无线通信技术在造船厂的应用

2012-01-22

船海工程 2012年3期

(南通中远川崎船舶工程有限公司,江苏南通 226005)

由于造船厂占地范围大，环境复杂，干扰较多，不可能完全通过铺设光缆等有线网络来收集重要的生产实时信息。无线网络通信具有覆盖面大，布置灵活便利，实时响应等造船厂所需的特点。无线通信技术安全性、抗干扰性、移动性好的优势，而成本却逐年递减，给造船企业的信息化建设带来了很好的发展契机。

目前已经有部分造船企业在局部区域运用了无线数据通信技术，但仍然有很多重要区域仍然是信息盲点，为了打造整个船厂的信息一体化工程以服务于商业运作，有必要构建覆盖全厂区的无线通信平台。

1 无线网络的选择和部署

当前流行的无线网络技术主要有3G、Wi-Fi和WiMAX三种[1-3]，比较见表1。

表1 无线网络比较

当然考虑到成本因素和某些特殊需求，可以在把WiMAX作为主干无线网络的基础上，将Wi-Fi部署到局部分支区域，这样并不影响整个无线网络的使用。

WiMAX无线接入系统主要由中心站和客户端两部分组成。WiMAX中心站设备为二层设备，可以通过标准的IEEE802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口与交换机相连，客户端通过无线信号与中心站相连，客户端下连数据设备提供数据业务。根据厂区的范围和实际需求，将在企业完成WiMAX网的部署。在船厂主办公楼楼顶安装一台中心站设备，并在厂区各个地点安装CPE远端站。根据基站的总接入速率情况，选定3种类型(1D、4D2V、和NG-4D1W)CPE远端站应用于该系统。

2 WiMAX网络特性

1)保证基于WiMAX网络的系统设计易于扩容。

2)应该能够使用多种网络拓扑结构，包括星型，分层和网状结构。

3)应该能够满足多种形式回程连接要求，例如，有线、无线不同时延的回程连接。

4)应该能够支持设备的平滑扩容，同时随着用户的增长和每个用户的IP业务的增加，分阶段地引入IP业务。

5)能够同时适用具有不同覆盖能力和容量的基站设计。

由于WiMAX无线网络的抗干扰性将对船厂无线运用效果起到重要影响作用，所以在使用过程中需避免三种干扰。

1)系统内部干扰。发射机的非线性会产生带外干扰、互调干扰和阻塞干扰；如果相邻扇区使用相邻的频率，会出现邻频干扰。通过设备自身滤波器就可抑制带外干扰；WiMAX系统本身频点较少不会产生互调干扰；通过设备的自动功率控制功能及滤波器可抑制阻塞干扰；通过频率和极化隔离手段抑制邻频干扰。

2)相邻系统间的干扰。由于中心站的频率复用会造成同频干扰。同频干扰主要取决于系统的载干比指标，对使用相同频率的站点可以使用距离隔离和方向隔离等手段，并通过调整扇区天线的方位角、俯仰角以及利用控制扇区的覆盖范围等措施来抑制同频干扰。

3)系统外部的干扰。主要来自于其它频谱的相邻频点的干扰。这类干扰需要进行有效的协调，尽量在重叠的区域，采用相隔较远的频段，优先使用非相邻的频点，相邻载频采用不同极化方式，中心站和客户端严格控制其发射功率等措施抑制干扰。

3 无线网络应用

由于船厂环境具有相当的特殊性，要实现敏捷化造船和真正意义上的整体信息化，在实时信息运用方面企业主要面临数据及视频通讯、后勤供应链管理、设备管理和安全控制的问题。通过WiMAX无线网络为主的一系列技术可以很好地解决这些问题。

3.1 数据通信应用

船厂占地范围大，员工人数多，巨大而复杂的钢结构等因素往往造成车间、船坞、船内等特殊区域的网络连接率较低，海试过程中如果想使用网络也会受到诸多限制。目前船厂一般使用耐用型PDA和带有2 G/3 G功能的调制解调器来进行数据传送。该类设备有带宽小、网络易延迟和中断、费用较高等缺点，所以造成应用范围有限且利用率较低，很难达到实时数据传送的要求。为应对这些问题必须扩大无线网络的覆盖范围，提高通信的效率和质量，支持大规模数据通信。

