基于智能传感技术的船舶轮机管系建造的监督管理系统

2024-01-03冯书丽

舰船科学技术 2023年22期

冯书丽

（河南工业职业技术学院，河南南阳 473000）

0 引言

轮机管系在船舶中起着非常重要作用，在船舶轮机管系建造过程中可能由于材料选择或者安装等问题而造成轮机管系出现重大安全问题，因而对船舶轮机管系建造进行监督和管理是船舶制造过程中的重要环节。传统的轮机管系建造过程监督管理主要是通过设立监督部门，然后通过对所有轮机管系建造材料进行抽检，在轮机管系建造过程中对所有关键环节进行管理，特别是材料的化学处理环节、阀门检测环节等，虽然这些监督管理措施起到了一定作用，但是难以实现对轮机管系建造的全过程管理，在抽检环节中会存在一定的偶然性，且由于轮机管系建造过程涉及的材料较多，零件装配工作量也非常大，有一些存在质量问题的材料没有被抽检到的概率也较大。在这种情况下对船舶轮机管系建造过程使用一些新的技术方法，进行监督和管理就显得非常有必要。

智能传感技术是使用各类传感器技术帮助管理者实现管理的目的，传感器通过采集一些信号并通过一定装置传输到数据处理中心，从而帮助管理者实现对现场轮机管系建造过程的监督和管理。具体实现过程如下：为了实现对轮机管系中所有管系材料的管理，在所有管系材料入库前使用智能传感标签录入该材料的基本信息，包括生产厂家、材料类型、材料基本参数等，通过这些基本信息就可以在轮机管系建造过程中对材料进行有效监督；为了实现对轮机管系装配环节进行有效监督，使用压力传感器、流量传感器等对轮机管系进行有效测试，提升对轮机管系过程的监督效果。

近年来国内对船舶轮机建造过程的监督管理一直是研究热点，齐凤存[1]、姜国利[2]、赵鹏[3]、李名杨[4]等都对船舶轮机建造过程中存在的问题进行分析，并提出一系列的监督管理措施和相关策略，但是这些监督管理措施没有解决轮机管系建造过程中监督管理的关键技术问题，本文在对智能传感技术充分研究的基础上，将智能传感技术应用到船舶轮机管系建造的监督管理中，实现对轮机管系建造过程的全流程管理。

1 关键技术分析

1.1 智能标签技术

智能标签技术早在20 世纪90 年代就逐步应用于各个领域，目前智能标签包括2 种，一种是温度-时间指示标签，这种标签被广泛应用在食品领域，具有一定的诊断功能；另外一种是RFID 无线射频电子标签，这类标签用途更广，通过提前将商品信息写入到RFID 标签中，再通过读写设备读取RFID 标签信息，从而实现对商品的管理。RFID 标签结构如图1 所示。RFID 标签包括天线、调制器、编码发生器、电源系统、控制器、存储器、时钟等，读写器通过发射射频信号，读取RFID 标签中的存储信息，时钟则为编码发生器、控制器以及时钟提供统一的时钟驱动。

图1 RFID 标签原理Fig. 1 Principle of RFID tag

在船舶轮机管系建造中涉及的材料主要包括管系材料、阀门等，这些材料的材质、质量等都直接关系着船舶管系建造的质量，特别是这些材料的基本信息需要和设计图纸中的要求保持一致，而传统的抽查不仅费时费力，同时还存在错漏的情况，这就给船舶轮机管系建造监督管理带来了极大的困扰。在采用智能标签技术以后，将会为轮机管系建造时的材料管理带来极大便利。其优势主要体现在以下几个方面：

1）识别速度高。在船舶轮机管系材料采购入库时，通过阅读器可以直接对采购入库的材料进行读取和识别，此时不仅可以读取该材料的唯一识别ID，同时还可以读取产地、运输方式、材质、加工参数、厂家等信息，一个阅读器可以在短时间内同时对多个标签信息进行读取，因而在对材料的管理上具有天然优势。

2）安全性高且可重复使用。RFID 标签不仅安全性高，且可重复使用，因而可以极大的降低管理成本，同时在多标签的识别过程中，标签数据读取可以采用防碰撞算法，提升数据读取的准确性以及可靠性。

1.2 智能传感器技术

传感器技术是通过感知温度、光线、流量等，并将这种感知转换成模拟信号，数字处理器将模拟信号再转换成数字信号。在轮机管系建造监督管理过程中，使用传感器技术可以有效获取现场的温湿度、管系制造的质量检测、流量检测、压力检测等。智能传感器技术是将传感器获取的这些信号直接转换成能够被控制系统识别的数字信号，或者将获取的传感器数值通过无线传感网络发送到传感器信息采集节点[2-4]。

图2 为智能传感器的基本结构图。智能传感器包括多个传感器、多路开关、滤波处理、传感器特性参数（漂移、补偿以及校准）、数据采集、MCU、传感器数据存储、数字输出接口以及通信接口。智能传感器和传统的传感器具有很大的不同，它不仅具备采集单一参数的能力，同时还能够在内部集成多个传感器，并通过多路开关来控制选择某一个传感器。在选定某一个传感器后，通过滤波处理对传感器信号进行初步处理，并通过调节漂移参数对传感器数值进行补偿，保证智能传感器对环境具有很好的适应能力，防止温漂对传感器数值产生影响。不同类别传感器的补偿以及校准参数存储在存储器中，在选择某一个传感器后系统会自动对传感器进行补偿和校准，当完成数据采集后，MCU（微控制单元）会对采集的传感器数值进一步处理并将其存储到存储单元中备用。智能传感器具备2 种接口，一种是数字接口，一种是通信接口，通信接口包括I2C 总线或者无线网接口，在收到控制信号后，智能传感器可以通过数字接口、无线网或者I2C 总线将获取的传感器信号发送出去。

