基于智能傳感技術的船舶輪機管系建造的監督管理系統

馮書麗

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

0 引 言

輪機管系在船舶中起著非常重要作用，在船舶輪機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管系出現重大安全問題，因而對船舶輪機管系建造進行監督和管理是船舶制造過程中的重要環節。傳統的輪機管系建造過程監督管理主要是通過設立監督部門，然后通過對所有輪機管系建造材料進行抽檢，在輪機管系建造過程中對所有關鍵環節進行管理，特別是材料的化學處理環節、閥門檢測環節等，雖然這些監督管理措施起到了一定作用，但是難以實現對輪機管系建造的全過程管理，在抽檢環節中會存在一定的偶然性，且由于輪機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管系建造過程使用一些新的技術方法，進行監督和管理就顯得非常有必要。

智能傳感技術是使用各類傳感器技術幫助管理者實現管理的目的，傳感器通過采集一些信號并通過一定裝置傳輸到數據處理中心，從而幫助管理者實現對現場輪機管系建造過程的監督和管理。具體實現過程如下：為了實現對輪機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簽錄入該材料的基本信息，包括生產廠家、材料類型、材料基本參數等，通過這些基本信息就可以在輪機管系建造過程中對材料進行有效監督；為了實現對輪機管系裝配環節進行有效監督，使用壓力傳感器、流量傳感器等對輪機管系進行有效測試，提升對輪機管系過程的監督效果。

近年來國內對船舶輪機建造過程的監督管理一直是研究熱點，齊鳳存[1]、姜國利[2]、趙鵬[3]、李名楊[4]等都對船舶輪機建造過程中存在的問題進行分析，并提出一系列的監督管理措施和相關策略，但是這些監督管理措施沒有解決輪機管系建造過程中監督管理的關鍵技術問題，本文在對智能傳感技術充分研究的基礎上，將智能傳感技術應用到船舶輪機管系建造的監督管理中，實現對輪機管系建造過程的全流程管理。

1 關鍵技術分析

1.1 智能標簽技術

智能標簽技術早在20 世紀90 年代就逐步應用于各個領域，目前智能標簽包括2 種，一種是溫度-時間指示標簽，這種標簽被廣泛應用在食品領域，具有一定的診斷功能；另外一種是RFID 無線射頻電子標簽，這類標簽用途更廣，通過提前將商品信息寫入到RFID 標簽中，再通過讀寫設備讀取RFID 標簽信息，從而實現對商品的管理。RFID 標簽結構如圖1 所示。RFID 標簽包括天線、調制器、編碼發生器、電源系統、控制器、存儲器、時鐘等，讀寫器通過發射射頻信號，讀取RFID 標簽中的存儲信息，時鐘則為編碼發生器、控制器以及時鐘提供統一的時鐘驅動。

圖1 RFID 標簽原理Fig. 1 Principle of RFID tag

在船舶輪機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、質量等都直接關系著船舶管系建造的質量，特別是這些材料的基本信息需要和設計圖紙中的要求保持一致，而傳統的抽查不僅費時費力，同時還存在錯漏的情況，這就給船舶輪機管系建造監督管理帶來了極大的困擾。在采用智能標簽技術以后，將會為輪機管系建造時的材料管理帶來極大便利。其優勢主要體現在以下幾個方面：

1）識別速度高。在船舶輪機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，同時還可以讀取產地、運輸方式、材質、加工參數、廠家等信息，一個閱讀器可以在短時間內同時對多個標簽信息進行讀取，因而在對材料的管理上具有天然優勢。

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

1.2 智能傳感器技術

傳感器技術是通過感知溫度、光線、流量等，并將這種感知轉換成模擬信號，數字處理器將模擬信號再轉換成數字信號。在輪機管系建造監督管理過程中，使用傳感器技術可以有效獲取現場的溫濕度、管系制造的質量檢測、流量檢測、壓力檢測等。智能傳感器技術是將傳感器獲取的這些信號直接轉換成能夠被控制系統識別的數字信號，或者將獲取的傳感器數值通過無線傳感網絡發送到傳感器信息采集節點[2-4]。

圖2 為智能傳感器的基本結構圖。智能傳感器包括多個傳感器、多路開關、濾波處理、傳感器特性參數（漂移、補償以及校準）、數據采集、MCU、傳感器數據存儲、數字輸出接口以及通信接口。智能傳感器和傳統的傳感器具有很大的不同，它不僅具備采集單一參數的能力，同時還能夠在內部集成多個傳感器，并通過多路開關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行初步處理，并通過調節漂移參數對傳感器數值進行補償，保證智能傳感器對環境具有很好的適應能力，防止溫漂對傳感器數值產生影響。不同類別傳感器的補償以及校準參數存儲在存儲器中，在選擇某一個傳感器后系統會自動對傳感器進行補償和校準，當完成數據采集后，MCU（微控制單元）會對采集的傳感器數值進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，一種是數字接口，一種是通信接口，通信接口包括I2C 總線或者無線網接口，在收到控制信號后，智能傳感器可以通過數字接口、無線網或者I2C 總線將獲取的傳感器信號發送出去。

