任 靜，胡曉軒，孔 寧，楊山林，鄭菊艷

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

目前，中國(guó)已成為全球重要的造船中心之一[1]。經(jīng)數(shù)十年的信息化建設(shè)，我國(guó)船舶工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和管理數(shù)字化水平已得到較大提升，但在智能制造方面仍存在缺失，相關(guān)數(shù)據(jù)的信息采集傳輸?shù)忍幱谄鸩诫A段[2]。

當(dāng)前，國(guó)外船舶工業(yè)化進(jìn)程已向“工業(yè)4.0”邁進(jìn)[3]。2013年4月，德國(guó)政府在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出《德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議》，支持德國(guó)工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，確保德國(guó)強(qiáng)有力的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)地位[4]。美國(guó)政府自20世紀(jì)90年代開始，推出一系列與智能制造息息相關(guān)的制造業(yè)振興政策；美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)著重建設(shè)智能制造，包括制造過(guò)程中的智能決策、多智能體(Multi-Agent，MA)的智能協(xié)作求解、物流自動(dòng)化傳輸和智能協(xié)同設(shè)計(jì)等[5]。自2012年開始，中遠(yuǎn)川崎公司先后建成型鋼、條材、先行小組立機(jī)器人和小組立機(jī)器人焊接等4條生產(chǎn)線，成為我國(guó)船舶工業(yè)智能制造的樣板；中遠(yuǎn)川崎公司擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用和實(shí)施生產(chǎn)線改造等智能制造方式作為信息化和工業(yè)化融合的切入點(diǎn)，大幅降低人工成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改造作業(yè)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，持續(xù)提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[6]。我國(guó)提出的兩化深度融合戰(zhàn)略與“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“工業(yè)4.0”存在諸多相似之處，明確9項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)提出8個(gè)方面的戰(zhàn)略支撐與保障。智能制造成為兩化融合較主要的發(fā)展方向，我國(guó)的航天航空、飛機(jī)、船舶、汽車和電子等制造業(yè)紛紛開始涉及智能制造。國(guó)內(nèi)在智能制造技術(shù)與系統(tǒng)方面的研究基本停留在人工智能在制造領(lǐng)域的應(yīng)用階段。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]提出2種先進(jìn)制造模式：基于MA的智能制造模式和可重構(gòu)智能制造系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]對(duì)離散制造的特定專家系統(tǒng)如制造執(zhí)行系統(tǒng)、車間調(diào)度系統(tǒng)和質(zhì)量管理系統(tǒng)等進(jìn)行研究。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，在船舶產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的信息化管控等方面出現(xiàn)明顯的提高[12-13]，但總體上仍處于數(shù)字化制造起步階段[14-16]。我國(guó)船舶工業(yè)造船技術(shù)與日韓和歐盟國(guó)家的差距主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：①數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)能力嚴(yán)重不足；②船舶建造設(shè)備與系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平低；③造船過(guò)程管控缺少有效的數(shù)據(jù)支持；④制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合和集成度低。在船舶建造裝備方面，我國(guó)造船企業(yè)在切割、成型、焊接和涂裝等作業(yè)方面基本以機(jī)械化和半自動(dòng)化為主，而日韓等國(guó)造船企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。在打磨作業(yè)環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)造船企業(yè)采取手工作業(yè)方式，而國(guó)外造船企業(yè)采用自動(dòng)化裝備。生產(chǎn)流水線作業(yè)與日韓等國(guó)造船企業(yè)的差距更加明顯。在鋼材預(yù)處理、型材切割、管子、T型材、小組立、中組立、拼板、平面分段和曲面分段建造過(guò)程中，日韓等國(guó)造船企業(yè)已實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化流水線和數(shù)控自動(dòng)化流水線作業(yè)，而我國(guó)仍處于剛性自動(dòng)化流水線作業(yè)或一站式非流水線階段。在中組立焊接方面，國(guó)內(nèi)造船企業(yè)基本為手工作業(yè)，而國(guó)外先進(jìn)造船企業(yè)已實(shí)現(xiàn)智能化焊接。目前，日韓等國(guó)先進(jìn)造船企業(yè)建造自動(dòng)化率達(dá)68%甚至更高，但國(guó)內(nèi)骨干造船企業(yè)焊接自動(dòng)化率最高僅為20%。