图2 智能传感器结构Fig. 2 Architectureof intelligent sensor

智能传感器对传感器的采集和数据传输并不依赖于外围的控制系统，具有独立的数据采集以及处理能力，因而在船舶轮机管系建造过程中可以实现快速部署。由于其具备多种数据传输能力，可以在管系建造过程中对相关环境参数、管系测试参数等进行实时采集，提升船舶管系制造过程中对现场的管控能力。

2 基于智能传感技术的船舶轮机管系建造监督管理系统

将智能标签技术、智能传感器技术应用于船舶轮机管系建造监督管理中，构建监督管理系统，设计的系统架构如图3 所示。

图3 系统架构设计Fig. 3 Design of system architecture

船舶轮机管系建造监督管理系统包括材料管理子系统、轮机管系测试子系统以及现场管理子系统。

2.1 材料管理子系统

在船舶管系建造监督管理过程中，材料管理是最为关键的一环，通过对多个船舶管系建造过程进行实际调研发现，很多管系材料存在规格错乱、采购信息以及合同信息管理不严格、无法实现对材料跟踪等情况。设计的材料管理子系统包括了标签信息管理、采购信息管理、合同信息管理以及材料物流跟踪，其中标签信息管理主要是通过对材料进出库的管理实现，对所有管系建造过程所涉及的材料信息读取、存储以及分析。材料物流跟踪是通过和其他商家的物流信息对接，从而实现对所有管系材料的溯源、跟踪和管理。采购信息管理和合同信息管理是通过和船舶制造厂家的信息管理系统联动，实现对船舶轮机管系材料相关的采购信息以及合同信息管理功能。

2.2 轮机管系测试子系统

轮机管系测试子系统包括管道流量测试、管道压力测试以及阀门有效性测试，其具体实现过程为：在轮机管系建造完成后，对轮机管系进行相关测试，在现场布置智能传感器，并编写相应程序来获取智能传感器的相关数据。使用智能传感器可以对测试过程中的所有数据进行获取，可以一次性测量几千几万个数据，并且绘制成曲线，方便查看，和传统的单次或者多次测量相比具有很大的优越性，同时测试的数据可以保存在数据库中，和其他子系统获取的信息实现信息联动，如在测试过程中发现一个阀门状态异常，在打开后无法正常关闭，则可以在界面上对该阀门位置进行显示，同时对该阀门的采购信息、厂家信息、材质信息、物流信息等进行综合显示。通过这种方式将材料管理子系统、轮机管系测试子系统的信息实现高度融合，进而提升对船舶轮机管系建造过程的监督管理能力。

在船舶轮机管系测试中，对管道流量以及压力的测试可以对管系材料进行有效验证，对阀门进行有效性测试则确保了轮机管系中阀门的质量，通过智能标签技术以及智能传感器技术可以实现对故障的迅速定位，同时也能够为技术人员对建造过程中产生的故障进行分析，提供数据基础。

2.3 现场管理子系统

现场管理是船舶轮机管系建造的重要组成部分之一，很多船虽然在材料采购、管系装配等环节都没有问题，但是混乱的现场很容易出现安全生产事故，这些主要体现在现场管道摆放不合理、非生产装配人员乱入、不合理的装配顺序导致进度缓慢等，这些都给船舶轮机管系建造带来了很大的困扰。为了解决这些问题，需要对现场进行严格管理。对现场的管理包括人员管理和现场环境感知。对人员的管理主要是防止非生产装配人员乱入而导致的误操作或者其他生产安全事故，除了在现场设置警戒线之外，还需要使用其他的方法来实现对人员的动态管理。通过在人员安全头盔上设置智能标签来解决这个问题，该智能标签属于有源标签，能够主动发射射频信号，在船舶制造现场布置有数量不一的RFID 读写器，通过不断读取人员安全头盔上发射出的信号，就可以识别出在船舶轮机管系建造不同区域内的人员，并且在软件上加以实时显示。同时通过调整系统时钟来控制读取RFID 标签信息的频率，使用防碰撞算法防止多个RFID 标签同时发送信息而造成信息无法读取的情况。对物品的管理主要对管道或者零件位置进行管理，其原理和人员管理类似，通过读取管道或零件上的RFID 标签信息即可实现。

同时在现场布置有若干红外传感器用于监测人员活动，当监测人员数量和RFID 读写器获取的人员数量不一致时，即可判断有人员非法闯入，系统会自动发出报警，提醒现场管理人员对非法闯入人员加以处理。

现场环境感知是通过智能传感器来实现的，这些智能传感器包括了温度传感器、湿度传感器等，和人员管理相似，在制造现场四周墙壁上布置有智能传感器，这些传感器具有无线数据传输功能，船舶管系建造管理系统在收到这些数据后，对这些数据进行分析和处理后，在系统主界面上加以显示，方便管理人员了解船舶管系建造现场的基本环境情况。