使用支持WiMAX技术的笔记本电脑、平板电脑、智能手机可以在办公室、控制间、码头、定盘、车间等厂区的任何区域进行实时的工作流管理、造船图面信息查询及传送。该技术的运用将带来以下便利。

1)现场人员能实时录入现场的具体工作进度和问题。现场工作的细微变化能及时传递到生产管理系统中，以便于相关管理人员及时跟踪并有针对性地进行优化和调整。

2)实时获取最新的设计图面并按图施工。可以大量减少现场使用的图纸和作业票数量，逐步全方位实现数字化、无纸化造船。图面及作业信息的及时更新，能最大程度的避免错误施工。

3)提供便利的平台来查询参考图面或信息。现场施工时往往需要经常参考核实设计图面，使用无线网络进行远程操作可以轻松解决这一问题。

4)将现场的具体问题及时反馈给相关人员。以前现场和办公室沟通往往使用电话交流，办公室人员很难直观了解现场的实际情况，通过无线网络可以把视频信息传给相关系统，在办公室里就可以清楚观察现场情况并及时解决问题。

船体内部是一个较为封闭的空间，由于光缆无法铺设到位，所以过去很难在船内外进行数据通信。如图1所示，通过采取以下措施就可以在办公室里轻松的获得船内的一系列数据信息并进行便利的视频交流。

图1 船内无线通信

1)运用移动WiMAX技术和设备构建一个高速无线网络来覆盖厂区以保障各区域都能安全稳定的接收到数据信息。

2)在船甲板区域部署一部移动WiMAX调制解调器来获取无线信号。由于船体是由封闭的钢板构成，静电屏蔽造成无线信号无法直接传递到船体内，所以必须在船甲板区域接收信号后通过电力线缆传递到船体内部。

3)通过电源线将信号传送到船体内部的Wi-Fi发射设备后，由Wi-Fi发射设备在船体内部进行无线数据传送。考虑到Wi-Fi设备较便宜，并且船体内部空间大小可以满足Wi-Fi运用的要求，所以在此处使用Wi-Fi设备更为合理。

4)工程技术人员可以使用网络电话和具有网络摄像头的计算机来完成远程协作任务和进行双边视频会话。网络摄像头和视频电话的使用可以使得远程技术人员能清楚了解船舱内部的具体情况，并在此基础上做出正确的判断。同时根据需要收集相关设备的数据信息并传送回远程主机以便分析处理。

3.2 供应链和后勤管理应用

船舶产品具有结构复杂、技术含量高、周期长、配套内容多的特点。在不断的装配组合过程中，整个船厂往往同时有数以百万计的零部件处于移动处理状态中，经过组合而成的分段也有数千个之多。以上因素直接导致分段的定位安排和零部件的实时跟踪监控都异常困难，完全依靠现场人员凭经验调度必然会降低场地的利用率，也很难对零部件的使用进行精确管理。

为此，通过使用 GIS和 WiMAX 无线网络可以构建一个分段运输定位管理系统，从而实时把握厂区场地和运输车的使用状况，采取最优的方法来运输和安排分段。图2展示了系统运作的简单过程。

图2 分段输送定位

1)在办公楼里根据生产进度检查相应的分段运送计划并按优先级将分段标记出来；通过分段运输定位系统的 GIS 功能观察厂区的分段堆放情况结合用途找出便于放置和使用的场所；根据运输车的空闲状况及距离安排合适车辆来负责运输。

2)运输车内的移动电脑通过WiMAX无线网络获得分段运输定位系统中本次运输计划的信息；检查本次分段运输计划的内容；根据计划选择最优的运输路径(最短的合理距离)；完成运送任务后将开始/完成时间和分段最后位置等信息录入系统并传送回服务器。

