基于FMEA的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)分析

王廣河 中海油田服務(wù)股份有限公司數(shù)字技術(shù)中心

1.引言

“海洋工程裝備和高技術(shù)船舶”已經(jīng)被《中國制造2025》規(guī)劃為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，標(biāo)志著我國已基本實(shí)現(xiàn)“造船大國”目標(biāo)，向“造船強(qiáng)國”邁進(jìn)。船舶制造業(yè)作為綜合性強(qiáng)、復(fù)雜度高、供應(yīng)鏈長的制造產(chǎn)業(yè)，只有引入新一代智能化、自動化、數(shù)字化的船舶配套技術(shù)才能徹底實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，智能船舶成為不可逆轉(zhuǎn)的必然趨勢。2015年，中國船級社《智能船舶規(guī)范（2015）》出臺；2020年，中國船級社進(jìn)一步修訂出臺相關(guān)的《智能船舶規(guī)范（2020）》。智能船舶就是采用先進(jìn)的智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)時監(jiān)控、分析和評估當(dāng)前船舶的各設(shè)備狀態(tài)與總體性能，一般包括航行、貨物、機(jī)艙、能耗、運(yùn)維等，進(jìn)而采用數(shù)字孿生、工業(yè)控制、信息集成實(shí)現(xiàn)船舶的一體化管控。

船舶航運(yùn)過程中全壽命周期的設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)成本支出，占據(jù)了航運(yùn)企業(yè)成本的絕大部分，當(dāng)前船舶運(yùn)維采用的事后維修方式，以設(shè)備完好或者功能缺失為主要依據(jù)，這種非計(jì)劃性的維修缺乏適應(yīng)性和科學(xué)性，加重運(yùn)維成本支出，甚至影響船舶正常航運(yùn)。因此，船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。英國勞氏船級社首先提出在船舶運(yùn)行與維護(hù)過程中采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，并將視情維護(hù)概念在智能網(wǎng)絡(luò)化船舶（Cyber-enabled ship）指導(dǎo)文件進(jìn)行了明確。中國船級社也在相關(guān)規(guī)范中提出“M”智能機(jī)艙符號，對船舶設(shè)備的視情維護(hù)與健康管理進(jìn)行指導(dǎo)。

船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備由傳統(tǒng)的定期維護(hù)、事后維護(hù)向基于狀態(tài)的智能分析、事前維護(hù)的轉(zhuǎn)變，通過核心裝備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（PHM）實(shí)現(xiàn)對船舶重要設(shè)備的健康狀態(tài)的實(shí)時評估，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析環(huán)境和自身狀態(tài)變化對運(yùn)行能力的影響并預(yù)測變化趨勢，最終能夠達(dá)到在重要設(shè)備服役期間對其狀態(tài)進(jìn)行分析、對其發(fā)生故障的模式與時間進(jìn)行預(yù)測、對其可靠性以及繼續(xù)運(yùn)行的風(fēng)險進(jìn)行評估，保障船舶設(shè)備全壽命周期高效運(yùn)行并降低運(yùn)維成本，是智能船舶最為重要的組成部分之一。

2.FMEA概述

FMEA（Failure Mode and Effect Analysis）指的是故障模式與影響分析，可以將故障的分析及預(yù)防納入產(chǎn)品或系統(tǒng)工程的可靠性設(shè)計(jì)階段。即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，就對產(chǎn)品各個組成單元可能或潛在的故障模式以及該故障對產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，將識別出來的可能或潛在故障模式進(jìn)行嚴(yán)酷度定義與分類，并給出相應(yīng)的預(yù)防或解決措施，通過提高對潛在故障模式的認(rèn)知，進(jìn)一步提高在實(shí)際運(yùn)行階段產(chǎn)品的可靠性。FMEA能夠通過科學(xué)的分析流程識別故障嚴(yán)酷等級，進(jìn)而采取相應(yīng)措施降低甚至消除該故障所產(chǎn)生的影響，用來確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能識別出重要影響，以至于不會對產(chǎn)品或系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重后果，可以提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的安全性及可靠性。

