面向船舶分段胎架管理的物聯網構建及應用

王 瑞，唐明明，劉明志，趙耀榮，周宏根

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003）

0 引 言

近年來，我國船舶制造業發展迅猛，船舶建造已朝著智能化方向發展，已能高質量建造各類船舶，年造船總量已居世界第一。盡管我國的船舶建造水平和建造質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達國家相比仍有一定的差距。通過調查發現，目前我國的船舶建造現場數據仍主要采用人工記錄、人工輸入計算機的方式匯總，數據誤差較大，信息滯后，利用率較低，造成船舶企業存在嚴重的信息孤島問題。因此，對船舶分段建造過程中的工藝數據實時采集和規范工藝數據管理進行研究，實現建造過程信息共享，是提高船舶建造信息化水平的重要基礎。

物聯網技術（Internet of Things, IoT）是新一代信息技術的衍生技術，因具有智能感知和遠程通信等特點而在各行各業得到應用。胎架是船舶分段建造過程中應用的重要工藝裝備之一，影響著船舶建造的質量和效率。本文提出構建船舶分段胎架管理物聯網系統，實現對采集的建造信息的實時管控。IoT能解決當前船舶建造現場胎架實時數據采集與管理方面的難題，推動船舶制造業朝著智能化、數字化和信息化方向發展。

1 船舶分段胎架管理物聯網系統設計

1.1 系統設計目標

船舶分段建造過程中，需要將若干個胎架移動到軌道上的準確位置，固定胎架并調節其支撐高度，再將船舶分段放置在胎架位置點上進行裝配焊接等操作，從而完成船舶建造。采用IoT實現對船舶分段建造過程中的分段壓力、周圍溫度、胎架位置點和胎架位移等信息的采集，通過ZigBee無線網絡將采集到的信息傳輸給系統軟件，系統軟件對采集到的數據進行處理，實現對船舶建造過程中的胎架建造數據的管控。

1.2 系統總體架構

胎架管理物聯網系統總體框架設計是指根據物聯網基本層次的特點，結合船舶分段建造現場信息采集與管理的要求，提出“感知-傳輸-分析-管理-反饋”的閉環系統架構（見圖1）。該系統主要由數據獲取層、數據傳輸層和數據管理層組成，其中：數據獲取層由多智能感知設備組成，用于對建造過程數據進行采集，包括工藝數據和胎架運行數據，是整個系統的底層；數據傳輸層采用ZigBee無線網絡對多個胎架上的多智能感知設備進行網絡組網，并將其傳輸到數據管理層，是連接數據獲取層與數據管理層的橋梁；數據管理層是整個系統的核心，對采集的數據進行處理，實現對船舶分段建造胎架工藝數據的管控，并通過系統軟件實現壓力、溫度、位移和速度等數據的可視化。下面根據胎架管理物聯網系統架構闡述該系統各層次在船舶建造過程中的應用情況。

圖1 胎架管理物聯網系統架構

1.2.1 數據獲取層

數據獲取層主要用于獲取系統底層數據，為數據管理層提供數據支撐。通過RFID（Radio Frequency Identification）設備和傳感器等設備獲取建造過程數據（見圖2），并將其分為靜態數據和動態數據，其中：靜態數據包括裝焊工藝信息、構件屬性信息、胎架信息和其他設備信息；動態數據包括溫度、位移和壓力。靜態數據主要通過條形掃碼槍掃描條碼標簽獲取；動態數據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產生一定的變形量，輪輻拉壓力傳感器采集其在建造過程的壓力變化，根據壓力變化對胎架高度進行自適應調整，減少外板的變形量。溫度傳感器采集胎架周圍的環境溫度，時刻監控胎架的工作環境，為胎架的維護和保養提供參考。在調整胎架高度過程中，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。采集的靜態數據和動態數據通過ZigBee無線網絡作為通信方式，保證信息傳輸的可靠性，避免數據缺失。

圖2 數據獲取過程

1.2.2 數據傳輸層

胎架管理物聯網系統要求數據傳輸模塊準確、安全地實時傳輸采集的靜態數據和動態數據，同時接收胎架控制指令。本文采用ZigBee無線網絡，數據傳輸原理見圖3。由于分段建造過程中的胎架數量繁多，需采集所有胎架的建造信息，因此網絡拓撲結構采用星型結構。在每個胎架上布置1個終端采集節點，以中心協調器節點為基準組建網絡。如果終端采集節點數量過多，可增加路由器節點作為終端采集節點與中心協調器節點的“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態數據最終通過中心協調器節點傳輸給通信網關，由系統軟件進行數據處理。中心控制節點連接各驅動適配器節點，系統通過RS485串口將胎架控制指令發送給中心協調器節點，中心控制節點根據中心協調器節點的控制指令對不同的驅動適配器節點發出不同的調整指令，控制胎架運動。

圖3 數據傳輸原理

1.2.3 數據管理層

數據管理層是系統的核心，負責對數據傳輸層的數據進行存儲、篩選、分析和挖掘，并將其與應用相結合。對于采集到的大量數據，只有在挖掘、轉換、分析、分組和計算之后才能應用。系統軟件動態內存按指定頻率讀取串口信息，并將其交由顯示屏和MySQL關系型數據庫保存。智能胎架系統對胎架的控制是通過壓力數據完成的，將壓力數據與本地數據庫中的壓力范圍相對比，采用模糊控制算法實現對胎架支撐高度的微調控制；根據對船廠的實際調研，船廠往往更關注冬季和夏季溫度對分段外板變形量的影響，采集各階段分段的溫度和占胎時間等信息，并進行工時檢測，有助于建立分段外板變形的影響模型，為優化工藝提供數據支撐。此外，良好的人機交互界面可實現對實際建造情況、運行數據和采集數據的查詢、報表生成等功能。

