船体分段外场物流实时综合监控系统

张 恒， 向祖权， 王 冲， 姜春光

(1. 武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063； 2. 天津新港船舶重工有限责任公司， 天津 300000)

0 引 言

船体分段在组立车间加工完成后，一般需经过预舾装、预喷涂、预总装等工艺流程，最后运送至船台进行总装，而分段在此期间会在作业车间、堆场及其他场地之间多次转运，这个过程称之为分段外场物流。目前，船厂的生产部门负责人一般会在前一天制定第二天的分段外场物流作业计划，然而，在船舶建造过程中干扰因素较多，造船生产计划不得不经常变更，具有一定的随意性。由于缺乏有效的监控手段，管理者无法系统掌握分段物流的实绩流通情况和生产状态，无法了解生产实绩与对应的生产计划的差异，导致无法科学有效地进行生产调度和控制[1]，因此，开展船体分段外场物流实时监控方面的研究十分必要。

有关这一问题的研究已有不少。LEE等[2]运用惯性测量单元(IMU)、数字罗盘、GPS和嵌入式系统为船厂平板运输车设计了一种低成本的惯性导航系统(INS)，但该系统没有考虑船厂金属环境的影响，定位时易产生错误。冯晓波等[3]提出一种基于Android系统客户端的面向船厂船体分段厂内物流作业的动态调度方法，实现在Android手机客户端上进行分段调度管理。林加灶等[4]设计了一种分段物流仿真控制系统用于辅助造船生产过程，以指导平板运输车的运输指令和调度指令的评价系统为中心，实时管理和监控分段物流过程。除分段外场物流外，STROMGREN[5]使用射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术，同时融合其他相关物联网技术，研究船厂造船物料在场内物流过程中的实时跟踪和精确定位，并通过在某船厂的实际应用检验该方法在减少人工和成本上的有效性。徐晶[6]使用物联网制造技术设计船舶管件精益制造物联网系统，实现了船舶管件制造过程的精益化。

虽然国内外关于船厂生产实时监控及管理方面的研究已有不少，但专门针对船体分段外场物流过程进行实时监控的研究较少，且这些研究的系统性以及对于分段外场物流问题的适用性或多或少存在缺陷。因此，考虑到现有研究工作中的主要问题，以及国内主要船厂的实际情况，整合提出一套船体分段外场物流实时综合监控系统方案，包括船厂外场区域地址编码方案、分段大小和位置快速测量方案、基于GPS和RFID组合的平板运输车定位方案、基于视频监控技术的船厂外场关键区域监控方案、基于移动智能终端的分段外场物流在线指示方案。

1 船体分段外场物流实时综合监控系统

1.1 船体分段外场物流实时监控问题分析

造船生产过程监控的主要方法是对总段、分段等中间产品或平板运输车等关键设备进行监控，进而实现对生产过程的监控。造船生产过程监控主要分为数据采集、预处理和可视化等3个阶段，通过这些手段监控造船过程，将生产实绩信息及时反馈给船厂管理者，使他们做出更科学合理的决策。

目前，国内大部分船厂在船体分段外场物流的监控问题上，主要存在一些问题：

(1) 主要依靠人工采集分段的物流数据。这种模式人工操作量大，易受人为因素影响产生错误；且当前的数据采集工作主要是记录物流进度，在采集的数据内容上不够详细，缺乏很多重要信息，如生产状态、位置、责任人的变动等。

(2) 分段定位追踪查找困难。由于我国船厂的分段运输管理主要依靠人工进行，因此只有负责某分段转运的工人比较清楚该分段的位置信息，一旦该工人不在，其他人很难快速追踪查找到该分段。

(3) 分段运输作业指示的动态调整性差。船厂生产部门负责人一般会在前一天制定第二天的分段外场物流作业计划，当计划受某些因素的影响变更时，这种纸质的、预先制定的运输指令不能迅速响应新的分段运输计划。

