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【關鍵詞】大數據;工業4.0;智能船舶水動力
【Abstract】2012 big data(data big) with the promotion of the concept of cloud computing eventually led to the explosion of information. The German government “industry 4” concept put forward, so that it almost raised to the height of the fourth industrial revolution. In October 10th, China’s first big data and smart ship development as the theme of the development of the summit forum held in Beijing, the parties to a lively discussion. In this paper, based on the large data background of hydrodynamic type line design, for example, discusses the intelligent ship will cause a new round of the shipbuilding industry reshuffle.
【Key words】Big data; Industry 4; Intelligent ship hydrodynamics
0 引言
德國政府以大數據時代為背景,在《高技術戰略2020》中提出“工業4.0概念,作為一種新概念已經上升到繼蒸汽機應用、規模化生產和電氣、電子信息技術等三次工業革命后的第四次工業革命的高度,并將推動制造業的轉型。今年10月10日,我國首屆以大數據和智能船舶發展為主題的發展高峰論壇在京舉行,包括政府機關、航運企業、研究院所的專家就運用新技術、新觀念、新模式,促進行業轉型發展進行了熱烈的討論。
1 什么是大數據時代
大數據是由著名未來學家阿爾文?托夫勒便于在1980年在《第三次浪潮》一書中首次提出,2009年隨著互聯網信息技術逐步引起關注,并在2012年大數據(big data)隨著云計算概念的推廣最終帶動了信息爆炸。
大數據就是要收集數據“全”,處理數據“快”。所以互聯網的普及程度最終會引起大數據時代的來臨,因為大數據的本質是海量數據的集中分析,通過各個終端(如平板電腦、手機、信息采集器、手動輸入設備等等)在互聯網上匯總數據,再通過云計算調動聯網計算機進行分析,從而得出客觀全面的結論。例如,國際數據公司(IDC)的研究表明,中國2012年的數據是0.355ZB(1ZB=1024EB=1024*1024PB=1024* 1024*1024TB=1024*1024*1024*1024GB),約2.38億美金的市場,從2010年到2020年數據量預計將會增加50倍,達到40ZB這樣一個數量級。
2 大數據時代與船舶領域結合產生了什么
數據的集中分析實際上就是網絡和實體的融合,也就是船廠和船東通過網絡實現信息連接,以聯合的形式共同承擔風險,并使利益最大化。同時建造信息、設計信息、船隊運營信息、港口信息實時更新,自己不注意的地方可能在對方眼里恰恰就是關鍵處,這樣在建造階段可以隨時按照市場需要做最大努力的調整,例如,判定市場需要進一步降低排放,處在建造階段的船舶就可以增加或改進節能裝置;在運營期內也不會隨著買賣關系的結束而中斷合作,例如中國遠洋運輸(集團)公司戰略發展部經理高勇軍講述了一個一直讓他頭疼的問題:從沿海到內地集裝箱調運時,有時候有貨進沒貨出,沒有貨出的時候只能調空箱,這就是港口貨物信息與船隊信息的溝通問題。如果這種情況長時間得不到解決,作為設計單位就可以根據實際載貨量(常規設計按照設計吃水載貨量計算,是不考慮縱傾和其他吃水的)作為航速優化的前提。實現聯網后可以自動化監測航行時各機器的數據(溫度、轉速、壓力等)、局部振動、全船油耗等數據,所以一方面保證營運安全,另一方面也可以為后續船型的改進提供數據支持。
這樣看來船東除了提供數據以外,他們又得到了什么呢?中國船舶工業系統工程研究院院長、中船電子科技有限公司總經理、中國船舶工業集團海洋裝備信息智能管理與應用技術創新中心主任張宏軍就這個問題說過“我們沒有全球服務網絡,就走不出國門,如果在全球布很多服務網絡,成本又很高,但是在信息時代,船上系統實現自動化互聯后,可以最大程度降低風險。”服務網絡細化后就可以進一步降低成本,例如在備件方面,我國某些船舶遠洋航行,大概有80%的配件原封未動的帶回來,因為不知道哪些配件會用到,如果有數值化水池的支持僅需攜帶20%的配件,如果國外建立集中統一備件站點,甚至可以進一步降低攜帶的備件率,就更不會產生大量的資金積壓。在人員維護方面,也不用大量的高精尖人員跟隨,常用問題集中編制手冊就可以,另外數據共享、遠程連接也可以解決大量問題,避免造成人力資源浪費。
這樣大家把所有數據都上傳,形成一個不斷更新的數字水池,各方各取所需達到資源的合理應用,并最終實現船舶全壽命期的利益最大化。這樣的會“思考”的船就是智能化船舶,這個船廠就是智能化船廠,對于營運公司就是全球智能化網絡服務,這樣系統內各方由“合作者”上升到“伙伴”,通過數值化轉型,互聯網公司和傳統公司的結合,使“隊員”競爭變成了“組隊”競爭,必將開啟船舶行業新一輪的洗牌。
3 水動力性能在智能船舶時代能干什么
目前船舶市場有兩個特點,“快”和“細”。首先市場細化,造成局部市場變化更快,船東也需要時間才能抓住這一閃而現的機會,所以留給船舶前期設計的時間就更短了。其次低、中端市場產能過剩,以價格換數量現象嚴重,所以大批次建造同類船舶的現象已經不可實現,船舶定制化逐漸成為趨勢。不是面對船舶市場推出某一線型,而是面對單獨船東的需要進行單獨投標,這就需要大量的前期設計方案以滿足不同的要求。
水動力性能研究屬于基礎研究的一部分,水動力型線設計是船舶前期設計的核心,在前期競標的時候不可能進行完整的詳細設計,CFD模擬計算和模型試驗完畢就可以了。而以前這部分都是專門的船池或線型公司來提供的,大量時間都花費在溝通上,進度也很難控制。
智能船舶時代是建立在數據共享和深度分析的基礎上的。對于水動力性能來說,前者相當于船模報告,這需要慢慢積累。后者相當于型線設計,首先得有獨立的型線設計能力,大量的方案會產生大量的費用,不可能都由外來公司來完成。
其次市場的特點需要快速的線型設計,公司間大量的溝通時間,往往錯失良機。
再次,面對定制化的市場,考慮的因素越來越多(如溫度、航線、載貨量等),這些都對型線設計提出了新的要求。
大數據時代本身不重要,但是數據更加全面,更容易獲得的背景下,帶來的是一個大分析時代。以后交易的商品可能不是常規意義上的商品,而是數據庫,是三維模型,是數值模擬,行業壟斷和信息孤島將被打破,新一輪洗牌即將開始。聯合競爭成為趨勢,增強自身的實力,聯合強者將預示著集團化競爭的開始。水動力獨立設計能力在智能船舶時代,將被大多數船廠所掌握(如大船、江南、滬東等),更多的相關數據使之精細化進一步提高。引用中國遠洋運輸(集團)公司戰略發展部經理高勇軍的發言“如果你看不見,瞧不起,看不懂,最后的結果就是來不及,活不了。”
【參考文獻】
[1][英].維克托?邁爾?舍恩伯格,肯尼思?庫克耶.大數據時代[M].盛楊燕,周濤,譯.浙江人民出版社,2015.
