艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)探究

劉振沖 嚴(yán)傳續(xù)

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國家工程研究中心 上海201114）

引 言

在艦船電氣化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化及模塊化程度日趨增長(zhǎng)的情況下，艦船電力系統(tǒng)已成為艦船最重要的系統(tǒng)之一［1］。隨著電力推進(jìn)方式和高能武器的出現(xiàn)，艦船電力系統(tǒng)將發(fā)生革命性的變化，其地位將從輔助系統(tǒng)變成主動(dòng)力系統(tǒng)，即發(fā)展成為綜合電力系統(tǒng)。隨著綜合電力系統(tǒng)研究的不斷深入以及艦船電力設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，普遍采用綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案成為未來艦船動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)［2］。

隨著電力系統(tǒng)在艦船系統(tǒng)中的重要程度不斷提升，成為決定艦船戰(zhàn)斗力和生存力的核心系統(tǒng)之一，其發(fā)展水平的高低將直接決定母船的使用效能。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展過程，艦船電力系統(tǒng)由最原始的人工手動(dòng)操作，逐漸發(fā)展為電氣化，直至今天已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)電及配電的自動(dòng)化管理。

現(xiàn)代信息技術(shù)水平快速發(fā)展，信息化、智能化已然成為工業(yè)和制造業(yè)發(fā)展的必然方向， “智能制造”也上升成為了國家戰(zhàn)略，是各行業(yè)都在積極搶占的制高點(diǎn)。同樣為滿足未來海上方向信息化局部戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，作為艦船核心系統(tǒng)之一，艦船電力系統(tǒng)也必將朝著智能化方向發(fā)展。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

從自動(dòng)化程度來講，國內(nèi)外船舶電力系統(tǒng)差距不大，都實(shí)現(xiàn)了電站及配電的自動(dòng)化控制，電力系統(tǒng)監(jiān)控自動(dòng)化水平的提高，大大減輕了船員的工作量。目前艦船電力系統(tǒng)通過傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警；通過能量管理模塊實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載和自動(dòng)調(diào)壓，并可做到自動(dòng)增機(jī)和自動(dòng)減機(jī)；通過控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的自動(dòng)分級(jí)卸載，機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的感知和隔離處理，遠(yuǎn)程遙控負(fù)載開關(guān)開閉等功能，基本實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)正常情況下的無人值班。

隨著艦船電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大和綜合電力系統(tǒng)概念的提出，傳統(tǒng)艦船電網(wǎng)雖已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理，但其設(shè)備水平和管理方式已經(jīng)難以滿足艦船未來發(fā)展要求，迫切需要采取智能化措施提升設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用層次，實(shí)現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)的數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化和互動(dòng)化［3］。

關(guān)于艦船電力系統(tǒng)的智能化，國內(nèi)正處于初級(jí)發(fā)展階段。中國船級(jí)社于2015年全球首發(fā)了《智能船舶規(guī)范》，分別從數(shù)據(jù)感知、分析、評(píng)估、診斷、預(yù)測(cè)、決策支持和自主響應(yīng)實(shí)施等方面對(duì)不同智能功能提出了相應(yīng)的要求，這對(duì)艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展具有較強(qiáng)的指導(dǎo)和參考意義，著重強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)的全面感知能力、數(shù)據(jù)的集成交互、智能診斷及輔助決策功能。

美國海軍于2007年10月提出下一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）概念，并于2009年4月公開發(fā)布NGIPS發(fā)展戰(zhàn)略［4］，構(gòu)建了電力系統(tǒng)的形態(tài)與電力管理模式，使之復(fù)雜性越來越高，并不斷強(qiáng)調(diào)其在艦船中的核心地位，最終發(fā)展成為全電力戰(zhàn)艦。2009年7月，英國45型驅(qū)逐艦服役，成為世界上首艘采用綜合電力系統(tǒng)的水面主戰(zhàn)艦船，2016年10月，美國DDG 1000驅(qū)逐艦服役，這些艦艇的服役表明美國和英國等世界海軍強(qiáng)國已經(jīng)在主戰(zhàn)艦船上實(shí)現(xiàn)了交流綜合電力系統(tǒng)的工程化應(yīng)用［5］，并在艦船電力系統(tǒng)的智能化方面處于領(lǐng)先地位。

2 艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢(shì)

綜合電力系統(tǒng)已經(jīng)成為艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，我國在綜合電力技術(shù)方面領(lǐng)先的是海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室在系統(tǒng)層面解決了綜合電力系統(tǒng)建模和電磁暫態(tài)仿真、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和分層保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，為我國為艦船綜合電力系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐［5］。

顯而易見，艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)其信息化和智能化水平提出了更高的要求，利用現(xiàn)代信息技術(shù)及智能理論支撐艦船電力系統(tǒng)發(fā)展的需求也是非常迫切的，本文將借鑒其他領(lǐng)域信息化、智能化的發(fā)展成果并結(jié)合艦船電力系統(tǒng)的實(shí)際需求，對(duì)其智能化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)

