CN102789600A

CN102789600A - 一种基于物联网技术的船舶分段建造进程管理方法

Info

Publication number: CN102789600A
Application number: CN2011101250829A
Authority: CN
Inventors: 杨成明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本专利涉及一种船舶分段建造进程管理方法，该方法以物联网技术为基础，将RFID(射频识别)加载到船舶建造的各分段过程中，通过RFID读写器将建造过程各种相关信息及参数进行数据采集，然后通过互联网提交给管理者，管理者及相关技术人员可通过各参数构建船舶建造仿真系统，从而进行性能测试、资源优化及指导生产。

Description

一种基于物联网技术的船舶分段建造进程管理方法

技术领域

本发明专利属于船舶分段建造管理领域，涉及一种基于物联网技术的船舶分段建造进程管理方法及船舶分段建造信息管理系统。

背景技术

现代船舶制造模式是按照“以中间产品为导向”的原则进行组织；并且均以分段产品为单位，组织生产。目前国内船厂，一般将船舶建造的各工序分解、合并、组合为几个大节点，然后以交船日为基准，以船舶分段船台/船坞工艺顺序为依据，平衡协调生产资源及其成本，优化生产周期。由于分段产品及其过程复杂，且涉及各部门间协调合作，实际过程中受到许多不确定因素的影响，无法满足实际生产需要。所以需要提供一种方法，以先进通信技术为手段，可自动采集生产状态数据，构建管理信息系统，提供满足实际生产船舶分段建造资源优化、随时进行性能测试、调整建造计划、实现国内造船业“无余量”设计生产的目的。

发明内容

为了解决船舶分段建造过程中由于协调通信不畅所导致的资源浪费、生产效率低下等问题，本发明提出一种船舶分段建造进程管理方法，该方法以物联网技术为基础，将RFID(射频识别)加载到船舶建造的各分段过程中，通过RFID读写器将建造过程各种相关信息及参数进行数据采集，然后通过互联网提交给管理者，管理者及相关技术人员可通过各参数构建船舶建造虚拟仿真系统，从而进行性能测试、资源优化及指导生产。

本发明是针对船舶企业船体分段生产全过程的生产管理。终端的虚拟仿真系统主要由产品生产信息查询、生产计划编制、造船精度控制管理三大模块组成，可以实现生产数据查询、数据统计、产品精度控制数据读取、生产计划跟踪、建立企业资源库和分配资源等功能。通过生产车间提供的相关生产数据，管理者进行生产数据统计分析，从而进行各产品的精度控制数据的下发和各车间生产计划安排和企业资源的分配。本发明的应用将进一步推动船舶企业的数字化管理，并为实现企业的敏捷生产、节拍生产和高效无纸化办公做出重要贡献。

附图说明

图1是基于物联网技术的船舶分段建造进程管理虚拟仿真系统结构图。

图2是船舶分段建造评估系统结构示意图。

图3是输出船体外壳信息界面。

图4是屈曲强度校核界面。

图5是船舶分段建造信息管理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地说明；

首先介绍如图1的一种基于物联网技术的船舶分段建造进程管理方法结构图。

1)采用RFID(射频识别)技术，在每个分段建造的部分的信息存储在标签中，通过射频信号自动识别目标并获取相关信息。

2)采用RFID阅读器通过天线发射一定频率的射频信号，标签获得能量并被激活，将自身信息通过标签的内置天线发送出去。

3)通过54Mbps的IEEE802.11g WLAN使RFID可随时、随地、随意访问互联网，将采集的数据信息通过网络传输给管理者。

然后介绍图2、图3、图4、图5中的船舶分段建造信息管理系统。

4)利用虚拟仿真技术，动态模拟产品真实制造过程，不消耗任何真实制造资源，预测制造系统状态，对编制计划进行事先的判断和评价，检验其可行性，以减少计划的盲目性，保证计划的稳定性，以优化决策方案，实现缩短产品开发周期、提高产品产量。

现代造船模式要求把造船工艺过程分解为船体分道制造、区域舾装与区域涂装三大工艺流程，在设计和建造过程中对船舶舾装与涂装进行统筹安排。在优化设计和完善管理的前提下，通过以“中间产品”为导向，实现空间分道，时间有序，责任明确，相互协作；在低耗优质的原则下，快节奏地实现生产局部与整体同步。根据造船作业分解体制，这里按照“充分利用船厂生产资源(N)和作业环境(Q)，通过优化生产周期(T)，获得最好的生产价值(PV)”的原则和船厂的设备资源情况，将船厂建造流程一般按照船体、舾装、涂装三大工艺流程划分为：