[2]涂子沛.淺談分析大數據的工具――MapReduce.[J].工業控制計算機,2015(4).
【關鍵詞】節約資源 可持續發展
引言:
綠色建筑是指在建筑在全壽命周期內,最大限度地節約資源(節能,節地,節水,節材),保護環境和減少污染,為人們提供健康,適用和高效的使用空間,與自然和諧共生的建筑。所謂“綠色建筑”的“綠色”,并不是指一般意義的立體綠化、花園、屋頂,而是代表一種概念或象征,指建筑對環境無害,能充分利用環境自然資源,并且在不破壞環境基本生態平衡條件下建造的一種建筑,又可稱為生態建筑、可持續發展建筑、回歸大自然建筑、節能環保建筑等。從可持續發展的角度,對綠色建筑的重要性及特點進行分析和論述,提出綠色建筑在當前建筑中的應用,指出能源短缺已不容忽視,節約資源源勢在必行。
一、綠色建筑的重要性
近年來,國家高度重視節能減排工作,把它放在維護中華民族長遠利益的戰略高度堅持不懈地推進,明確提出了建設資源節約型、環境優美型社會的戰略任務。
目前我國仍有大部分地區采用傳統的磚、瓦、灰、砂石來建造房屋,且絕大部分是由工藝落后、生產規模小的小型企業生產的,不僅毀壞了大量的良田,耗費大量的能源,而且生態環境遭到破壞,房屋的建筑功能也難以提高。
另一方面,隨著全國各地工業化的發展,排放的工業廢渣大量堆積,這些有害物質對環境造成嚴重污染,越來越引起全社會的高度重視,如何滿足高速增長的經濟對資源的需求,摒棄大量浪費有限資源的做法,做到既要保護耕地,節約能源,改善環境,實施可持續發展,又要廢物利用,變廢為寶,發展綠色建材是實現節能減排戰略任務的重要途徑之一。
二、綠色節能建筑的設計方法
1、整體環境的設計
所謂整體環境設計,不是針對某一個建筑,而是建立在一定區域范圍內,從城市總體規劃要求出發,從場地的基本條件、地形地貌、地質水文、氣候條件、動植物生長狀況等方面分析設計的可行性和經濟性,進行綜合分析、整體設計。整體環境設計的方法有:
(1)引入綠色建筑理論。城市開發建設應與當地自然環境、資源、社會、人文等背景相結合,在加快建設的同 時,創造性地保護和利用已有條件。一方面,改變不合理的布局模式、區域劃分、空間結構和資源配置;另一方面,讓城市的歷史文脈、自然地理特征得以沿襲。
(2)加強環境綠化。用綠化覆蓋地面,由于大量水分蒸發,往往可以造成比較涼爽、舒適的環境:高大的喬木在地面上形成了較大樹蔭,減少路面吸熱,同時可以凈化空氣,提高空間的氧含量。因此,在人居環境住宅區的設計中,一定要注意綠化環境設計,創造出良好的微氣候,應該將綠化量化標準引入設計規范。當前,環境綠化主要包括小區周圍環境綠化和建筑立體綠化。
2、建筑單體的設計方法
(1)建筑的體型系數即建筑物表面積與建筑的體積比,它與建筑的熱工性能密不可分。曲面建筑的熱耗小于直面建筑,在相同體積時分散的布局模式要比集中布局的建筑熱耗大,具體設計時減少建筑外墻面積、控制層高,減少體型凹凸變化,盡量采用規則平面形式。
(2)外墻設計要滿足自然采光、自然通風要求,減少對電器設備的依賴,設計時采用明廳、明臥、明衛、明廚的設計,外墻設計要努力提高室內環境的熱穩定。
(3)采用彈性設計方案,提高房屋的適用性、可變性,具體表現在建筑結構、建筑設備等靈活性要求上。①預留管道空間,包括水電、通訊的發展空間。②家具系統的可變化性。
③樓梯的可生長性,包括基礎的預留量、樓段板承重的預先考慮,周邊環境的生長預留地等。
(4)建筑智能設計。目前,大量電子通訊和自動化技術在建筑中得以運用,出現了智能化建筑,可以根據溫度、濕度、風力的情況自動調節“智能猶濉鋇目閉和空調量,保證了智能化大樓中智能化生產和腦力勞動的高生產率,智能化的發展可以促進綠色建筑在“高標準低能耗、高效能、低污染”狀態下持續發展。
三、結束語
綠色建筑對我國房地產的啟示是我國人口眾多,建筑從業人員主要是農民工,傳統的住宅建造方式也許適合目前我國勞動者密集的就業現實需要。而如今推廣的低碳工業化住宅,是否適合現目前中國的建造方式,有待考究;節能建筑的理念需要在中國開發商中大量普及,使他們不要單純地只考慮從成本和投入的問題,而要注重未來房地產的走勢與發展。發展節能建筑是否會導致房價上漲。新的技術在普及時,價格是會在一方面,但是開放商要處理好與客戶的溝通,促成他們的觀念改變,進而促成交易;房地產界要防止各開發商一哄而上的產生新的建筑垃圾,要懂得如何把節能成熟技術應用到建筑當中。
參考文獻:
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[2]顧孟潮. 論城市與建筑的可持續發展[J]. 華中建筑,1998,03:68-70+76.