我國(guó)造船企業(yè)在推行智能制造技術(shù)方面需要對(duì)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差距，補(bǔ)齊短板。為發(fā)展成為船舶制造強(qiáng)國(guó)，我國(guó)造船企業(yè)仍面臨如下挑戰(zhàn)：船舶制造現(xiàn)場(chǎng)缺乏實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，使工藝改進(jìn)和生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)調(diào)等決策缺乏實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)支撐[17-18]；船舶制造車間尚未構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸至工位的通信網(wǎng)絡(luò)，存在生產(chǎn)混亂和船舶建造精度與質(zhì)量難以控制等諸多問(wèn)題。為此，迫切需要開展智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)研究，構(gòu)建船舶制造車間網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取船舶制造過(guò)程中的狀態(tài)信息。具體而言，在智能車間建設(shè)方面，應(yīng)實(shí)現(xiàn)車間建造過(guò)程關(guān)鍵要素的實(shí)時(shí)感知、智能決策與管控，提升車間管控的實(shí)時(shí)性、科學(xué)性與準(zhǔn)確性，全面提高管理效率與水平，打造造船全過(guò)程實(shí)時(shí)智能管控的信息感知基礎(chǔ)。

1 船舶智能感知車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圍繞船廠的生產(chǎn)制造特點(diǎn)，提出以車間物聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。通過(guò)設(shè)備層中的車間設(shè)備、環(huán)境、能源和人員物資的泛在感知，研究開發(fā)邊緣層的設(shè)備接入、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)分析。以4G、遠(yuǎn)距離無(wú)線電(Long Range Radio，LoRa)和Wi-Fi作為網(wǎng)絡(luò)層；以消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)、超文本傳輸協(xié)議(HTTP)、傳輸控制協(xié)議(TCP)/網(wǎng)際協(xié)議地址(IP地址)和受限制的應(yīng)用協(xié)議(Constrained Application Protocol，CoAP)等作為通信層；以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)層。以船舶車間人員物資信息采集與傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，鋼板、型材等中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)，船舶多型切割設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)，船舶焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)作為應(yīng)用層，打造設(shè)備監(jiān)測(cè)、能耗監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)等緊密貼合生產(chǎn)第一線的功能，降低生產(chǎn)停工率，為企業(yè)降低能耗、提高設(shè)備綜合利用率。智能感知車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能感知車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 船舶智能感知車間關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)

智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)是一種任何物和任何人在任何地點(diǎn)和任何時(shí)間均可順暢通信的技術(shù)[19]。船舶車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)用于船板切割、小組立、中組立和分段制造等典型船舶制造工藝過(guò)程，針對(duì)中間產(chǎn)品、生產(chǎn)執(zhí)行、制造資源、制造環(huán)境等智能感知狀態(tài)的需求，開展船舶制造過(guò)程中的感知架構(gòu)、智能標(biāo)識(shí)、車間定位、幾何信息、資源狀態(tài)、車間環(huán)境和能源消耗等關(guān)鍵感知技術(shù)的研究，構(gòu)建船舶智能制造車間感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶制造過(guò)程各類狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取，為船舶智能制造車間提供底層感知數(shù)據(jù)支撐。船舶智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案如圖2所示。

圖2 船舶智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

船舶車間數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要包括用于過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入(OLE(Object Linking and Embedding)for Process Control，OPC)技術(shù)和傳感器等。

OPC是一種為便于不同廠家設(shè)備和應(yīng)用程序相互交換數(shù)據(jù)的采集技術(shù)。OPC技術(shù)可分為OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)(OPC Data Access，OPC DA)和OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC Unified Architecture，OPC UA)。OPC DA只適用于Windows平臺(tái)。OPC UA僅使用1個(gè)地址空間即可訪問(wèn)之前所有的對(duì)象，使用1個(gè)通用接口即可集成之前所有OPC的特性和信息，平臺(tái)更加開放，Windows和Linux系統(tǒng)均可兼容，支持更復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，在協(xié)議和應(yīng)用層集成安全功能，并易于配置和使用。在船舶智能感知車間中，不同設(shè)備工位由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)監(jiān)控，連接OPC Server接口，以4G/Wi-Fi連接傳輸，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。OPC采集工作原理如圖3所示。

圖3 OPC采集工作原理

傳感器可傳輸、處理、存儲(chǔ)和顯示信息，與各種類型的以太網(wǎng)和無(wú)線與藍(lán)牙協(xié)議通信，為智能車間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供硬件支持。在船舶智能車間中，某些非數(shù)字智能裝備不具備接口和協(xié)議，需要加裝傳感器，例如溫度傳感器、稱重傳感器、流量傳感器、振動(dòng)傳感器和位置傳感器等。通過(guò)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，可實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)。傳感器采集工作原理如圖4所示。

