船舶機電系統(tǒng)綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張成偉　許萌萌　張羽　張一帆　習(xí)文

摘要：文章介紹了船舶機電系統(tǒng)綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能構(gòu)成、功能設(shè)計及工程實施，給出了系統(tǒng)的應(yīng)用效果以及國內(nèi)外相似系統(tǒng)的對比，該系統(tǒng)的開發(fā)有助于維修保障體系向視情維修保障的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：船舶機電系統(tǒng)；綜合狀態(tài)評估；健康管理

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0104-02

1 概述

目前船舶領(lǐng)域的設(shè)備維修保障通常采用的還是“事后維修”和“計劃維修”相結(jié)合的方式，容易造成欠維修和過維修的事件發(fā)生，影響了船舶的在航率和全壽命周期維修費用的增加。

綜合狀態(tài)評估與健康管理技術(shù)涉及信號采集與處理、故障診斷、狀態(tài)評估與預(yù)測、多因素決策等多個技術(shù)領(lǐng)域，主要利用先進的傳感器和運行網(wǎng)絡(luò)，獲取船舶裝備的各類信息，通過各種智能算法和模型來評估、診斷和管理裝備的狀態(tài)，并根據(jù)裝備的實際狀態(tài)確定最佳使用和維修方案，為船舶裝備發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能提供支撐和保障。

近年來，綜合狀態(tài)評估與健康管理技術(shù)在美、英、德、加拿大、荷蘭、新加坡、南非、以色列等國空軍及海軍以及我國航空航天、海軍等國內(nèi)外軍方和工業(yè)界都受到了廣泛關(guān)注，各方都在積極采取各種方式加速該軍民兩用技術(shù)的開發(fā)和利用。我國商飛更是把故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（Prognositic and Health Management，PHM系統(tǒng)）作為其標(biāo)志性技術(shù)之一。

綜合狀態(tài)評估與健康管理技術(shù)國外軍方方面也應(yīng)用甚廣，在美國海軍方面，自1995年實施“智能艦“計劃后，預(yù)測未來海軍船舶作戰(zhàn)環(huán)境將由歷來的平臺中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)向以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為重點的模式?！爸悄芘灐逼脚_管理系統(tǒng)主要包括：光纖局域網(wǎng)（SWAN）、綜合狀況評估系統(tǒng)（Integrated condition assess syetem，綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)）、綜合艦橋系統(tǒng)（IBCS）、損管控制系統(tǒng)（BDCS）、機械控制監(jiān)控系統(tǒng)（MCMS）、燃料控制系統(tǒng)（FCS）等。其中，ICAS系統(tǒng)是實現(xiàn)船舶狀態(tài)評估及維護的重要功能系統(tǒng)。此后，美國海軍率先在“約克敦”號巡洋艦上成功應(yīng)用了ICAS系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提高船舶裝備使用效率、減少艦員數(shù)量、節(jié)約全壽命周期費用并延長船舶壽命，該系統(tǒng)被美海軍全面推廣使用。

因此開展綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的研制已成為國內(nèi)外軍民應(yīng)用領(lǐng)域的重大課題，并已在逐步實施，我國船舶無論軍民應(yīng)用領(lǐng)域都應(yīng)該加強研究。

2 系統(tǒng)功能構(gòu)成分析

從系統(tǒng)的使命任務(wù)和系統(tǒng)架構(gòu)角度來看，系統(tǒng)應(yīng)該具備設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、信息層、知識層和知識應(yīng)用層五層架構(gòu)體系，采用“5D”系統(tǒng)化方法論（數(shù)據(jù)、數(shù)字化、深度挖掘、傳遞和決策），實現(xiàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)、傳輸、評估與預(yù)測、決策、功能應(yīng)用；從功能定位和應(yīng)用角度來看，系統(tǒng)應(yīng)該具備綜合狀態(tài)監(jiān)測、綜合狀態(tài)評估、綜合故障診斷、健康管理的功能。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件配置要求

綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的硬件主要包括監(jiān)控臺、服務(wù)器、在線信號采集與處理裝置、離線數(shù)據(jù)采集與分析設(shè)備、各類傳感器。

綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)采用C/S的體系架構(gòu)，監(jiān)控臺運行系統(tǒng)的客戶端軟件，用于與用戶的信息交互；服務(wù)器作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算與存儲中心，是系統(tǒng)的核心；在線信號采集與處理裝置實現(xiàn)傳感器信號的高速同步采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)有效信號的提取與數(shù)據(jù)輕量化傳輸；離線數(shù)據(jù)采集與分析設(shè)備實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)的采集與分析，作為載體實現(xiàn)維修現(xiàn)場指導(dǎo)；各類傳感器用于獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，包括振動、瞬時轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、功率等。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的功能設(shè)計包括綜合狀態(tài)監(jiān)測、綜合狀態(tài)評估、綜合故障診斷、健康管理功能和數(shù)據(jù)庫管理模塊。下面簡要描述各模塊的功能。

