無線通信技術在造船廠的應用

(南通中遠川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

由于造船廠占地范圍大，環境復雜，干擾較多，不可能完全通過鋪設光纜等有線網絡來收集重要的生產實時信息。無線網絡通信具有覆蓋面大，布置靈活便利，實時響應等造船廠所需的特點。無線通信技術安全性、抗干擾性、移動性好的優勢，而成本卻逐年遞減，給造船企業的信息化建設帶來了很好的發展契機。

目前已經有部分造船企業在局部區域運用了無線數據通信技術，但仍然有很多重要區域仍然是信息盲點，為了打造整個船廠的信息一體化工程以服務于商業運作，有必要構建覆蓋全廠區的無線通信平臺。

1 無線網絡的選擇和部署

當前流行的無線網絡技術主要有3G、Wi-Fi和WiMAX三種[1-3]，比較見表1。

表1 無線網絡比較

當然考慮到成本因素和某些特殊需求，可以在把WiMAX作為主干無線網絡的基礎上，將Wi-Fi部署到局部分支區域，這樣并不影響整個無線網絡的使用。

WiMAX無線接入系統主要由中心站和客戶端兩部分組成。WiMAX中心站設備為二層設備，可以通過標準的IEEE802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口與交換機相連，客戶端通過無線信號與中心站相連，客戶端下連數據設備提供數據業務。根據廠區的范圍和實際需求，將在企業完成WiMAX網的部署。在船廠主辦公樓樓頂安裝一臺中心站設備，并在廠區各個地點安裝CPE遠端站。根據基站的總接入速率情況，選定3種類型(1D、4D2V、和NG-4D1W)CPE遠端站應用于該系統。

2 WiMAX網絡特性

1)保證基于WiMAX網絡的系統設計易于擴容。

2)應該能夠使用多種網絡拓撲結構，包括星型，分層和網狀結構。

3)應該能夠滿足多種形式回程連接要求，例如，有線、無線不同時延的回程連接。

4)應該能夠支持設備的平滑擴容，同時隨著用戶的增長和每個用戶的IP業務的增加，分階段地引入IP業務。

5)能夠同時適用具有不同覆蓋能力和容量的基站設計。

由于WiMAX無線網絡的抗干擾性將對船廠無線運用效果起到重要影響作用，所以在使用過程中需避免三種干擾。

1)系統內部干擾。發射機的非線性會產生帶外干擾、互調干擾和阻塞干擾；如果相鄰扇區使用相鄰的頻率，會出現鄰頻干擾。通過設備自身濾波器就可抑制帶外干擾；WiMAX系統本身頻點較少不會產生互調干擾；通過設備的自動功率控制功能及濾波器可抑制阻塞干擾；通過頻率和極化隔離手段抑制鄰頻干擾。

2)相鄰系統間的干擾。由于中心站的頻率復用會造成同頻干擾。同頻干擾主要取決于系統的載干比指標，對使用相同頻率的站點可以使用距離隔離和方向隔離等手段，并通過調整扇區天線的方位角、俯仰角以及利用控制扇區的覆蓋范圍等措施來抑制同頻干擾。

3)系統外部的干擾。主要來自于其它頻譜的相鄰頻點的干擾。這類干擾需要進行有效的協調，盡量在重疊的區域，采用相隔較遠的頻段，優先使用非相鄰的頻點，相鄰載頻采用不同極化方式，中心站和客戶端嚴格控制其發射功率等措施抑制干擾。

3 無線網絡應用

由于船廠環境具有相當的特殊性，要實現敏捷化造船和真正意義上的整體信息化，在實時信息運用方面企業主要面臨數據及視頻通訊、后勤供應鏈管理、設備管理和安全控制的問題。通過WiMAX無線網絡為主的一系列技術可以很好地解決這些問題。

3.1 數據通信應用

船廠占地范圍大，員工人數多，巨大而復雜的鋼結構等因素往往造成車間、船塢、船內等特殊區域的網絡連接率較低，海試過程中如果想使用網絡也會受到諸多限制。目前船廠一般使用耐用型PDA和帶有2 G/3 G功能的調制解調器來進行數據傳送。該類設備有帶寬小、網絡易延遲和中斷、費用較高等缺點，所以造成應用范圍有限且利用率較低，很難達到實時數據傳送的要求。為應對這些問題必須擴大無線網絡的覆蓋范圍，提高通信的效率和質量，支持大規模數據通信。

使用支持WiMAX技術的筆記本電腦、平板電腦、智能手機可以在辦公室、控制間、碼頭、定盤、車間等廠區的任何區域進行實時的工作流管理、造船圖面信息查詢及傳送。該技術的運用將帶來以下便利。

