艦船耗散性管網系統受損評估方法

郝剛+金濤+周澤淵+于利峰

摘要：鑒于對艦船耗散性管網的監(jiān)測有別于常壓封閉管網，其相關參數變化的瞬時性使得對受損后管網的快速辨識與評估存在一定困難，建立艦船耗散性管網系統的靜態(tài)模型?；谠撃Ｐ停瑢ε灤芫W的運行進行模擬并獲得相應節(jié)點的各模態(tài)數據集。利用模糊理論對管網的運行狀態(tài)進行評估，并以模糊聚類的隸屬度作為參數來評估管網受損情況及對破損點進行定位。測試表明：該方法能夠簡便、快捷、有效地對艦船耗散性管網受損進行定位和評估，并獲得直觀的評估結果。

關鍵詞： 艦船管網； 耗散性系統； 受損評估

中圖分類號： U672.7 文獻標志碼： A

Abstract： Because the monitoring of the ships dissipative pipe network is different from that of the atmospheric pressure closed pipe network， and instantaneous changes of relevant parameters make the fast identification and evaluation on the damaged pipeline difficult， the static model of the ships dissipative pipe network system is established. Based on the model， the running of the ship pipe network is simulated， and each mode data set of nodes is acquired. The fuzzy theory method is used to evaluate the running state of the pipe network， and the membership of the fuzzy clustering is adopted as a parameter to evaluate the damage of the pipe network and locate the damage point. The test results show that， by this method， the damage of the ships dissipative pipe network can be located and evaluated easily， quickly and effectively， and the visual evaluation result can be acquired.

Key words： ship pipe network； dissipative system； damage evaluation

0 引 言

艦船管網系統是現代艦船的重要組成部分，其由眾多的節(jié)點和管路按照一定的排列方式組成，承擔著全船流體介質的輸送，對全船生命力有著重要的影響。[1]1982年5月4日，阿根廷空軍的一枚價值20萬美元的“飛魚”空對艦導彈擊中了價值2億美元的英國“謝菲爾德”號驅逐艦，炸毀了其操作和探測中心，導致其一舷消防管網完全失效，火勢無法控制，從而引發(fā)全船大火，最終該艦在拖航途中沉沒。[2] 1987年5月17日，美國“佩里”級護衛(wèi)艦“斯塔克”號（FFG-31）被伊拉克空軍的兩枚“飛魚”空對艦導彈分別擊中了住艙區(qū)和艏樓艦橋附近，艦上指揮通信系統被全部摧毀，甲板上消防主管線破損，隨后全艦大火失控?；馂陌l(fā)生約50 min后損管分隊才恢復消防總管的供水，1 h后艦艇主機被迫關閉。12 h的大火使得艦艇雷達艙、指揮艙被燒毀，37人死亡，21人受傷，事后美軍為修復該艦花費了約1.42億美元。[3]

隨著船舶設備及系統的大型化、復雜化、集成化以及高速化發(fā)展，智能化管網管理系統的應用是下一代艦船發(fā)展的必然趨勢。[4-5]為提高海軍艦船損管自動化水平和削減艦船非戰(zhàn)斗人員的數量，美國海軍于20世紀90年代就啟動了DC-ARM項目[6]。1998年，美國海軍研究實驗室在ex-USS Shadwell上對反射式管網控制系統進行了實彈測試，結果表明，耗散性艦船管網控制系統的應用能夠提高艦船實戰(zhàn)時的生存能力。在此基礎上，該實驗室在2006年提出對消防供水管路智能修復能力的改進計劃，以提高管網受損區(qū)域重構可靠性[7]。美軍基于以上實驗開發(fā)的智能損管系統目前已經應用到最新下水的DDG-1000型新一代驅逐艦上，以獲得免維護部署能力、更強的生命力和更高的自動化能力以及滿足更少的人員配置需求，并具備可升級、可重構等特性。[8]

