某大型海事巡邏船發(fā)電柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)應(yīng)用

陳偉勇

（中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司，廣州 510250）

1 前言

某大型海事巡邏船，主要任務(wù)是履行海上巡航執(zhí)法、應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮、防治船舶污染,同時(shí)具備一定的深遠(yuǎn)海人命搜尋救助、應(yīng)急物資儲(chǔ)備能力。作為海事巡航船隊(duì)的指揮中樞，有其特殊的使命，也對(duì)船舶的自動(dòng)化、智能化提出了更高的要求。本船設(shè)計(jì)時(shí)充分應(yīng)用了自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù),依據(jù)大數(shù)據(jù)，運(yùn)用實(shí)時(shí)信息傳輸、匯集及遠(yuǎn)程遙控等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高了船舶動(dòng)力設(shè)備智能化感知、判斷分析以及輔助決策的能力。

2 智能化機(jī)艙的基本要求

中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》對(duì)智能機(jī)艙的功能要求為 ：能夠綜合利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況進(jìn)行分析和評(píng)估，用于機(jī)械設(shè)備操作決策和維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃的制定。具體內(nèi)容包括：

（1）對(duì)機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助發(fā)電用發(fā)動(dòng)機(jī)、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況進(jìn)行分析和評(píng)估；

（3）根據(jù)分析與評(píng)估結(jié)果，為船舶操作提供決策建議；

（4）根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行和健康狀況的分析和評(píng)估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護(hù)計(jì)劃。

本船設(shè)置智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能機(jī)艙分系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警分系統(tǒng)組成。其中，智能機(jī)艙分系統(tǒng)能夠通過(guò)所獲取的各種信息和數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估，用于設(shè)備操作決策建議。該系統(tǒng)在完成全船建造后，獲得CCS授予的i-Ship(M)功能標(biāo)志。

3 智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

本船采用了羅克韋爾公司的智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能機(jī)艙分系統(tǒng)（包括：主推進(jìn)柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、發(fā)電柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)、軸系與齒輪箱健康管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和智能電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）和機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警分系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3.1智能機(jī)艙分系統(tǒng)

智能機(jī)艙分系統(tǒng)，通過(guò)在設(shè)備上配置的各種電量傳感器所采集的各種信息和數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估，為設(shè)備操作和維護(hù)決策提供建議。

本船通過(guò)主機(jī)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)、軸系上加裝振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、鍵相、滑油等傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，并將采集到的振動(dòng)、滑油信息進(jìn)行高速處理，提取特征信號(hào)，最后在上層軟件上通過(guò)模型和數(shù)據(jù)算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備典型故障的預(yù)警,并在集控室配置的工作站集中顯示，通過(guò)集控室工作站的操作，可方便控制布置于全船的大多數(shù)設(shè)備，并掌握其運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)真正意義上的集中和遙控，具有顯示設(shè)備單元電源狀態(tài)、控制方式、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息的功能，也有針對(duì)不同用戶設(shè)定不同的管理權(quán)限的功能。

3.2 智能機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警分系統(tǒng)

智能機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警分系統(tǒng)，是通過(guò)對(duì)主機(jī)柴油機(jī)、發(fā)電柴油機(jī)、左右舷軸系與齒輪箱的監(jiān)測(cè)信號(hào)和報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)機(jī)旁監(jiān)測(cè)箱把監(jiān)測(cè)信號(hào)和報(bào)警數(shù)據(jù)傳送至集控臺(tái)監(jiān)測(cè)報(bào)警計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示，同時(shí)把顯示信息傳送至駕駛室集中控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙設(shè)備的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

4 發(fā)電柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)

為滿足中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》要求，建立發(fā)電柴油機(jī)的健康管理及輔助決策系統(tǒng)，對(duì)發(fā)電柴油機(jī)的各缸燃燒性能、燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、增壓器性能等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。例如，對(duì)發(fā)電柴油機(jī)的熱工效應(yīng)、油液位置、上止點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等多種特征參數(shù)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)的上層軟件上，通過(guò)模型和數(shù)據(jù)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對(duì)融合后獲取的信息進(jìn)行分析評(píng)估，進(jìn)一步制訂發(fā)電柴油機(jī)的視情維護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)發(fā)電柴油機(jī)的健康管理及輔助決策的功能。

本船的發(fā)電柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)，由柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及柴油機(jī)健康管理輔助決策系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 發(fā)電柴油機(jī)健康管理及輔助決策系統(tǒng)框圖