造船用原材料主要分为以钢板、条材等为代表的船体用材料和以管子、电缆、小配件等为代表的舾装件两大类。实时跟踪管理造船原材料对企业的生产管理和供应链管理作用巨大。如图3所示，运用WiMAX、条形码、射频识别、GIS等技术构建一个供应链管理系统，可以对各种原材料进行实时跟踪管理。

1)钢板管理。钢板到货后，按照统一规则进行编码并贴上条形码标签；将钢板运送到仓库堆场并通过射频扫描设备获得钢板信息，连同堆放位置信息通过WiMAX录入到供应链管理系统中；按照设计系统指示从仓库堆场或者剩余材堆场调用合适的钢材输送到加工现场，经过条码扫描确认后进行加工并将完成情况反馈给设计系统；剩余材料返回剩余材堆场并进行扫描录入。所有流程和位置信息都通过WiMAX网络传输回供应链管理和设计系统。

2)舾装件管理。情况基本和钢板管理类似。

通过实时跟踪管理能对船厂的各种原材料进行精细化管理，管理人员随时随地能通过系统了解任何材料当前所出的位置及工序，这样既能及时跟踪配件的库存情况来按需采购，又能适时根据作业完成情况调整工作计划。这些无疑为敏捷化造船打好了良好的基础。如果条件许可甚至可以把管理扩展到上下游企业，构建虚拟企业集团，从而做到真正意义上的无余量造船。

3.3 设备管理应用

船厂拥有吊机(龙门吊、起重机、行车等)、运输车(平板车、卡车、叉车等)、焊机、切割机等大量的设备和设施，要保障这些设备的正常使用必须定期点检和维修。要发现和解决设备的问题会耗费大量的人力和联络时间，并且很难及时发现所有设备的故障，这无疑加大了管理的复杂度和难度。

M2M(Machine-to-Machine，物联网)由多种不同类型的通信技术有机地结合在一起，包括机器之间的通信、机器控制通信、人机交互通信、移动互联通信。随着该技术的不断普及，越来越多的设备和设施具备了无线通信的功能。如图4所示，通过运用M2M移动通信装置和WiMAX技术可以对厂区设备及设施进行远程实时监控。

1)监控服务器从气压、火警、处理车间、自动化设备等设施自动获取相关状态信息后，通过WiMAX传送到监控中心系统，这样监控中心就可以实时了解设备及设施的运行状况，并在发生问题时第一时间采取相应的处置措施，从而避免由于设备的损坏而影响生产。

2)吊机、运输车、厂房等设施并不具备物联网的功能，只能由技术维修人员现场检查和维修，但维修人员可以把现场检查和处理的情况及时通过智能手机、IPAD、PDA等移动设备传送回服务器，以便监控中心实时了解情况并提供及时的指示和处理。

图4 设备监控

通过对设备的实时监控，维修人员能在第一时间了解到故障的发生地点和大致的原因，从而做出正确的判断并及时解决问题。这样能减少故障时间，提高工作效率，延长设备的使用寿命，降低设备的维修费用。

3.4 安全控制应用

船厂这种类型的重工企业作业环境相当艰苦，化学品泄露、火灾、爆炸、触电、高空坠落等危险随时会威胁员工的生命。因此船厂的事故率往往高于一般的工厂。要保障作业环境的安全，就必需实时了解作业环境的变化，从而在出现异常情况时第一时间做出响应。目前环境变化情况的收集主要靠使用各种类型的传感器，通过在工作场所大量部署传感器并集成射频识别、WiMAX等技术就可以构成一个较为完善的安全控制系统。传感器主要应用于三个方面。

1)工作环境用。温度、湿度、化学气体、烟雾、火焰等传感器。

2)船坞码头用。风向、风速、浪高、烟雾、火焰等传感器。

3)作用人员安全用。温度、湿度、脉搏、血压等传感器。

传感器采集到相关信息后，通过WiMAX网络可以实时传递给工作环境管理系统，经过分析处理就能得到重用的安全信息，一旦出现异常情况就能及时采取措施以避免事故的发生或者减小事故的影响程度。