艦船電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，規(guī)模日益擴(kuò)大，只有把從底層傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的信息到高層的決策信息都能夠有效地集成、整合和共享，才能發(fā)揮信息的最大價(jià)值。充分的信息和共享是艦船電力系統(tǒng)信息化、智能化的基礎(chǔ)，是打破信息孤島、發(fā)揮最大效能的前提，因此，數(shù)據(jù)和交換的核心地位越來越凸顯。

目前而言，通過布設(shè)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)儀表、通信等手段，基本可以獲取有關(guān)艦船電力系統(tǒng)所有的所需數(shù)據(jù)，但這種網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)采用了不同的通信技術(shù)和信息交換標(biāo)準(zhǔn)，難以實(shí)現(xiàn)信息共享和統(tǒng)一管理，已經(jīng)不能滿足艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的需求。如何使不同子系統(tǒng)間通過大量不同總線系統(tǒng)、協(xié)議、接口訪問自動(dòng)化設(shè)備上的數(shù)據(jù)，而隱藏各自差別地自由通訊、交換信息將逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)化的電力系統(tǒng)軟件開發(fā)的一個(gè)重要需求。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，各系統(tǒng)中應(yīng)用程序需要訪問底層或其他系統(tǒng)硬件設(shè)備中的數(shù)據(jù)，需分別開發(fā)專用通信驅(qū)動(dòng)程序，如圖1所示，這種形式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的工作量會(huì)隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提升而急劇增加，且易導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。所以在艦船電力系統(tǒng)未來的發(fā)展過程中，系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)之間將逐漸采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，類似總線型的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)，所有系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)將由統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)服務(wù)器打包后送入總線型數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互形式

圖2 總線型數(shù)據(jù)交互形式

目前已經(jīng)流行的一些自動(dòng)化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，比如EEMUA191、IEC 62769 等，以及自動(dòng)化領(lǐng)域主流的標(biāo)準(zhǔn)化組織如 IEC、ISA、PLCOpen 等定制的配套標(biāo)準(zhǔn)，都具有一定的成為艦船電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互協(xié)議的可行性。

OPC UA是比較新的國際標(biāo)準(zhǔn)，由OPC基金會(huì)于2006年提出，它整合了現(xiàn)存的OPC規(guī)范并摒棄了傳統(tǒng)OPC規(guī)范中的限制，是用于數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，并于2017年正式成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。OPC UA為應(yīng)用程序之間提供了互操作的、平臺(tái)獨(dú)立的、高性能、可擴(kuò)展、安全和可靠的通信。

OPC UA相比于傳統(tǒng)OPC，具有以下優(yōu)點(diǎn)［6］：COM/DCOM的終止；打破COM的局限；OPC通信穿過防火墻；通過Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的OPC通信；統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型；支持復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

鑒于以上所述，艦船電力系統(tǒng)未來可采用OPC UA協(xié)議作為數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，其強(qiáng)大的信息建模能力使更為豐富的數(shù)據(jù)語義信息可以在系統(tǒng)內(nèi)外交互，最終形成一個(gè)高度透明、開放和共享的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備模塊的互聯(lián)互通、無縫集成、即插即用，成為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，可進(jìn)一步推廣成為全船的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 智能診斷、規(guī)劃與重構(gòu)

艦船電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，由于設(shè)備故障、人員誤操作、戰(zhàn)斗損耗等問題，會(huì)引起系統(tǒng)出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的崩潰，影響艦船航行安全及使命任務(wù)的完成。同時(shí)，隨著大功率電磁武器，激光武器，脈沖雷達(dá)等脈沖功率設(shè)備的上艦和使用，也可能對(duì)艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，這對(duì)艦船電力系統(tǒng)供電的可靠性和生命力提出了更高的要求，要求系統(tǒng)能在出現(xiàn)故障時(shí)夠快速定位并重構(gòu)，最大限度恢復(fù)供電，以保障艦船在各種情況下的用電需求。

現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)的電氣化程度較高，各電氣設(shè)備較集中，一個(gè)部件的故障易于引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，影響整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須通過故障識(shí)別快速有效地預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患。目前所采用的故障診斷方法有基于直接的測(cè)量方法、基于數(shù)學(xué)模型的方法、專家診斷法、故障樹分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法等［7］。目前，大部分的故障診斷技術(shù)都采用單一的診斷方法，該方法的確在某些方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是往往存在一定缺陷，并不能很好地解決電網(wǎng)故障診斷所面臨的所有問題。將各種不同的診斷技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合用于診斷，便可揚(yáng)長(zhǎng)避短，更準(zhǔn)確更快速地對(duì)艦船電力系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷。因此，現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)故障診斷技術(shù)將向著多技術(shù)融合的故障診斷技術(shù)方向發(fā)展［8］。同時(shí)，基于狀態(tài)的視情維護(hù)及故障預(yù)測(cè)也將逐漸成為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的趨勢(shì)，更多的故障情況將由“事后診斷”變?yōu)椤笆虑霸\斷”。

