船舶舵機系統(tǒng)全壽命周期智能化及其理論體系

孫玉偉，程凱，袁成清，白秀琴，湯敏

(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院；b.國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所；c.交通部船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063)

當(dāng)前船舶向著大型化和智能化的方向發(fā)展，船舶舵機系統(tǒng)愈加龐大和復(fù)雜，針對提高舵機可靠性、減少重量以及提高舵效方面，從全壽命周期的維度提出舵機智能化的理論體系具有重要意義。為此，從船舶舵機發(fā)展歷程入手，分析當(dāng)前船舶舵機系統(tǒng)的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，并從體系架構(gòu)和技術(shù)路線兩個方面分析船舶舵機系統(tǒng)智能化發(fā)展理論體系及關(guān)鍵技術(shù)。

1 船舶舵機系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 船舶舵機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 舵機傳動方式

在船舶舵機的發(fā)展過程中，其傳動方式主要經(jīng)歷了從蒸汽到電氣再到液壓的轉(zhuǎn)變。自1990年代至今，各舵機生產(chǎn)廠家開始嘗試各種手段不斷提高舵機產(chǎn)品的總體性能，包括：設(shè)置油箱液位報警開關(guān)、自動或人工隔離系統(tǒng)、提高閥控型舵機的功率應(yīng)用范圍，減小泵控型舵機液壓管路中壓力；半閉式系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增加等。

1.1.2 舵機遙控系統(tǒng)

舵機的遙控系統(tǒng)可分為機械式、電氣式、液壓式。由于液壓式遙控機構(gòu)反應(yīng)遲鈍、對溫度變化敏感、成本高等缺點，已不適應(yīng)現(xiàn)代船舶舵機系統(tǒng)，逐漸被淘汰；機械式遙控系統(tǒng)則更多的應(yīng)用于小型船舶；電氣式遙控系統(tǒng)由于其靈敏性高、故障率低的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代船舶舵機系統(tǒng)中[2]。

1.1.3 舵機自動控制系統(tǒng)

20世紀80年代開始，智能控制算法不斷發(fā)展完善，包括模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等各種新型自動控制算法被應(yīng)用到船舶控制中，即智能自動舵[3]。

1.2 船舶舵機系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

舵機設(shè)備作為船舶配套典型產(chǎn)品類型，是智能船舶發(fā)展必不可少的組成部分。當(dāng)前船舶設(shè)備的智能化發(fā)展水平不平衡，舵機設(shè)備的智能化發(fā)展僅停留在系統(tǒng)控制層面，在可靠性方面尚缺乏智能化的自決策和自適應(yīng)功能，無法最大程度兼顧全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟性和可靠性的要求[4]。

在經(jīng)濟性方面，船舶運營成本之所以逐年上漲，主要因素在于船員的工資和設(shè)備的維修方面。智能化船舶要求減少人員配置甚至實現(xiàn)船舶無人化運維，一方面舵機的運行離不開人的參與，另一方面諸如液壓缸漏油、密封圈失效等故障時有發(fā)生，這就需要船員對其進行不定期的檢查與維修。隨著船舶智能化水平的提升，故障自診斷技術(shù)、舵機操作維護的無人化發(fā)展可有力推動人力成本的降低[5]。

在可靠性方面，船舶一旦發(fā)生事故，可能會造成人員傷亡、污染品泄露等事故。當(dāng)船舶在某些惡劣海況下航行或在港內(nèi)航行時，前者舵機工作需要克服的負載力會變大，后者對舵機的靈敏性是很大考驗。這就要求舵機在提高可靠性的同時，還要對舵可靠性進行實時監(jiān)測，另一方面在舵機可靠性降低導(dǎo)致發(fā)生故障時，可以實現(xiàn)遠程故障診斷、設(shè)備預(yù)測性維護，以保證智能船舶在航行過程中的安全性[6]。

2 舵機系統(tǒng)智能化體系架構(gòu)

根據(jù)船舶舵機系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建舵機智能化功能架構(gòu)見圖1。

圖1 智能化舵機體系架構(gòu)

船舶舵機智能化系統(tǒng)物理架構(gòu)包括：舵機系統(tǒng)層、設(shè)備層，以及數(shù)據(jù)采集層，每一層在舵機智能化技術(shù)應(yīng)用中承擔(dān)不同的功能。舵機系統(tǒng)層指的是舵機智能集成管控平臺，其智能化功能包括設(shè)備集中智能化管理、設(shè)備智能化控制以及設(shè)備間的智能化協(xié)同工作等；設(shè)備層是實現(xiàn)控制船舶航向功能的執(zhí)行機構(gòu)，主要是指船舶舵機系統(tǒng)設(shè)備，其智能化特點指的是壽命預(yù)測設(shè)備故障診斷、可靠性評估及預(yù)測、無人操控等；數(shù)據(jù)采集層主要由傳感器、信號采集設(shè)備，以及信號傳輸設(shè)備組成，其智能化特點包括信號的識別、數(shù)據(jù)的采集等。針對所劃分舵機體系結(jié)構(gòu)，各功能層研究重點如下。