圖2 智能傳感器結構Fig. 2 Architectureof intelligent sensor

智能傳感器對傳感器的采集和數據傳輸并不依賴于外圍的控制系統，具有獨立的數據采集以及處理能力，因而在船舶輪機管系建造過程中可以實現快速部署。由于其具備多種數據傳輸能力，可以在管系建造過程中對相關環境參數、管系測試參數等進行實時采集，提升船舶管系制造過程中對現場的管控能力。

2 基于智能傳感技術的船舶輪機管系建造監督管理系統

將智能標簽技術、智能傳感器技術應用于船舶輪機管系建造監督管理中，構建監督管理系統，設計的系統架構如圖3 所示。

圖3 系統架構設計Fig. 3 Design of system architecture

船舶輪機管系建造監督管理系統包括材料管理子系統、輪機管系測試子系統以及現場管理子系統。

2.1 材料管理子系統

在船舶管系建造監督管理過程中，材料管理是最為關鍵的一環，通過對多個船舶管系建造過程進行實際調研發現，很多管系材料存在規格錯亂、采購信息以及合同信息管理不嚴格、無法實現對材料跟蹤等情況。設計的材料管理子系統包括了標簽信息管理、采購信息管理、合同信息管理以及材料物流跟蹤，其中標簽信息管理主要是通過對材料進出庫的管理實現，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，從而實現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聯動，實現對船舶輪機管系材料相關的采購信息以及合同信息管理功能。

2.2 輪機管系測試子系統

輪機管系測試子系統包括管道流量測試、管道壓力測試以及閥門有效性測試，其具體實現過程為：在輪機管系建造完成后，對輪機管系進行相關測試，在現場布置智能傳感器，并編寫相應程序來獲取智能傳感器的相關數據。使用智能傳感器可以對測試過程中的所有數據進行獲取，可以一次性測量幾千幾萬個數據，并且繪制成曲線，方便查看，和傳統的單次或者多次測量相比具有很大的優越性，同時測試的數據可以保存在數據庫中，和其他子系統獲取的信息實現信息聯動，如在測試過程中發現一個閥門狀態異常，在打開后無法正常關閉，則可以在界面上對該閥門位置進行顯示，同時對該閥門的采購信息、廠家信息、材質信息、物流信息等進行綜合顯示。通過這種方式將材料管理子系統、輪機管系測試子系統的信息實現高度融合，進而提升對船舶輪機管系建造過程的監督管理能力。

在船舶輪機管系測試中，對管道流量以及壓力的測試可以對管系材料進行有效驗證，對閥門進行有效性測試則確保了輪機管系中閥門的質量，通過智能標簽技術以及智能傳感器技術可以實現對故障的迅速定位，同時也能夠為技術人員對建造過程中產生的故障進行分析，提供數據基礎。

2.3 現場管理子系統

現場管理是船舶輪機管系建造的重要組成部分之一，很多船雖然在材料采購、管系裝配等環節都沒有問題，但是混亂的現場很容易出現安全生產事故，這些主要體現在現場管道擺放不合理、非生產裝配人員亂入、不合理的裝配順序導致進度緩慢等，這些都給船舶輪機管系建造帶來了很大的困擾。為了解決這些問題，需要對現場進行嚴格管理。對現場的管理包括人員管理和現場環境感知。對人員的管理主要是防止非生產裝配人員亂入而導致的誤操作或者其他生產安全事故，除了在現場設置警戒線之外，還需要使用其他的方法來實現對人員的動態管理。通過在人員安全頭盔上設置智能標簽來解決這個問題，該智能標簽屬于有源標簽，能夠主動發射射頻信號，在船舶制造現場布置有數量不一的RFID 讀寫器，通過不斷讀取人員安全頭盔上發射出的信號，就可以識別出在船舶輪機管系建造不同區域內的人員，并且在軟件上加以實時顯示。同時通過調整系統時鐘來控制讀取RFID 標簽信息的頻率，使用防碰撞算法防止多個RFID 標簽同時發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 標簽信息即可實現。

同時在現場布置有若干紅外傳感器用于監測人員活動，當監測人員數量和RFID 讀寫器獲取的人員數量不一致時，即可判斷有人員非法闖入，系統會自動發出報警，提醒現場管理人員對非法闖入人員加以處理。

現場環境感知是通過智能傳感器來實現的，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，在制造現場四周墻壁上布置有智能傳感器，這些傳感器具有無線數據傳輸功能，船舶管系建造管理系統在收到這些數據后，對這些數據進行分析和處理后，在系統主界面上加以顯示，方便管理人員了解船舶管系建造現場的基本環境情況。

3 結 語

傳統船舶輪機管系建造管理不僅費時費力，同時還容易出現管理混亂的情況。將智能傳感技術應用于船舶輪機管系建造的監督和管理，不僅可以實現對材料的全流程跟蹤和管理，同時還可以實現對輪機管系測試、輪機管系建造現場的人員和物的管理等。本文得到的主要結論如下：

1）將智能傳感技術應用于船舶輪機管系建造監督管理可行，且能夠有效提升輪機管系建造的管理效率，解決了傳統監督管理中可能存在的錯漏情況；

2）智能傳感技術具有較高的可靠性和穩定性，能夠實現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）在輪機管道測試方面，智能傳感技術通過集成化的信號和數據處理功能，能夠有效提升管道測試的數字化和自動化水平。