（机械设计及理论专业论文）基于pda的船体精度辅助检测系统设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船体分段的实际几何参数作为重要的反馈信息，在船体精度控制系统中必不可少， 是精度控制的实际依据。而传统的船体检测与数据处理是分开的，检测数据得不到实时 准确的对照，具有可选检测点数量少，操作耗时长等缺点，不适应当前数字化造船的趋 势和要求。因此，研究并开发一种能够提高检测速度和准确性的船体检测系统将是十分 必要的。在此背景下，对船体检测技术和数据处理过程进行了深入研究，设计实现了由 船体分段检测、数据传输存储和数据统计分析三大模块组成的基于p d a 的船体精度辅 助检测系统。 首先对船体检测和数据处理进行了需求分析，提出了系统的总体设计方案和基 于n e t 三层架构的总体框架，对系统功能进行了划分并给出硬件体系结构。然后，建 立了两组点坐标数据的比对与参照机制，利用相似转换模型的七参数法实现坐标系转 换，从而实现3 d 模型管理点与实体点在同一坐标系下的误差对比。为了保证p d a 与处 理中心数据传输的准确可靠，研究了网络状态监控和数据缓存的方法，给出在线和离线 网络状态下的船体分段检测数据传输方案，实现了数据传输存储模块的设计。最后，在 统计分析模块实现过程中，应用o f f i c e 组件和a d o n e t 数据处理技术，利用本地资源 生成统计分析报告，避免了多次访问数据库带来的响应延迟现象。 系统主要功能现已初步实现并试运行，基本满足了船体分段检测需求，并起到提高 检测效率和指导船体分段装配的作用。由此表明系统设计方案合理，所采用的技术路线 恰当。 关键词：精度控制；船体检测；数据传输；统计分析；n e t 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh u l la c c u r a c ya i d e dd e t e c t i o ns y s t e m b a s e do np d a a b s t r a c t 1 1 1 ea c t u a lg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h eh u l ls e g m e n ta r ei m p o r t a n tf e e d b a c k , w h i c ha r e e s s e n t i a li nt h eh u l la c c u r a c yc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea c t u a lb a s i so fa c c u r a c yc o n t r 0 1 1 1 1 e t r a d i t i o n a lh u l ld e t e c t i o ni ss e p a r a t e df r o md a t ap r o c e s s i n g ，r e a l t i m ea n da c c u r a t ec o m p a r i s o n o fd e t e c t i o nd a t ai sn o ta v a i l a b l e ，w h i c hh a st h ed i s a d v a n t a g e so fi n s u f f i c i e n td e t e c t i o np o i n t s a n dt i m e - c o n s u m i n go p e r a t i o n ，a n dd o e sn o tm e e tt h ec u r r e n tt r e n d sa n dr e q u i r e m e n t so f d i g i t a ls h i p b u i l d i n g t h e r e f o r e ，t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fah u l ld e t e c t i o ns y s t e mt o i m p r o v et h ed e t e c t i o ns p e e da n da c c u r a c yi sn e c e s s a r y i nt h i sc o n t e x t , t h eh u l ld e t e c t i o n t e c h n i q u e sa n dd a t ap r o c e s s i n ga r ei n - d e p t hs t u d i e d ，h u l la c c u r a c ya i d e dd e t e c t i o ns y s t e m b a s e do np d ai sd e s i g n e d ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ：d e t e c t i o no fh u l ls e g m e n t s d a t at r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e ，s t a t i s t i c a la n a l y s i s f i r s t l y ，t h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i so fh u l ld e t e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gi sc a r r i e do u t t h e o v e r a l ld e s i g nm e t h o da n dt h ef r a m e w o r kb a s e do n n e tt h r e e t i e rs t r u c t u r e so fs y s t e ma r e p r o p o s e d ，s y s t e mf u n c t i o ni sd i v i d e da n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei sg i v e n t h e nc o m p a r i s o n m e c h a n i s mo ft w os e t so fp o i n t s c o o r d i n a t ed a t ai ss e tu p ，c o o r d i n a t es y s t e mc o n v e r s i o ni s a c h i e v e d b yu s i n g t h es e v e n p a r a m e t e r s i m i l a r i t yt r a n s f o r m a t i o nm o d e l ，t l l u se r r o r c o m p a r i s o no f3 dm o d e lm a n a g e m e n tp o i n t sa n dp h y s i c a lp o i n t si nt h es a m ec o o r d i n a t e s y s t e mi sa c h i e v e d i no r d e rt oe n s u r er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e np d aa n dp r o c e s s i n g c e n t e r , t h em e t h o d so fn e t w o r ks t a t u sm o n i t o r i n ga n dd a t ac a c h i n ga r es t u d i e d ，d a t a t r a n s m i s s i o nm e t h o du n d e ro n l i n ea n do f f i i n en e t w o r ks t a t u si s g i v e n ，d a t at r a n s m i s s i o na n d s t o r a g e m o d u l ei s a c h i e v e d f i n a l l y ，i nt h ep r o c e s so fs t a t i s t i c a l a n a l y s i s m o d u l e i m p l e m e n t a t i o n ，o f f i c ec o m p o n e n t sa n da d 0 n e td a t a - p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r eu s e dt o g e n e r a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sr e p o r t sb yu s i n gl o c a lr e s o u r c e s ，t h ep h e n o m e n o no fr e s p o n s e d e l a yc a u s e db yr e p e a t e da c c e s s i n gt ot h ed a t a b a s ei sa v o i d e d t h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e da n di st e s tr u n b a s i c a l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh u l ls e g m e n t sd e t e c t i o na n da c ta sr o l eo fi m p r o v ed e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n d t h eg u i d a n c et oh u l ls e g m e n t sa s s e m b l y 1 k ss h o w st h a tt h es y s t e md e s i g ni sr e a s o n a b l e ；t h e t e c h n o l o g yi su s e di nt h ef i g h tr o u t e 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a c c u r a c yc o n t r o l ；h u l ld e t e c t i o n ；d a t at r a n s m i s s i o n ；s t a t i s t i c a l a n a l y s i s ；n e t 1 l i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：越芝坠! 