PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐晟雨 刁景華

摘要：本文重點(diǎn)介紹了PHM技術(shù)對(duì)軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理能提供的有利幫助。通過對(duì)PHM技術(shù)概念和功能的初步了解，分析了其在攔阻系統(tǒng)中應(yīng)用的意義，并進(jìn)一步研究了今后該如何將該技術(shù)運(yùn)用到攔阻系統(tǒng)中去，面對(duì)的難點(diǎn)問題，最后還分析了該技術(shù)在攔阻系統(tǒng)應(yīng)用上還存在的挑戰(zhàn)。

Abstract： This paper focuses on the beneficial help of PHM technology to the risk management of the navy port protection and blocking system. Through the preliminary understanding of the concept and function of PHM technology， the significance of its application in the blocking system is analyzed， and further research on how to apply the technology to the obstruction system in the future， and the difficult problems faced. Finally， the challenges of the technology in the application of the blocking system are analyzed.

關(guān)鍵詞：PHM技術(shù);軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng);風(fēng)險(xiǎn)管理

Key words： PHM technology;navy port protection and blocking system;risk management

中圖分類號(hào)：TP212.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0244-02

0? 引言

PHM（Prognostics and Health Management）技術(shù)是通過在設(shè)備上安裝各種傳感器，通過在線監(jiān)測、定期巡檢和離線檢測相結(jié)合的方法，通過傳感技術(shù)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，以達(dá)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備健康狀態(tài)的目的，同時(shí)，還可以通過建立數(shù)學(xué)模型的方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管監(jiān)測，進(jìn)一步評(píng)估設(shè)備本身的健康狀態(tài)[1]，然后再根據(jù)監(jiān)管監(jiān)測結(jié)果制定設(shè)備搶修策略措施，最后實(shí)現(xiàn)其健康運(yùn)行。

1? PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)應(yīng)用介紹

1.1 軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)概念介紹

軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)又稱軍港水域安全屏障系統(tǒng)（Navy Port Security Barrier System），是軍港綜合防御系統(tǒng)重要組成部分，特指在海軍軍港港界水域周圍及防波堤口門處設(shè)置攔阻網(wǎng)、浮球、氣囊、漂浮模塊等不同類型的水面障礙，以阻止或延遲可疑船舶、不明快艇等危險(xiǎn)物進(jìn)入港區(qū)水域，從而保護(hù)軍港設(shè)施及港內(nèi)駐泊艦艇的安全。

1.2 PHM技術(shù)的基本功能

在攔阻系統(tǒng)中應(yīng)用PHM技術(shù)，主要是利用其故障診斷、壽命預(yù)測和健康管理的功能。首先，利用預(yù)先布設(shè)好的傳感器對(duì)攔阻系統(tǒng)各個(gè)攔阻單元、模塊等部件的狀態(tài)、性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;然后通過一系列信息處理方法對(duì)各個(gè)部位的反饋參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理;其次，完成對(duì)攔阻系統(tǒng)在時(shí)間和空間的特征數(shù)據(jù)提取工作，得到特征數(shù)據(jù)，同時(shí)將獲取到的特征數(shù)據(jù)應(yīng)用于預(yù)先建立好的攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)模型，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷和壽命預(yù)測;最后，依據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)判斷和壽命預(yù)測結(jié)果，依據(jù)制定好的維修計(jì)劃，對(duì)其故障部位進(jìn)行搶修。

1.3 PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)中應(yīng)用的意義

PHM技術(shù)有持續(xù)對(duì)軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)實(shí)時(shí)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的能力，能實(shí)現(xiàn)在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率高的部位采取準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)策略[2]，在故障發(fā)生后對(duì)故障部位進(jìn)行及時(shí)有效地維修，節(jié)約維修成本，減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，降低風(fēng)險(xiǎn)后果影響程度，是實(shí)現(xiàn)攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制的重要手段。

利用PHM技術(shù)對(duì)攔阻系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制具有以下重大意義：①對(duì)攔阻系統(tǒng)的故障發(fā)生時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)測，從而采取合理的運(yùn)行維修措施，降低攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)隱患、保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行;②通過對(duì)攔阻系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)的分析研究，預(yù)測其攔阻單元、浮筒等部件的使用壽命，提前做好報(bào)廢更換準(zhǔn)備，也為及時(shí)維修提供幫助;③降低聘請(qǐng)攔阻系統(tǒng)生產(chǎn)廠家到部隊(duì)進(jìn)行設(shè)備大修的成本開支，即確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)確保了其后期維修費(fèi)用的縮減;④通過PHM技術(shù)得到的故障判定和壽命分析結(jié)果可直接用于攔阻系統(tǒng)的性能優(yōu)化、攔阻效能提高和使用壽命的相對(duì)延長。

2? PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)中的應(yīng)用思路

2.1 研究思路

無論復(fù)雜程度多高的系統(tǒng)，都可以基于PHM技術(shù)的具體功能夠?qū)崿F(xiàn)不同級(jí)別、不同層次的狀態(tài)診斷、預(yù)測和健康評(píng)價(jià)[3]。在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)中，根據(jù)軍港水域安全防護(hù)監(jiān)測的信息，結(jié)合《軍港安全管理規(guī)定》要求，建立攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與健康管理系統(tǒng)框架。根據(jù)PHM技術(shù)設(shè)計(jì)流程和攔阻系統(tǒng)的功能要求，建立基于PHM技術(shù)的軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)維修保障體系，包含傳感器監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模塊、健康評(píng)估模塊、決策維修模塊。

2.2 工作流程

PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)中的應(yīng)用工作流程主要如下：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測和保障支持[4]。

第一，數(shù)據(jù)采集：通過預(yù)先布設(shè)在系統(tǒng)各個(gè)攔阻單元、模塊等部件上的傳感器和數(shù)據(jù)采設(shè)備，經(jīng)過數(shù)據(jù)線的傳輸完成對(duì)攔阻系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，為PHM技術(shù)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持。第二，數(shù)據(jù)預(yù)處理：將接收到的攔阻系統(tǒng)所傳遞的信號(hào)和數(shù)據(jù)以及其它數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)匯總之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，過濾和篩查掉一些無用數(shù)據(jù)信息，提前簡化壓縮了傳感器數(shù)據(jù)以及其特征數(shù)據(jù)，并形成輸出結(jié)果。第三，狀態(tài)監(jiān)測：對(duì)來自攔阻系統(tǒng)傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并將其與攔阻系統(tǒng)健康模式下的數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，進(jìn)一步判斷其是否處在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)故障環(huán)境之中，并根據(jù)攔阻系統(tǒng)自身特點(diǎn)，事先確定各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)指標(biāo)的閾值來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。第四，故障診斷：在對(duì)數(shù)據(jù)的處理完成之后，接下來就要對(duì)被監(jiān)測的攔阻單元、模塊等部件的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并記錄其健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而評(píng)估可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。攔阻系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)基于各類攔阻系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、維修數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。第五，故障預(yù)測：在完成先前步驟的基礎(chǔ)上，還要對(duì)被監(jiān)測的攔阻單元、模塊等部件的健康壽命進(jìn)行評(píng)估預(yù)測，如攔阻單元最容易老化的位置、系統(tǒng)各個(gè)部件的預(yù)期使用壽命等。第六，保障支持：經(jīng)過數(shù)據(jù)的接受、處理、監(jiān)測、分析等步驟，確定了攔阻系統(tǒng)各個(gè)單元、模塊等部件是否產(chǎn)生更換、是否進(jìn)行維修活動(dòng)等措施建議，確保在某部分?jǐn)r阻單元風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之前的適宜時(shí)機(jī)采取補(bǔ)救措施。

2.3 實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)在我軍內(nèi)部還沒有大批量、大范圍投入使用，對(duì)于其應(yīng)用本身來講就存在一定難度，在加上國內(nèi)對(duì)PHM技術(shù)在這種水域系統(tǒng)上的研究較少，因此，存在的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)也比較突出，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，由于PHM技術(shù)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測一般是重點(diǎn)關(guān)鍵部位，而攔阻系統(tǒng)的各個(gè)攔阻單元、重要性較為接近，難以識(shí)別最重要攔阻單元，若是大范圍安裝檢測裝置，需要消耗較大的人財(cái)物力;第二，在攔阻系統(tǒng)部件上安裝信號(hào)接收、信號(hào)發(fā)射、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊仍O(shè)備的技術(shù)還不成熟，尤其是防水技術(shù)還不能達(dá)到預(yù)期效果;第三，在惡劣氣候等環(huán)境下，信號(hào)的抗干擾程度也是難以解決的重點(diǎn)問題。

3? 軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)PHM技術(shù)研究方法

除建立模糊數(shù)學(xué)模型外，PHM技術(shù)在攔阻系統(tǒng)的應(yīng)用還涉及到多個(gè)如人工智能等方面的科學(xué)知識(shí)，包含PHM技術(shù)所用功能以及維修決策等多項(xiàng)關(guān)鍵技[5]。

3.1 故障診斷算法

故障判斷是通過建立攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)被監(jiān)測攔阻單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而確定攔阻系統(tǒng)故障位置，及時(shí)搶修，其目的是有效避免攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。故障診斷技術(shù)的意義在于能夠幫助操作員完成故障排除，提高故障修復(fù)效率，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生影響效果，進(jìn)一步降低個(gè)別攔阻部位的故障對(duì)整體攔阻系統(tǒng)的影響。