關鍵詞:智能樓宇;網絡工程;仿真實訓
智能大廈是智能樓宇的另一種稱呼,它是將多種技術融合為一體的一種智能系統。主要包括建筑技術、計算機技術和通信技術等。它的出現能使工程投資更加合理、設備和信息更加靈活和科學化,提高工作效率,是能夠適應現代信息技術快速發展的一種新型建筑。智能樓宇的核心是5A技術,它將這五個系統有機靈活地綜合調控和管理,實現在智能建筑中最優的組合,使大部分的智能建筑擁有安全、便利、高效和節能的特點。智能樓宇也是一個交叉性的學科,其不僅涉及計算機技術和通訊技術,還涉及建筑技術、自動控制技術等。總而言之,越來越多的新技術被運用到智能樓宇當中。
1智能樓宇的含義和功能介紹
(1)智能樓宇最先起源于20世紀90年代,第一個智能樓宇出現在1984年的美國,人們將一所舊的金融大廈改裝成為了一個集通信、配電、供水于一身的智能大廈。(2)智能樓宇的概念還未得到完全的統一,但是都有一個共性,那就是智能樓宇一定是一個集多種系統于一身的系統化工程,可以提供安全舒適便利的環境,體現出智能和人性化的特點。(3)智能樓宇的主要功能如下。①信息處理功能。大部分的智能樓宇中都配備自動信息控制系統,這種系統不單單局限在該建筑之中,而是對整個地區或者社會的信息的一種監控。②自動化功能。智能樓宇當中的排水、照明、供電、空調等各種系統都是自動化控制,可以實現各個設備間的管理自動化,形成一個健全的自動化防火防災的控制系統。③智能樓宇在管理方面的主要功能。智能樓宇是各種系統的總和,其中最重要的就是廣播以及照明系統,除此之外,智能樓宇還具有其他專用智能化系統,將這些系統集合為一個系統集。
2智能樓宇的主要組成和結構
智能樓宇作為一個為社會以及人民生活提供便利的智能系統,要達到比較高的要求,根據美國智能建筑協會制定的法則,可以將智能樓宇的建成要求分為以下幾個:辦公設備自動化、通信系統高效化、管理系統自動化等。并且智能樓宇的建造以及設計者必須圍繞高效性、舒適性、安全性的特點來完成一個智能樓宇的設計和建造。智能樓宇通常由三大要素組成,即樓宇自動化、通信自動化、辦公自動化三大系統,這三大系統通常被簡稱為BAS、CAS、OAS。智能樓宇的建造必須是這三者的有機結合。具體如表1所示。表1僅僅是粗略地對智能樓宇系統進行分類,接下來詳細介紹。(1)智能樓宇集成中心(SIC)。這是智能大廈中最核心的部位,它是各個部位以及系統的信息匯集中心,主要實現匯集整個智能建筑中的各種信息,然后將這些信息加以處理,實現各個子系統之間的信息交換和信息監督的功能。(2)智能樓宇設備自動控制系統。這個系統被簡稱為BA系統,它主要對建筑中的設備的運行狀況以及溫度濕度進行監督和自動調控。(3)消防報警系統。這個系統被簡稱為FA系統,通過在整個建筑內安裝煙火測控系統來實時監控大廈內每個位置的防火情況,更重要的是,如果在大廈內真的發生火災,該系統可以第一時間發出警報,并且關閉所有電梯以及空調,然后開啟自動淋水系統或者氣體消防手段,為整個建筑中的人提供安全可靠的逃生方式。(4)安全防范系統。該系統被簡稱為SA系統,這個系統和消防報警系統有所不同,其主要是保護這個建筑中的人不受外界的干擾,保護每個人的人身以及財產安全,防止恐怖組織或者其他非法分子進入該建筑。該系統的子系統包括對講系統、門禁系統等。(5)計算機網絡系統。該系統是整個建筑中比較重要而且核心的一個系統,它主要是利用通信設備將多個計算機連接起來,實現整個大廈中的資源共享和信息傳遞。(6)視頻會議系統。這個系統是一個遠程控制系統,它將不同地區的人通過網絡手段匯集在一個會議室里,方便了該大廈中人們之間的溝通。(7)衛星接收系統。該系統利用衛星來轉發電視的信號,改善了高層建筑之間由于反射產生的信號屏蔽狀況,人們可以更好地觀看電視節目以及娛樂。(8)電話通信系統。該系統被簡稱為TCS,主要包括程控交換機,不僅實現內部人之間的電話通信,還能實現內外部相互通信的功能,主要的功能有數據通信和語音通信。(9)廣播系統。該系統主要分為三類,一是公共廣播,一般在大型商場都會有音樂背景或者緊急情況下播報語音的一種系統;二是廳堂擴聲系統,該系統專門用于專業的音響擴聲;三是會議系統,這種系統的要求比較高,不僅僅是單純的擴音,有時可能還需要同聲傳譯。(10)辦公自動化系統。該系統被簡稱為OA,主要采用了傳真機、打印機將所有的辦公信息進行全面的加工整理,提高辦公室的工作效率。(11)物業管理。這個系統主要是為物業管理部門提供高效的、便捷的管理流程,主要連接了車庫管理、抄表管理等電子系統。(12)綜合布線系統。該系統是智能樓宇中比較核心的一個系統,主要采用高質量的線纜在建筑內形成一個信息傳輸通道,采用模塊化的設計,實現建筑大數據的傳輸和計算。
3我國智能樓宇的應用現狀以及網絡仿真實訓方案
據不完全統計,亞太地區的能源消耗已達到了全球的30%,由此可以看出,亞太地區的能源需求巨大。亞太地區之所以能源消耗不斷加大最主要的原因是亞太地區的經濟市場不斷崛起。2016年3月15號在北京舉行的為期三天的中國國際智能建筑展覽會,其中大華股份受邀攜智能停車場、智慧景區等行業解決方案及行業新品亮相,在展會現場引起重大關注,并帶著在智能、環保、開放小區等方面的深刻思考與行業專家展開熱烈研討。在展會現場,智能小區和智能停車場解決方案尤其受到業內專家和專業觀眾的青睞。大華智能小區解決方案,通過智能樓宇綜合平臺,為小區智能化建設提供一體化融合服務,解決了之前各子系統應用管理分散和通用平臺脫離業務的問題,在設計源頭就兼顧了業主、物業和開發商三者需求,目前,大華股份已服務于絕大部分百強地產企業;大華智能停車場解決方案,主要基于大華全球領先的視頻車牌識別技術和人性化的智能交互系統,完全消除車主進出場不暢、找車位難、找車難、繳費慢的煩惱,提高顧客對停車場的滿意度,也可以加快整個停車場的車輛周轉,提高整個公司企業的經濟效益,降低管理人員成本,提升停車場管理水平。以下是實現智能樓宇的網絡仿真實訓的幾個方案。網絡仿真實訓其實是一種簡便的教學手段,可以根據設計的方案建立相對應的網絡模型,將智能樓宇的設計方案通過網絡實訓平臺的方式呈現出來,是一種簡便而且高效的手段。