2.1 分析方法

FMEA分析可以分為功能分析法以及硬件分析法，在面對較為復(fù)雜的產(chǎn)品及系統(tǒng)時可以綜合使用上述兩種方法：

1）功能分析法。功能分析法適用于對產(chǎn)品具體組成不明確或由于產(chǎn)品復(fù)雜程度需要從初始約定依次往下分析的場景下使用，該方法首先認(rèn)為產(chǎn)品具備若干類型的功能，然后按照輸出對功能進(jìn)行分類，將輸出進(jìn)行梳理列出，進(jìn)而分析每個輸出的故障模式及其影響。此方法有特定的適用條件，但是也能夠應(yīng)用于任何層次下的任何方向故障模式分析。由于功能法較為簡單，所以在嚴(yán)密性上較差，有時會將一些故障模式忽略掉。

2）硬件分析法。硬件分析法認(rèn)為產(chǎn)品由各單元要素組成，使用該方法時，根據(jù)可靠性框圖對各單位要素可能發(fā)生的故障模式及其故障影響進(jìn)行分析，該方法適用于從零部件開始分析再擴(kuò)展到系統(tǒng)級，即自下而上進(jìn)行分析。硬件法進(jìn)行分析后將會評價每一個故障模式，并且生成詳細(xì)的表格，進(jìn)一步分析可能發(fā)生的故障模式及其影響，這種分析方式更加嚴(yán)密。

2.2 分析流程

傳統(tǒng)的FMEA分析流程一般為：①明確分析范圍和邊界條件；②明確系統(tǒng)的功能定義，繪制功能框圖；③分析故障模式，即故障的表現(xiàn)形式；④分析故障原因，即引發(fā)故障的原因；⑤分析故障影響，即故障導(dǎo)致的各種后果，包括對部件自身的影響、對系統(tǒng)的影響和對總體安全的影響；⑥尋找故障檢測方法；⑦提出可能的預(yù)防改進(jìn)措施；⑧填寫標(biāo)準(zhǔn)化的FMEA工作表，撰寫FMEA分析報(bào)告。其流程圖如圖1所示。

圖1 FMEA分析流程

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀

FMEA分析在國內(nèi)各行業(yè)的應(yīng)用方向主要面向軌道交通、航天航空等行業(yè)，在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用較少。比如已有的FMEA國家標(biāo)準(zhǔn)GJB1391-92《故障模式、影響及危害性分析的要求和程序》，更加適用于軍工系產(chǎn)品；質(zhì)量體系要求QS9000 FMEA標(biāo)準(zhǔn)則更加適用于汽車行業(yè)，該標(biāo)準(zhǔn)通過分析產(chǎn)品的故障模式及各個故障的發(fā)生頻度、檢測難易程度、嚴(yán)重程度等要素確定其可能存在的風(fēng)險。

由于近幾年我國海上各類交通事故和設(shè)備故障時間頻發(fā)，我國海事局和船級社也開始重視FMEA在船舶制造及配套設(shè)備領(lǐng)域的運(yùn)用，因此在最新的高速船安全規(guī)則和規(guī)范中規(guī)定需要對產(chǎn)品及設(shè)備進(jìn)行FMEA分析。對船舶進(jìn)行FMEA分析的主要目的是，保證在船舶上任何重要設(shè)備或安全設(shè)備可能發(fā)生損壞時，船舶仍可以保持基本的航行能力。

3.應(yīng)用分析

隨著智能化水平的不斷提升，傳統(tǒng)的FMEA分析面臨以下挑戰(zhàn)：

一是傳統(tǒng)的FMEA分析主要關(guān)注設(shè)計(jì)階段的分析，缺乏對產(chǎn)品或系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)階段進(jìn)行專門的反饋，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自我迭代。傳統(tǒng)的FMEA分析只是靜態(tài)地分析產(chǎn)品所有可能出現(xiàn)的故障模式，找出故障的原因并分析其影響，由此來指導(dǎo)設(shè)計(jì)、制造和使用。二是傳統(tǒng)FMEA往往專業(yè)性強(qiáng)、針對性強(qiáng)，尤其是對船舶這樣的復(fù)雜巨系統(tǒng)無法有效分析全部故障模式。隨著生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜程度提升，通過經(jīng)驗(yàn)規(guī)則判斷故障模式的難度越來越大，隨著設(shè)備使用時間的增長，在線狀態(tài)評估需求越來越迫切，導(dǎo)致被動的維護(hù)模式不足以滿足船舶運(yùn)行維護(hù)的需求。