從實戰(zhàn)應用看，與艦船消防管網類似的耗散性管網破損處置是艦船損管的核心任務。艦船耗散性管網的智能化管理是提升艦船生命力的關鍵。耗散性管網有別于常壓管網，其參數隨著工況的變化而無規(guī)律地變化，模態(tài)的多樣性使得在正常使用情況下管網狀態(tài)與在受損后爆管或者泄漏情況下管網的參數沒有顯著區(qū)別，而耗散性管網介質的漏損卻直觀影響到損管的效果。針對艦船耗散性管網破損的研究，周澤淵等[9]提出一種基于MAS的分布式智能管網漏損控制模型，通過傳感器Agent采集到的數據獨立判斷管段狀態(tài)建立漏損指標，通過模擬計算驗證該模型能夠提升艦船耗散性管網生命力。金濤等[10]提出基于壓力驅動流量模型的摩阻因數與漏損因數聯合優(yōu)化模型，并結合多工況偽并行遺傳算法求解模型，實現消防管網的漏損探測定位。PREEJI等[11]以分布式供水管網為模型，利用ArcMap 10和瞬態(tài)分析方法基于壓力模擬結果建立風險評估等級，對供水管網爆管進行定位，并取得了較好的效果。從國內外研究現狀看，管網受損與定位多針對輸油管道或分布式供水管網，這種管網并非耗散式管網。海軍工程大學金濤研究團隊把艦船消防管網作為典型的耗散性管網，取其靜態(tài)狀態(tài)數據開展了一系列研究，但是目前研究仍處于理論探索和數據模擬階段。本文基于模糊理論對靜態(tài)艦船耗散性管網系統在正常使用情況下的各模態(tài)數據進行對比，并進行艦船耗散性管網受損評估。endprint

1 艦船耗散性管網系統模型

采用靜態(tài)分析計算的方法分析復雜艦船管網受損狀態(tài)具有建模簡單、捕捉異常點快的特征。[12] 首先建立復雜艦船管網模型，然后對其進行一定維度的簡化。艦船環(huán)狀管網模型（見圖1）有3組輸入和許多節(jié)點，每個節(jié)點有不同的屬性。設置輸入和節(jié)點的不同屬性來模擬管網的運行。

對于環(huán)狀管網系統，設置節(jié)點、管路和泵為研究對象，從時序角度看，三者與工作時間t和工況均相關。

若已知艦船管網系統的組成（如關鍵節(jié)點布置、管路布置、泵的選型與布置等），則基于表征管網特性的關鍵變量，建立管網分析的結構模型。在結構模型的基礎上利用數學方法對各節(jié)點以及管路的工作狀態(tài)進行分析存在難度，因此本文采用蒙特卡洛模擬法，基于艦船管網系統的靜態(tài)結構，從數據層進行分析，從中獲取合適的變量及參數來衡量系統的受損狀態(tài)并對受損位置進行定位。

2 基于蒙特卡洛模擬法的艦船耗散性管網系統 艦船耗散性管網系統的運行模擬是一個離散事件系統，管網系統的運行狀態(tài)與艦船的狀態(tài)有關。離散事件系統指系統狀態(tài)僅在離散時間點上發(fā)生變化的系統，引起系統狀態(tài)變化的行為稱為“事件”。這類系統是由事件驅動的，事件往往發(fā)生在隨機時間點上，故稱其為隨機事件[13]。

對離散隨機事件，蒙特卡洛模擬法有3種模擬方法：對不考慮系統運行時間和順序的事件模型，使用非序貫（非時序）模式，隨機抽取大量的樣本對系統的運行狀態(tài)進行模擬；對系統運行事件按照先后順序分布的模型，使用序貫（時序）模式，即按照時間序列的遷移依次產生相應的隨機樣本對系統的運行狀態(tài)進行模擬；對狀態(tài)轉移的模型系統，采用狀態(tài)轉移抽樣法，得到一個與時間和狀態(tài)都相關的樣本對系統的運行狀態(tài)進行模擬。[14]

艦船耗散性管網系統是一個相對復雜的系統，各節(jié)點運行狀態(tài)受到艦船的工作任務和管網的健康狀態(tài)的影響。對單次任務而言，管網運行狀態(tài)具有相對獨立性和隨機性，且與時序性無關，因此選定非序貫（非時序）模式對艦船耗散性管網運行狀態(tài)進行評估更為合理。