篓叠丝起垄壁堕坳垒也幽墨边 作者签名：丝壹遮日期：翻年竺月j 上日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 船舶制造业是一项关系到国计民生的制造工业，对国民经济的发展起到至关重要的 作用。目前，我国船舶总吨位跻身世界前三位，但总体来说还存在大而不强的劣势。2 0 0 9 年3 月份国务院将船舶工业列入我国“十大产业振兴规划 ，加速船舶业实现技术改造 和产业升级。要实现船舶行业的跨越式发展，必须以信息技术为基础，而船体精度控制 是其中重要环节【l j 。 由于船舶制造业固有的特殊性，精度的研究及先进测量技术的应用有一定的困难， 这在很大程度上影响了造船周期和质量。为了提高造船的整体水平，必须大力推进精度 管理，实行有效的精度控制，开发和引进先进的测量技术手段，改进加工工艺，以使船 舶的质量得到保证。在船体建造精度管理中，检测技术水平的改进和提高是一个迫切的 问题。进一步探索和应用先进的检测技术既是实施精度管理的必要基础，又是提高船体 建造水平，促使我国船舶工业平稳健康发展的当务之急。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1现代造船模式中的船体精度控制介绍及其意义 装配是船舶生产的主流工序。由零件逐步装配成部件和组件，然后装配成分段、总 段，直至最后形成整船。在这一过程中，形成整船之前的部分都可叫做中间产品。较低 级的中间产品组合为较高级的中间产品，中间产品不断组合最终建成船舶。现代造船模 式，是以成组技术原理为指导，采用先进制造技术，以中间产品为向导，按区域组织生 产，壳、舾、涂作业在空间上分道、时间上有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡 连续地总装造船的方法。船舶建造精度控制技术是以船体建造精度标准为基本准则，通 过科学的管理方法与先进的工艺手段对船体建造进行全过程的尺寸精度分析和控制的 - - 1 - 1 技术【2 l 。以达到最大限度地减少现场修整工作量，提高生产效率。 在现代船舶建造业中推行精度管理是生产的客观要求，也是确保船舶建造质量、用 科学方法实施生产管理、缩短造船周期、提高造船生产技术水平的重要手段。另外，从 船体的角度来说，精度控制也是至关重要的，只有保证船体的建造精度，才能为其他工 种的作业提供一个好的平台，确保船舶建造质量。 而船舶实际建造中，由于某些固有特性造成船舶的精度控制困难大的现象，制约造 船效率和发展速度p 】： ( 1 ) 现代造船采用焊接技术实行分段法造船，由于船体结构的焊接变形等使船体 制造和装配过程复杂化； 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 ( 2 ) 船体尺寸和重量较机械产品大： ( 3 ) 采用的测量工具精度普遍较低： ( 4 ) 船舶生产一般为单件或几件生产，采集和统计造船误差数据困难，不易于总 结规律； ( 5 ) 直接或间接手工操作大量存在子船体建造过程中，精度控制往往取决于操作 人员的技术熟练程度； ( 6 ) 制造过程温度变化较大，中间产品精度受环境影响。 日本、韩国等先进的造船国家在船舶建造精度控制技术系统方面的研究都有成功的 应用案例。事实也说明这些先进造船国家通过应用先进的船舶建造精度控制技术等，大 幅度提高了造船质量，达到了现代化的造船水平。 1 1 2 船体精度控制中的检测技术 分段的实际几何参数作为重要的反馈信息，在精度控制系统中是必不可少的，它正 是精度控制的实际依据。有效的检测手段和各种先进的测量技术在船舶建造业中的运 用，为精度控制提供了有利条件。与一般的机械工件测量相比，造船业中经常需要解决 大尺寸分段的测量问题。有专家在精密测量研究室通过实现验证，在不考虑时间和经济 性作用的前提下，测量的不确定性与被测长度呈明显的线性增长，引起这些不确定性的 原因包括量具自重变形，温度变化等等 2 1 。目前在造船厂用做船体检测的工具主要包括： 传统的钢卷尺、钢板尺、角尺、吊锤、水平软管，经纬仪等，较新的仪器激光圆度仪、 红外测距仪等。另外，最新的全站仪也逐步进入造船业，测量精度和便携性等方面取得 了显著效果。 全站仪，全称为全站型电子测速仪，是一种智能化程度高，能够准确测量并即时显 示结果的先进测量仪器。总体来说，全站仪将数据采集设备和过程控制机两大部分以及 结合实现测量过程。它是一个三维坐标测量系统，由电子测角、电子测距、电子计算和 数据存储单元等组成，测量结果自动显示并能够与外部设备( 如p d a ) 交换数据信息。 