船体作业流程：零部件加工、部件制作、构件装配、分段合拢、船体大合拢。

a.舾装作业流程：材料设备采购、单元组装、分段预舾装、船上安装、设备系统运转及试验。

b.涂装作业流程：钢材预处理、管材涂装、分段涂装、单元涂装、跟踪补涂、完工涂装。

下面介绍船舶分段建造评估系统结构示意图，如图2。

该评估系统确立了标准化的评估体系，能够按照系统自身的评估标准自动快捷地进行规范计算强度评估、直接计算强度评估以及疲劳寿命的预测，并且能够迅速地统计舰船结构信息、有条理地处理结果数据，从而提供精确度高、可参考性强的评估校核结果，综合而全面地反映在役舰船的结构状态。该评估系统以数据库为基础，将基于物联网技术的数据融合成数据库，利用数据库随时地存取繁杂的评估校核结果和庞大的船体结构信息，当船体测量数据发生变化时，可以及时地更新数据库，并且通过数据库与有限元模型之间的两次数据交互来实现有限元模型单元属性的自动更新，拓展扩充了数据库，有效地存储了船舶结构状态，能够随时进行新一轮的结构状态评估，获得最新的评估结论。同时通过数据信息的及时反馈，形成了可循环的评估体系。

该船舶结构评估系统，是以软件Access 2003为平台，基于VBA(Visual Basic forApplications)语言开发出与有限元软件紧密结合，能够长期存储管理船舶结构信息，并且能够随时反映船舶结构状态的高度可视化的船舶结构信息数据库。基于数据库的船舶结构评估系统，能够通过与数据库之间的数据交互来实现有限元模型单元属性的自动更新，随时评估更新模型的结构状态并且及时地生成评估结论，形成了标准化的评估体系。系统实现了规范计算评估和直接计算评估的自动化和标准化，能够提供详实的评估数据，从而综合地反映船体结构状态，预报高应力危险区域。

(1)规范计算评估

根据船型的不同，分别选取相应的规范进行评估校核和编译程序。散货船选取的是《钢质海船入级与建造规范》[70]和《船体结构疲劳强度指南》规范计算评估这一模块主要有以下几方面的功能：

1、规范载荷计算

包括波浪弯矩和波浪剪切力的计算，这两类载荷又包括中拱和中垂两种状态。系统经过计算自动输出两个结果文件，结果文件包含如下结果：中拱和中垂两种状态下的计算剖面的静水弯矩，波浪弯矩，合成弯矩，静水剪力，波浪剪力，合成剪力数值以及船体0站到20站的波浪弯矩，波浪剪力数值。

2、规范载荷加载

首先需要将欲加载弯矩的左端面命名为：section_left，右端面命名为：section_right，然后程序可以将计算得到的中拱和中垂两种状态下的合成弯矩分别加载到预定的两个端面，其中Mhog_Left和Mhog_Right是左右端面上中拱状态的合成弯矩，Msag_Left和Msag_Right是左右端面上中垂状态的合成弯矩。

程序将弯矩自动加载到端面的流程分如下6步：

(1)使用PCL函数db_count_elems_in_group获得单元数目，使用函数db_get_elem_ids_in_group获得单元号码；

(2)使用PCL函数db_get_node_ass_elem和db_get_nodes获得节点号码，数量和坐标位置；

(3)使用PCL函数mass_prop_create和mass_prop_mass_props_array_2获得左右端面的重量以及型心位置；

(4)使用PCL函数fem_create_nodes_1创建独立点；

(5)使用PCL函数fem_create_mpc_nodal2创建mpc约束；

(6)使用PCL函数loadsbcs_create2在左右端面的型心处施加弯矩。

最终程序在两个端面的型心处自动生成与型心相关联的独立点约束。

2、局部强度校核

校核船体的主要结构部位，判断其强度是否满足规范要求。需校核的船体部位有：船体外板、甲板板、平台板、舱壁板、边舱斜板、船底纵骨、边舱斜板纵骨、甲板纵骨、舷侧肋骨、舱壁扶强材、舱壁桁材和底部板架结构。