在不考慮各關鍵節(jié)點異性的情況下，假設系統由N個關鍵節(jié)點組成，i表示其中的第i個節(jié)點，ui表示第i個節(jié)點的運行狀態(tài)，qi表示第i個節(jié)點在正常運行狀態(tài)下的設計參數范圍。在艦船耗散性管網系統中，每個節(jié)點的運行狀態(tài)都是相對獨立的，故有si=1， ui∈qi（節(jié)點運行狀態(tài)正常）

0， uiqi（節(jié)點運行狀態(tài)不正常） 在抽取一個節(jié)點運行狀態(tài)后，對艦船耗散性管網運行狀態(tài)進行分析，可得到各節(jié)點的運行狀態(tài)評估結果為（u1，u2，…，ui，…，uN）。

通過與正常運行狀態(tài)下qi的對比，可獲得第k次抽樣條件下艦船耗散性管網的運行狀態(tài)矩陣Pk=（u1s1，u2s2，…，uisi，…，uNsN） 由上式可知，通過K次抽樣，艦船耗散性管網的運行狀態(tài)就可以用一個K×N的運行狀態(tài)矩陣表示。在該運行狀態(tài)矩陣的計算過程中，通過對運行狀態(tài)的判斷，剔除非正常運行點（si=0），保存正常運行點以及每次正常運行點的參數。在K次抽樣中，ηi表示在[0，1]上均勻分布的隨機數，各節(jié)點i的參數值采用線性同余發(fā)生器產生[15]，其遞推公式為ηi=xi/m

xi=（axi-1+c′）mod m′式中：xi 為產生的偽隨機數，x0為初值，m′為模數，a為系數（0

通過上述方法，可以抽樣得到艦船耗散性管網各節(jié)點在不同工作狀況下的運行狀態(tài)，再經過大量的隨機抽樣得到管網運行狀態(tài)矩陣，用于對艦船耗散性管網系統運行情況進行評估。

3 基于模糊理論的艦船耗散性管網系統受損評估方法 通過蒙特卡洛模擬法，經過K次抽樣，得到艦船耗散性管網的一個K×N的運行狀態(tài)矩陣，即樣本集合Y={y1，y2，…，yK}。采用模糊聚類方法將其分為c（c>1）類子集[16]。這使得目標函數J（U，V）在一定的約束條件下最小。

通過模糊聚類算法對樣本數據分類，獲得相應的聚類中心，通過計算測試樣本偏離相應聚類中心的隸屬度，判斷樣本點的所屬分類。上文利用蒙特卡洛模擬法，通過大量的隨機抽樣得到管網運行狀態(tài)矩陣?？梢詫⒃摴芫W運行狀態(tài)矩陣作為模糊聚類算法的樣本數據，任意時刻管網的狀態(tài)值作為測試樣本，利用模糊聚類隸屬度的判定，對艦船耗散性管網的運行狀態(tài)進行評估。具體步驟如下：

步驟1 建立艦船管網模型，利用蒙特卡洛模擬法，通過設置各節(jié)點不同的運行狀態(tài)，得到管網的運行狀態(tài)矩陣，該矩陣即為樣本數據集。

步驟2 樣本數據集的標準化。樣本數據集生成后，為消除由各節(jié)點運行狀態(tài)的差異所造成的影響，采用線性函數轉換方法對特征參數進行標準化處理：

步驟3 通過所得的歸一化樣本數據集，利用模糊理論，建立模糊聚類模型，找到各節(jié)點在正常運行狀態(tài)下的聚類中心。

步驟4 利用歸一化樣本數據集所建立的模糊聚類模型對測試數據進行試算，并計算測試數據偏離正常運行狀態(tài)下聚類中心的隸屬度。

步驟5 根據隸屬度分析，對艦船耗散性管網的運行狀態(tài)進行評估，基于評估結果進行受損評估。

基于模糊理論的艦船耗散性管網運行狀態(tài)評估流程見圖2。

4 實例分析

選取艦船消防管網作為研究對象。艦船消防管網屬于典型的耗散性復雜管網，該管網中相關參量能夠反映管網系統的運行狀態(tài)，如節(jié)點的用水量、節(jié)點的水頭壓力、摩阻因數等。[17]

