面向船舶分段胎架管理的物联网构建及应用

王 瑞，唐明明，刘明志，赵耀荣，周宏根

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003）

0 引 言

近年来，我国船舶制造业发展迅猛，船舶建造已朝着智能化方向发展，已能高质量建造各类船舶，年造船总量已居世界第一。尽管我国的船舶建造水平和建造质量与以往相比有显著提升，但在船舶建造过程的信息采集与管理方面与发达国家相比仍有一定的差距。通过调查发现，目前我国的船舶建造现场数据仍主要采用人工记录、人工输入计算机的方式汇总，数据误差较大，信息滞后，利用率较低，造成船舶企业存在严重的信息孤岛问题。因此，对船舶分段建造过程中的工艺数据实时采集和规范工艺数据管理进行研究，实现建造过程信息共享，是提高船舶建造信息化水平的重要基础。

物联网技术（Internet of Things, IoT）是新一代信息技术的衍生技术，因具有智能感知和远程通信等特点而在各行各业得到应用。胎架是船舶分段建造过程中应用的重要工艺装备之一，影响着船舶建造的质量和效率。本文提出构建船舶分段胎架管理物联网系统，实现对采集的建造信息的实时管控。IoT能解决当前船舶建造现场胎架实时数据采集与管理方面的难题，推动船舶制造业朝着智能化、数字化和信息化方向发展。

1 船舶分段胎架管理物联网系统设计

1.1 系统设计目标

船舶分段建造过程中，需要将若干个胎架移动到轨道上的准确位置，固定胎架并调节其支撑高度，再将船舶分段放置在胎架位置点上进行装配焊接等操作，从而完成船舶建造。采用IoT实现对船舶分段建造过程中的分段压力、周围温度、胎架位置点和胎架位移等信息的采集，通过ZigBee无线网络将采集到的信息传输给系统软件，系统软件对采集到的数据进行处理，实现对船舶建造过程中的胎架建造数据的管控。

1.2 系统总体架构

胎架管理物联网系统总体框架设计是指根据物联网基本层次的特点，结合船舶分段建造现场信息采集与管理的要求，提出“感知-传输-分析-管理-反馈”的闭环系统架构（见图1）。该系统主要由数据获取层、数据传输层和数据管理层组成，其中：数据获取层由多智能感知设备组成，用于对建造过程数据进行采集，包括工艺数据和胎架运行数据，是整个系统的底层；数据传输层采用ZigBee无线网络对多个胎架上的多智能感知设备进行网络组网，并将其传输到数据管理层，是连接数据获取层与数据管理层的桥梁；数据管理层是整个系统的核心，对采集的数据进行处理，实现对船舶分段建造胎架工艺数据的管控，并通过系统软件实现压力、温度、位移和速度等数据的可视化。下面根据胎架管理物联网系统架构阐述该系统各层次在船舶建造过程中的应用情况。

图1 胎架管理物联网系统架构

1.2.1 数据获取层

数据获取层主要用于获取系统底层数据，为数据管理层提供数据支撑。通过RFID（Radio Frequency Identification）设备和传感器等设备获取建造过程数据（见图2），并将其分为静态数据和动态数据，其中：静态数据包括装焊工艺信息、构件属性信息、胎架信息和其他设备信息；动态数据包括温度、位移和压力。静态数据主要通过条形扫码枪扫描条码标签获取；动态数据需采用不同类型的传感器采集，主要有轮辐拉压力传感器、温度传感器和拉线位移传感器。分段外板在建造过程中会产生一定的变形量，轮辐拉压力传感器采集其在建造过程的压力变化，根据压力变化对胎架高度进行自适应调整，减少外板的变形量。温度传感器采集胎架周围的环境温度，时刻监控胎架的工作环境，为胎架的维护和保养提供参考。在调整胎架高度过程中，拉线位移传感器采集胎架在高度上的位移量，提高高度支撑定位的精度。采集的静态数据和动态数据通过ZigBee无线网络作为通信方式，保证信息传输的可靠性，避免数据缺失。

图2 数据获取过程

1.2.2 数据传输层

胎架管理物联网系统要求数据传输模块准确、安全地实时传输采集的静态数据和动态数据，同时接收胎架控制指令。本文采用ZigBee无线网络，数据传输原理见图3。由于分段建造过程中的胎架数量繁多，需采集所有胎架的建造信息，因此网络拓扑结构采用星型结构。在每个胎架上布置1个终端采集节点，以中心协调器节点为基准组建网络。如果终端采集节点数量过多，可增加路由器节点作为终端采集节点与中心协调器节点的“桥梁”。轮辐拉压力传感器、温度传感器和拉线位移传感器采集的动态数据最终通过中心协调器节点传输给通信网关，由系统软件进行数据处理。中心控制节点连接各驱动适配器节点，系统通过RS485串口将胎架控制指令发送给中心协调器节点，中心控制节点根据中心协调器节点的控制指令对不同的驱动适配器节点发出不同的调整指令，控制胎架运动。

图3 数据传输原理

1.2.3 数据管理层

数据管理层是系统的核心，负责对数据传输层的数据进行存储、筛选、分析和挖掘，并将其与应用相结合。对于采集到的大量数据，只有在挖掘、转换、分析、分组和计算之后才能应用。系统软件动态内存按指定频率读取串口信息，并将其交由显示屏和MySQL关系型数据库保存。智能胎架系统对胎架的控制是通过压力数据完成的，将压力数据与本地数据库中的压力范围相对比，采用模糊控制算法实现对胎架支撑高度的微调控制；根据对船厂的实际调研，船厂往往更关注冬季和夏季温度对分段外板变形量的影响，采集各阶段分段的温度和占胎时间等信息，并进行工时检测，有助于建立分段外板变形的影响模型，为优化工艺提供数据支撑。此外，良好的人机交互界面可实现对实际建造情况、运行数据和采集数据的查询、报表生成等功能。