1)舵機系統(tǒng)層。通過對機電液設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)的研究，搭建系統(tǒng)級智能管理網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)的工作提供智能決策、自動控制、數(shù)據(jù)集成與分析、智能能效管理等技術(shù)支撐，提升設(shè)備間互相聯(lián)通協(xié)同工作的能力，降低系統(tǒng)工作成本，提高系統(tǒng)的可靠性與工作效率。

2)設(shè)備層。針對舵機設(shè)備智能化發(fā)展需求，對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)實時存儲，將歷史數(shù)據(jù)與存儲的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)推理規(guī)則進行故障的智能診斷同時實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制，實現(xiàn)設(shè)備的智能化，提高設(shè)備的可靠性。

3)數(shù)據(jù)采集層。這一功能層主要包括傳感器，舵機系統(tǒng)智能化需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，這就要求傳感器可以采集設(shè)備性能參數(shù)、測點震動參數(shù)以及壓力參數(shù)等狀態(tài)信息，同時在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升靈敏度，將所采集信號識別處理后通過CAN總線發(fā)送到上位機進行監(jiān)控處理，滿足設(shè)備智能化所要求的數(shù)據(jù)采集能力。

除此之外，舵機智能化還需要智能化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)、云平臺和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)及其標準體系的支撐，包括:數(shù)據(jù)標準、智能化通用技術(shù)標準、安全標準等。

3 舵機系統(tǒng)智能化技術(shù)路線

舵機系統(tǒng)智能化技術(shù)主要采用分布式智能化的基本思想，即：在系統(tǒng)設(shè)計階段即考慮用戶對舵機系統(tǒng)智能化的技術(shù)需求，通過各設(shè)備并行發(fā)展實現(xiàn)系統(tǒng)級智能化，進而實現(xiàn)對智能船舶實現(xiàn)諸多智能化功能的有力支撐。其技術(shù)路線主要涵蓋用戶智能化需求分析、系統(tǒng)級設(shè)計、實驗調(diào)試以及智能運維管理等4個階段，見圖2。

圖2 船舶舵機智能化技術(shù)路線

1)用戶智能化需求分析。針對用戶對舵機智能化需求，在保證舵機功能的前提下，同時關(guān)注系統(tǒng)的可監(jiān)測性、可靠性、全壽命周期智能運營管理。對于系統(tǒng)的可監(jiān)測性，用戶需要舵機系統(tǒng)實現(xiàn)故障診斷、故障報警和顯示等功能，要明確監(jiān)測目標，針對不同的監(jiān)測目標制定不同監(jiān)測策略，同時要兼顧監(jiān)測元件的選擇和部署；對于系統(tǒng)的可靠性，將舵機分為機械、液壓、電氣3個系統(tǒng)，根據(jù)甲板機械FMECA規(guī)范、甲板機械FTA規(guī)范，做好故障分析，充分利用分析結(jié)果做好各系統(tǒng)零部件的可靠性分配，最后制定一套智能化舵機可靠性評價方案；對于用戶在舵機全壽命周期的運營管理，要以節(jié)約人力成本為目標，聚焦舵機設(shè)備故障的智能診斷與預(yù)測、遠程運維、遠程操控等。

2)系統(tǒng)級設(shè)計。對于舵機的系統(tǒng)級設(shè)計，除了要滿足甲板機械功能需求和設(shè)計規(guī)范外，還要考慮到以可靠性為代表的智能化需求，在設(shè)計階段首先將舵機設(shè)備分為機械、液壓、電氣3個單元來進行，根據(jù)需求分析所做的設(shè)備監(jiān)測性設(shè)計原則，選擇合適的傳感器，布置在合適的測點。對于機械單元，可在Proe軟件或SolidWorks軟件等制圖軟件中做出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)入Admas或ANSYS軟件中作為機械單元的可靠性模型；對于液壓單元，采用冗余設(shè)計和降頻設(shè)計的方法提高系統(tǒng)可靠性，之后對其進行蒙特卡洛仿真分析，將分析結(jié)果作系統(tǒng)設(shè)計階段的依據(jù)[7]；對于電氣單元，采用解析法對電氣單元進行可靠性評估，對電氣控制系統(tǒng)進行暫態(tài)響應(yīng)仿真分析，將分析結(jié)果作為可靠性設(shè)計參考[8]。此外，針對舵機系統(tǒng)機械、電氣、液壓3個單元，可分別使用Admas、Simulink、AMESim軟件在同一平臺下建立聯(lián)合仿真模型。在需要監(jiān)控的節(jié)點布置規(guī)定型號的傳感器，重點關(guān)注需求分析中的故障高發(fā)區(qū)，將采集到的信號同時發(fā)送到聯(lián)合仿真模型以及上位機監(jiān)控處理，發(fā)送到仿真模型中的信號可以實時模擬舵機運行的狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)存在異常時，預(yù)測舵機可能發(fā)生的故障，并且通過建立的數(shù)據(jù)庫對比歷史故障進行自動排除；上位機接收到信號經(jīng)過處理后，可以對舵機下達合適的動作命令。