圖4 傳感器采集工作原理

通過(guò)船舶智能感知車間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，解決設(shè)備“事后控制”和“預(yù)防性維護(hù)”的弊端，基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，做到預(yù)測(cè)性維護(hù)，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)企業(yè)降本增效，提高服務(wù)質(zhì)量。

2.3 海量實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建使傳感器和PLC等工業(yè)設(shè)備存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。當(dāng)前船舶車間產(chǎn)生的工業(yè)數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)：①產(chǎn)生頻率快、數(shù)據(jù)量大；②數(shù)據(jù)由時(shí)間驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)主要為支持海量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和傳感器數(shù)據(jù)的快速寫入和分析需求，其本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)庫(kù)，核心功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并提供讀寫服務(wù)，具有高可靠、高性能、可擴(kuò)展和可開發(fā)等優(yōu)勢(shì)，可與智能感知車間平臺(tái)其他組件有機(jī)整合，有利于推動(dòng)船舶智能車間的發(fā)展。

3 系統(tǒng)功能

3.1 船舶車間人員物資信息采集與傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)

船舶車間各項(xiàng)資源布局的差異性和作業(yè)的相似性，如場(chǎng)地、設(shè)備和工裝等，使相關(guān)資源狀態(tài)信息呈離散型動(dòng)態(tài)分布，為狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集帶來(lái)較大不便。為使車間各項(xiàng)資源的全部狀態(tài)可及時(shí)采集和跟蹤，應(yīng)定義人員信息和物資信息，建立車間網(wǎng)絡(luò)化布局，并對(duì)車間資源的物理狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和管理，解決船舶制造車間人員物資的信息采集和跟蹤問(wèn)題，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可快速準(zhǔn)確進(jìn)入車間資源信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間資源的實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤。工人攜帶藍(lán)牙標(biāo)簽卡與定位信標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)定位算法引擎多點(diǎn)定位工人，并由藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)至LoRa基站，基站再傳輸至感知平臺(tái)。通過(guò)車間人員定位可知悉施工人員位置、遇險(xiǎn)求救與事故預(yù)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵部位與人員管理、查詢歷史軌跡和事件追溯。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化布局實(shí)現(xiàn)制造車間“人、機(jī)、料”的物物互聯(lián)。車間內(nèi)部人員定位機(jī)理如圖5所示。車間人員物資布局如圖6所示。

圖5 車間內(nèi)部人員定位機(jī)理

圖6 車間人員物資布局

3.2 鋼板、型材等中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)

在船舶制造過(guò)程中涉及的鋼板、型材等零部件中間產(chǎn)品數(shù)量眾多，人工標(biāo)記與識(shí)別工作量大、易出錯(cuò)。目前，船廠已廣泛使用紙質(zhì)記錄或人工標(biāo)注，但在使用過(guò)程中存在易污損和難查詢等問(wèn)題。為此，開展二維碼噴碼標(biāo)識(shí)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)鋼板、型材等船舶車間零部件的掃碼讀取。中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)方案如圖7所示。噴碼掃碼技術(shù)使用手持式噴碼掃碼設(shè)備進(jìn)行鋼板零件噴碼，解決噴碼信息流問(wèn)題。在鋼板預(yù)處理后，噴碼機(jī)通過(guò)藍(lán)牙與移動(dòng)端連接，上線預(yù)處理的鋼板信息發(fā)送至噴碼機(jī)。該階段解決多工位噴碼的問(wèn)題，可大幅提高噴碼靈活性、提升效率。鋼板現(xiàn)場(chǎng)噴碼如圖8所示，其中：MES(Manufacturing Execution System)為制造執(zhí)行系統(tǒng)。

圖7 中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)方案

圖8 鋼板現(xiàn)場(chǎng)噴碼

3.3 船舶多型切割設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)