1.2 船体分段外场物流实时综合监控系统方案

针对第1.1节分析的问题，为了解决分段外场物流管理过程中自动化、信息化程度低以及动态调整能力不足等问题，提出船体分段外场物流实时综合监控系统方案，如图1所示。该系统的主要结构和目标如下：

图1 船体分段外场物流实时综合监控系统

(1) 构建船厂外场区域地址(简称“船厂地号”)编码体系，基于地理信息系统 (Geographic Information System， GIS)构建船厂外场区域的数字化地图。一方面，通过地址编码实现对船厂各区域的定置化管理；另一方面，以GIS地图为基础，动态呈现分段的生产状态和位置变化。

(2) 构建分段大小和位置的快速测量方案。利用RFID阅读器手持终端和埋设的RFID标签，测量计算出分段的大致包络形状和位置坐标，上传数据并实时反馈分段的最新形状和位置信息。

(3) 构建GPS和RFID的组合定位方案，与GIS地图搭配动态呈现平板运输车的位置变化情况。

(4) 构建基于视频监控技术的船厂外场关键区域监控方案，制定关键区域的监控设备布置方法，实现对这些关键区域的全方位、实时监控，预防安全事故，即便发生了事故，也便于查找事故原因。

(5) 基于移动智能终端技术构建分段外场物流的在线指示系统。通过移动智能终端，每个现场管理人员都能像船厂中央监控室的人一样全面掌握分段外场物流过程。实时在线处理作业指令，动态调整计划，每一项作业在开始时就及时上传至系统，提前掌握所有作业场的分段位置变化及其他变更事项。

1.2.1 船厂外场区域地址编码体系

船厂外场区域地址编码是现场定置管理的基础，也是实现船厂数字化管理的要素之一。这里所说的“定置”，其实就是确定分段在船厂相关区域中的位置。区域地址编码存在一定的原则要求，需根据特定船厂的布局特点，构建具有系统性、层次性和目的性的编码体系。在对船厂外场区域地址编码时，需特别注意以下几点：(1)编码对象不应该包含与造船过程无关的部门或区域；(2)编码体系应该是唯一的，不能与船厂其他编码体系发生混淆；(3)编码体系应有一定的容量，能够满足多种属性要求；(4)编码体系应有一定的层次性，体现不同等级区域的从属关系。

如图2所示，基于编码的主要原则和某船厂的实际，定义针对该船厂的编码体系，包含大区域、中区域和小区域等3个层次的地址编号，简称为大地号、中地号和小地号。大地号指的是船厂一些关键的大区域；中地号则指的是特定的沿海区域或靠陆地区域；小地号的构成形式比较特殊：(1)大地号基准点(0～9)+行编号(0～9)；(2)基于主要道路的列编号(0～9)。在船厂中，当船厂厂区发生变化(拆除或新建作业车间等)时，各区域在特定情况下需进行调整，将小区域编码与其他两种区域编码进行一定的分割，可避免新区域产生或旧区域删除对小地号体系产生影响。

图2 某船厂新建编码体系示例

将新构建的船厂地号系统与GIS技术进行融合，建立船厂地号管理数据库，并在系统中进行可视化显示。在此基础上，将人员、部门和区域一一对应，明确作业管理人员的管理范围和责任分工，使特定部门对应于特定的船厂区域，具有专门的管理人员指导特定的分段运输任务。这种基于场地地址的编码体系可帮助实现船厂建造场地、管理人员和相关装备的组合效益最大化，实现“分工明确、责任到人”的分段外场物流的管理目标。

1.2.2 分段大小和位置快速测量方案

为实时监控分段在外场物流过程中的大小和位置变化，提出分段大小和位置快速测量方案。首先，在船厂若干区域埋设带有地理坐标信息的RFID标签，建立一个船厂RFID标签网络；然后，每当分段被移动到新的位置时，由平板运输车的驾驶员利用RFID阅读器，读取最近的RFID标签，并以该标签所在位置为基本点，使用RFID阅读器上的角度传感器和距离传感器分别测量该点至分段4个转角点的方位角和距离；最后，结合RFID标签上的地理坐标信息，基于坐标换算原理，计算分段4个转角点的地理坐标并实时上传数据，从而在WebGIS中可视化展现出分段的大致轮廓和最新位置。