1)現場人員能實時錄入現場的具體工作進度和問題。現場工作的細微變化能及時傳遞到生產管理系統中，以便于相關管理人員及時跟蹤并有針對性地進行優化和調整。

2)實時獲取最新的設計圖面并按圖施工?？梢源罅繙p少現場使用的圖紙和作業票數量，逐步全方位實現數字化、無紙化造船。圖面及作業信息的及時更新，能最大程度的避免錯誤施工。

3)提供便利的平臺來查詢參考圖面或信息。現場施工時往往需要經常參考核實設計圖面，使用無線網絡進行遠程操作可以輕松解決這一問題。

4)將現場的具體問題及時反饋給相關人員。以前現場和辦公室溝通往往使用電話交流，辦公室人員很難直觀了解現場的實際情況，通過無線網絡可以把視頻信息傳給相關系統，在辦公室里就可以清楚觀察現場情況并及時解決問題。

船體內部是一個較為封閉的空間，由于光纜無法鋪設到位，所以過去很難在船內外進行數據通信。如圖1所示，通過采取以下措施就可以在辦公室里輕松的獲得船內的一系列數據信息并進行便利的視頻交流。

圖1 船內無線通信

1)運用移動WiMAX技術和設備構建一個高速無線網絡來覆蓋廠區以保障各區域都能安全穩定的接收到數據信息。

2)在船甲板區域部署一部移動WiMAX調制解調器來獲取無線信號。由于船體是由封閉的鋼板構成，靜電屏蔽造成無線信號無法直接傳遞到船體內，所以必須在船甲板區域接收信號后通過電力線纜傳遞到船體內部。

3)通過電源線將信號傳送到船體內部的Wi-Fi發射設備后，由Wi-Fi發射設備在船體內部進行無線數據傳送。考慮到Wi-Fi設備較便宜，并且船體內部空間大小可以滿足Wi-Fi運用的要求，所以在此處使用Wi-Fi設備更為合理。

4)工程技術人員可以使用網絡電話和具有網絡攝像頭的計算機來完成遠程協作任務和進行雙邊視頻會話。網絡攝像頭和視頻電話的使用可以使得遠程技術人員能清楚了解船艙內部的具體情況，并在此基礎上做出正確的判斷。同時根據需要收集相關設備的數據信息并傳送回遠程主機以便分析處理。

3.2 供應鏈和后勤管理應用

船舶產品具有結構復雜、技術含量高、周期長、配套內容多的特點。在不斷的裝配組合過程中，整個船廠往往同時有數以百萬計的零部件處于移動處理狀態中，經過組合而成的分段也有數千個之多。以上因素直接導致分段的定位安排和零部件的實時跟蹤監控都異常困難，完全依靠現場人員憑經驗調度必然會降低場地的利用率，也很難對零部件的使用進行精確管理。

為此，通過使用 GIS和 WiMAX 無線網絡可以構建一個分段運輸定位管理系統，從而實時把握廠區場地和運輸車的使用狀況，采取最優的方法來運輸和安排分段。圖2展示了系統運作的簡單過程。

圖2 分段輸送定位

1)在辦公樓里根據生產進度檢查相應的分段運送計劃并按優先級將分段標記出來；通過分段運輸定位系統的 GIS 功能觀察廠區的分段堆放情況結合用途找出便于放置和使用的場所；根據運輸車的空閑狀況及距離安排合適車輛來負責運輸。

2)運輸車內的移動電腦通過WiMAX無線網絡獲得分段運輸定位系統中本次運輸計劃的信息；檢查本次分段運輸計劃的內容；根據計劃選擇最優的運輸路徑(最短的合理距離)；完成運送任務后將開始/完成時間和分段最后位置等信息錄入系統并傳送回服務器。

造船用原材料主要分為以鋼板、條材等為代表的船體用材料和以管子、電纜、小配件等為代表的舾裝件兩大類。實時跟蹤管理造船原材料對企業的生產管理和供應鏈管理作用巨大。如圖3所示，運用WiMAX、條形碼、射頻識別、GIS等技術構建一個供應鏈管理系統，可以對各種原材料進行實時跟蹤管理。

1)鋼板管理。鋼板到貨后，按照統一規則進行編碼并貼上條形碼標簽；將鋼板運送到倉庫堆場并通過射頻掃描設備獲得鋼板信息，連同堆放位置信息通過WiMAX錄入到供應鏈管理系統中；按照設計系統指示從倉庫堆場或者剩余材堆場調用合適的鋼材輸送到加工現場，經過條碼掃描確認后進行加工并將完成情況反饋給設計系統；剩余材料返回剩余材堆場并進行掃描錄入。所有流程和位置信息都通過WiMAX網絡傳輸回供應鏈管理和設計系統。

