基于智能傳感技術(shù)的船舶輪機(jī)管系建造的監(jiān)督管理系統(tǒng)

馮書麗

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

0 引 言

輪機(jī)管系在船舶中起著非常重要作用，在船舶輪機(jī)管系建造過程中可能由于材料選擇或者安裝等問題而造成輪機(jī)管系出現(xiàn)重大安全問題，因而對船舶輪機(jī)管系建造進(jìn)行監(jiān)督和管理是船舶制造過程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的輪機(jī)管系建造過程監(jiān)督管理主要是通過設(shè)立監(jiān)督部門，然后通過對所有輪機(jī)管系建造材料進(jìn)行抽檢，在輪機(jī)管系建造過程中對所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行管理，特別是材料的化學(xué)處理環(huán)節(jié)、閥門檢測環(huán)節(jié)等，雖然這些監(jiān)督管理措施起到了一定作用，但是難以實(shí)現(xiàn)對輪機(jī)管系建造的全過程管理，在抽檢環(huán)節(jié)中會存在一定的偶然性，且由于輪機(jī)管系建造過程涉及的材料較多，零件裝配工作量也非常大，有一些存在質(zhì)量問題的材料沒有被抽檢到的概率也較大。在這種情況下對船舶輪機(jī)管系建造過程使用一些新的技術(shù)方法，進(jìn)行監(jiān)督和管理就顯得非常有必要。

智能傳感技術(shù)是使用各類傳感器技術(shù)幫助管理者實(shí)現(xiàn)管理的目的，傳感器通過采集一些信號并通過一定裝置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，從而幫助管理者實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場輪機(jī)管系建造過程的監(jiān)督和管理。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：為了實(shí)現(xiàn)對輪機(jī)管系中所有管系材料的管理，在所有管系材料入庫前使用智能傳感標(biāo)簽錄入該材料的基本信息，包括生產(chǎn)廠家、材料類型、材料基本參數(shù)等，通過這些基本信息就可以在輪機(jī)管系建造過程中對材料進(jìn)行有效監(jiān)督；為了實(shí)現(xiàn)對輪機(jī)管系裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)督，使用壓力傳感器、流量傳感器等對輪機(jī)管系進(jìn)行有效測試，提升對輪機(jī)管系過程的監(jiān)督效果。

近年來國內(nèi)對船舶輪機(jī)建造過程的監(jiān)督管理一直是研究熱點(diǎn)，齊鳳存[1]、姜國利[2]、趙鵬[3]、李名楊[4]等都對船舶輪機(jī)建造過程中存在的問題進(jìn)行分析，并提出一系列的監(jiān)督管理措施和相關(guān)策略，但是這些監(jiān)督管理措施沒有解決輪機(jī)管系建造過程中監(jiān)督管理的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文在對智能傳感技術(shù)充分研究的基礎(chǔ)上，將智能傳感技術(shù)應(yīng)用到船舶輪機(jī)管系建造的監(jiān)督管理中，實(shí)現(xiàn)對輪機(jī)管系建造過程的全流程管理。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 智能標(biāo)簽技術(shù)

智能標(biāo)簽技術(shù)早在20 世紀(jì)90 年代就逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域，目前智能標(biāo)簽包括2 種，一種是溫度-時間指示標(biāo)簽，這種標(biāo)簽被廣泛應(yīng)用在食品領(lǐng)域，具有一定的診斷功能；另外一種是RFID 無線射頻電子標(biāo)簽，這類標(biāo)簽用途更廣，通過提前將商品信息寫入到RFID 標(biāo)簽中，再通過讀寫設(shè)備讀取RFID 標(biāo)簽信息，從而實(shí)現(xiàn)對商品的管理。RFID 標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖1 所示。RFID 標(biāo)簽包括天線、調(diào)制器、編碼發(fā)生器、電源系統(tǒng)、控制器、存儲器、時鐘等，讀寫器通過發(fā)射射頻信號，讀取RFID 標(biāo)簽中的存儲信息，時鐘則為編碼發(fā)生器、控制器以及時鐘提供統(tǒng)一的時鐘驅(qū)動。

圖1 RFID 標(biāo)簽原理Fig. 1 Principle of RFID tag

在船舶輪機(jī)管系建造中涉及的材料主要包括管系材料、閥門等，這些材料的材質(zhì)、質(zhì)量等都直接關(guān)系著船舶管系建造的質(zhì)量，特別是這些材料的基本信息需要和設(shè)計圖紙中的要求保持一致，而傳統(tǒng)的抽查不僅費(fèi)時費(fèi)力，同時還存在錯漏的情況，這就給船舶輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理帶來了極大的困擾。在采用智能標(biāo)簽技術(shù)以后，將會為輪機(jī)管系建造時的材料管理帶來極大便利。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）識別速度高。在船舶輪機(jī)管系材料采購入庫時，通過閱讀器可以直接對采購入庫的材料進(jìn)行讀取和識別，此時不僅可以讀取該材料的唯一識別ID，同時還可以讀取產(chǎn)地、運(yùn)輸方式、材質(zhì)、加工參數(shù)、廠家等信息，一個閱讀器可以在短時間內(nèi)同時對多個標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，因而在對材料的管理上具有天然優(yōu)勢。