分段大小和位置快速测量示例如图3所示：工作人员将测量终端对准分段的转角点，读取距离L、水平方位角α和竖直方位角β，其测量原理如图4所示；之后进行坐标转换和计算得出分段转角点的坐标，从而得到分段的大致包络形状；最后通过无线通信的方式将数据传送至服务器终端。

图3 分段大小和位置快速测量示例

图4 手持终端测量原理图

1.2.3 基于GPS/RFID组合的平板运输车定位方案

GPS是一种全天候的卫星导航定位系统，可为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息[7]。然而，其存在一个关键的缺陷，就是在一定的金属环境特别是船厂这种极度复杂的金属环境中，信号强度和精度都会受到严重影响。因此，为了弥补GPS系统的不足，很多研究人员和专家对导航传感器或其他无线定位技术(如RFID定位技术[8-10])与GPS系统的组合定位方式进行大量研究，以提高定位精度和定位的适用性[11-12]。

本方案针对船厂的特殊环境，设计与该环境相对应的GPS/RFID组合定位方案，如图5所示。该方案首先采用基于RFID信号强度的方式进行测距，之后整合GPS的观测值，对平板运输车位置进行组合定位解算。

图5 平板运输车GPS/RFID组合定位场景示例

为了提高RFID标签与阅读器之间的信息传输速度，本方案从减少信息传输量的角度入手，提前将所有RFID标签的坐标信息存储到系统数据库中，定位时仅使用RFID阅读器读取相应标签的ID信息、时间信息和信号强度指示值等数据，并通过ID信息到系统中找到对应的RFID标签的预存数据，提取出来以供使用。每辆平板运输车上都有一个车载RFID阅读器，通过该阅读器读取信号强度指示值后，可基于信号衰减模型计算特定的RFID参考标签与平板运输车上的RFID阅读器之间的直线距离，然后结合GPS的测距值联合解算，以得到平板运输车某一时刻的位置坐标。GPS/RFID组合定位系统的工作原理如图6所示[13]。

图6 GPS/RFID组合定位系统工作原理图

RFID定位距离路径损耗模型[14]为

(1)

式中：PL(d)为目标距离d处的路径损耗；PL(d0)为参考距离d0(d0>0，一般取d0=1 m)处的路径损耗；γ为路径衰减因子。

在自由空间取γ=2，由式(1)可推导出车载RFID阅读器与RFID参考标签之间的直线距离：

(2)

式中：s(d0)为参考点的信号强度；s(d)为目标点的信号强度。

基于本方案的组合定位方法实时捕捉平板运输车的位置时，首先判断平板运输车有没有装载分段。如没有装载，则优先使用GPS信号，进一步应用差分全球定位系统 (Differential Global Positioning System， DGPS)修正GPS信号，降低误差，捕捉平板运输车的位置，该方法的误差一般不超过2 m，满足精度要求；如平板运输车上装载了分段，由于分段是一个大型的金属结构物，且在平板运输车的上面，会影响GPS信号的精度，此时，优先使用基于RFID信号强度的定位方式。

基于RFID信号强度的定位方式只有在预先埋设的RFID标签附近一定范围内才能使用，当平板运输车不在这个范围内时，就无法应用该定位方式。虽然可以通过增加船厂RFID标签网络密度的方式缓解这一问题，但很难实现所有区域的RFID标签全覆盖，费用上也过于高昂。如图7所示：当RFID信号有效时，优先使用基于RFID信号强度的定位方式；否则，必须使用GPS信号进行定位。图7中，信号有效性是指平板运输车是否在RFID标签的一定距离范围内。