1、演示階段
首先要在學生面前講解與演示智能樓宇的工作原理及其結構,讓每個人都能夠了解智能樓宇。這需要分為幾個步驟。①軟件安裝以及部署。先安裝好Window2003和數據庫Server2008,然后安裝好服務器。第二步就是安裝.Net框架,最后就是配置運行環境、創建網站。②然后將所有的關于智能樓宇的知識添加到網絡的演示模式當中。整個企業可以配置路由器設置、連接設備、配置AP。將這些基本工作做好后就可以進入演示模式。
2、實訓階段
實訓階段就相當于傳統教育模式當中的教學階段,這一階段必須要求嚴格。要確保每一個人都能準確掌握智能樓宇的概念以及所有系統的結構和功能,例如熟悉消防報警系統中的具體機構以及它在智能樓宇當中發揮的主要功能;物業管理系統主要負責的區域和它主要包括哪些子系統等。所以實訓階段是智能樓宇在網絡仿真實訓中最重要的一個階段,每個開發該項目的企業都應予以高度的重視。
3、考試階段
經過一系列的學習和實訓,考試就是驗證每個人學習成果的衡量標準,當然這一階段也是在網絡上完成的,每個人都應掌握在實訓平臺上的考試操作方式,認真總結和學習。
關鍵詞:智能船舶;頂層規劃;體系架構;標準化接口;集成展示
1背景分析
1.1依據與標準2015年5月19日,國務院印發了《中國制造2025》。這是我國部署實施和全面推進“制造強國”戰略第一個十年的行動綱領,把“海洋工程裝備和高科技船舶”作為需要聚集資源并實現突破發展的十大重點領域之一,并將集成化、智能化、模塊化的重點配套設備及關鍵造船技術作為所需掌握的核心技術。2016年3月1日,中國船級社(CCS)編制的《智能船舶規范(2015)》[1]正式開始生效,該規范主要從智能船舶的定義描述以及主體功能(智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺等六個方面的功能),進行具體細化明確。
1.2基礎與條件智能船舶的提出順應了船舶裝備發展與物聯網技術應用的新潮流。首先,隨著船舶裝備數字化、智能化、信息化技術的持續發展與廣泛應用,越來越多的設備具有可接入其領域局域網或船舶互聯網的可能。其次,隨著物聯網概念的提出與相應技術的發展,基于現場總線、領域局域網、互聯網等形式的數據采集、數據分析、應用開發、系統集成、集中監控、分析預警、輔助決策等信息技術得到充分發展并進而推廣和應用。再者,隨著減員增效及人性化需求的不斷發展,無人機艙、中央集控系統、數字化橋樓系統等平臺化的應用實現也獲得逐步推廣。
1.3現實的痛點物聯網軟硬件架構體系及實現技術現已基本成熟并得到充分驗證和發展,但其相關標準及其應用還主要局限于分領域范圍內,整個體系的標準化、平臺化、融合化的向基礎設施方向的發展進程較為緩慢。現階段,船舶領域裝備系統的智能化為有限智能(初級),其有效范圍也僅限于各裝備系統自身,船舶裝備的物聯網化發展進程較為緩慢,信息化水平較低,主要表現為以下幾個方面:(1)信息孤島效應明顯。表現為主機、輔機、冷水機組等既有智能裝備的信息接口開放度不夠,信息的第三方應用集成與二次開發相對困難。(2)重復建設成本較高。表現為各類型裝備硬件形式的應用終端在特定區域平臺上的集中布置與應用實現、信號采集、通訊接口、資源部署、應用終端等的實現基本上都是相互獨立的,系統建設的復雜度、重復性等其他成本較高,系統調整變更的實現成本較高。(3)數據接口的等級較低。表現為以硬點信號線為承載的報警點信號量偏多,以串口通訊、寬帶通訊、光纖通訊等標準化接口及通訊協議為承載的應用開發還不夠廣泛。(4)智能化信息化應用的體系度還不夠。比如:主推進系統中的主機、齒輪箱、可調螺距槳等的智能化監測與控制,與其輔助系統中的燃油駁運及分油系統、滑油駁運及分油系統、中央冷卻水系統等的管理與控制,主、輔兩類系統間的數字化智能化信息化的能力水平差距較大,基于相互間信息融合的應用不足。(5)信息化應用的層級水平還較低。應用范圍僅限于現場總線級具有互操作能力的應用終端以及有限智能的軟件交付,其故障預警與自診斷能力、故障處置的決策支持能力、維修保養的計劃性管理與實時監測能力、備品件管理能力等智能化的應用實現還不足。(6)信息有效應用的形式較少。表現為用于支持復雜業務場景的信息融合與應用開發還非常欠缺,用于評價裝備可靠性與體系能力貢獻率的模型、框架及相互間邏輯關系的應用還沒有。(7)平臺化集成的實現等級還較低。集成方式仍主要體現為對各類型終端設備在統一物理平臺上的布置位置的空間規劃、優化與調整等,基于信息集成、應用集成、服務集成、網絡集成的標準化客戶端及網絡服務的信息化數字平臺還稀少。
1.4指導方法智能船舶的提出、研究與建設,就是要在既有數字化、智能化裝備基礎上,以及無人機艙、中央集控系統、數字化橋樓系統等平臺化的應用實現上,借鑒物聯網軟硬件架構體系及其實現方式,借助成熟的計算機網絡技術及其資源配置管理方法,適用性地提出船舶裝備物聯網及信息化應用的軟硬件體系架構,定義相應的接口標準,并據此規劃與部署相應的網絡資源、進行相應的應用開發,突出對用戶需求的調研、分析、挖掘、發現與實現,最終以網絡平臺環境下的基礎資源及應用服務向廣泛的用戶提供權屬范圍內的業務支撐,促進裝備信息的有效流動、科學管理、高效應用,使數字化智能化的船舶分裝備向船舶裝備物聯網及信息化智能化協同化的應用體系轉變。