4.1 發(fā)電柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

發(fā)電柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過(guò)時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析獲得振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度的最大值、最小值、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、有效值、峰值等；通過(guò)自相關(guān)與互相關(guān)分析,獲得振動(dòng)測(cè)點(diǎn)加速度的自相關(guān)系數(shù)和互相關(guān)系數(shù)；通過(guò)FFT自譜分析,得到振動(dòng)測(cè)點(diǎn)幅值譜、相位譜、RMS、功率譜和功率譜密度參數(shù)；通過(guò)FFT互譜分析得到振動(dòng)測(cè)點(diǎn)互功率譜，相干系數(shù);通過(guò)微積分轉(zhuǎn)換，得到振動(dòng)信號(hào)量加速度(A)、速度(V)、位移(D)信息；經(jīng)過(guò)小波和小波包分析，得到振動(dòng)測(cè)點(diǎn)多尺度系數(shù)；最后通過(guò)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的時(shí)域分析和頻域分析,得到各氣缸(組)做功評(píng)價(jià)指標(biāo)及循環(huán)極坐標(biāo)圖和轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線各諧波成分的幅值和相位等特征參數(shù)。

根據(jù)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理獲得的特征參數(shù)，可以對(duì)柴油機(jī)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。例如：通過(guò)監(jiān)測(cè)缸體振動(dòng)信息數(shù)據(jù)，可以初步判斷進(jìn)氣閥、排氣閥類的故障，可能是由于彈簧裂紋、閥與閥座工作面接觸不良等因素導(dǎo)致的振動(dòng)異常引起的；機(jī)架與機(jī)座類別故障，可能由于連接螺栓斷裂、松動(dòng)等因素導(dǎo)致的振動(dòng)異常引起的;連桿軸承、主軸承及軸頸類別故障,可能由于軸頸擦傷、蝕坑、軸承軸瓦燒蝕、磨損等因素導(dǎo)致的振動(dòng)異常引起的；廢氣渦輪增壓器類別故障,可能由于轉(zhuǎn)子(含葉片)損壞、軸承缺陷等因素導(dǎo)致的振動(dòng)異常引起的。通過(guò)監(jiān)測(cè)增壓器進(jìn)口溫度、壓力、單缸排溫、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息數(shù)據(jù)，可以判斷各氣缸燃燒性能故障可能由噴油器故障、油路故障、拉缸、排氣閥漏氣等造成氣缸做功性能的下降等因素引起。

4.2 發(fā)電柴油機(jī)健康管理輔助決策系統(tǒng)

采用發(fā)電柴油機(jī)早期微弱故障實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，將柴油機(jī)熱工參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行信息融合，建立柴油機(jī)全方位、多角度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康評(píng)估全景圖；運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，選擇對(duì)微弱故障敏感度高且變化規(guī)律性強(qiáng)的多個(gè)狀態(tài)參量共同作為故障特征指標(biāo)，運(yùn)用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，進(jìn)一步消除背景噪聲影響，提取故障信息，采用多模式數(shù)據(jù)深度挖掘等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源參數(shù)的有效、快速融合，建立多角度、全方位微弱故障表征模型，形成故障知識(shí)圖譜，基于大數(shù)據(jù)提供的海量歷史數(shù)據(jù)和不斷更新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)診斷正確率和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的螺旋提升，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的新故障新問(wèn)題不斷動(dòng)態(tài)更新故障知識(shí)圖譜。

運(yùn)用非線性時(shí)變系統(tǒng)大數(shù)據(jù)建模技術(shù)，構(gòu)造復(fù)雜綜合設(shè)備動(dòng)力學(xué)模型，研究早期微弱故障發(fā)展機(jī)理，并模擬微弱故障漸變過(guò)程，結(jié)合遷移學(xué)習(xí)與貝葉斯理論，分析復(fù)雜工況下設(shè)備退化規(guī)律及與監(jiān)測(cè)信號(hào)表征間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用粒子濾波預(yù)測(cè)算法，建立故障部件劣化趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)模型，確立預(yù)警機(jī)制。

對(duì)發(fā)電柴油機(jī)健康狀況進(jìn)行預(yù)警，還要對(duì)發(fā)電柴油機(jī)的汽缸的配氣故障、滑油污染狀況、滑油溫度、排氣溫度以及機(jī)械部位磨損狀況等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立發(fā)電柴油機(jī)的設(shè)備健康狀況模型，對(duì)健康狀況達(dá)到預(yù)設(shè)的健康報(bào)警值，發(fā)出故障預(yù)警信息。