同時(shí)，在發(fā)生故障時(shí)，艦船電力系統(tǒng)應(yīng)能夠依靠智能保護(hù)和重構(gòu)體系，自動(dòng)完成對(duì)故障的隔離和自我恢復(fù)，最大程度減小故障影響，并避免供電中斷，提高供電生命力。需根據(jù)當(dāng)前的艦船工況、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及負(fù)荷優(yōu)先等級(jí)，利用約束條件和目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化選擇供電路徑，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)結(jié)合艦船地理信息系統(tǒng)和損壞管制系統(tǒng)，提供全面、優(yōu)化、系統(tǒng)的故障恢復(fù)決策，重新構(gòu)建供配電網(wǎng)絡(luò)，利用備用供電路徑或應(yīng)急/事故配電系統(tǒng)為重要設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)，保障艦船的生命力和戰(zhàn)斗力；利用先進(jìn)的目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)精確檢測(cè)打擊艦船的武器，并對(duì)來襲武器將對(duì)艦船造成損傷的地理區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，在遭受打擊之前進(jìn)行重構(gòu)操作或提出恢復(fù)策略，用于降低武器造成的實(shí)際損傷水平，減小對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的潛在破壞［9］。

2.3 三維可視化調(diào)度管理

三維可視化能夠提供更直觀、真實(shí)、交互感強(qiáng)的信息展示，越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，其在艦船電力系統(tǒng)調(diào)度和管理領(lǐng)域中的應(yīng)用也將是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

艦船電力系統(tǒng)三維可視化調(diào)度管理將由電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)通信、GIS、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，以三維圖形化的方式實(shí)時(shí)顯示電力系統(tǒng)綜合態(tài)勢(shì)，以全方位、多角度、多源信息融合的三維化顯示方式，為決策者提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全方位展示，能夠更好為其提供輔助決策支持。

艦船電力系統(tǒng)三維可視化進(jìn)一步可應(yīng)用當(dāng)下流行的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)及AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、信息技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、語音與模式識(shí)別技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)的集成［10］，為使用者展現(xiàn)更為逼真、直觀、豐富的系統(tǒng)整體形態(tài)，并提供了沉浸式的電網(wǎng)調(diào)度管理方式。

2.4 信息安全評(píng)估

信息技術(shù)作為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要推動(dòng)力，隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、復(fù)雜程度迅速提升，將成為影響電力系統(tǒng)使用效能的核心要素之一。信息技術(shù)是把雙刃劍，一方面極大推動(dòng)了艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時(shí)也帶來了信息安全方面的新挑戰(zhàn)，尤其是未來的艦船電力系統(tǒng)必將高度依賴信息技術(shù)，所以在構(gòu)建系統(tǒng)的同時(shí)必須高度重視其信息安全問題。

艦船電力系統(tǒng)信息安全是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)很多，涉及到發(fā)電、輸電、配電到用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，以及內(nèi)部和外部的信息交互。目前鮮有關(guān)于艦船電力系統(tǒng)信息安全的研究，類比其他領(lǐng)域信息安全設(shè)計(jì)的思路，艦船電力系統(tǒng)信息安全首先應(yīng)構(gòu)建電力系統(tǒng)信息安全體系總體架構(gòu)，然后要對(duì)系統(tǒng)信息安全的評(píng)估機(jī)制和評(píng)估方法進(jìn)行研究，進(jìn)一步完成對(duì)信息安全補(bǔ)救措施及系統(tǒng)信息安全管理策略的研究。

分析艦船電力系統(tǒng)信息安全問題，發(fā)現(xiàn)存在信息安全的主要環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)信息安全進(jìn)行全面評(píng)估，然后針對(duì)安全隱患進(jìn)行處理，最終為艦船電力系統(tǒng)建立一套動(dòng)態(tài)安全的信息系統(tǒng)防護(hù)體系，保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3 結(jié) 語

隨著艦船電力系統(tǒng)朝著綜合電力系統(tǒng)的方向發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模將越來越大、結(jié)構(gòu)將越來越復(fù)雜、地位也將越來越高。信息技術(shù)將成為推動(dòng)其發(fā)展的核心力量之一，信息化、智能化也必將成為艦船電力系統(tǒng)的重要發(fā)展形態(tài)和發(fā)展方向。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)通信和交換，成為了艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的前提和基礎(chǔ)；智能診斷、規(guī)劃與重構(gòu)將全面提升艦船電力系統(tǒng)的可靠性與生存能力，是其智能化發(fā)展的核心目標(biāo)；三維可視化調(diào)度管理為決策者提供了全方位、高度直觀的系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)；信息安全則是艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要保障。當(dāng)然，艦船電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展也應(yīng)站在全船的角度進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和考慮，并與全船系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，最終推動(dòng)全船智能化整體水平的發(fā)展。