結(jié)合船舶車間切割機(jī)現(xiàn)狀和聯(lián)網(wǎng)管控需求，完成包括切割設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、作業(yè)任務(wù)管控和工時(shí)與物料數(shù)量統(tǒng)計(jì)等任務(wù)。研制多型切割設(shè)備的信息采集與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、切割參數(shù)在線控制、切割過(guò)程管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。該系統(tǒng)結(jié)合切割技術(shù)、信息技術(shù)、通信控制和管理理念，為切割制造的信息化提供解決方案，可有效提高切割制造效率、提高綜合管理能力、保障切割質(zhì)量。以船廠車間數(shù)控切割機(jī)為例，提出采用外接數(shù)據(jù)采集卡的方式獲取數(shù)控切割機(jī)狀態(tài)信息：通過(guò)為數(shù)控切割機(jī)外接數(shù)據(jù)采集卡，采集數(shù)控切割機(jī)的關(guān)機(jī)、待機(jī)、運(yùn)行和電流信息，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接工控機(jī)，將采集的設(shè)備狀態(tài)信息傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)再上傳至服務(wù)器即可?；谕饨訑?shù)據(jù)采集卡的數(shù)控切割機(jī)信息采集方案如圖9所示。

圖9 基于外接數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)控切割機(jī)信息采集方案

3.4 船舶焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種焊機(jī)的智慧監(jiān)控，對(duì)不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)焊機(jī)工作參數(shù)數(shù)據(jù)提供焊機(jī)監(jiān)測(cè)，通過(guò)為每臺(tái)焊機(jī)設(shè)定焊接電流限值，對(duì)操作者的焊接規(guī)范進(jìn)行監(jiān)管，并在實(shí)際焊接電流超出限定值時(shí)生成報(bào)警統(tǒng)計(jì)報(bào)表，記錄不規(guī)范操作。通過(guò)對(duì)工藝文件、焊接設(shè)備、作業(yè)人員、焊材和能耗的統(tǒng)一管理，該系統(tǒng)為焊接制造的信息化提供解決方案。該系統(tǒng)主要工作原理是主控設(shè)備通過(guò)信息采集裝置采集焊接電源參數(shù)(電壓、電流和焊絲速度等)，通過(guò)4G/Wi-Fi方式將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備再通過(guò)路由器將數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)器(或云服務(wù)器)。焊機(jī)設(shè)備無(wú)線數(shù)據(jù)采集方案如圖10所示。該系統(tǒng)具有焊工信息綁定功能，可通過(guò)系統(tǒng)智能模塊內(nèi)置的IC卡實(shí)現(xiàn)焊工與焊機(jī)與產(chǎn)品的綁定和焊機(jī)設(shè)備使用的管控。系統(tǒng)智能模塊如圖11所示。

圖10 焊機(jī)設(shè)備無(wú)線數(shù)據(jù)采集方案

圖11 系統(tǒng)智能模塊

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 船舶車間人員物資信息采集與傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)車間資源狀態(tài)采集和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備和工裝進(jìn)行狀態(tài)采集，可對(duì)物料清單(Bill of Material，BOM)、資源信息和人力資源等詳細(xì)信息進(jìn)行展示。系統(tǒng)主界面如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)主界面

4.2 鋼板、型材等中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用Data Matri碼，存儲(chǔ)信息量稍小，但信息冗余較大、容錯(cuò)率較高，適用于易被污染和刮花的表面，適用于船舶車間的復(fù)雜環(huán)境。鋼板Data Matri碼如圖13所示。

圖13 鋼板Data Matri碼示例

4.3 船舶多型切割設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)在船廠車間10余臺(tái)切割機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，可有效提高船舶車間切割機(jī)等關(guān)鍵裝備生產(chǎn)效率，提高綜合管理能力，保障船舶分段制造質(zhì)量，為管理者對(duì)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化、對(duì)人員設(shè)備考核和對(duì)資源調(diào)配提供重要的數(shù)據(jù)支持。車間切割機(jī)和工位終端現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。通過(guò)船舶切割車間切割機(jī)設(shè)備智能聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)應(yīng)用可提高生產(chǎn)效率20%以上，切割機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控效率提高100%，使船舶建造工時(shí)和勞務(wù)支出減少，建造成本降低。船舶鋼板切割車間智能管控系統(tǒng)的應(yīng)用替代傳統(tǒng)的紙張傳達(dá)信息和任務(wù)的方式，并通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高船廠場(chǎng)地資源的利用率，增加船廠的生產(chǎn)率，可使船舶建造周期縮短，船廠生產(chǎn)效率提高10%以上。

圖14 車間切割機(jī)和工位終端現(xiàn)場(chǎng)