2）安全性高且可重復(fù)使用。RFID 標(biāo)簽不僅安全性高，且可重復(fù)使用，因而可以極大的降低管理成本，同時在多標(biāo)簽的識別過程中，標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取可以采用防碰撞算法，提升數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性以及可靠性。

1.2 智能傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是通過感知溫度、光線、流量等，并將這種感知轉(zhuǎn)換成模擬信號，數(shù)字處理器將模擬信號再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理過程中，使用傳感器技術(shù)可以有效獲取現(xiàn)場的溫濕度、管系制造的質(zhì)量檢測、流量檢測、壓力檢測等。智能傳感器技術(shù)是將傳感器獲取的這些信號直接轉(zhuǎn)換成能夠被控制系統(tǒng)識別的數(shù)字信號，或者將獲取的傳感器數(shù)值通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到傳感器信息采集節(jié)點(diǎn)[2-4]。

圖2 為智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。智能傳感器包括多個傳感器、多路開關(guān)、濾波處理、傳感器特性參數(shù)（漂移、補(bǔ)償以及校準(zhǔn)）、數(shù)據(jù)采集、MCU、傳感器數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字輸出接口以及通信接口。智能傳感器和傳統(tǒng)的傳感器具有很大的不同，它不僅具備采集單一參數(shù)的能力，同時還能夠在內(nèi)部集成多個傳感器，并通過多路開關(guān)來控制選擇某一個傳感器。在選定某一個傳感器后，通過濾波處理對傳感器信號進(jìn)行初步處理，并通過調(diào)節(jié)漂移參數(shù)對傳感器數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，保證智能傳感器對環(huán)境具有很好的適應(yīng)能力，防止溫漂對傳感器數(shù)值產(chǎn)生影響。不同類別傳感器的補(bǔ)償以及校準(zhǔn)參數(shù)存儲在存儲器中，在選擇某一個傳感器后系統(tǒng)會自動對傳感器進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)，當(dāng)完成數(shù)據(jù)采集后，MCU（微控制單元）會對采集的傳感器數(shù)值進(jìn)一步處理并將其存儲到存儲單元中備用。智能傳感器具備2 種接口，一種是數(shù)字接口，一種是通信接口，通信接口包括I2C 總線或者無線網(wǎng)接口，在收到控制信號后，智能傳感器可以通過數(shù)字接口、無線網(wǎng)或者I2C 總線將獲取的傳感器信號發(fā)送出去。

圖2 智能傳感器結(jié)構(gòu)Fig. 2 Architectureof intelligent sensor

智能傳感器對傳感器的采集和數(shù)據(jù)傳輸并不依賴于外圍的控制系統(tǒng)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集以及處理能力，因而在船舶輪機(jī)管系建造過程中可以實(shí)現(xiàn)快速部署。由于其具備多種數(shù)據(jù)傳輸能力，可以在管系建造過程中對相關(guān)環(huán)境參數(shù)、管系測試參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時采集，提升船舶管系制造過程中對現(xiàn)場的管控能力。

2 基于智能傳感技術(shù)的船舶輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理系統(tǒng)

將智能標(biāo)簽技術(shù)、智能傳感器技術(shù)應(yīng)用于船舶輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理中，構(gòu)建監(jiān)督管理系統(tǒng)，設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計Fig. 3 Design of system architecture

船舶輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理系統(tǒng)包括材料管理子系統(tǒng)、輪機(jī)管系測試子系統(tǒng)以及現(xiàn)場管理子系統(tǒng)。

2.1 材料管理子系統(tǒng)

在船舶管系建造監(jiān)督管理過程中，材料管理是最為關(guān)鍵的一環(huán)，通過對多個船舶管系建造過程進(jìn)行實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多管系材料存在規(guī)格錯亂、采購信息以及合同信息管理不嚴(yán)格、無法實(shí)現(xiàn)對材料跟蹤等情況。設(shè)計的材料管理子系統(tǒng)包括了標(biāo)簽信息管理、采購信息管理、合同信息管理以及材料物流跟蹤，其中標(biāo)簽信息管理主要是通過對材料進(jìn)出庫的管理實(shí)現(xiàn)，對所有管系建造過程所涉及的材料信息讀取、存儲以及分析。材料物流跟蹤是通過和其他商家的物流信息對接，從而實(shí)現(xiàn)對所有管系材料的溯源、跟蹤和管理。采購信息管理和合同信息管理是通過和船舶制造廠家的信息管理系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)對船舶輪機(jī)管系材料相關(guān)的采購信息以及合同信息管理功能。

2.2 輪機(jī)管系測試子系統(tǒng)

