基于Web的船厂能耗管理系统设计

黄凯 徐轶群 黄龙 郭勇川

摘 要：船厂能耗管理系统设计有助于解决船厂能耗利用率低、管理粗放等问题，对船厂实现精细化管理、节能减排、降本增效有着十分重要的意义。文中设计了基于Web的船厂能耗管理系统，该系统采用自主研发的能耗数据采集网关，利用3G通信技术或无线通信技术，实时将船厂能耗数据远传至云端数据中心，管理者可通过Web浏览器在线实时监测船厂造船流程各车间能耗数据，为管理人员分析耗能情况、实行人员设备调度提供有力的数据支撑，提高了船厂生产效率，降低了生产成本。本系统响应了国家低碳经济和绿色造船战略的号召，具有良好的推广应用前景。

关键词：船舶建造；Web；船厂能耗；管理系统

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-06

0 引 言

船舶工业是先进装备制造业的重要组成部分，是展示强大的国民经济和先进国防科技工业的重要标志。国务院在《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中明确了我国能源发展要调整优化经济结构，转变能源消费理念，强化工业、交通、建筑节能和需求管理，重视生活节能，切实扭转粗放用能方式，不断提高能源使用效率。船舶工业作为能源消耗大户，调整产业结构，强化创新驱动是船舶工业完成转型升级，实现由大做强的必经之路。文献[1]提出基于准时化的生产方式，通过收集设备及人员能力数据得出优化工序，进而提高生产效率；文献[2]引入智能制造概念，结合智能应用技术，验证物联网对提高船厂生产效率的作用，为船舶工业由粗放型向集约型转变提供了思路；文献[3]基于RFID无线射頻技术和条形码技术等采集技术，研发了一套信息采集系统，实现了船舶分段建造数据信息完整化；文献[4]借鉴舾装托盘集配管理模式，建立精细化托盘集配送管理系统，实现了设备的最优配置，降低了造船周期与成本；文献[5]阐述了船厂能耗最多的电力损耗，在变压器经济运行、控制功率因数、线损管理和用电设备等方面提出了可行的节能措施。大量研究者通过借鉴国外先进的管理模式，改良了工艺流程，提高了建造标准与精度，使船舶行业在转型升级中取得了可喜成就，但放眼互联网技术与耗能情况相结合等方面，实现对船厂降本增效的研究还不够深入。

本文船厂能耗设计开发基于Web开发船厂能耗管理系统，将当前先进的互联网技术应用于船厂能耗管理中，充分利用互联网高效传递、全面感知和智能处理的优点，将船厂现场管理与能耗管理相结合，形成一个统一的网络管理平台，使船厂管理人员能够实时、全面地掌握能耗动态。在为船厂能耗管理决策提供数据支持的同时，实现了船厂能耗管理的信息化，从而达到节能减排、降本增效的目的。

1 船舶建造生产模式和能源管理现状分析

1.1 船舶建造生产模式

船舶建造是一个非常复杂的系统工程，涵盖多种专业技术，包容性强。现阶段我国大多数船厂为提高生产效率，都已采用现代化造船模式。通过应用成组技术原理，以中间产品为导向，把船体建造、区域晒装、区域涂装及晒装件的加工等作业统筹合理安排，实现均衡、连续地总装造船。壳、晒、涂一体化作业总装造船模式[6]如图1所示。

在现代造船模式下，船舶制造是一个面向中间产品的制造过程。中间产品由零部件按各种方法组装而成，低一级的中间产品与零件加工组装生产为另一个中间产品，然后再将大量中间产品（分段）通过组装形成现代化船舶。每一级中间产品都具有相对的独立性和完整性[7]。图2所示为现代造船工程生产组织流程。

中间产品的制造来自不同的车间，有些甚至是几个车间的组合。船舶制造过程中的车间类别繁多，一般包括钢板预处理车间、切割加工车间、平面分段车间、曲面分段车间、总组车间、船台、船坞等，每类车间在船舶制造过程中起到不同的作用。原材料通过不同车间的相应处理，经过除锈、校正、切割、装配、焊接、预晒装、涂装等工艺流程，形成平直分段或曲面分段，分段再组合成总段，然后将完成的分段、总段送至船台进行吊装搭载成船[6]。分段加工流程如图3所示。

1.2 船厂能源管理现状

经过“十二五”期间的大力发展，我国船舶制造业规模跃居世界第一，实现了对日韩的超越。但与许多行业类似，船舶制造业依然存在“大而不强”的问题，尤其管理模式相对简单，信息化水平较为落后，先进节能应用的开展缺乏基础性条件支撑，具有明显的粗放式增长的传统特征[8]。目前，船厂能耗管理中存在的问题主要有以下几点：

（1）船厂耗能主要以电、燃气、CO2为主，同时还大量消耗蒸汽、水、O2等资源，能源品种多，管理难度大[9，10]。尽管造船工艺实现了流水线作业，但仍有不少工序交叉作业，给能源的精确使用与管理带了诸多困难。船厂能耗比例分布情况如图4 所示。

（2）船厂决策人员对能耗管理的认识理解不够深入。绝大多数船厂为了降低船厂成本开支，越来越重视发展节能降耗技术，但对能耗的实际情况了解不够深入，对节能降耗没有真正地重视，仅仅偏重于对技术层面的改良，缺乏对管理层面节能的挖潜。

（3）船厂能耗数据采集自动化水平落后。大部分船厂的现有计量仪表多为机械表，计量误差过大，缺乏电流、电压、负荷率、功率等实时数据，船厂分析报表大多由人工统计制作，工作量大、效率低，数据统计精度低，能源数据分析方法单一。