2概念分析
2.1基本定義目前,英國勞氏船級社(LR)和中國船級社(CCS)都有針對智能船舶的描述。英國勞氏船級社智能船舶入級指導文件,定義了船舶自動化的程度,從AL1-AL6,分為六個等級,從設計到營運,針對每個等級的特征進行定義。相比之下,CCS的定義相對更具體。智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯網、互聯網等技術手段,自動感知和獲得船舶自身、海洋環境、物流、港口等方面的信息和數據,并基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理、分析技術,在船舶航行、管理、維護保養、貨物運輸等方面實現智能化運行的船舶,使船舶運行更加安全、環保、經濟、可靠[2]。中國船級社(CCS)《智能船舶規范》,針對常規的軸系柴油機推進的運輸商船提出有關智能的六大基本符號,概括為:i-ship(N)智能航行/Navigationi-ship(H)智能船體/Hulli-ship(M)智能機艙/Machineryi-ship(E)智能能效/Energyi-ship(C)智能貨控/Cargoi-ship(I)智能集成平臺/Integration智能船舶與常規船的技術差異主要是在常規船的基礎上增設以下功能:(1)增加船端統一集成平臺,實現船端各系統的互聯互通,通過數據的綜合分析和評估,提供輔助決策功能,同時通過船岸通訊實現遠程監測。(2)船舶實現自主學習能力,并可完成部分的自主操作,通過加強岸端系統的建設實現對船舶的遠程控制。(3)通過船岸港的一體智能化建設,船舶實現最終的無人駕駛,自主航行、自主靠港。基于以上定義以及相關功能組成,智能船舶是以用戶需求及關鍵業務內容為牽引,將人性化、智能化的應用實現,貫穿于船舶平臺設計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期的所屬產品、環境及體驗的船舶系統的總稱,包含物聯網體系中的感知層、傳輸層、應用層等各層級領域內容[3],并需要選用較為經濟、高效、便捷、可靠的計算機網絡及其資源為支撐,采用合理的接入、控制、承載、疊加、部署、認證和協同形式等,目的是以人性化智能化網絡服務的形式實現對船舶系統及其裝備的體系性信息描述及高效合理的信息使用。
2.2內涵分析智能船舶實現的物理平臺是船舶,這是由其領域特性及服務對象所決定的,其人性化、智能化應用的首要目的是支持船舶系統所屬功能性能的發揮。其實現形式及主要內容必然是圍繞船舶系統領域范圍內的相關業務內容而展開;其次才是對船舶系統輔助功能及相關應用的拓展。所交付的產品也是支持船舶系統相關業務需求的終端產品、應用環境、交互體驗等。
2.3外延分析(1)智能船舶實現的基礎條件是數字化智能化裝備、物聯網技術、計算機網絡技術等,其相關技術與實現方式亦具有通用性、多樣性等特點,在多領域、多系統的數據集成中需要做好“云與海”體系規劃,在大系統的應用集成中需要做好分布式應用部署與虛擬化集中部署的體系規劃,在多鏡像系統中需做好數據的同步、緩存、更新等。(組成要素及硬件體系)(2)智能船舶實現的核心是以用戶需求及關鍵業務內容為牽引,及以此為目的的對相關人性化智能化應用的技術實現及條件創造。簡單便捷、智能高效、安全可靠的人性化交互界面、業務內容、應用環境的保障是用戶體驗的首要關注點,相關技術、設施、設備的應用是實現手段。(用戶關注點及其輸入條件)(3)智能船舶實現的關鍵是可用于指導智能船舶設計、建造的高可用性的開發框架及標準化的接口體系,包括硬件體系架構及其網絡拓撲形式、軟件體系架構及其業務邏輯關系、交互信息及通訊協議等。按照該框架、體系,總體負責單位就可以對分系統設備商和分系統開發團隊形成有效的規定約束并開展相應的分工、協同,從而實現智能船舶設計建設過程的敏捷化和高效化。(系統框架及標準化接口)(4)智能船舶實現的工質是船舶系統及其裝備的描述信息。通過對智能裝備及其信息接口的開放和補充,對裝備信息的數據采集、分析、管理、控制、消費等的應用開發,以及所需元數據庫建設、數據中心建設、數據消費方式實現、軟件開發平臺建設、應用部署環境建設、人員身份信息及信息訪問權限管理等,實現對船舶系統及其裝備信息的科學、高效、合理使用。
(信息流是智能船舶的血液)(5)智能船舶實現的難點是基于業務邏輯的數據分析、數據挖掘、知識表示、知識完善、知識應用的底層領域應用開發。數據分析時,主要以基于既有知識及相關業務邏輯的特征提取,通過對數據的向上鉆取,實現對系統狀態空間數據在時間序列上的最大程度的降維與性能評價,并用以支持系統監控與運維管理等;當發生異常狀態評價時,可基于特定的知識及業務邏輯,對數據進行向下鉆取,實現對系統狀態空間數據在時間序列上的最大程度的增維,通過對系統狀態空間的可觀性來支持輔助決策。數據挖掘時,主要以基于時間序列的統計分析、回歸分析、關聯分析、分類分析、聚類分析等方法為主,并且需要對所發現的知識特征以及奇異點等進行基于業務邏輯的分析解釋,并采用計算機邏輯語言的形式為知識表示,進而將其補充到可供分析應用的知識策略庫中。(中間產品及資源消耗)(6)智能船舶實現的亮點是基于用戶需求及業務內容的人性化交互接口、信息聚合方式、消息推送服務等頂層應用開發,包括基于人員身份信息的單點登錄、訪問權限控制等。面向用戶的頂層應用開發及其終端設備、平臺環境等是支持用戶完成特定業務內容的信息化交互接口,是智能船舶的外在表現形式,是用戶體驗獲取與應用評價的直接對象,也是底層應用實現及數據產品消費并表現相應價值的承載主體。(終端產品及價值體現)(7)智能船舶實現的特點是基于接口的通用性、實現上的多樣性、建設上的經濟性,以及功能性能上的安全性、可靠性、穩定性,還有規模、內容、空間、時間上的擴展、延伸、變更、遷移、異構、演進等。其中,功能、性能的安全性是依靠相對獨立的有限開放來實現,尤其是要求快速響應的領域系統或智能化裝備,如船舶主機、發電機等的控制主要依靠于本地化的智能模塊及控制器;建設上的經濟性是通過接口上的通用性和實現上的多樣性來保證,并構成為可擴展、變更的基礎;空間上的延伸性包括感知層面有效節點的擴展、異構網絡接入方式的擴展、傳輸層面信息隧道的應用與端到端信息鏡像的管理等。(一般性特點、要求、關系等)