攔阻系統(tǒng)PHM技術(shù)的故障診斷算法模型的構(gòu)建要結(jié)合其每一個(gè)組成部分的特點(diǎn)，要以其連接方式和工作原理為基礎(chǔ)。根據(jù)攔阻系統(tǒng)在投入使用前所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)攔阻單元或部件有數(shù)據(jù)異常，即可做出快速處理。

3.2 剩余壽命預(yù)測技術(shù)

攔阻系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生是從投入使用運(yùn)行開始就持續(xù)進(jìn)行的，其組成結(jié)構(gòu)相對(duì)于艦艇、飛機(jī)等復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備構(gòu)成相對(duì)簡單，可以從基于數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)著手，通過分析攔阻系統(tǒng)各個(gè)攔阻單元、模塊等部件的特征，對(duì)其健康狀態(tài)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)攔阻系統(tǒng)各個(gè)攔阻單元的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測分析，進(jìn)一步判斷攔阻系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件的可能性和發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件后的影響程度。

3.3 維修決策

最終實(shí)現(xiàn)攔阻系統(tǒng)的健康管理是PHM技術(shù)應(yīng)用于其的核心功能，目的是有效降低其在全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的影響程度，即在故障診斷、預(yù)測和健康評(píng)估的基礎(chǔ)上，綜合利用各類保障資源，針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)、不同部位采取針對(duì)性的維修措施，修復(fù)已發(fā)生的故障，排除可能發(fā)生的故障，真正做到攔阻系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制。要實(shí)現(xiàn)上述目的，必須建立相應(yīng)攔阻系統(tǒng)維修保障策略，梳理故障排除措施，采取科學(xué)地保養(yǎng)方法，制定有效地維修保障規(guī)定，合理利用民碼碼頭現(xiàn)有資源，協(xié)調(diào)民碼各管理部門配合完成。攔阻系統(tǒng)維修決策的形成必須進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，主要解決維修任務(wù)描述不清、維修決策模型選擇不當(dāng)、維修方法與目標(biāo)不匹配、制度建立不明確等問題。

4? PHM技術(shù)在軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

由于軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)在我軍還未推廣使用，對(duì)于具體的傳感器布設(shè)，點(diǎn)位確定，以及需要一個(gè)什么樣的數(shù)據(jù)都還處于未知狀態(tài)，例如怎樣將傳感器和數(shù)據(jù)傳輸線等裝置穩(wěn)固的布設(shè)于攔阻系統(tǒng)內(nèi)部，并且如何實(shí)現(xiàn)在海水環(huán)境的干擾下進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳遞的功能等。隨著軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)在我軍的逐步推廣，其故障預(yù)測、健康狀態(tài)以及對(duì)硬件設(shè)施的要求還存在著不小的挑戰(zhàn)。

4.1 無線電子傳感器的研制及部署

為了能夠?qū)r阻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)故障風(fēng)險(xiǎn)診斷，為其健康狀態(tài)預(yù)測提供支撐，研究的重點(diǎn)應(yīng)是在攔阻系統(tǒng)上部署新型集成化傳感器的問題，例如攔阻單元連接處、浮筒上等最佳觀測點(diǎn)上，盡可能少的利用有線傳播數(shù)據(jù)，最終要實(shí)現(xiàn)無線故障信息數(shù)據(jù)傳播。獲取反映攔阻系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)信息一定要及時(shí)有效，其內(nèi)容包括：抗沖擊性、溫度、濕度等參數(shù)，為實(shí)時(shí)故障診斷、狀態(tài)預(yù)測提供重要的數(shù)據(jù)支持。

4.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳遞信號(hào)處理

攔阻系統(tǒng)布置地點(diǎn)大多在海域環(huán)境比較復(fù)雜、天氣氣候環(huán)境惡劣的軍港碼頭，受環(huán)境因素影響會(huì)產(chǎn)生較大的傳感誤差，導(dǎo)致采集到實(shí)時(shí)監(jiān)管監(jiān)測數(shù)據(jù)失真，不能準(zhǔn)確反映攔阻系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)狀況，給后續(xù)工作帶來阻礙。因此，加強(qiáng)信號(hào)接收設(shè)備的抗干擾性，提高信號(hào)從發(fā)出到接收的處理技術(shù)十分必要。

4.3 監(jiān)測方法的更新

目前大多軍港安全設(shè)備實(shí)時(shí)故障監(jiān)管監(jiān)測方法還不成熟，對(duì)于新興的軍港防護(hù)攔阻系統(tǒng)而言，如何真正實(shí)現(xiàn)攔阻系統(tǒng)的故障實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立適合的數(shù)學(xué)模型是PHM技術(shù)在攔阻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理中應(yīng)用的重難點(diǎn)問題。

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