2)舾裝件管理。情況基本和鋼板管理類似。

通過實時跟蹤管理能對船廠的各種原材料進行精細化管理，管理人員隨時隨地能通過系統了解任何材料當前所出的位置及工序，這樣既能及時跟蹤配件的庫存情況來按需采購，又能適時根據作業完成情況調整工作計劃。這些無疑為敏捷化造船打好了良好的基礎。如果條件許可甚至可以把管理擴展到上下游企業，構建虛擬企業集團，從而做到真正意義上的無余量造船。

3.3 設備管理應用

船廠擁有吊機(龍門吊、起重機、行車等)、運輸車(平板車、卡車、叉車等)、焊機、切割機等大量的設備和設施，要保障這些設備的正常使用必須定期點檢和維修。要發現和解決設備的問題會耗費大量的人力和聯絡時間，并且很難及時發現所有設備的故障，這無疑加大了管理的復雜度和難度。

M2M(Machine-to-Machine，物聯網)由多種不同類型的通信技術有機地結合在一起，包括機器之間的通信、機器控制通信、人機交互通信、移動互聯通信。隨著該技術的不斷普及，越來越多的設備和設施具備了無線通信的功能。如圖4所示，通過運用M2M移動通信裝置和WiMAX技術可以對廠區設備及設施進行遠程實時監控。

1)監控服務器從氣壓、火警、處理車間、自動化設備等設施自動獲取相關狀態信息后，通過WiMAX傳送到監控中心系統，這樣監控中心就可以實時了解設備及設施的運行狀況，并在發生問題時第一時間采取相應的處置措施，從而避免由于設備的損壞而影響生產。

2)吊機、運輸車、廠房等設施并不具備物聯網的功能，只能由技術維修人員現場檢查和維修，但維修人員可以把現場檢查和處理的情況及時通過智能手機、IPAD、PDA等移動設備傳送回服務器，以便監控中心實時了解情況并提供及時的指示和處理。

圖4 設備監控

通過對設備的實時監控，維修人員能在第一時間了解到故障的發生地點和大致的原因，從而做出正確的判斷并及時解決問題。這樣能減少故障時間，提高工作效率，延長設備的使用壽命，降低設備的維修費用。

3.4 安全控制應用

船廠這種類型的重工企業作業環境相當艱苦，化學品泄露、火災、爆炸、觸電、高空墜落等危險隨時會威脅員工的生命。因此船廠的事故率往往高于一般的工廠。要保障作業環境的安全，就必需實時了解作業環境的變化，從而在出現異常情況時第一時間做出響應。目前環境變化情況的收集主要靠使用各種類型的傳感器，通過在工作場所大量部署傳感器并集成射頻識別、WiMAX等技術就可以構成一個較為完善的安全控制系統。傳感器主要應用于三個方面。

1)工作環境用。溫度、濕度、化學氣體、煙霧、火焰等傳感器。

2)船塢碼頭用。風向、風速、浪高、煙霧、火焰等傳感器。

3)作用人員安全用。溫度、濕度、脈搏、血壓等傳感器。

傳感器采集到相關信息后，通過WiMAX網絡可以實時傳遞給工作環境管理系統，經過分析處理就能得到重用的安全信息，一旦出現異常情況就能及時采取措施以避免事故的發生或者減小事故的影響程度。

3 結論

以國內外相關研究成果為基礎,結合造船廠特有的環境要求和工作流程,運用較為成熟的WiMAX無線技術，創建了適用于造船企業的無線網絡。該無線網絡的應用在以下幾個方面有所創新。

1)充分考慮了船廠的實際需求和成本投入，選擇了較為合理的WiMAX無線網絡通信方案。

2)網絡不再局限于辦公樓和車間辦公室，而是將網絡拓展覆蓋到整個船廠，最大程度地發揮了該技術的優勢。

3)將無線通信廣泛應用于船廠的數據通信、船內的無線通信、分段定位安排、實時后勤管理、設備監控、工作環境管理等多個方面，全面提升船廠的管理能力和工作效率。

[1] 唐雄燕.寬帶無線接入技術及應用: WiMAX與WiFi[M].北京:電子工業出版社，2006.

[2] 王孫名，唐 紅，沈建國.新一代寬帶無線移動通信網絡管理的研究[J].通信技術，2007，40(12)：201-205.

[3] 吳志東,楊士喜.基于3G無線通信網絡的船舶遠程監控系統研究[J].船海工程，2011，40(5)，16-19.