3)實驗調(diào)試。這一階段分為舵機系統(tǒng)整機實驗、舵機子系統(tǒng)可靠性實驗、監(jiān)測單元實驗三步進行。舵機整機實驗指的是測試舵機設(shè)備實現(xiàn)用戶功能需求的能力；舵機子系統(tǒng)可靠性實驗是指分別對舵機的機械單元、液壓單元、電氣單元以及軟件單元的可靠性進行實驗測試；監(jiān)測單元的實驗包括傳感器靈敏度試驗、傳感器精度試驗、傳感器可靠性實驗三部分，確保傳感器可以實現(xiàn)設(shè)計階段規(guī)定的監(jiān)測功能。最后將實驗中存在的問題反饋到系統(tǒng)設(shè)計階段，進行系統(tǒng)的設(shè)計矯正，直到舵機成品滿足其設(shè)計規(guī)范。

4)智能運維管理。系統(tǒng)全壽命周期的智能運營管理包括智能診斷系統(tǒng)、自主決策系統(tǒng)和智能化人機交互。智能診斷系統(tǒng)是指利用包含備份的歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)測單元所測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的事實庫及包含故障模式表、診斷規(guī)則,以及專家系統(tǒng)的推理規(guī)則庫進行故障診斷，系統(tǒng)由設(shè)備的可靠性分析模型、故障早期預(yù)警模型、故障發(fā)展趨勢預(yù)測模型以及風(fēng)險預(yù)報與評級模型組成。自主決策系統(tǒng)是根據(jù)環(huán)境因素,以及航行需要，控制舵機設(shè)備自主做出相應(yīng)動作。智能化人機交互包括舵機運行狀態(tài)顯示、能效水平評估、故障預(yù)警與等級評估、風(fēng)險預(yù)報與等級評估、故障報警與定位、故障應(yīng)對策略。此外，還應(yīng)具備遠程通信及歷史數(shù)據(jù)備份的功能。

4 舵機智能化關(guān)鍵技術(shù)分析

1)基于智能集成平臺的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。由于集成平臺需要接入多個子系統(tǒng)，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口類型需采取不同的傳輸協(xié)議。硬件設(shè)備直接通訊時需采用Modbus等協(xié)議來進行數(shù)據(jù)采集；與需長連接的應(yīng)用系統(tǒng)通訊時，采用傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)；以文件形式存儲的數(shù)據(jù)需通過文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol,FTP)傳遞；對數(shù)據(jù)庫的訪問，需通過數(shù)據(jù)庫連接(jave date base connectivity,JDBC)協(xié)議。針對多協(xié)議異構(gòu)系統(tǒng)整合的問題，可采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(service oriendted architecture,SOA)，SOA可以兼容當(dāng)前已有的數(shù)據(jù)和接口標準，從而解決異構(gòu)服務(wù)接口之間的互聯(lián)互通問題。在該架構(gòu)下采用企業(yè)服務(wù)總線(enterprise service bus,ESB)作為連接服務(wù)的中樞，各項服務(wù)之間可不直接進行交互，而是通過ESB交互[9]。

2)故障診斷與健康管理技術(shù)。船舶舵機系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)尚不成熟，其健康狀態(tài)評估完全依靠先驗知識，這是主觀的且缺乏通用性，無法精確定位故障設(shè)備及其退化程度。在硬件部分，智能化舵機要求研制適合故障診斷的新型集成化傳感器，用以解決離線檢測的時滯問題，同時綜合利用各種各樣的狀態(tài)參數(shù)，對大量信息進行多源信息融合和綜合利用，從而解決單一的狀態(tài)參數(shù)選擇造成數(shù)據(jù)獲取和診斷結(jié)果的局限性。在診斷策略方面，要繼續(xù)加大算法研究，先實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的智能化故障診斷，最終實現(xiàn)基于機器自學(xué)習(xí)的故障自診斷。

3)設(shè)備自決策、自配置技術(shù)。自決策、自配置是指根據(jù)需求，通過相應(yīng)調(diào)控策略達到資源調(diào)控的目的。智能化舵機要求面向設(shè)備實現(xiàn)自決策、無人操作的需求，需要根據(jù)船舶航行狀態(tài)生成調(diào)控策略，根據(jù)方案控制舵機系統(tǒng)中閥件、設(shè)備的動作，實現(xiàn)舵機運行無需人工參與。

5 結(jié)論

提高舵機設(shè)備的可靠性、降低其運營成本是舵機發(fā)展的大方向；智能化舵機的研制要從其全壽命周期的角度考慮，包括設(shè)計、制造、運維三方面，重點突破集成化數(shù)據(jù)采集平臺、設(shè)備故障自診斷、設(shè)備自決策技術(shù)；后期可考慮將該理論體系拓展至各類船舶機電設(shè)備的智能化，為船舶設(shè)備智能化發(fā)展提供理論參考。