3、总纵强度校核

包括船体梁弯曲强度校核和船体梁剪切强度校核，根据规范系统自动计算船舯剖面模数、船舯惯性矩、设计静水弯矩、设计静水剪力、总纵弯曲应力和总纵剪切应力，并且与规范数值比较从而判断是否满足规范要求。

4、屈曲稳定性校核

主要校核受压板格和船体纵骨的屈曲稳定性，系统会自动计算校核结构的临界屈曲应力并与其工作压应力比较来判断屈曲强度是否满足规范要求。

直接计算评估这一模块主要有以下几方面的功能：

1、输出船体外壳单元信息

施加载荷之前，需要考虑水线面以下的外壳单元。所以，输出单元时要注意两个问题，一个是水线与船体的相对位置，另一个是有限元模型在总体坐标系中的位置。前一个问题需要给出首吃水和尾吃水，后一个问题需要给出船中距首尾的距离，如下图3所示：

程序的具体流程如下：

(1)在输出单元信息前，需要将外壳单元存储在某固定名称的组里，组的名称为outshell；

(2)使用PCL命令db_get_group_id获得组的ID号，然后再使用PCL命令db_count_elems_in_group获得组中单元数量；

(3)使用PCL命令db_get_elem_ids_in_group获得组中单元，然后使用PCL命令db_get_nodes_for_elems得到与单元相关的节点，利用命令db_get_nodes得到节点坐标，进而得到单元号码与单元中心点坐标的对应关系；

(4)根据输入的首尾吃水，程序会自动输出单元水线以下单元的信息文件，这些信息文件包括水线下和横贯水线的单元和节点坐标、ID号码以及水线下船体外壳单元的数量。这些单元信息件可进一步作为载荷计算程序的输入文件，利用程序算出单元所对应的波浪动压力。

2、自动创建计算工况

系统可以根据船型自动创建所需要的计算工况，并且能够将边界条件、各类静载荷、动载荷和惯性力分别自动添加到相应的所属工况中，为直接计算做好准备。

3、屈服强度校核

系统针对船体的主要结构部位进行屈服强度校核，最后会生成该部位屈服强度校核的结果文件。结果文件包括以下内容：

(1)该部位单元按照规范所应校核的所有工况下的各种应力成份数值；

(2)所有工况下各种应力成份中的高应力单元(超过许用应力数值85％的单元)的ID号码，应力数值及其占许用应力数值的百分比。

4、屈曲强度校核

所有主要构件应校核平板屈曲，特别是下列区域应引起注意：

(1)双层底肋板，特别在舱段中间部位；

(2)双层底纵桁，特别是：临近舱壁或凳的舱的两端，从舱壁或底凳算起的第一个开孔处的板，舱中部；

(3)顶边舱，甲板和舷侧板；

(4)船底板和内底板，特别是：临近舱壁或凳的舱的两端，舱中部；

(5)舱壁和凳板，特别是：在跨中和邻近凳的部位，凳的外侧板。

在该模块下需要选择板格单元、计算工况、板格所在部位以及板格边界的约束形式，注意板格只能取四边形不能取三角形。板格所在的部位不同决定许用安全因子λs的取值不同，边界约束不同决定边界约束系数C1和C2的取值不同，如下图所示图4屈曲强度校核界面在填入板格材料屈服极限后程序首先会根据板格长短边建立局部坐标系，以板格长边为X轴，短边为Y轴，并且判断板格是否受压。如果板格受压，就会自动计算板格的屈曲安全因子，并和安全因子的许用值比较以判断板格的屈曲强度是否符合要求；如果板格双向都受拉，程序会提示在此情况下不需要校核屈曲强度。

(2)评估采取的计算公式

a.板的屈曲强度

受压板格的理想弹性屈曲应力σ_E应按下式计算：

σ_{E} = 0.9 K_{c} E {(\frac{t_{b}}{1000 s})}^{2} N / {mm}^{2} - - - (1)

其中对于具有与压应力平行的纵向加强筋的板：

K_{c} = \frac{8.4}{ψ + 1.1} - - - (2)

具有与压应力垂直的横向加强筋的板：

K_{c} = C {[1 + {(\frac{S}{l})}^{2}]}^{2} \frac{2.1}{ψ + 1.1} - - - (3)