3頂層規劃
3.1概念智能船舶實現的顯著特征是智能,是在船舶設計、建造、運用、管理、維修等全壽命周期中將人性化智能化的應用需求實現;并將其集成到相應的終端產品、應用環境、系統平臺中;具有友好的交互體驗,對船舶系統相關業務的開展具有良好支撐作用。3.2頂層規劃體系智能船舶實現的內在本質是對船舶系統及其所屬裝備相關信息體系的科學規劃、正確描述、安全管理、高效使用的應用實現方式。在規劃這套信息體系時,需要充分考慮現有的船舶系統,包括總體、船體、輪機、電氣以及舾裝等特征,能夠對船舶系統及其所屬裝備的相關功能、性能、狀態進行準確全面的描述和反映,并以網絡服務的形式給出相應的評價分析、趨勢分析、診斷分析、決策分析、管理分析或信息支持等。
4體系架構
4.1硬件體系架構與物聯網體系的硬件實現相類似,在技術實現上,智能船舶的硬件體系也可切分為多個邏輯平面,可分為現場感知層、異構接入層、基礎網絡層、平臺疊加層、用戶接口層、平臺環境層。其中,現場感知層主要由開放接口的智能裝備及基于現場總線的感知網絡、基于光纖的傳感網絡等組成,如用于船體健康監測的分布式光纖傳感網絡及其設備終端等;異構接入層主要是指實現對現場感知網絡的協議轉換并將其接入TCP/IP網絡環境的設施設備,包括光纖、以太網、總線和無線接入的各種形式。基礎網絡層是船舶系統通訊實現的最基本方式,實現形式如以太網、光纖等;平臺疊加層主要用于部署數據中心、基礎應用服務器、Web應用服務器、加解密服務器、CDN服務器等;用戶接口層主要為人性化智能化應用的終端設備,包括計算機工作站、桌面、移動終端等;平臺環境層主要是指用以集成或支持終端設備的臺體、電源、接入網及其他人性化的設計實現等。其網絡拓撲形式可以概括為基于TCP/IP基礎網絡的泛在接入與無限擴展,包括處于網絡前端的現場感知網絡、處于網絡中端的平臺疊加層、處于網絡后端的客戶終端等。另外,對于岸船協同系統,其還包括數據中心相關內容的鏡像遷移與管理等,以及所需的通訊隧道技術的應用。
4.2軟件體系架構與計算機網絡的應用實現相類似,智能船舶在技術實現上其軟件體系可以分為數據采集層、數據分析層、數據管理層、應用層等。其中,數據采集層主要部署于異構網絡接入節點并實現相關通訊協議的轉換;數據分析層主要部署于專業化的數據分析、處理工作站,其配置有豐富的數據分析策略及相關應用,并可以向數據中心訂閱相應的有待分析的數據源;數據管理層主要由數據中心或數據庫及其管理工具來實現,實現對有效數據的存儲管理、訪問控制、消息推送等;應用層主要由分布式應用服務器、Web應用服務器等來提供應用服務,用戶可以采用基于富客戶端的網絡服務或基于瘦客戶端的Web服務來獲取應用服務。其業務邏輯關系可以簡述為:數據采集層主要用以支持底層業務數據的匯聚;數據分析層主要用以專業化的數據分析及領域范圍內的數據邏輯解讀,其產品輸出是可供消費的有效數據、評價、決策等;數據管理層是數據存儲、管理、訪問、推送的中間層,可以隔離底層應用開發與上層應用開發之間的接口耦合關系,并且簡化對海量數據的精準管理與有效控制;應用層是面向用戶的網絡服務實現,是對有效數據、評價、決策等信息的消費接口,也是網絡服務與用戶間的交互接口,并可以分為服務端和客戶端,其表現層的實現方式還可以細分為MVC開發框架。
4.3標準化接口體系標準化接口體系的基礎是模型語言與功能屬性描述,表現形式是元數據及其資源庫,模型對象庫,以及模型對象間發生相互作用時所需的消息應用協議。其中,模型表述所需的元數據是有粒度的,具有自描述、自包含的特點,以及格式化、結構化的特點。模型對象之間的關系必須是面向對象(OO)的和具有實體關系(ER)的。采用元數據,通過可編配、可擴展的方式來結構化地定義各種信息模型的數據類型、組成結構、屬性特點、數據格式、單位度量等,能使各種數據類型在其相應組成、屬性、格式、度量等的描述與定義方式上高度一致,從而為跨系統集成與信息融合等提供有利條件,并降低數據分析、數據挖掘等的實現成本與運算復雜度,也為數據的存儲、查詢與使用等管理提供有效的技術手段。元數據信息模型的設計與生成,按照面向復用的原則,在中心數據庫及其數據字典的統一環境下,采用自頂向下的細化設計,以及自底向上的編配組合。區別于傳統的ER數據庫信息模型的設計方法,元數據信息模型通常采用星形模型或雪花模型。這種基于細粒度的元數據信息模型的編配與組合方式,能夠在特定的領域主題范圍內實現數據庫或數據倉庫的范式要求,且體現了ER數據庫信息模型設計的基本思想。由于領域范圍內相應主題關注點的部分交叉,不同主題應用間的多個大粒度的元數據信息模型,會存在一定程度的信息冗余。由于采用在統一環境下的元數據信息模型的設計與生成方法,該部分冗余并不會導致信息在表述上的不一致。相反,其更有助于發現各分系統間的信息關聯,有效促進信息融合與系統融合。且能使大粒度的元數據信息模型可以基于此逐漸生成并不斷完善。面向對象的實體關系,即對象間接口關系,包括數據接口和功能接口兩個部分,并可采用技術元數據與業務元數據分別描述。其在應用實現上可以采用SOAP、JOSN、XML等語言形式來表述。