2 船舶分段胎架管理物联网系统搭建

2.1 胎架管理物联网系统搭建

2.1.1 数据获取层设备选型

主控模块的主要功能有：与其他模块建立通信连接，组成一个通信系统总体，完成信息采集、转换和传输；控制胎架运动。考虑到胎架的工作环境比较恶劣，主控模块必须有足够的稳定性，能长时间连续工作，故选择三菱PLC FX2N系列主控模块。该系列主控模块具有稳定性好、运算速度快和体积小等特点，能对传感器产生的信号进行数模转换，解决系统软件无法接收传感器产生的模拟信号的问题。此外，船舶建造周期长，占用胎架时间长，主控模块需要长时间工作，三菱PLC FX2N系列在使用过程中的功耗较低，能满足胎架管理物联网系统的要求。

本文采用的传感器主要有轮辐拉压传感器、拉线位移传感器和温度传感器。轮辐式压力传感器选择型号为DYLF-102的传感器，这主要是因为该传感器具有抗偏载、精度高和安装方便等特点，符合称重分段质量的要求，当分段放置到胎架上之后，能检测分段放置在胎架上时的压力值。拉线位移传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型号的传感器能准确检测胎架的高度，温度传感器采用SHT31型号，所采集的温度数据可供后期胎架维护和保养参考，同时为建造过程中的外板变形预测提供数据支撑。

2.1.2 数据传输层设计

数据传输模块的主要作用是将数据获取层采集的数据传输给系统软件，并传输系统软件下达的控制指令。本文采用型号为DRF2659C的ZigBee无线网络作为数据传输模块。该ZigBee采用TI公司的CC2630芯片，运算速度比8051内核更快，能组成更大、更稳定的网络，满足分段建造过程中需要传输大量数据的要求。

在本文的数据传输层设计中：终端节点通电工作之后，加入协调器建立的网络，当终端节点发送数据时，在ZigBee协议栈中调用AF-DataRequest函数，能通过天线将数据发送出去；协调器收到终端节点发送的数据之后，将这些数据封装在消息队列中，动态地接收压力、温度和位移等数据，并通过RS485接口将这些数据传输给系统软件。船舶分段胎架管理物联网系统ZigBee无线网络结构图见图4。

图4 船舶分段胎架管理物联网系统ZigBee无线网络结构图

2.1.3 数据管理层设计

系统监控程序采用工业组态软件组态王开发，组态王提供有可视化的监控界面，有利于工作人员对现场进行实时监控，但考虑到系统需采集并处理大量数据，组态王在数据处理方面不具有优势。采用高级语言编程具有可读性高、可移植性强等特点，常用的高级语言有VC、Java、C#、VB、Pascal和Python等。Python是一种面向对象的动态类型语言，具有强大的第三方库，能大大缩短开发周期；同时，具有较强的可移植性，无需过分依赖某种特定的系统。因此，最终选择采用Python语言进行程序开发。

系统软件需实现大量数据处理、信息可视化和胎架空间坐标等多项功能。在Windows环境下，采用Python语言，结合MySQL数据库技术完成船舶分段建造物联网系统设计，图5为智能胎架系统功能选择界面。

图5 智能胎架系统功能选择界面

根据分段的大小合理地布置胎架的位置，此时需获取船体分段信息。扫描船体分段，获得船体分段的三维模型，由此计算出胎架最优的空间坐标，完成胎架智能布置。胎架空间坐标计算界面见图6。

图6 胎架空间坐标计算界面

建立单个胎架的运动轨迹和运动状态，查看单个胎架信息。操作人员通过胎架控制系统软件发送命令给指定胎架，对胎架的位移量和运动速度进行控制。胎架定位点和支撑点控制界面见图7。

图7 胎架定位点和支撑点控制界面

2.2 物联网系统应用验证

以一个平面投影尺寸为2100mm×1900mm的分段模型为例，对胎架管理物联网系统进行应用验证。该系统包含轨道、6个胎架和布置的传感器，其中胎架为系统的智能单元，是物联网数据获取层的主要载体。下面对系统的功能进行测试。

首先建立ZigBee无线网络，包括系统端协调器Coordinator，设置PAN ID为0001，频道为20，波特率为38400，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验。传输模式为透明传输，分别设置6个终端节点，并为每个模块设置自定义地址之后重启。由于所搭建网络的胎架数目较少，该网络采用星型结构，当实际应用中胎架数目增多时，可适当增加路由节点，将其作为长距离数据收发的转发节点。

无线网络搭建完成之后进行试验应用，船舶分段建造物联网实物搭建场景见图8。系统运行之后由系统软件发出控制指令，控制搭载传感器的胎架在轨道内运动，并实时显示传感器采集的压力、温度和位移数据。当人为控制胎架位移量超过阈值时，系统会发出故障警报，对应胎架报警灯变红，提醒操作人员排除故障，停机检修。试验结果表明，该系统能方便地实现船舶分段建造现场数据的采集与管理，节省人力和物力，满足设计要求。

图8 船舶分段建造物联网实物搭建场景

3 结 语

本文基于物联网技术，结合分段支撑胎架，构建了一套面向船舶分段建造胎架管理的物联网系统，实现了建造过程信息采集、数据传输和质量监控等功能。利用多智能感知设备实现了胎架压力、温度和位移等信息的实时获取。通过ZigBee无线网络实现了感知数据的实时传输，基于智能胎架系统软件实现了建造工艺的实时管控，为提升建造过程中的数据管理水平奠定了基础，具有很好的应用前景。