图7 GPS和RFID为基准的平板运输车位置推测程序图

1.2.4 基于视频监控技术的船厂外场关键区域监控方案

本节提出的船厂外场关键区域监控方案主要针对船厂外场的关键路口、重要车间门口及分段堆场，给出船厂外场关键区域的监控设备布置方法。首先，针对关键的十字形路口，布置1台高清智能球型摄像机，360°无死角监控路口情况，如果是特别重要的路口，在十字路口4个方向向外延伸50～100 m的位置各布置1台枪式摄像机，朝向道路延伸方向，结合监控系统和移动智能终端，提前预报来车，避免平板运输车及其他大型车辆在路口相遇。其次，针对关键的T字形路口，布置1台半球式摄像机，枪式摄像机的布置与十字形路口一样。另外，针对重要车间门口，交叉布置2台枪式摄像机，1台布置在门左侧，朝向右侧，1台布置在门右侧，朝向左侧，从而实现对车间门口及左右邻近区域的全方位监控。最后，针对分段堆场，在堆场的4个角度各布置1台半球式摄像机，监控整个堆场，全面掌握堆场的分段布局、空间利用情况等；同时，在堆场内部供平板运输车通行的道路上，放置对射的枪式摄像机，监控平板运输车在堆场内部运输分段的过程。

除船厂外场关键区域的监控外，也应将船厂外场区域的监控系统与船厂其他相关区域的监控系统进行整合，形成一个高清智能的网络视频监控系统，全方位监控船厂的人员、设备、运输和生产情况，并搭配移动智能终端，实现对船厂关键环节的事前预警、事中控制和事后分析。

1.2.5 基于移动智能终端的分段外场物流在线指示方案

船体分段外场物流实时监控不应该仅仅局限于船厂中央监控室，而应该推广至每个现场管理人员，使现场管理人员可在任何工作时间、任何船厂地点实时掌握分段外场物流的实际情况，有效地执行分段运输作业计划，及时调整不合理的分段物流过程，从而提高船体分段外场物流效率，降低运营成本。因此，本节研究基于移动智能终端的分段外场物流在线指示方案，初步构建基于移动智能终端的分段外场物流在线指示系统框架。

如图8所示，该系统主要由5个模块组成，包括分段信息及物流计划显示模块、分段外场物流数据采集模块、平板运输车实时跟踪及在线作业指示模块、船厂关键区域视频实时播放模块、分段外场物流计划调整模块。实质上，这些模块就是前面所构建的各方案在移动智能终端上的应用。该系统的主要功能如下：

图8 分段外场物流在线指示系统结构图

(1) 分段信息及物流计划显示模块。直观显示各分段的相关信息(分段类型、分段大小、分段位置、工程状态等)及已经确定的分段外场物流计划，方便现场管理人员实时查询。

(2) 分段外场物流数据采集模块。针对分段外场物流过程中产生的主要数据，如分段车间生产数据、堆场调度数据、平板运输车运输日志等，进行及时存储和定期维护，同时实时更新系统中的分段信息和物流计划显示模块中的分段信息。

(3) 平板运输车实时跟踪及在线作业指示模块。实时显示平板运输车的位置，接收最新的分段外场物流计划，并按照平板运输车能耗最小的原则为各平板运输车在线安排运输作业。

(4) 船厂关键区域视频实时播放模块。让现场管理人员也能像在船厂中央监控室一样实时查看各区域的道路交通、分段运输等情况，从而更好地指导现场工作。

(5) 分段外场物流计划调整模块。当分段外场物流的某些环节出现问题，原先的物流计划不再适用时，现场管理人员通过该模块及时调整计划，并在分段信息及物流计划显示模块中显示，并向中央监控室和其他移动终端发送提醒。

2 结 论

本研究针对船体分段外场物流实时监控问题，结合船厂现状，分别构建船厂外场区域地址编码体系、分段大小和位置的快速测量方案、平板运输车的实时定位方案、船厂外场关键区域的监控设备布置方案、分段外场物流在线指示系统框架，整合形成了一个高效智能的综合监控系统，实现分段外场物流过程的实时综合监控以及物流计划的动态调整，对船厂开展生产监控体系建设具有一定的参考价值。此外，本研究提出的综合监控系统在应用的过程中会记录大量的分段物流信息，如何将这些信息数据充分利用起来加以分析，找出问题并改进，是本研究需要进一步提升的重要方向。