5主要內容
5.1基于框架體系的設計、采購、建造依托于高可用性的指導智能船舶設計建造的開發框架及標準化的接口體系,總體責任單位就可以對分系統設備商和分系統開發團隊形成有效的規約并開展相應的分工、協同,從而實現智能船舶在設計、建設、管理過程中的敏捷化和高效化,并且有效促進各類型裝備、設備、設施向該框架體系的靠攏與發展。智能船舶的實施是一項綜合性系統工程,在設計之初就應該根據船級社的入級要求從總體、船體、輪機、電氣和舾裝各專業綜合考慮。以智能機艙為例,設計者除了要考慮常規船機艙的設備、系統、布置以及安裝外,還應根據規范要求,綜合利用狀態監測系統所獲得的各種信息和數據,對機艙內機械設備的運行狀態、健康狀況進行分析和評估,用于機械設備操作決策和維護保養計劃的制定。對機艙內的主推進發動機、輔助發電用發動機、軸系的運行狀態進行監測;根據狀態監測系統收集的數據,對機械設備的運行狀態和健康狀況進行分析和評估;根據分析與評估結果,提出糾正建議,為船舶操作提供決策建議[2]。要實現這一目標,不但需要確定物聯網系統的軟、硬件框架,同時需要整理出數據采集和控制點的清單。為解決本文1.3節中列出現實的痛點,設計者需要和設備供應商進行充分的溝通和協商,整理出各個設備的數據接口格式、數據類型等。把有數據接口的設備數據利用采集終端轉換成標準數據格式上傳,設計者同時還應該對沒有數據接口的設備增加傳感器和采集終端。由于船用設備供應商多樣性,這需要采購部門和供應商共同努力,對于相關設備盡量采用標準的數據接口。從短期來看,這些確實是阻礙智能船舶發展的痛點,但從長期來看則是大勢所趨。另外,對于像主機遙控、監測報警、閥門遙控和液位遙測等本身就有控制臺的設備和系統,應考慮從標準數據接口拿數據,減少或取消控制臺,由應用層服務器統一顯示和控制,將來甚至可以取消集控室或貨控室,由數據監測和設備控制中心取代。
5.2能化感知系統的補充與完善隨著船舶安全監測及人居環境評價等相關業務需求的發展,可以建設用以船體健康監測的分布式光纖傳感網絡及其智能化的設備終端,可以建設用以船體、設備、平臺振動或噪聲監測的感知網絡。
5.3泛在接入的模塊化標準化實現對于現場感知層異構網絡,其數據定義格式、網絡實現形式等的差異性較大,需要采用接口及協議轉換模塊來實現由底層異構網絡向平臺性基礎網絡的接入。采用模塊化標準化的接口轉換模塊,并實現相應轉換協議的自定義配置,這將是高效便捷的實現方法及應用模式。
5.4基于策略集的數據分析與補充策略集是對裝備系統構成及其內部邏輯的計算機語言表述,這是由裝備系統的構成原理、分系統間關系、人員認知水平等先驗知識所決定的,對裝備功能性能的描述與評價具有非常積極的作用。由于認知水平的發展,以及分系統間關系的變更等,策略集需進行相應補充、完善或調整。
5.5基于相關屬性的數據挖掘與解釋實現數據挖掘是需要成本的,這就需要采用較為經濟高效的分析方法。而基于相關屬性的數據挖掘則相對較為容易,對于其所產生的知識特征也較為容易判讀和解釋,對于有用的知識特征可將其補充到數據分析的策略集中。
5.6頂層應用開發及其終端設備以面向用戶和需求拉動的方式來規劃設計頂層應用,并且按照人員的領域特性及視角特點來規劃信息實現,通過不同的信息聚合方式及上下鉆取方式、導航方式等來提供人性化智能化的信息消費及應用服務。
5.7遠程監控、診斷、托管等實現智能船舶實現所需的基礎設施、網絡資源、計算資源、存儲資源、軟件資源、應用資源等的訂購、開發、建設、部署、應用等相對受設計建設時的資金預算、布置空間分配、使用范圍及其體系性作用、可復用程度及其成本攤薄、智能化實現的軟件能力及等級水平等條件所限制。因此,即使最先進的智能化船舶,其單船智能化程度在實現上也是受限制的,更為專業而復雜的業務功能,如領域性故障分析診斷、路徑規劃決策、方案優化設計等,需采用服務租用的形式,交付給相應的岸基服務中心來獲取。通過相應的隧道通信技術、鏡像管理技術等保證岸船間的準實時性和近似同步;相應的監控、診斷、托管等技術實現也是柔性化的,相應物理系統間的關系是自主化的;岸基服務中心的軟硬件資源、知識庫資源、專家庫資源都是最優化的。
5.8特殊應用開發及其業務實現環境(1)船舶安全中心:火災報警、疏散指示、防火門及防火風閘控制、風機控制、速關閥控制、水噴淋控制、CO2釋放報警與控制、船體健康監測、艙室環境監測、船體振動監測等監控系統的開發與應用集成。(2)視情維修監測、決策、保障系統:基于裝備系統構成與業務邏輯的故障分析、預警、告警、診斷、評價、決策的裝備監控系統的開發與應用集成,以及基于設備維護保養規程的計劃性維修提醒、基于設備實時監控與狀態性能評價的視情性維修決策、備品件出入庫管理及申報管理等智能化的管理軟件。(3)完整性、安全性、可靠性能力評價系統:基于船舶系統間接口關系與業務邏輯的模型描述,以及對平臺體系內相關能力的評估和體系貢獻率的計算,并據此設計的評價推演軟件或仿真平臺。
5.9用戶端無線接入與桌面集成的平臺環境包括人性化的移動用戶端的無線接入與單點登錄方式,以及對工作站形式的桌面應用客戶端主機及其顯示器等的統一桌面集成,還有所需的網絡管控、正常電源、應急電源、接地系統等平臺條件、環境條件。這是智能船舶實現人機交互的宏觀接口,是增強或改善人機交互體驗的一個重要環節。
6集成展示環境