正是由于全站仪自身的构成和特性，使其与相关计算机设备进行数据连接交互具备一定 的可行性。 随着测量技术的不断发展，计算机已经成为一种基本的辅助工具，用于及时准确的 数据处理。而传统的船体检测与相应数据处理是分开的，这大大降低了船体检测的工作 效率。检测数据得不到实地实时准确的对照修改，检测结果具有很大的盲目性，不适应 当前工程信息化和数字化以及作业的程序化发展的趋势和要求。为了确保这些耗时、出 大连理工大学硕士学位论文 错率高的工作能够迅速准确的完成，研究并开发一种能够提高检测速度和准确性的船体 检测系统将是十分必要的1 4 j 。 1 1 3 数字化造船中的精度控制 世界造船强国从c a x 开始，逐步由实施c i m s 、应用敏捷制造技术向组建“虚拟 企业 方向发展，形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产 品全生命周期的数字化支持系统，从而大幅度提高生产效率、降低成本。尽管世界造船 强国的劳动力成本很高，但仍具有较高的市场竞争力。其中，日本和韩国是民船强国， 船舶总产量占世界份额的7 0 左右，而美国是军船制造最强的国家。这些国家造船企业 信息化建设已达到很高的水平，但为了更牢固地占有国际造船市场，正在以更大的投入 发展数字化造船。由此可以看出，未来船舶行业的发展趋势是基于网络，向数字造船和 虚拟造船的方向发展1 6 j 。 虽然我国船舶工业近几年发展很快，但与世界造船强国相比，在产量和造船技术上 差距甚大，其中信息化水平落后是直接原因。集成化设计系统与生产进程联系不紧密、 船舶零部件标准化程度低、信息采集手段落后、物资物流管理系统信息不同步、生产日 程计划安排手段落后、成本管理缺乏系统性、数字化应用未有效的促进体制和管理创新 等问题的存在，这些原因都导致我国船舶行业参与国际竞争的综合能力不高。由此可见， 对于船舶工业来说，提升信息化水平势在必行。 数字化造船就是在船舶建造过程中以可视化的数字样船为基础，以船舶产品数据库 和企业资源数据库为共享平台，在设计、建造、试验和管理过程中以数字量代替模拟量， 并以数字量作为设计、建造、试验、维修服务和管理过程控制的依据。造船精度控制是 实施现代造船模式的核心技术之一，是提高中间产品成品化的重要手段，在数字化造船 中，精度控制处于承上启下的地位，是从设计到装配过程中不可或缺的重要步骤【_ 卜引。 精度控制过程中，除设计文件数据外，还会产生大量检测数据，人工对这些数据进行管 理造成大量资源耗费，并且容易出错，效率低下，有了信息技术和数字化造船的发展作 为基础和技术手段，将繁杂的数字和信息处理交给计算机系统处理，释放人力，提高精 度控制的工作效率。 1 2 课题研究发展与现状 1 2 1国内外船体精度检测技术的发展 国内外船舶建造的精度管理都经历了曲折的发展过程，人们对它的理解和重视程度 也随着时间而不断加深提高。机械产品的生产过程中，通过公差和配合的管理活动来实 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 现产品精度控制。稍晚于机械制造业的精度系统研究，造船业者将相关概念和手段结合 行业特点逐步引入造船行业，形成如今的船体建造精度管理系统及其特有内容。 2 0 世纪4 0 年代初期，工业界出现了质量管理热潮，人们开始探索公差与配合在造 船业中的应用。5 0 年代末，苏联利用经纬仪检测技术成功地应用了船体建造预修正技术； 同时日本从管理方面进行了系统有效的精度控制。到了6 0 年代，随着数理统计等理论 和数控技术的发展，预修正技术和质量系统管理技术得到进一步发展。我国船体建造精 度控制的研究和实践从7 0 年代初期开始，国内大中型造船厂都取得了一定的研究成果 及经验。随着造船模式的转变和现代造船模式的出现，提出了“壳舾涂一体化的造船 新方法，精度控制技术显得更为重要。船体分段作为船体单元，其精度控制是精度造船 的基础，也是精度造船的主要工作。 随着现代造船模式的初步形成，国外船舶建造中的测量手段和应用也得到了广泛的 重视，如日本的c i m s 中，测量被当作与设计生产同样重要的一个环节。美国造船厂中， 采用多个照相机定点照相的方法对船舶中段进行测量。但此方法局限性在于准备工作量 较大，被测分段需要准确定位。对于精度管理过程中精度检测的现场快速处理和后期数 据处理来说，只有当数据采集和处理方式更加便捷并且具备实时性才能将其真正有效的 应用，并真正为以后的研究提供可靠的分析数据。而计算机信息技术和便携式计算机的 发展恰恰为这一应用提供个便利的条件，具有一定的市场前景。开发先进的船体检测技 术是加快船舶建造业的有效途径，为实现这一技术，高效可靠的检测手段和价位适当的 配套设备是两大必要条件【6 以。 1 2 2p d a 及其操作系统发展 早期的p d a 应用体现在个人消费方面，而近年来，随着微电子技术和光电子技术 的发展，以p d a 为代表的移动式计算机系统日益普及，其需求呈现了不断增温的趋势。 p d a 是一个适用于掌中的手持机器，大部分以笔式手写输入为主。w i n d o w sc e 及其下 属的w i n d o w sm o b i l e 等操作系统己被广泛应用在各种型号p d a 中，并提供了丰富的嵌 入式开发工具包，便于开发人员在相应平台上开发研究。p d a 具有携带轻便、电池持久 耐用、操作简单等特点，满足了现场作业要求。