船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)存在以下功能特點(diǎn)，導(dǎo)致靜態(tài)FMEA分析不再適用：①船舶上的各種裝備種類繁多；②船舶裝備的整體復(fù)雜度較高，并且具備場景的特定性；③船舶裝備的失效機(jī)制多樣化；④船舶設(shè)備的故障樣本少；⑤一旦宕機(jī)，損失嚴(yán)重。因此可以將FMEA分析與船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)基于FMEA的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)，提升船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)的故障模式事前預(yù)防能力，突破傳統(tǒng)FMEA分析以人為中心、設(shè)計(jì)階段靜態(tài)分析的局限，識別、評估、預(yù)警設(shè)備的故障模式與故障程度，貫通設(shè)計(jì)與運(yùn)維階段的故障模式知識管理，提供動態(tài)、定制化的新型FMEA分析。

4.系統(tǒng)架構(gòu)

基于FMEA的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要包括邊緣層、IaaS層、PaaS層以及SaaS層，同時在相應(yīng)層級結(jié)合傳統(tǒng)FMEA分析方法以提高故障分析和故障診斷的能力。將船舶設(shè)備作為邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備接入船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)，通過傳感器數(shù)據(jù)采集、實(shí)時數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)換、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和告警等云基礎(chǔ)設(shè)施，利用數(shù)據(jù)挖掘、工業(yè)知識圖譜、數(shù)字孿生等信息技術(shù)手段，對海量船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)提供深度處理和分析等多維度的服務(wù)，為設(shè)備全流程提供故障診斷、故障分析、故障預(yù)測以及可靠性分析。

圖3 基于FMEA的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

（1）邊緣層。邊緣層包括船舶上的關(guān)鍵運(yùn)行設(shè)備接入、工業(yè)協(xié)議解析以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。首先對船舶設(shè)備進(jìn)行深層次、大容量的各類數(shù)據(jù)采集，然后對異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣計(jì)算的處理，構(gòu)建適用于船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過對工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對船舶各類設(shè)備的接入以及數(shù)據(jù)采集，采集設(shè)備主要分為三類：一是專用采集設(shè)備，包括對采集器、變送器、傳感器等專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備的存儲數(shù)據(jù)采集；二是通用控制設(shè)備，包括對IPC、RTU、PLC、嵌入式系統(tǒng)等通用控制設(shè)備的控制數(shù)據(jù)采集；三是專用智能設(shè)備，包括對船舶上其余智能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。

邊緣層一方面可以運(yùn)用中間件、協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換等技術(shù)兼容CAN、Profinet、Modbus等各類工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一以及轉(zhuǎn)換。另一方面可以運(yùn)用HT TP、MQTT等方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)應(yīng)用分析系統(tǒng)或數(shù)據(jù)匯聚平臺?；诟咝阅苡?jì)算、邊緣分析算法、實(shí)時操作系統(tǒng)等技術(shù)，可以在靠近運(yùn)行設(shè)備或者數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)，預(yù)先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲轉(zhuǎn)發(fā)以及實(shí)時分析等應(yīng)用，可以提高響應(yīng)靈敏度。

圖2 傳統(tǒng)FMEA與智能FMEA的比較

（2）IaaS層。基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS層）向智能運(yùn)維系統(tǒng)提供存儲、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)能力，包括云基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、通用PaaS平臺資源部署與管理系統(tǒng)。

（3）PaaS層。平臺服務(wù)層（PaaS層）包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺、數(shù)據(jù)挖掘分析平臺、知識圖譜平臺、數(shù)據(jù)孿生基礎(chǔ)平臺、質(zhì)量協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)平臺?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺包括失效模式庫、失效率庫、預(yù)防措施庫、設(shè)備資料庫、故障數(shù)據(jù)庫、故障案例庫、過程數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品功能庫，可以提供歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考；質(zhì)量協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)平臺中包括結(jié)構(gòu)樹、工藝流程圖、失效網(wǎng)、功能矩陣、FMEA表格等知識模型，可為頂層的故障模式影響分析提供參考。