该模块根据选择加强筋布置的样式和加强筋的类型来判定参数Kc和C，并计算板格的临界屈曲应力并与其真正的工作压应力比较以判断其屈曲强度是否满足规范要求。

b.外板校核

包括船底板、平板龙骨、舭列板、舷侧外板和舷顶列板的校核，通过检验外板的宽度和厚度来判定是否符合规范要求并显示出校核结果。

以船底板为例，其厚度t应不小于按下列两式计算所得之值：

t_{1} = 0.043 s (L + 230) \sqrt{F_{b}} mm - - - (4)

t_{2} = 5.6 s \sqrt{(d + h_{1}) F_{b}} mm - - - (5)

s——纵骨间距，m——计算时取值应不小于纵骨的标准间距；

c.船体梁弯曲强度校核

包括船舯剖面模数、船舯惯性矩、设计静水弯矩和总纵弯曲应力的校核，其中：

船中最小剖面模数W₀应不小于按下式计算所得之值：

W₀＝CL²B(C_b+0.7)cm³ (6)

船中剖面对水平中和轴的惯性矩I应不小于按下式计算所得之值：

I＝3W₀L cm⁴ (7)

沿船体梁各横剖面处的设计静水弯矩应满足下述条件：

M_{s} (+) \leq \overset{&OverBar;}{M_{s}} (+) - - - (8)

M_{s} (-) \leq \overset{&OverBar;}{M_{s}} (-) - - - (9)

M_s——计算工况下的设计静水弯矩，KN·m

——许用静水弯矩，KN·m

总纵弯曲应力应不大于下式计算所得之值：

σ = \frac{| \overset{&OverBar;}{M_{s}} + M_{w} |}{W_{c}} \times 10^{3} N / {mm}^{2} - - - (10)

W_C——计算点处的船体梁剖面模数，cm³

表1-表5为图5船舶分段建造信息管理系统的数据库设计时的部分相关文挡。

字段名	字段类型	长度	是否为空	标识	主键
						CBBH	Varchar	5	否	船舶编号	是
FDBH	Varchar	11	否	分段标号	是
						BJBH	Varchar	17	否	部件编号	是
LJBH	Varchar	21	否	零件编号	是
						CDBH	Varchar	7	否	场地编号	是
SBBH	Varchar	2	否	设备编号	否
						GZRS	Varchar	2	可以	工作人数	否

字段名	字段类型	长度	是否为空	标识	主键
						XLPC	Int	1	否	下料批次	是
LJZL	Float	4	否	零件重量	否
						LJHD	Float	4	可以	零件厚度	否
LJCL	Varchar	4	否	零件材料	否
						QGCD	Float	5	否	切割长度	否
QD	Float	5	否	曲度	否
						KYQD	Float	5	否	抗压强度	否
BZ	Float	20	可以	备注	否

字段名	字段类型	长度	是否为空	标识	主键
						GKSJ	Int	4	否	工作时间	否
ZGZSJ	Varchar	6	否	总工作时间	否
						QGKSSJ	Varchar	8	否	切割开始时间	否
QGJSSJ	Varchar	8	否	切割结束时间	否
						LLQGFD	Varchar	4	否	理论切割缝度	否
SJQGFD	Varchar	4	否	实际切割缝度	否

字段名	字段类型	长度	是否为空	标识	主键
						UserName	Varchar	8	否	用户名	是
PWD	Varchar	8	否	密码	否

Claims

1.一种船舶分段建造进程管理方法。其特征是以物联网技术为基础，将RFID(射频识别)加载到船舶建造的各分段过程中，通过RFID读写器将建造过程各种相关信息及参数进行数据采集，然后通过互联网提交给管理者，并通过各参数构建船舶建造仿真系统。

2.根据权利要求1的描述，提出船舶分段建造评估系统和船舶分段建造信息管理系统。该系统以软件Access 2003为平台，基于VBA(Visual Basic for Applications)语言开发出与有限元软件紧密结合，能够长期存储管理船舶结构信息，并且能够随时反映船舶结构状态的高度可视化的船舶结构信息数据库及管理分析系统。

3.根据权利要求1，该系统构建后将用于造船长管理、生产负责人随时掌握建造过程及各参数数据，并及时进行强度、曲度等评估工作，减少建造过程协调不当造成的损失。