智能船舶集成展示環境的打造引領了未來船舶設計建造與裝備使用管理的新方向。船舶系統的設計建造具有典型的集約性,從設計到交付的時間周期相對較短,而所需集成的設備設施卻日益增多、日趨先進,以滿足不斷提高的功能性能要求。與此相比,智能船舶對于智能裝備及其標準化接口、通訊協議的要求更嚴,系統實現的難度和復雜度更高。這就需要有較為成熟、經濟、敏捷、高效的指導船舶系統進行裝備集成的設計開發框架、標準化接口體系和總體責任單位,并可以采用推的方式來促進智能裝備、智能船舶的應用實現。對于具體的船舶項目而言,其總體設計單位、總體施工單位基本具有唯一性,在此基礎上引入智能船舶系統集成的總體責任單位可以形成更為專業化、系統化、標準化的業務分工與協同合作,并形成為船舶系統設計建造過程中高效運行推進的一種新形式。基于高安全性、可靠性、穩定性、經濟性、可變更性、可擴展性、可演進性的軟硬件體系架構,構建人性化智能化的數據分析、消息推送、應用開發、軟件部署、配置管理、應用交互、輔助決策、監控管理的平臺化應用集成環境,這是滿足用戶關于設備智能化集約化平臺化管理、應對復雜業務場景、新功能新需求可以不斷植入、變更實現較為敏捷經濟高效的必然趨勢與有效途徑,并可以由該類型業務需求及其應用實現的不斷豐富、完善與發展來拉動智能裝備、智能船舶的不斷發展。對于需要新造船舶的用戶而言,智能船舶的集成展示環境實際上是用戶各類型潛在需求及其應用實現的范例性成果展示平臺。基于該平臺,用戶可以獲取相關應用實現的感互體驗,并對其作用、價值等作出合理評估,進而可用以指導自身的業務需求分析與選擇規劃,最終以菜單選項的方式完成對相關業務需求及其應用實現的快速配置。總體責任單位則可據此進行基于相關框架體系、標準接口、使用經驗、應用范例的項目定制,對內外部產品及其配套廠商等進行合理計劃、分配、跟進、管理等;可據此進行基于產品設計制造流程的資源配置、范例復制、軟件移植等工作。
7結論
本文以實現智能船舶的應用為關注點,突出了用戶需求及關鍵業務內容的牽引性作用,從頂層規劃層面分析其在功能實現上的基本內涵和在技術實現上的主要外延;提出符合智能船舶平臺化集成要求的軟硬件體系架構及標準化接口體系,該框架可以敏捷經濟高效地指導智能船舶相應規劃設計、設備訂購、船廠施工、分系統調試、大系統集成與信息融合等應用實現;指出用以支持智能船舶應用實現的關鍵技術及應用內容,確認智能船舶由概念走向實現的主要內容及基本方法;并論述了集成展示環境對于促進智能船舶推廣應用的意義及作用。
參考文獻:
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[2]龔瑞良,吉雨冠.智能船舶技術和無人駕駛技術研究[J].船舶,2016(5):82-87.
1測控技術在工業建筑上的應用
工業建筑一般都需要一些桁架結構的廠房、車間,這些的跨度都比較大,一般會采用桁架結構的形式,而由于建筑使用功能的要求,桁架結構的跨度不斷增加。由此造成的后果之一就是抗震性能不斷減弱。良好的抗震性不僅在這樣的桁架廠房、車間中很重要,在航天領域也有著相當重要的地位。對于大跨度的桁架結構振動的研究,在測控技術,尤其是傳感器的快速發展的背景下,取得了很大的進步。利用傳感器來控制桁架振動的技術逐漸發展成為智能桁架結構,雖然這主要是應用在航空航天領域中的,但是對于其他性質的建筑,也是一個很好的、可以借鑒的方法,在這種結構中所應用的有壓電材料、光纖材料等新型材料,而使用范圍最為廣泛的是壓電材料,它所具有的良好性能很適合控制桁架的振動。主要的工作原理就是將桁架振動時產生的變化轉變成電能,然后傳輸到相關的控制部件中進行控制。這樣不僅控制地迅速、有效,還沒有大的噪聲,對聲環境污染小。雖然智能桁架結構的發展還不夠成熟,在工業建筑上的應用也很有限,但是我認為這是測控技術在工業建筑應用上的一個很好的發展方向,應該引起大家的重視。
2測控技術在高層建筑的應用
比薩斜塔聞名于世,但是如果現實中的高層建筑像比薩斜塔一樣存在,我想會有很多人都不敢接近,更不要說在里面生活學習了。因此,在建造高層建筑時,最重要的一個問題就是要保證高層建筑的垂直。這既包括建筑與地面基準的垂直,又包括每一層與每一層之間的垂直,隨著高層建筑高度的增加與立面造型的變化,保持垂直的難度也就越來越大,而現在主要是由測控技術來保證建筑的垂直度的,因此對于測控技術的要求、測控技術與建筑的融合要求也就越來越高。在對高層建筑的垂直方向校正這一問題上,運用測控技術時一定要遵守以下幾點:首先,要符合相關的規范,這既有國家制定的關于高層建筑本身的指標標準,也有使用相關測控儀器時需要注意的問題;其次,在測量過程中一定要嚴格,盡量減小誤差,要校正精準;最后,要由相關部門進行嚴格的檢測。這幾點都要切實保證,才會讓測控與施工人員感覺到強制性,才不會發生由于人為失誤造成的損失現象。在測控過程中,主要需要測控軸線的垂直,這是基準所在,為了保證軸線沒有誤差,通常要對地基的承載力進行檢測、反復驗算,還要進行相應的抗滑移程度、抗傾覆程度進行驗算,這些都是缺一不可的,當然,以上所說的只是最基本的測控,真正的建造過程中還會有很多細微之處需要注意。
3測控技術在鋼結構建筑中的應用
鋼結構由于自身良好的性能被越來越多的運用到建筑結構中,測控技術在鋼結構的安裝中的應用主要集中在對鋼立柱的測控上。測控技術最核心的任務就是要保持立柱軸線的垂直,并且要在立柱上標示出標高線,在安裝每一個部件時,都要保證上一步的正確與穩固。在對鋼立柱進行了定位軸線放線工作后,要對結果進行檢測、驗證,校正,要切實保證鋼立柱的垂直度,這樣才能夠控制好鋼立柱的扭轉和傾斜程度。以上只是針對于建筑行業的三個方面來闡述了測控技術的應用,在整個建筑行業中,無論從施工還是設計,需要用到測控技術的方面還有很多,將測控技術與建筑結合是非常有必要的。