3.2.1 綜合狀態(tài)監(jiān)測

綜合狀態(tài)監(jiān)測功能船舶機電系統(tǒng)，通過在線和離線手段相結(jié)合的方式全面獲取、顯示和對象使用和維護相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，其信息種類主要包括：設(shè)備狀態(tài)信息、環(huán)境類信息、設(shè)備及人員活動信息，通過健康、亞健康、一般故障、嚴(yán)重故障四種狀態(tài)顯示設(shè)備的狀態(tài)。

3.2.2 綜合狀態(tài)評估

對影響機電系統(tǒng)及其重要設(shè)備的安全可靠經(jīng)濟運行的狀態(tài)進行評估，包括系統(tǒng)能力評估、設(shè)備安全性評估、可靠性評估和狀態(tài)評估分析工具。

系統(tǒng)能力評估是針對船舶出航的使命任務(wù)要求，結(jié)合各設(shè)備的狀態(tài)評估結(jié)果、各設(shè)備在任務(wù)下的工作分工，評估得到船舶機電系統(tǒng)現(xiàn)有能力是否可以保證船舶的出航使命任務(wù)達成及其達成的概率。

設(shè)備安全性評估是針對影響設(shè)備安全運行的狀態(tài)進行評估。

設(shè)備可靠性評估是針對設(shè)備可靠運行的性能狀態(tài)參數(shù)進行評估。

狀態(tài)分析工具是針對各類性能參數(shù)，為用戶提供可以多維度、多視角分析設(shè)備狀態(tài)的根據(jù)，包括參數(shù)趨勢分析工具、參數(shù)異常點檢測分析工具、瞬時轉(zhuǎn)速分析工具、振動分析工具（時頻域分析）等。

3.2.3 綜合故障診斷

為實現(xiàn)對影響裝備安全可靠運行的重要報警或異常的定位與原因分析，輔助艦上人員縮小排故范圍、提高排故效率，提供多種排故手段，包括故障輔助排查定位、故障影響分析、故障知識庫管理功能。

3.2.4 健康管理

針對機電系統(tǒng)的設(shè)備，為實現(xiàn)裝備狀態(tài)在全壽命周期內(nèi)的有效管理，提供多種健康管理手段，包括使用輔助決策、維護狀態(tài)管理、維修狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)管理、健康檔案管理，實現(xiàn)機電系統(tǒng)及其設(shè)備的使用輔助決策、維修輔助決策和全壽期的數(shù)據(jù)管理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

目前綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的主要有美海軍的ICAS系統(tǒng)、美空軍的PHM系統(tǒng)。美海軍的ICAS系統(tǒng)主要是在已有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增部分傳感器，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的評估與故障診斷；美空軍的PHM的系統(tǒng)主要包括故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)，是非實時系統(tǒng)。與以上美空軍PHM系統(tǒng)相比，船舶機電系統(tǒng)綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)的實時性強，覆蓋設(shè)備多、種類廣；與ICAS系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的功能全、評估精度高、流程全面性高。

自主研發(fā)的船舶機電系統(tǒng)的綜合狀態(tài)評估與健康管理系統(tǒng)已在我海軍領(lǐng)域的水面船舶上全面應(yīng)用，通過對船舶機電系統(tǒng)及其重要設(shè)備（燃?xì)廨啓C、柴油機、齒輪箱等）狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估、故障診斷和健康管理的功能應(yīng)用，基于設(shè)備狀態(tài)并面向系統(tǒng)任務(wù)的使用與維修活動的輔助決策支持，本系統(tǒng)在人員排故效率、維修費用節(jié)約等方面得到了較大提高，進而朝著船舶使用的智能化與保障的自主化方向進行有效的發(fā)展。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)的成功研制，為船舶裝備的狀態(tài)掌握供了先進的技術(shù)手段，對促進船舶機電系統(tǒng)由“粗放型”管理向“精細(xì)化”管理的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支撐，促進了海軍船舶機電系統(tǒng)的視情使用、視情維修和視情管理工作的進程，最終為保證船舶機電系統(tǒng)安全可靠運行、船舶高效運轉(zhuǎn)，提高在航率，具有十分重要的意義。