID標簽與閱讀器之間的信息傳輸速度，本方案從減少信息傳輸量的角度入手，提前將所有RFID標簽的坐標信息存儲到系統數據庫中，定位時僅使用RFID閱讀器讀取相應標簽的ID信息、時間信息和信號強度指示值等數據，并通過ID信息到系統中找到對應的RFID標簽的預存數據，提取出來以供使用。每輛平板運輸車上都有一個車載RFID閱讀器，通過該閱讀器讀取信號強度指示值后，可基于信號衰減模型計算特定的RFID參考標簽與平板運輸車上的RFID閱讀器之間的直線距離，然后結合GPS的測距值聯合解算，以得到平板運輸車某一時刻的位置坐標。GPS/RFID組合定位系統的工作原理如圖6所示[13]。

圖6 GPS/RFID組合定位系統工作原理圖

RFID定位距離路徑損耗模型[14]為

(1)

式中：PL(d)為目標距離d處的路徑損耗；PL(d0)為參考距離d0(d0>0，一般取d0=1 m)處的路徑損耗；γ為路徑衰減因子。

在自由空間取γ=2，由式(1)可推導出車載RFID閱讀器與RFID參考標簽之間的直線距離：

(2)

式中：s(d0)為參考點的信號強度；s(d)為目標點的信號強度。

基于本方案的組合定位方法實時捕捉平板運輸車的位置時，首先判斷平板運輸車有沒有裝載分段。如沒有裝載，則優先使用GPS信號，進一步應用差分全球定位系統 (Differential Global Positioning System， DGPS)修正GPS信號，降低誤差，捕捉平板運輸車的位置，該方法的誤差一般不超過2 m，滿足精度要求；如平板運輸車上裝載了分段，由于分段是一個大型的金屬結構物，且在平板運輸車的上面，會影響GPS信號的精度，此時，優先使用基于RFID信號強度的定位方式。

基于RFID信號強度的定位方式只有在預先埋設的RFID標簽附近一定范圍內才能使用，當平板運輸車不在這個范圍內時，就無法應用該定位方式。雖然可以通過增加船廠RFID標簽網絡密度的方式緩解這一問題，但很難實現所有區域的RFID標簽全覆蓋，費用上也過于高昂。如圖7所示：當RFID信號有效時，優先使用基于RFID信號強度的定位方式；否則，必須使用GPS信號進行定位。圖7中，信號有效性是指平板運輸車是否在RFID標簽的一定距離范圍內。

圖7 GPS和RFID為基準的平板運輸車位置推測程序圖

1.2.4 基于視頻監控技術的船廠外場關鍵區域監控方案

本節提出的船廠外場關鍵區域監控方案主要針對船廠外場的關鍵路口、重要車間門口及分段堆場，給出船廠外場關鍵區域的監控設備布置方法。首先，針對關鍵的十字形路口，布置1臺高清智能球型攝像機，360°無死角監控路口情況，如果是特別重要的路口，在十字路口4個方向向外延伸50～100 m的位置各布置1臺槍式攝像機，朝向道路延伸方向，結合監控系統和移動智能終端，提前預報來車，避免平板運輸車及其他大型車輛在路口相遇。其次，針對關鍵的T字形路口，布置1臺半球式攝像機，槍式攝像機的布置與十字形路口一樣。另外，針對重要車間門口，交叉布置2臺槍式攝像機，1臺布置在門左側，朝向右側，1臺布置在門右側，朝向左側，從而實現對車間門口及左右鄰近區域的全方位監控。最后，針對分段堆場，在堆場的4個角度各布置1臺半球式攝像機，監控整個堆場，全面掌握堆場的分段布局、空間利用情況等；同時，在堆場內部供平板運輸車通行的道路上，放置對射的槍式攝像機，監控平板運輸車在堆場內部運輸分段的過程。

除船廠外場關鍵區域的監控外，也應將船廠外場區域的監控系統與船廠其他相關區域的監控系統進行整合，形成一個高清智能的網絡視頻監控系統，全方位監控船廠的人員、設備、運輸和生產情況，并搭配移動智能終端，實現對船廠關鍵環節的事前預警、事中控制和事后分析。

1.2.5 基于移動智能終端的分段外場物流在線指示方案

船體分段外場物流實時監控不應該僅僅局限于船廠中央監控室，而應該推廣至每個現場管理人員，使現場管理人員可在任何工作時間、任何船廠地點實時掌握分段外場物流的實際情況，有效地執行分段運輸作業計劃，及時調整不合理的分段物流過程，從而提高船體分段外場物流效率，降低運營成本。因此，本節研究基于移動智能終端的分段外場物流在線指示方案，初步構建基于移動智能終端的分段外場物流在線指示系統框架。

如圖8所示，該系統主要由5個模塊組成，包括分段信息及物流計劃顯示模塊、分段外場物流數據采集模塊、平板運輸車實時跟蹤及在線作業指示模塊、船廠關鍵區域視頻實時播放模塊、分段外場物流計劃調整模塊。實質上，這些模塊就是前面所構建的各方案在移動智能終端上的應用。該系統的主要功能如下：

圖8 分段外場物流在線指示系統結構圖

(1) 分段信息及物流計劃顯示模塊。直觀顯示各分段的相關信息(分段類型、分段大小、分段位置、工程狀態等)及已經確定的分段外場物流計劃，方便現場管理人員實時查詢。

(2) 分段外場物流數據采集模塊。針對分段外場物流過程中產生的主要數據，如分段車間生產數據、堆場調度數據、平板運輸車運輸日志等，進行及時存儲和定期維護，同時實時更新系統中的分段信息和物流計劃顯示模塊中的分段信息。

(3) 平板運輸車實時跟蹤及在線作業指示模塊。實時顯示平板運輸車的位置，接收最新的分段外場物流計劃，并按照平板運輸車能耗最小的原則為各平板運輸車在線安排運輸作業。

(4) 船廠關鍵區域視頻實時播放模塊。讓現場管理人員也能像在船廠中央監控室一樣實時查看各區域的道路交通、分段運輸等情況，從而更好地指導現場工作。

(5) 分段外場物流計劃調整模塊。當分段外場物流的某些環節出現問題，原先的物流計劃不再適用時，現場管理人員通過該模塊及時調整計劃，并在分段信息及物流計劃顯示模塊中顯示，并向中央監控室和其他移動終端發送提醒。

2 結 論

本研究針對船體分段外場物流實時監控問題，結合船廠現狀，分別構建船廠外場區域地址編碼體系、分段大小和位置的快速測量方案、平板運輸車的實時定位方案、船廠外場關鍵區域的監控設備布置方案、分段外場物流在線指示系統框架，整合形成了一個高效智能的綜合監控系統，實現分段外場物流過程的實時綜合監控以及物流計劃的動態調整，對船廠開展生產監控體系建設具有一定的參考價值。此外，本研究提出的綜合監控系統在應用的過程中會記錄大量的分段物流信息，如何將這些信息數據充分利用起來加以分析，找出問題并改進，是本研究需要進一步提升的重要方向。