實例分析的原型是ex-USS Shadwell實驗船上的消防管網，為一個兩層的空間管網，見圖3。圖3中：V表示智能閥（具有數據采集功能的閥），P表示消防水泵，F表示消火栓，N表示消防管道，R表示手動截止閥。艦船消防水水源取自海面，艦船消防水水泵為兩主一備。設定各用戶節(jié)點屬性，用于模擬各艙段或者位置使用消防水的情況。在正常情況下，每個用戶節(jié)點的實際用水量在0到設計用水量之間變化。

EPANET為美國國家環(huán)境保護局開發(fā)的開源有壓管網模擬計算軟件，可以獲得水頭、水量等多項指

EPANET示意圖標。該軟件具有友好的交互界面，能較快地完成管網系統的模擬，同時通過EPANET Toolkit接口與MATLAB連接，能夠完成實時同步模擬。艦船消防管網系統EPANET示意圖見圖4，其中：V1，V2，…，V10為隨機用水節(jié)點；P1和P2為消防水泵；PS為備用消防水泵。艦船消防管網各節(jié)點概況見表1。

利用蒙特卡洛模擬法對該艦船消防管網系統進行運行模擬，即使用隨機抽樣的方法設置實際用水量，在各種工況下模擬并獲得各節(jié)點的壓力值。通過采集消防管網系統運行狀態(tài)下各節(jié)點壓力值作為樣本數據集，利用蒙特卡洛模擬法模擬2 000次，設置聚類中心個數c=2，計算各節(jié)點壓力模糊聚類中心，見圖5。

通過模糊聚類方法，得到艦船消防管網正常運行狀態(tài)下各用水節(jié)點的壓力檢測值的模糊聚類中心。計算各節(jié)點壓力檢測值與正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度情況，對艦船消防管網的運行狀態(tài)進行評估。

設置V7作為異常節(jié)點，為模擬爆管，設置實際用水量稍大于設計用水量。通過MATLAB調用EPANET Toolkit計算各節(jié)點的壓力值，并依此計算各節(jié)點的壓力值相對于正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度情況，計算結果見表2。因為關于艦船耗散性管網風險評估的參考資料較少，所以依據中國船級社2015年發(fā)布的指導性文件《船舶綜合安全評估應用指南2015》，基于統計數據、模型試驗或數值模擬的結果并結合專家的經驗判斷，建立風險模型和設定假定條件[18]。在此，根據節(jié)點隸屬度進行管網受損風險評估，節(jié)點隸屬度在[80%，100%]上則認為其受損風險低，在[50%，80%）上則認為其受損風險中等，在（0，50%）上則認為其受損風險高。

根據實例計算結果分析，當檢測用水節(jié)點因爆管而導致實際用水量出現波動時，利用該方法用該節(jié)點壓力相對于正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度來對其進行表征。V7偏離正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的用水量過多，說明其是受損風險較高的節(jié)點，V9和V10是受損風險中等的節(jié)點。

5 結束語

艦船耗散性管網受損評估是戰(zhàn)時損管的重要組成部分，在實際處置過程中破損定位與風險評估的效率直接影響損管的效果。本文在艦船耗散性管網靜態(tài)模型的基礎上，提出了基于蒙特卡洛模擬法和模糊理論的破損定位與受損風險評估方法。實例計算說明：該方法能夠簡便、有效、快速地完成耗散性管網系統的運行狀態(tài)評估和受損定位，為后續(xù)開發(fā)艦船耗散性管網損管自動控制系統提供理論參考。艦船耗散性管網因受攻擊而發(fā)生破損是時間相對獨立的離散事件，下一步將從離散事件系統的角度針對模型破損反應及危險事件處置開展相關研究。

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（編輯 趙勉）endprint