不同于传统企业生产过程中工艺、流程的固定单一，船厂能耗的特点决定了船厂能耗的管理模式不同于传统工业。同时，船厂能耗不只是资源和设备的消耗，车间一线工人的操作和作业习惯也与能源损耗存在较大关系，加大了船厂能耗的管理难度。

2 系统总体设计

船厂能耗管理系统的功能实现依赖于软件和硬件两部分，两者相辅相成，协同工作[11]。用符合多协议的智能化数显仪表取代船厂原有计量仪表，依据功能需求对车间现场完成传感器改造，借助有线或无线网络实现传输需求，通过能耗数据采集网关实现远程抄表，配备满足大量能耗数据储存的数据库完成后台搭建。船厂能耗管理系统由能耗数据采集与处理系统、通信系统、船厂能耗管理在线平台架构三部分组成，系统架构如图5所示。

（1）能耗数据采集与处理系统：首先利用智能计量表采集能耗数据，通过RS 485总线直接将数据上传到能耗采集网关，能耗采集网关将采集到的数据经过解析处理后打包发送到数据中心服务系统，然后由数据中心服务系统的能耗管理软件对数据进行分析处理，最后将处理后的结果呈现给能耗管理部门。

（2）通信系统：现场通信网络的主要功能是实现能耗信息的传输以及采集命令的接收，是实现车间现场工作和管理人员信息共享、人机交互的桥梁[12]，提供有线网络和无线网络两种方式，可根据船厂和车间现场实际需求选配合适的通信网络。

（3）船厂能耗在线管理系统平台：该平台的主要功能是接受从船厂车间发送的采集到的水表、电表等各类数据，对各车间的数据进行类比分析，以直观的图表形式（如柱状图、折线图、扇形图等）向客户展示，便于客户查询相关情况。

3 系统硬件选用

本实验室自主研发的能耗数据采集网关具有时钟读写、数据采集、数据存储、数据传输、数据断点续传等功能，满足实验要求，在网关现有硬件的基础上通过C语言编写了适用于船舶制造业等离散型行业在恶劣工况条件下与底层计量表的通信程序。

3.1 能耗数据采集网关简介

能耗数据采集网关带有GPRS控制器（带SAM），具备与安全认证模块间的数据传输接口和能力，自带FALSH，将记录保存在FLASH中，并通过GPRS上传到中心。能耗数据网关规格见表1所列。

其中，工作温度为-20℃～55℃，相对湿度为20%～90%RH；工作温度为-20℃～60℃；工作电压为DC 12～DC 24 V，输入电源为DC 12～DC 24 V，0.5 A。电路板实物图如图6所示，接口示意图如图7所示。

3.2 能耗网关应用程序设计

能耗数据采集网关应用程序的开发基于IAR Embedded Workbenchfor集成开发环境。使用过程中可以模拟任何ARM 内核、外部设备，即使在中断的软件运行环境下仍可通过EWARM操作，且无需硬件支持就可完成。能耗数据采集网关使用C语言开发[13]，通过相应程序编写，可实现在船厂车间工况下的网关数据采集、数据存储、协议解析、数据传输功能，网关中程序main（）函数流程如图8所示。

3.3 能耗数据采集终端实地测试

实地测试的目的是检测整个网关程序开发是否有效，将具有通信功能的流量计与能耗网关相连接，配置IP地址和端口参数，连接本地有线网络，网关可以将XML文件的数据包发送至远端服务器，同时数据库录入相应的原始数据，测试结果如图9、图10所示。

4 船厂能耗管理系统软件设计开发

船厂能耗在线开发环境的搭建主要包含三个部分，通过在个人电脑上开发语言环境、安装与配置，即可完成在线管理系统的软件开发。本系统以Windows操作系统，Tomcat服务器，MySQL数据库为环境，基于SSH框架开发。采用Java语言作为系统软件的开发语言，选用MyEclipse作为系统软件的开发工具。通过上述开发框架，不仅可以做到业务层和持久层分工协作，而且真正实现了MVC模式，即模型、视图、控制器的彻底分离。如果对视图层网页进行修改，只需要在模型层做微量调整，不会对其他结构层产生影响，在提高项目可重复利用率的同时，降低了各层之间的耦合度，也有利于开发人员提高工作效率。软件运行原理图如图11所示。

4.1 系统网站功能实现

建设船厂在线能耗管理平台有助于船企清晰掌握本企业的能耗结构，进行能耗数据行业对标，合理分解节能指标；登录用户界面可以实现船厂车间及设备的相關管理，随时查看各车间和主要设备的能源使用数据，及时优化动能调度；能耗数据自动归档，船厂还可根据需求详查能源使用过程数据。同时系统对采集到的数据进行分析处理，以不同的报表形式呈现，方便客户查询；从系统软件的安全性出发，对登录用户实行权限分配。能耗管理系统功能如图12所示。

4.2 首页

输入能耗系统网址local host：8081/ship进入系统首页，首页是系统的登录页面，包括用户名、密码。当用户名、密码和后台数据库中的数据相同时，即可进入系统主页面，否则登录失败。系统登录页面中管理员类Admin Action 继承Struts的Action Support类，调用Admin Service中的Login方法，Admin Service调用Admin Dao中的Login方法，Admin Dao通过Hibernate完成数据库访问，查找数据库中管理员的实体信息。若查询存在，则返回至input视图，登录成功；若查询不存在，则返回至error视图，提示用户名或者密码错误。系统首页如图13所示。登录功能主要实现代码如下：

public class admin Action extends Action Support{

//请求数据库中的admin表数据封装

private Admin admin；

public Admin get Admin（） {

return admin；}

public void set Admin（Admin admin） {

this .admin = admin；}

//调用service方法

private admin Service admin service= new admin Service（）；

public String login（）{

try {

Admin user Info=admin service .login（admin）；

//判断是否登录