4.4 船舶焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于分段車間，支持車間焊機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成設(shè)備和班組等使用情況分析報(bào)表，為生產(chǎn)和管理提供支持。該系統(tǒng)提供的開放數(shù)據(jù)庫(kù)可為其他管理系統(tǒng)提供可靠的焊接數(shù)據(jù)支持，其功能如下：

(1)無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊功能為采集焊機(jī)的電流和電壓信號(hào)，并以無(wú)線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，應(yīng)用軟件使用應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的輪詢。

安裝在焊機(jī)上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集焊接數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將輸出發(fā)送至中心主站，服務(wù)器通過(guò)串口與中心主站連接獲取數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集方式為主動(dòng)上報(bào)式無(wú)線數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集過(guò)程如下：①數(shù)據(jù)定時(shí)主動(dòng)上報(bào)，定時(shí)時(shí)間可自由設(shè)定；②在主動(dòng)上報(bào)模式下，數(shù)據(jù)采集設(shè)備可進(jìn)入低功耗休眠模式；③數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)置開關(guān)信號(hào)輸入和高低電平輸入接口，若出現(xiàn)電平變化則立即結(jié)束休眠，上報(bào)數(shù)據(jù)；④主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)格式采用規(guī)定的協(xié)議描述；⑤服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，不需要發(fā)送查詢命令。

(2)服務(wù)器/客戶端

服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊軟件，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集焊機(jī)焊接數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)；客戶端運(yùn)行車間焊接過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件客戶端，支持多個(gè)用戶同時(shí)實(shí)時(shí)訪問(wèn)焊接檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)測(cè)軟件客戶端如圖15所示。

圖15 監(jiān)測(cè)軟件客戶端

(3)車間焊接遠(yuǎn)程監(jiān)控

該功能提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、焊機(jī)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，并具有開放數(shù)據(jù)庫(kù)，供其他管理軟件使用。軟件實(shí)時(shí)采集各臺(tái)焊機(jī)的工作電壓和電流，通過(guò)電壓和電流的變化得到焊機(jī)的工作狀態(tài)，包括工作、報(bào)警、待機(jī)和關(guān)機(jī)等4種不同狀態(tài)，并按區(qū)域?qū)笝C(jī)進(jìn)行單機(jī)和總體監(jiān)測(cè)。軟件將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用于后續(xù)的分析處理，提供單/多焊機(jī)狀態(tài)、負(fù)荷率、開機(jī)/待機(jī)時(shí)間、班組工作分析和區(qū)域分析等統(tǒng)計(jì)分析功能，以波形圖、儀表、柱狀圖和餅圖等圖形顯示，并支持輸出PDF、Excel、Word等格式的文檔。對(duì)操作者的焊接規(guī)范進(jìn)行監(jiān)督；及時(shí)對(duì)操作者超規(guī)范焊接情況進(jìn)行管理；工藝人員可為每臺(tái)焊機(jī)設(shè)定焊接電流的上下限值，在實(shí)際焊接電流超出限定值時(shí)生成報(bào)警提示，并生成報(bào)警統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

(4)焊工管理與焊接維護(hù)

該系統(tǒng)可通過(guò)人臉識(shí)別對(duì)焊工進(jìn)行焊接作業(yè)實(shí)名化。通過(guò)設(shè)備管理人員錄入焊機(jī)的采購(gòu)時(shí)間，可提示焊機(jī)保養(yǎng)時(shí)間；可通過(guò)焊機(jī)故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析焊機(jī)出現(xiàn)故障的原因，并具備故障即時(shí)提醒功能?？蓪?shí)時(shí)了解焊接設(shè)備的故障情況，及時(shí)通知維修部門進(jìn)行故障排除。

5 結(jié) 論

船舶智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是船舶智能單元生產(chǎn)線、船舶智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)和船舶生產(chǎn)集控中心的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)船廠智能制造的互聯(lián)互通，支持船舶制造過(guò)程管控的智能化。得出如下結(jié)論：

(1)完成以車間物聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，共分為設(shè)備層、邊緣層、網(wǎng)絡(luò)層、通信層、存儲(chǔ)層和應(yīng)用層等6個(gè)層級(jí)。

(2)實(shí)現(xiàn)船舶智能感知車間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)和數(shù)據(jù)采集與海量實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的突破。

(3)形成船舶車間人員物資信息采集與傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，鋼板、型材等中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、識(shí)別采集系統(tǒng)，船舶多型切割設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)，船舶焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息采集與傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用可為船舶生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提供數(shù)據(jù)支撐和構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。