輪機(jī)管系測試子系統(tǒng)包括管道流量測試、管道壓力測試以及閥門有效性測試，其具體實(shí)現(xiàn)過程為：在輪機(jī)管系建造完成后，對輪機(jī)管系進(jìn)行相關(guān)測試，在現(xiàn)場布置智能傳感器，并編寫相應(yīng)程序來獲取智能傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)。使用智能傳感器可以對測試過程中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，可以一次性測量幾千幾萬個數(shù)據(jù)，并且繪制成曲線，方便查看，和傳統(tǒng)的單次或者多次測量相比具有很大的優(yōu)越性，同時測試的數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫中，和其他子系統(tǒng)獲取的信息實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)動，如在測試過程中發(fā)現(xiàn)一個閥門狀態(tài)異常，在打開后無法正常關(guān)閉，則可以在界面上對該閥門位置進(jìn)行顯示，同時對該閥門的采購信息、廠家信息、材質(zhì)信息、物流信息等進(jìn)行綜合顯示。通過這種方式將材料管理子系統(tǒng)、輪機(jī)管系測試子系統(tǒng)的信息實(shí)現(xiàn)高度融合，進(jìn)而提升對船舶輪機(jī)管系建造過程的監(jiān)督管理能力。

在船舶輪機(jī)管系測試中，對管道流量以及壓力的測試可以對管系材料進(jìn)行有效驗(yàn)證，對閥門進(jìn)行有效性測試則確保了輪機(jī)管系中閥門的質(zhì)量，通過智能標(biāo)簽技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對故障的迅速定位，同時也能夠?yàn)榧夹g(shù)人員對建造過程中產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 現(xiàn)場管理子系統(tǒng)

現(xiàn)場管理是船舶輪機(jī)管系建造的重要組成部分之一，很多船雖然在材料采購、管系裝配等環(huán)節(jié)都沒有問題，但是混亂的現(xiàn)場很容易出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故，這些主要體現(xiàn)在現(xiàn)場管道擺放不合理、非生產(chǎn)裝配人員亂入、不合理的裝配順序?qū)е逻M(jìn)度緩慢等，這些都給船舶輪機(jī)管系建造帶來了很大的困擾。為了解決這些問題，需要對現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)格管理。對現(xiàn)場的管理包括人員管理和現(xiàn)場環(huán)境感知。對人員的管理主要是防止非生產(chǎn)裝配人員亂入而導(dǎo)致的誤操作或者其他生產(chǎn)安全事故，除了在現(xiàn)場設(shè)置警戒線之外，還需要使用其他的方法來實(shí)現(xiàn)對人員的動態(tài)管理。通過在人員安全頭盔上設(shè)置智能標(biāo)簽來解決這個問題，該智能標(biāo)簽屬于有源標(biāo)簽，能夠主動發(fā)射射頻信號，在船舶制造現(xiàn)場布置有數(shù)量不一的RFID 讀寫器，通過不斷讀取人員安全頭盔上發(fā)射出的信號，就可以識別出在船舶輪機(jī)管系建造不同區(qū)域內(nèi)的人員，并且在軟件上加以實(shí)時顯示。同時通過調(diào)整系統(tǒng)時鐘來控制讀取RFID 標(biāo)簽信息的頻率，使用防碰撞算法防止多個RFID 標(biāo)簽同時發(fā)送信息而造成信息無法讀取的情況。對物品的管理主要對管道或者零件位置進(jìn)行管理，其原理和人員管理類似，通過讀取管道或零件上的RFID 標(biāo)簽信息即可實(shí)現(xiàn)。

同時在現(xiàn)場布置有若干紅外傳感器用于監(jiān)測人員活動，當(dāng)監(jiān)測人員數(shù)量和RFID 讀寫器獲取的人員數(shù)量不一致時，即可判斷有人員非法闖入，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警，提醒現(xiàn)場管理人員對非法闖入人員加以處理。

現(xiàn)場環(huán)境感知是通過智能傳感器來實(shí)現(xiàn)的，這些智能傳感器包括了溫度傳感器、濕度傳感器等，和人員管理相似，在制造現(xiàn)場四周墻壁上布置有智能傳感器，這些傳感器具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能，船舶管系建造管理系統(tǒng)在收到這些數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，在系統(tǒng)主界面上加以顯示，方便管理人員了解船舶管系建造現(xiàn)場的基本環(huán)境情況。

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)船舶輪機(jī)管系建造管理不僅費(fèi)時費(fèi)力，同時還容易出現(xiàn)管理混亂的情況。將智能傳感技術(shù)應(yīng)用于船舶輪機(jī)管系建造的監(jiān)督和管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)對材料的全流程跟蹤和管理，同時還可以實(shí)現(xiàn)對輪機(jī)管系測試、輪機(jī)管系建造現(xiàn)場的人員和物的管理等。本文得到的主要結(jié)論如下：

1）將智能傳感技術(shù)應(yīng)用于船舶輪機(jī)管系建造監(jiān)督管理可行，且能夠有效提升輪機(jī)管系建造的管理效率，解決了傳統(tǒng)監(jiān)督管理中可能存在的錯漏情況；

2）智能傳感技術(shù)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對管系建造使用材料的全流程跟蹤和管理，提升管道故障排查效率；

3）在輪機(jī)管道測試方面，智能傳感技術(shù)通過集成化的信號和數(shù)據(jù)處理功能，能夠有效提升管道測試的數(shù)字化和自動化水平。