礦砂運輸船礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)故障模式及其影響

楊 明

(上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

0 引 言

故障模式影響與危害度分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，FMECA)方法于20世紀50年代初起源于美國,通過對系統(tǒng)每個部件所有可能產生的單點故障模式的故障等級、發(fā)生概率及其對系統(tǒng)的影響和危害度進行分析，指導新產品的研發(fā)設計和改進。FMECA能使研發(fā)人員在產品設計階段就開始采取必要的措施，避免未來出現嚴重的故障，降低產品研發(fā)的風險。

目前海運已成為我國進口礦物的重要運輸方式，船舶載運的精銅礦和鎳礦等礦物為易流態(tài)化貨物，液態(tài)化之后會對船舶的穩(wěn)性產生很大影響，極易引發(fā)海運事故[1]。對此，研發(fā)一種礦砂運輸船礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)。在礦砂運輸船上部署該系統(tǒng)，能實現液化水平評估和液化狀態(tài)實時監(jiān)測，改變以往礦砂運輸船航行期間，海員定時到貨艙觀察礦砂液化情況的工作方式，降低海員工作的危險性，提高船舶運行的安全性。同時，礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障可能會給船舶安全航行帶來一定的影響，例如顯示錯誤信息導致海員操縱錯誤，危及船舶的安全航行等。由此，本文對礦砂運輸船礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)進行FMECA研究，分析可能危及船舶安全航行的故障點，提出應對措施和改進方案，從而降低系統(tǒng)故障對船舶安全航行的影響。

本文在解構礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)的組成和功能的基礎上，對系統(tǒng)各設備的可靠性、嚴酷度、故障發(fā)生概率、故障發(fā)生原因、故障影響、設計改進方案和補償措施等內容進行分析，驗證該系統(tǒng)不會對船舶和船員造成損害，滿足船舶設備的安全性要求。

1 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)功能

礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在散貨艙壁上的傳感器對礦砂的含水率、艙體壓力和艙體應力進行感知，自動監(jiān)測并預報艙內礦砂的液化情況，為船舶操縱提供參考建議，減輕船員的工作負擔，提高船舶的安全性。

1.2 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)架構

礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測礦砂的含水率，對礦砂液化的風險進行預測；同時，通過監(jiān)測貨艙壁的壓力和應力，對礦砂液化的過程進行間接觀測。礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)主要由含水率傳感器、礦砂壓力傳感器、船體應力傳感器、智能網關、交換機、數據中心和顯示工作站組成，其中1個貨艙共安裝有6臺含水率傳感器、6臺礦砂壓力傳感器和6臺艙體應力傳感器，分別布置在貨艙底部、中部和上部的艙壁上，具體架構見圖1。

圖1 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)架構示意

1) 含水率傳感器1～6：含水率傳感器用于測量礦砂與艙體表面的含水率，采樣信號通過通信鏈路傳輸至數據中心和顯示工作站。

2) 艙體壓力傳感器1～6：艙體壓力傳感器用于測量礦砂對艙體表面的壓力，采樣信號通過接線箱傳輸至運算顯示模塊。

3) 艙體應力傳感器1～6：艙體應力傳感器用于監(jiān)測礦砂對艙體表面應力的影響，采樣信號通過接線箱傳輸至運算顯示模塊。

4) 智能網關：系統(tǒng)的3塊智能網關分別安裝在貨艙頂部、中部和底部的接線箱中，負責將接入的傳感器信號轉換成以太網信號并傳輸至交換機中。

5) 交換機：所有艙室的智能網關經交換機與數據中心和顯示工作站相連，實現網絡數據的高效交互。

6) 數據中心：數據中心用于存儲傳感器上傳的數據、系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)和系統(tǒng)輸出的運算結果。系統(tǒng)采用冗余設計，設置2臺互為熱備份的數據中心，以增強系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

7) 顯示工作站：顯示工作站由高性能計算機和顯示器構成，用于對數據進行實時處理和顯示，實現人機交互、傳感器測量值顯示和礦物液化風險等級智能評估等功能。

1.3 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)約定層次

在對系統(tǒng)實施FMECA時，應明確分析對象，即明確約定層次的定義，以便分析單點故障發(fā)生時對上一層次的影響[2-3]。由于不同礦砂運輸船的艙室數量一般不同，為便于分析，本文僅以單艙室系統(tǒng)為例進行FMECA研究。礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)的初始約定層次為礦砂運輸船，具體結構見圖2。

圖2 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)結構

1.4 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)功能層次和結構層次對應關系

為便于描述系統(tǒng)各功能單元實現的功能和層次關系，進而逐層分析故障模式產生的影響，繪制礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)功能層次與結構層次對應關系框圖(見圖3)。

圖3 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)功能與結構層次對應關系框圖

1.5 系統(tǒng)功能框圖繪制

為描述系統(tǒng)各功能單元之間的關系和功能邏輯順序，繪制礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖(見圖4)。系統(tǒng)通過對礦砂的含水量、壓力和貨艙壁的應變進行監(jiān)測，實現對礦砂液化狀態(tài)的實時監(jiān)測和預警。

圖4 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

1.6 任務可靠性框圖繪制

為便于分析各功能單元的故障對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，根據圖4繪制系統(tǒng)任務可靠性框圖(見圖5)。礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)整體采用串聯結構，其中3個智能網關及與其連接的傳感器、交換機、數據中心和顯示工作站各自構成并聯結構，保證系統(tǒng)具有較高的可靠性，即某一功能單元失效不會造成系統(tǒng)功能完全喪失。

圖5 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)任務可靠性框圖

2 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)FMECA

2.1 嚴酷度定義

在進行故障影響分析之前，應對故障模式的嚴酷度進行定義和分類。根據故障對系統(tǒng)的功能和精度，對船舶的影響程度或人員的傷亡，確定其嚴酷度，分類見表1。

表1 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)嚴酷度定義和分類

2.2 FMECA表格填寫

根據礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)的功能層次與結構層次的對應關系、系統(tǒng)功能框圖和任務可靠性系統(tǒng)框圖，對系統(tǒng)的故障模式、影響和危害性進行分析[4]。根據每個故障模式出現概率的大小將故障模式分為A、B、C、D和E等5個等級(見表2)。礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)FMECA表見表3。

表2 故障模式等級劃分

2.3 危害性矩陣圖繪制

根據礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)FMECA結果，繪制礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)故障的危害度矩陣(見圖6)，從中可看出危害度等級最高為IIID。

表3 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)FMECA表

圖6 礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)故障的危害度矩陣

3 結 語

通過對礦砂液化監(jiān)測系統(tǒng)的故障模式、影響和危害度進行分析，可得到以下結論：

1) 系統(tǒng)出現最嚴重的單點故障為01-1，危害度為IIID，不會出現致命性及更嚴重的故障，不會對船舶和船員造成損傷，滿足系統(tǒng)的可靠性要求；

2) 為保證系統(tǒng)可靠工作，信息平臺智能工作站、交換機和數據中心應采用冗余設計；

3) 故障01-1、01-2、02-1和02-2都可能引起監(jiān)測精度下降，需引起重視，應及時采取補償措施。