為了增強(qiáng)預(yù)測(cè)模型的魯棒性,還應(yīng)基于本船海量歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不斷訓(xùn)練故障部件劣化趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，降低由工況變化、動(dòng)態(tài)誤差、非線性、時(shí)變性等引起的不確定性。

基于過(guò)程數(shù)據(jù)(設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、工況參數(shù)、故障歷史記錄、維修記錄、零部件分析等)和復(fù)雜外界因素?cái)?shù)據(jù)(人環(huán)管)，通過(guò)預(yù)測(cè)可能的失效模式，采取針對(duì)性維護(hù)來(lái)減少故障停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)備效率；應(yīng)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù),借助于領(lǐng)先的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)完全閉環(huán)的、自動(dòng)化的流程分析，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多源信息的有效融合，充分挖掘海量數(shù)據(jù)內(nèi)部的隱含信息，制定動(dòng)態(tài)評(píng)估模型，向柴油機(jī)管理人員提供故障模式分析、故障關(guān)聯(lián)信息分析、故障類型預(yù)測(cè)以及基于故障預(yù)測(cè)推薦維修方式，進(jìn)一步完善發(fā)電柴油機(jī)視情維護(hù)系統(tǒng)，并且全面考慮外界干擾因素的影響，根據(jù)工況變化進(jìn)行預(yù)警閥值的智能調(diào)節(jié)，提升預(yù)警正確率。

最后,發(fā)電柴油機(jī)健康管理及輔助決策系統(tǒng)所采集的故障診斷信息和提供的輔助決策建議的數(shù)據(jù)，通過(guò)配套的接口軟件上傳至本船的信息化系統(tǒng)。通過(guò)本船的信息化系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)智能機(jī)艙系統(tǒng)，顯示監(jiān)控頁(yè)面，并在陸上進(jìn)行聯(lián)調(diào)和完成相應(yīng)接口測(cè)試。

4.3 視情維護(hù)方案

為了保障發(fā)電柴油機(jī)最終長(zhǎng)時(shí)間的高效運(yùn)行，通過(guò)對(duì)發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的管理，應(yīng)用輔助決策系統(tǒng)，基于故障預(yù)測(cè)推薦的維修方式，制定符合實(shí)際運(yùn)行情況的發(fā)電柴油機(jī)維護(hù)方案，作為智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能的一部分。本船發(fā)電柴油機(jī)的視情維護(hù)方案的制定，是依據(jù)發(fā)電柴油機(jī)視情維護(hù)系統(tǒng)和發(fā)電柴油機(jī)評(píng)估系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)相互結(jié)合，并進(jìn)行分析、判斷和預(yù)測(cè)，使其方案具有可行性和科學(xué)性。

5 結(jié)論

本船智能機(jī)艙的發(fā)電柴油機(jī)健康管理及輔助決策系統(tǒng)的建立，為發(fā)電柴油機(jī)視情維護(hù)方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)；發(fā)電柴油機(jī)健康管理及輔助決策系統(tǒng)，是依據(jù)影響柴油機(jī)健康狀況的各方面因素所采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)段跟蹤分析，建立信息數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)特定函數(shù)統(tǒng)計(jì)出信息數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，判斷出設(shè)備可能發(fā)生故障的類型、部位及時(shí)間，并進(jìn)行有效的預(yù)警。這與普通船舶動(dòng)力設(shè)備以往采用定時(shí)維護(hù)和故障維護(hù)來(lái)保障船舶動(dòng)力設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的高效運(yùn)行的維護(hù)模式相比較，視情維護(hù)具有一定的預(yù)見性和科學(xué)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》的相關(guān)要求，探討了某大型海事巡邏船智能化機(jī)艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成和應(yīng)用，對(duì)智能化船舶要求的發(fā)電柴油機(jī)健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)分析和研究，通過(guò)對(duì)發(fā)電柴油機(jī)健康管理及輔助決策系統(tǒng)研究，根據(jù)對(duì)發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的分析和評(píng)估，進(jìn)一步為船舶發(fā)電柴油機(jī)制定相應(yīng)完善的視情維護(hù)方案，從而更好地保證了船舶航行安全性與經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)同類型船舶的綜合自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。