（4）SaaS層。軟件服務(wù)層（SaaS層）主要包括危害分析和風(fēng)險評估、危險與可操作性分析、控制計(jì)劃分析、測量系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)過程控制、故障樹分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃與評審、質(zhì)量功能控制等功能。主要圍繞嚴(yán)重度、頻度、不易探測度三個重要指標(biāo)的優(yōu)化分析，提供船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)高效的FMEA分析流程，覆蓋失效概率分析、風(fēng)險量化評估、原因分析、改善措施分析等功能，具備知識圖譜、分析過程可視化、云化部署等特性，為船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)提供高效可靠的FMEA分析流程。

5.關(guān)鍵技術(shù)

基于FMEA的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

（1）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和知識驅(qū)動的FMEA分析。隨著船舶越來越智能化、復(fù)雜化，設(shè)備單元之間的耦合性極強(qiáng)，使得船舶運(yùn)維中的故障診斷難度越來越大，面對船舶設(shè)備的海量數(shù)據(jù)，基于制式表格傳統(tǒng)的FMEA分析已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足可靠性研究的需求，基于知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的FMEA分析方法采用知識圖譜的方式構(gòu)建更全面的信息，將知識圖譜作為知識庫利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行定位故障模式，為潛在故障分析和可靠性研究提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）FMEA分析過程的可視化模型研究。進(jìn)行FMEA分析時，相關(guān)層次產(chǎn)品的故障模型、故障原因及影響間存在著某些復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，往往難以清晰、準(zhǔn)確地反映在分析表中，因此在船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)中進(jìn)一步構(gòu)建FMEA分析的可視化模型。首先將分析對象按照一定的規(guī)則（比如產(chǎn)品功能關(guān)系）劃分相應(yīng)的約定層次，并且采用樹形結(jié)構(gòu)描述相應(yīng)的約定層次，船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的拓展，比如增加產(chǎn)品的故障模式、影響及原因等關(guān)鍵信息，構(gòu)建所分析對象（包括船舶設(shè)備和整體系統(tǒng)）的全局可視化模型。

（3）嚴(yán)重度、頻度、不易探測度優(yōu)化分析。船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)在進(jìn)行FMEA 分析時更加強(qiáng)調(diào)統(tǒng)籌考慮“SOD”三者之間的組合矩陣關(guān)系，即嚴(yán)重度（Severity）、頻度（Occurrence）和探測度（Detection）的組合方法來定義改進(jìn)措施的優(yōu)先順序，分為三個等級：H、M和L。針對不同優(yōu)先級，采取針對性的措施降低風(fēng)險級別，同時也可以判定現(xiàn)有的控制是否充分。

（4）FMEA船舶設(shè)備數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及云化部署。傳統(tǒng)FMEA的知識、數(shù)據(jù)碎片化的分散于不同人員，繼承性和復(fù)用性差，難以充分利用過往分析經(jīng)驗(yàn)，分析效率低，分析結(jié)果不全面，基于船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)將碎片化的知識數(shù)據(jù)庫化。數(shù)據(jù)來源主要是歷史產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的積累、日常失效分析及對產(chǎn)品改善措施等方面研究成果的積累。通過建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫形成典型的FMEA分析流程，將歷史經(jīng)驗(yàn)、典型產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，大幅提高經(jīng)驗(yàn)知識復(fù)用度，實(shí)現(xiàn)全面、高效的FMEA分析。

6.結(jié)語

傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)解決方案中，對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行管理最有效的預(yù)防性分析方法是FMEA分析，通過人為對設(shè)備故障預(yù)先分析，從而達(dá)到工業(yè)設(shè)備的事前管理。傳統(tǒng)的FMEA分析往往以表格形式體現(xiàn)，存在系統(tǒng)性不強(qiáng)、流程不閉環(huán)、對設(shè)備不熟悉等問題，使得運(yùn)用傳統(tǒng)FMEA分析進(jìn)行事前管理效果不明顯。因此，將FMEA 通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)部署在船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)，整合船舶設(shè)備全生命周期的知識與數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜船舶工業(yè)設(shè)備的全生命周期管理，提升設(shè)備可靠性管理的有效性。