基于上述特点，目前p d a 在各个行业 都得到了广泛应用，例如物流体系中的库房管理系统和物流控制系统，大型企业管理中 的移动工作流系统，公安系统中的移动数据查询和录入，以及餐饮服务行业等l l 引。 p d a 有专门的操作系统，交互界面友好，具有较强的实用性。从目前的市场来看， 虽然p d a 操作系统竞争激烈，却又各有特色，主要包括p a l m 操作系统、l i n u x 操作系 统、w i n d o w sc e 操作系统等几类，以及以这些系统为内核衍生出的各种操作系统。 大连理工大学硕士学位论文 p a l m 操作系统是所有p d a 操作系统中发展最早的，是一种3 2 位的嵌入式操作系 统，整体的设计理念上以简单、实用为出发点，强调的重点是取得功能与使用经验值的 平衡。目前p a l m 系统也是p d a 的主流操作系统之一，并且在价格方面占有绝对的优势。 其特点如下：操作系统具有节能功能，在系统没有事件运行的情况下，系统设备自动进 入半休眠的状态，而应用程序停止活动一段时间，则系统自动进人休眠状态；合理的内 存管理，p a l m 的存储器全部是可读写的快速r a m ，动态r a m 类似于p c 机上的r a m ， 它为全局变量和其它不需永久保存的数据提供临时的存储空间，存储r a m 类似于p c 机上的硬盘，可以永久保存应用程序和数据；p a l mo s 的数据是以数据库的格式来存储 的，数据库由一组记录和一些数据库头信息组成，为保证程序处理速度和存储器空间， 处理数据时，p a l mo s 把数据在存储堆中直接处理。为避免错误地调用存储器地址，p a l m o s 规定，这一切都必须调用其内存管理器里的a p i 来实现。 l i n u x 的p d a 操作系统是由计算机l i n u x 操作系统变化而来的。简单地说，l i n u x 是一套免费使用和自由传播的操作系统，它支持3 2 位和6 4 位处理器。l i n u x 具有精简 的内核，性能高、稳定，多任务，适用于不同的c p u 的特点。并有强大的网络功能， 在相关软件的支持下，可实现w w w 、f t p 、d n s 、d h c p 、e m a i l 等服务。从应用开 发的角度看，由于l i n u x 的源代码是开放的，有利于独立软件开发商开发出硬件利用效 率高、功能更强大的应用软件，也方便行业用户开发自己的安全可控的认证系统，这是 其优越性体现和关键卖点所在。另外，l i n u x 操作系统常用嵌入式芯片的驱动集，支持 大量的周边硬件设备，驱动丰富。与普通的l i n u x 并无本质的区别，同样，对于习惯了 w i n d o w s 操作系统的用户，界面不太容易上手，不便于使用。是当智能手机大量用作行 业应用的移动终端时，l i n u x 在p d a 操作系统市场中异军突起，成为一股不容忽视的力 量。 w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的嵌入式操作系统，是基于掌上型 电脑类的电子设备操作系统。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) ：e 代表电子产品( e l e c t r o n i c s ) 。w i n d o w s c e 操作系统，其最大的优势是可与现流行的w i n d o w s 操作系统无缝连接，能非常方便 的支持o f f i c e 格式文档，图形用户界面相当出色，而且能直接支持p c 格式的a v i 、r m 、 m p g 、w m v 等多媒体软件；w i n d o w sc e 是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式 新型操作系统，其操作界面虽来源于w i n d o w s ，但w i n d o w sc e 是基于w m 3 2a p i 重新 开发的、新型的信息设备平台，具有模块化、结构化和基干w i n 3 2 应用程序接日以及与 处理器无关等特点。w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且在w i n d o w s c e 平台上可以使用普通w i n d o w s 上的编程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 用同样的函数、同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以 在w i n d o w sc e 平台上继续使用。w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实 时性能好，通信能力强大，支持多种c p u 。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设 备包括了工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、电话 和家用娱乐器材之类的消费产品。w i n d o w sc e 的特点有： ( 1 ) 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒摸式。 ( 2 ) 使用了对象存储( o b j e c ts t o r e ) 技术，包括文件系统、注册表及数据库。高效 率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆等。 ( 3 ) 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，同时支持直接的局域网连接 以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，还提供与w i n d o w sg x ，n t 的最佳集成和通信。 ( 4 ) 支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别 的i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 ( 5 ) 更好的线程响应能力。对高级别i s t ( 中断服务线程) 的响应时间上限的要求 更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通 过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。 ( 6 ) 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制系统的时序安排方面有更大的灵活性。 ( 7 ) w i n d o w sc e 的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i l l 3 2a p i 。 有了这些a p i ，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在w i n d o w sc e 系统中，所提 供的a p i 也可以按具体应用的需求而定。 1 2 了基于p d a 的船体检测系统现状 在国外，已经出现了应用基于p d a 的船体检测数据采集系统的成功案例，但是其 价格较昂贵，操作界面不便于国内直接使用，为推广带来一定的困难。国内方面，与医 疗、电力、铁路交通、野外地质调查等行业相似，p d a 在船舶建造业的应用，尤其是船 体检测方面，还处于起步阶段。另外，这些处于初级阶段的应用大多只是将检i 贝 数据导 入p d a 中，与相关标准进行比对得出结论，数据还是通过手写进行输入，因此还没有 真正实现数据采集的自动化和信息化。船体精度检测过程中，包含大量数据并且对数据 的管理和精确性要求十分严格。现有的检测系统，将现场检测的数据输入到p d a 中进 行管理，虽然在一定程度上提高了检测效率，但是没有实现检测仪器和p d a 的连接。 最重要的是这些系统只是对数据进行简单管理，并没有将检测数据多方面处理和反馈， 与后续精度管理工作没有实现无缝结合。将现场检测工作和办公室内精度管理工作结 大连理工大学硕士学位论文 合，才能设计实现高效的精度管理系统，为现场分段搭载提供最大限度辅助。因此，研 究一种基于p d a 的船体精度辅助检测系统非常必要。 目前中国生产的船舶大部分为散货船，属于高附加值的液化天然气船( l n g ) 、浮 式生产储油船( f p s o ) 、液化石油气船( l p g ) 等船舶依旧掌握在日、韩手中，要想 从日、韩手中拿到高附加值的订单，除了提高生产技术别无它法，而提高生产技术的基 础正是精度生产技术。为了提高生产效率，提高生产工艺，建造更具备价值的船舶，精 度造船势在必行。中国造船业的发展战略有低成本战略、品牌战略和技术创新战略等。 推广先进的精度造船技术就是应用技术创新战略，是我国造船缩短造船周期、降低成本 和提高竞争力的主要方法之一。目前世界的造船地区分为韩国、日本、欧洲和中国四极。 欧洲造船业劳动力成本过高、资源消耗大，世界造船中心正逐步向日本、韩国转移。而 我国造船业优势在于国内运物流需求不断的增加和较低的人力成本，另外具有海岸线绵 长、温度适宜的环境条件，加之技术和研发的被逐步重视并改进，假以时日必定会成为 新的世界船舶建造中心例。 1 3 论文主要研究内容 船体建造精度管理是一个综合性的过程管理。船体设计精度管理是保证产品质量的 起点，而船体建造过程是精度管理的关键步骤，辅助检测则是精度管理的基础。本文主 要围绕开发基于p d a 的船体精度辅助检测系统的工程背景展开，以实现船体分段装配 现场检测为研究基础，同时实现了检测数据管理和数据的统计分析，为船体建造提供数 据依据，确保精度管理工作更精密的进行。论文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对船体检测系统进行总体分析，在需求分析的基础上，确定系统实现目标和 功能要求，并划分系统的组成项目和模块，以及每个模块需实现的功能。 ( 2 ) 选择合适的p d a 和全站仪机型以及开发平台，确定合理的硬件体系结构。 ( 3 ) 研究实现现场检测仪器全站仪与p d a 的数据通讯。 ( 4 ) 结合p d a 操作系统的特点以及开发需要注意的问题，对船体现场检测功能涉 及到的原理和关键算法进行研究。 ( 5 ) 各种检测数据管理方式研究，包括设计文件数据、检测数据以及分析数据， 建立合理的数据结构以实现数据存储。 ( 6 ) 充分考虑现场工作环境，实现p d a 与大型数据库的数据传输，为在线和离线 两种网络状态提供解决方案。研究数据传输过程中的数据安全问题，针对不同的安全威 胁提供解决方法。 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 ( 7 ) 在协调服务器与客户端数据传输的基础上，充分利用客户端资源，实现船体 精度辅助检测系统中的统计分析模块，帮助技术人员分析误差产生规律和原因。 1 4 论文组织结构 论文的组织结构如下： 第一章主要是从选题背景意义、必要性以及相关研究的发展和现状进行阐述，列出 了本论文的主要研究内容和组织结构。 第二章对系统需求进行分析，提出了设计目标和设计原则，对系统的总体结构进行 架构，对系统相关硬件做出选择并给出硬件体系结构，最后给出开发环境和平台。 第三章主要阐述现场检测模块实现的关键技术，首先提出p d a 应用程序开发的技 术和注意问题，接着给出各种关键技术实现的方法，将重点放在实现p d a 与全站仪的 通讯和设计坐标与现场坐标转换算法方面，最后实现人机交互。 第四章设计数据传输模块，在需求分析和简单介绍数据库相关理论的基础上，对检 测数据的数据库结构进行设计，并叙述了数据传输的实现方法，最后解决传输中的数据 安全问题。 第五章对数据统计分析模块进行了总体设计，给出体系结构图，结合相关技术详细 介绍了统计技术并给出流程图。 最后对全文的总结和展望，总结自己所做的工作及取得的成果，并提出一些进一步 的改善建议。 大连理工大学硕士学位论文 2 船体精度辅助检测系统的总体方案 船体建造精度控制技术的研究，关键问题有如下四点：一是影响因素的综合分析， 各种影响因素在复杂的结构组合中作用程度又不尽相同，因此要找出各影响因素在不同 结构中的权重关系。二是简便可靠的测量方法，精度控制的规律是建立在实验结果整理 的基础上的，实验数据需要通过简便可靠的检测方法来获得。三是原始数据的收集和积 累，数据的正确性是统计结果真实可靠的前提。四是数学模型的建立，需要在实验基础 上进行建模方法的理论研究。论文主要解决的问题集中在第二和第三两个关键问题上。 系统利用全站仪和p d a 对船体进行便捷可靠的检测量和数据采集，并实现现场装配误 差分析，为船体装配提供依据【2 j 。在此基础上，实现现场检测数据和数据库的交互，并 对检测数据和误差数据进行多方面的统计分析。 通过对船体分段装配阶段进行分析调查发现，装配时有实际价值的基本定位操作仅 占总装配工时的l 6 ，而用于调整作业的工时，如用于纠正偏差的调整，由多次调整引 起的顶撑额外安装等，却占总工时的1 2 。另外，工件移动和清理等工作占1 3 。显然， 为提高效率首先就要消除或减少占据总装配工时一半的调整作业，论文由此目的出发对 船体精度辅助系统进行了总体方案设计。图2 1 为分段装配阶段各操作所占工时比例。 图2 1 各操作工时比例。 f i g 2 1 t h ew o r k i n gh o u r sp r o p o r t i o no fo p e r a t i o n 2 1系统的设计需求 2 1 1 总体设计目标 现代造船模式中，从零加加工开始直至船体合拢，一般划分为如图2 2 所示的制造 级。 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 图2 2 船舶建造制造等级 f i g 2 2m a n u f a c t u r i n gg r a d eo fs h i pc o n s t r u c t i o n 船体分段的误差是由前期加工和装配阶段的误差积累起来的。为了实现分段装配阶 段调整作业的消除和减少，甚至实现一次装配成功，就要做到现场实物分段与设计文件 误差最小化。而这一过程需要大量的船体检测辅助手段，通过总结分析将本系统实现目 标总结如下： ( 1 ) 读取设计文件管理点数据，与实物分段进行对比得到实物数据与设计数据之 间的误差，将误差数据和实物分段管理点数据生成自定义的数据文件，为后续分析工作 提供数据； ( 2 ) 与大型船体检测数据库通讯，实现检测数据和文件传输，并针对在线和离线 两种网络状态下的数据上传提供解决方法； ( 3 ) 对各类数据进行管理，提取客户感兴趣的数据进行统计分析，生成报告，为 以后的造船工作提供分析数据。 ( 4 ) 大型造船企业的船舶建造订单较多，多个分段装配活动往往同时进行，这就 要求辅助检测系统支持多终端并行检测，数据传输与通讯也应考虑网络开销。 另外，在性能方面要做到如下几点： ( 1 ) 在满足船体检测各功能的先进和一体化的基础上，系统的各种性能应达到一 定的指标。如若系统反应过慢或不适于实际操作，占用大量时间，整个系统即使有先进 的算法和作业模式，效率上也很难提高。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在实际操作方面，作为船舶建造过程中的检测系统，要适合工作人员长时间 的现场操作，因此首先要做到重量轻，界面友好，便于查找和使用各种工具。其次系统 反应时间至少在几秒之内，这就需要较好的芯片和较高的内存。 ( 3 ) 在数据容量和查询方面，由于检测数据种类多，数据量大，包括设计数据、 管理点数据和检测数据及各种参数信息等，因此必须要有足够的存储空间，也便于做到 数据查询快捷方便。 ( 4 ) 物理性能的要求方面，可在强烈日光和极端条件下工作，断电数据自动保存， 电量可持续较长时间。 2 1 2 精度辅助检测需求分析 对于精度管理过程中现场精度检测部分，首先应实现检测数据快读录入，包括设计 文件数据读取和现场检测数据的快速采集。其次要将设计文件和检测数据一一匹配，生 成偏差列表进行分类管理，其中包括了设计文件与现场分段放置状态不符时的坐标转换 机制的实现。第三，为使系统人机交互更加便捷和便于实时修改，应针对不同误差等级 要求向用户提供不合格数据提醒，并能为后续的精度控制工作提供检测数据，同时，做 到文件的快速生成和读取。最后，附加功能对系统的易用性所起到的作用也不容忽视， 为使用户更便捷的使用系统，应提供现场检测所需的几何位置和误差分析功能等等。 另外，在系统的实用性方面，要具备容错性，用户不正确的操作或不正确输入的情 况下有不中断程序的运行并能提供改正错误途径的机制；要具备可靠性，硬件设备上能 够实现p d a 与全站仪串口通讯和无线通讯，为不同的检测环境提供通讯条件。 2 1 3 检测数据传输和统计需求分析 现场采集数据与船厂的大型数据库数据交互时，考虑到网络环境的不稳定性，应支 持在线和离线两种网络状态下的数据传输。另外，本系统提供基于p d a 的分析统计报 告生成模块，使技术人员更好的了解各船体分段的误差情况，指导分段装配及生产。统 计分析模块的核心是数据处理，鉴于其复杂性和模板的介入，较少人工干预，与信息技 术结合将大幅提高效率节约成本。本系统的检测数据存储于远端大型服务器，便于不同 的部门和相关人员对其批量处理和统一管理。用户登录系统后依据权限和需求向服务器 发出请求，系统调用相关方法响应并处理。然而，统计分析过程中数据处理需求繁杂， 服务器请求频繁，而复杂的客户端数据处理请求需多次访问数据库，将导致系统开销增 大，响应延迟这将使系统出现超时问题，造成系统出错及网络堵塞。针对这一问题需协 调服务器与客户端数据传输，充分利用客户端资源，实现统计分析处理。将数据传输和 统计的具体要求总结如下： 基于p d a 的船体精度辅助检测系统设计与实现 ( 1 ) 数据的传输量要小 数据的传输量小是当前各种技术所至，网络传输能力增加远远赶不上网络信息量的 增加，比如同样的数据要求以不同的样式显示出来，就没有必要传输两次。 ( 2 ) 充分利用客户端资源 将占用资源较多的处理都集中到客户端p d a 进行，尽量减少网络负载，如只通过 网络传输数据。 ( 3 ) 保证数据的安全性 检测数据统一管理于造船企业大型数据库，这些数据涉及到商业机密，因此，数据 在网上传输的安全性必须有保障，需要用户提供身份认证并且对数据进行加密传输，以 增强系统的安全性。 2 1 4 系统设计原则 船体精度辅助检测系统作为一套实际应用的系统，除了需要有合理的作业模式，实 现客户预期效果，先进的数据采集和处理方法之外，在设计过程中还应遵循如下几个原 则： ( 1 ) 功能分解 功能分解是软件系统开发中比较朴素的思想，同时也是非常容易遗忘的思想。开发 人员往往试图设计出复杂的算法和完美的结构，而忽略了功能的分解，往往将简单的问 题复杂化。实践证明，软件开发以及以外的很多领域中分工、分解是处理复杂系统的基 本前提。在船体精度辅助检测系统中将功能分为现场船体检测模块、数据传输模块和数 据统计分析模块。 ( 2 ) 封装功能，松散变化 即高内聚，低耦合，把功能独立封装，增加其扇出，减少扇入。同时对内部进行封 闭，而对外则提供完善的接口用来提供更多服务。用来保证我们可以更高效的开发系统， 并使其得到发展和推广。 ( 3 ) 适应性，可靠性 系统的适应性要好就要做到极端情况的处理，8 0 的代码都在处理2 0 的极端情况。 只有尽可能多的考虑到可能出现的意外，并对其进行处理，才能真正的实现系统的可靠 性。在关键的操作部位增加错误拦截避免系统崩溃，系统需经过严格的测试使其具有较 高的可靠性。另外，系统提供的数据导出导入功能，使用户可随时进行数据备份或恢复， 也可以方便地完成数据汇总。 ( 4 ) 可装卸，可配置 大连理工大学硕士学位论文 系统内部包含多个模块，各个模块之间或多或少的存在一些耦合。可装卸，可配置 是指任何一个模块的去除或替换，不至于影响到其他功能，并且更多的功能是采用配置 的。这对于系统的维护，以及需求的变更适应性都是非常必要的。 ( 5 ) 可用性，易用性 从用户角度审视和评价软件的可用性，易用性等特征。在界面设计方面，充分考虑 掌上电脑屏幕小、没有物理键盘等特点，力求界面设计简洁、操作方便。 2 2 系统的总体结构 2 2 1 总体结构设计 通过对整个系统特点分析和其在造船企业中的地位，船体精度辅助检测系统在结构 层次上可以分为数据采集层处理层和数据存储层两大层次。如图2 3 所示。现场对船体 检测时，实际操作人员对检测仪器层的全站仪和数据采集处理层的p d a 进行连接后， 根据设计文件中提供的管理点数据列表，对船体分段进行检测。在p d a 中实现设计数 据和检测数据的连接并对误差做出对比，根据用户的误差范围设定对不同程度的误差给 出结果提示。现场采集后，可以通过传输层上传数据以及下载历史数，在p d a 上得到 相关数据统计分析，对分段装配提供分析报告。 数据采集处理层在船体检测系统中属于基础部分，而系统的所有分析、评价和误差 对比又都建立在正确、准确、及时获取现场数据的基础上。因此数据采集模块就必须采 集各分段的检测信息和误