2 船舶分段胎架管理物聯網系統搭建

2.1 胎架管理物聯網系統搭建

2.1.1 數據獲取層設備選型

主控模塊的主要功能有：與其他模塊建立通信連接，組成一個通信系統總體，完成信息采集、轉換和傳輸；控制胎架運動。考慮到胎架的工作環境比較惡劣，主控模塊必須有足夠的穩定性，能長時間連續工作，故選擇三菱PLC FX2N系列主控模塊。該系列主控模塊具有穩定性好、運算速度快和體積小等特點，能對傳感器產生的信號進行數模轉換，解決系統軟件無法接收傳感器產生的模擬信號的問題。此外，船舶建造周期長，占用胎架時間長，主控模塊需要長時間工作，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網系統的要求。

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為DYLF-102的傳感器，這主要是因為該傳感器具有抗偏載、精度高和安裝方便等特點，符合稱重分段質量的要求，當分段放置到胎架上之后，能檢測分段放置在胎架上時的壓力值。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型號的傳感器能準確檢測胎架的高度，溫度傳感器采用SHT31型號，所采集的溫度數據可供后期胎架維護和保養參考，同時為建造過程中的外板變形預測提供數據支撐。

2.1.2 數據傳輸層設計

數據傳輸模塊的主要作用是將數據獲取層采集的數據傳輸給系統軟件，并傳輸系統軟件下達的控制指令。本文采用型號為DRF2659C的ZigBee無線網絡作為數據傳輸模塊。該ZigBee采用TI公司的CC2630芯片，運算速度比8051內核更快，能組成更大、更穩定的網絡，滿足分段建造過程中需要傳輸大量數據的要求。

在本文的數據傳輸層設計中：終端節點通電工作之后，加入協調器建立的網絡，當終端節點發送數據時，在ZigBee協議棧中調用AF-DataRequest函數，能通過天線將數據發送出去；協調器收到終端節點發送的數據之后，將這些數據封裝在消息隊列中，動態地接收壓力、溫度和位移等數據，并通過RS485接口將這些數據傳輸給系統軟件。船舶分段胎架管理物聯網系統ZigBee無線網絡結構圖見圖4。

圖4 船舶分段胎架管理物聯網系統ZigBee無線網絡結構圖

2.1.3 數據管理層設計

系統監控程序采用工業組態軟件組態王開發，組態王提供有可視化的監控界面，有利于工作人員對現場進行實時監控，但考慮到系統需采集并處理大量數據，組態王在數據處理方面不具有優勢。采用高級語言編程具有可讀性高、可移植性強等特點，常用的高級語言有VC、Java、C#、VB、Pascal和Python等。Python是一種面向對象的動態類型語言，具有強大的第三方庫，能大大縮短開發周期；同時，具有較強的可移植性，無需過分依賴某種特定的系統。因此，最終選擇采用Python語言進行程序開發。

系統軟件需實現大量數據處理、信息可視化和胎架空間坐標等多項功能。在Windows環境下，采用Python語言，結合MySQL數據庫技術完成船舶分段建造物聯網系統設計，圖5為智能胎架系統功能選擇界面。

圖5 智能胎架系統功能選擇界面

根據分段的大小合理地布置胎架的位置，此時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，由此計算出胎架最優的空間坐標，完成胎架智能布置。胎架空間坐標計算界面見圖6。

圖6 胎架空間坐標計算界面

建立單個胎架的運動軌跡和運動狀態，查看單個胎架信息。操作人員通過胎架控制系統軟件發送命令給指定胎架，對胎架的位移量和運動速度進行控制。胎架定位點和支撐點控制界面見圖7。

圖7 胎架定位點和支撐點控制界面

2.2 物聯網系統應用驗證

以一個平面投影尺寸為2100mm×1900mm的分段模型為例，對胎架管理物聯網系統進行應用驗證。該系統包含軌道、6個胎架和布置的傳感器，其中胎架為系統的智能單元，是物聯網數據獲取層的主要載體。下面對系統的功能進行測試。

首先建立ZigBee無線網絡，包括系統端協調器Coordinator，設置PAN ID為0001，頻道為20，波特率為38400，數據位為8位，停止位為1位，無奇偶校驗。傳輸模式為透明傳輸，分別設置6個終端節點，并為每個模塊設置自定義地址之后重啟。由于所搭建網絡的胎架數目較少，該網絡采用星型結構，當實際應用中胎架數目增多時，可適當增加路由節點，將其作為長距離數據收發的轉發節點。

無線網絡搭建完成之后進行試驗應用，船舶分段建造物聯網實物搭建場景見圖8。系統運行之后由系統軟件發出控制指令，控制搭載傳感器的胎架在軌道內運動，并實時顯示傳感器采集的壓力、溫度和位移數據。當人為控制胎架位移量超過閾值時，系統會發出故障警報，對應胎架報警燈變紅，提醒操作人員排除故障，停機檢修。試驗結果表明，該系統能方便地實現船舶分段建造現場數據的采集與管理，節省人力和物力，滿足設計要求。

圖8 船舶分段建造物聯網實物搭建場景

3 結 語

本文基于物聯網技術，結合分段支撐胎架，構建了一套面向船舶分段建造胎架管理的物聯網系統，實現了建造過程信息采集、數據傳輸和質量監控等功能。利用多智能感知設備實現了胎架壓力、溫度和位移等信息的實時獲取。通過ZigBee無線網絡實現了感知數據的實時傳輸，基于智能胎架系統軟件實現了建造工藝的實時管控，為提升建造過程中的數據管理水平奠定了基礎，具有很好的應用前景。