船舶舵機智能運維系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 沨， 張雙喜， 華 霖

(武漢船用機械有限責任公司， 武漢 430084)

0 引 言

智能運維是指通過采用先進的故障診斷、大數(shù)據和人工智能等技術，將傳統(tǒng)的以人工為主的運維管理轉變?yōu)樽詣踊?、信息化的智能運維管理。智能運維通過采用數(shù)據采集和分析等技術對傳統(tǒng)的運維進行升級，自動識別設備在運行過程中存在的安全隱患，及時對已發(fā)生或將要發(fā)生的故障發(fā)出警報，從而輔助運維管理者消除設備的安全隱患，對故障原因進行判斷和處理。

舵機作為船舶操控執(zhí)行裝置，在控制船舶運行、保持船舶航向方面具有重要作用，其安全性和可靠性備受關注。與飛機、汽車等交通工具相比，船舶具有航行周期長、航行環(huán)境復雜多變和遠程維修困難等特點，保障舵機在船舶航行過程中的安全可靠運行尤其重要。

對于以舵機為代表的船舶機電設備而言，為提升其運維管理效率，需減少設備故障的發(fā)生，提升故障停機處理效率，降低設備運維成本。因此，迫切需要開展智能運維技術研究，保證設備處于良好的運行狀態(tài)，減少故障的發(fā)生，縮短設備維修時間，提高設備維護保養(yǎng)效率。

1 舵機及其運維技術發(fā)展現(xiàn)狀與需求

1.1 舵機發(fā)展現(xiàn)狀

在船舶舵機發(fā)展過程中，其驅動方式經歷了蒸汽傳動、電氣傳動和液壓傳動等3個階段的轉變;電氣式控制系統(tǒng)的反應速度快且故障發(fā)生率低，在現(xiàn)代船舶舵機遙控系統(tǒng)中具有廣泛應用。當前，船舶舵機基本上全部采用電控液壓舵機，其主要由轉舵機構、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

1.2 舵機運維技術發(fā)展現(xiàn)狀與需求

目前很多航運公司都制定有舵機運維保養(yǎng)制度，定期對舵機進行維修保養(yǎng)，將日常養(yǎng)護與計劃檢修相結合，實現(xiàn)對設備的維修保養(yǎng)。但是，在實際運營過程中，通常存在以下問題：

1) 在舵機發(fā)展過程中，越來越多的高新技術得到運用，舵機的信息化和集成化程度日益提升，已從傳統(tǒng)的機械式結構發(fā)展為機、電、液多學科耦合的復雜系統(tǒng)，運維所需技術的難度因設備復雜程度的提升而急劇增大，對船員的技術水平提出了很高的要求；

2) 設備生產廠商難以獲取設備的實時數(shù)據和歷史數(shù)據，在提供運維服務時，往往是被動的，需在到達現(xiàn)場之后進行故障分析、故障定位、維修計劃制訂和故障維修等工作，造成維修保養(yǎng)服務周期較長，效率較低，成本較高；

3) 當前船上的舵機艙通常為無人機艙，在使用設備過程中,因設備性能劣化而引發(fā)的故障往往不能及時發(fā)現(xiàn)，更無法做到提前預警，導致故障的影響程度增加，維修復雜。

為提升舵機運行的可靠性，船舶所有人對舵機運維存在迫切需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 提高設備的自動化、數(shù)字化和智能化程度，使用方法應簡單易學；

2) 設備具有故障診斷功能，對于常見故障，能實現(xiàn)自主判定和主動報警提示，并能提供故障排查和處理意見；

3) 岸端具有專家支持協(xié)同系統(tǒng)，若遇到復雜故障，船員可快速得到岸基的專家系統(tǒng)提供的故障處理方案；

4) 在岸端建立專家知識庫，不同航運公司之間可協(xié)同共享，即針對同一故障現(xiàn)象，可通過專家知識庫實現(xiàn)對故障的快速檢索和共享，以縮短故障處理時間。

2 舵機智能運維系統(tǒng)架構和功能設計

以某7 500載重噸散貨船配置的電液式轉葉舵機為研究對象，面向舵機船岸協(xié)同的智能運維管理需求，通過對舵機的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康管理和知識庫等技術進行研究，開展船岸一體的舵機智能運維系統(tǒng)設計。

2.1 舵機智能運維系統(tǒng)架構

舵機智能運維系統(tǒng)總體架構采用模塊化設計理念設計，其中:橫向上按功能需求和業(yè)務場景分模塊對系統(tǒng)的軟件功能進行設計;縱向上按數(shù)據采集、數(shù)據交互和應用呈現(xiàn)等數(shù)據流向對系統(tǒng)的硬件網絡架構進行設計。系統(tǒng)總體架構見圖1，包含船端應用和岸基應用2部分。

圖1 舵機智能運維系統(tǒng)總體架構

2.2 軟件功能設計

2.2.1 智能運維系統(tǒng)船端應用

舵機智能運維系統(tǒng)船端應用的功能設計見表1。

表1 舵機智能運維系統(tǒng)船端應用的功能設計

1) 狀態(tài)監(jiān)測：狀態(tài)監(jiān)測模塊面向操舵控制系統(tǒng)采集的舵機實時狀態(tài)數(shù)據，在人機交互界面實時顯示狀態(tài)數(shù)據，以便操舵人員及時獲取舵機的狀態(tài)信息；針對某些具備閾值范圍的監(jiān)測點位，設計實時報警界面，以在舵機狀態(tài)數(shù)據超過閾值時能實時報警，提醒操舵人員設備出現(xiàn)了異常。

2) 故障診斷：故障診斷模塊面向設備常見的綜合故障，基于武漢船用機械有限責任公司多年來積累的舵機設計經驗和故障診斷經驗，形成故障診斷模型，通過數(shù)據采集與分析技術，識別設備的典型故障模式，給出設備健康評價和故障判定結果，在預警和報警的條件下推送維護和維修建議，并根據實船運行狀態(tài)，人工制訂和管理運維計劃。

常見的舵機故障可分為基于單個監(jiān)測點的超閾值故障和基于復雜故障原因的綜合故障2種。

1) 超閾值故障：超閾值故障是指引發(fā)故障的原因單一，可通過某個數(shù)值的異常進行判定的故障。電液式舵機中常見的超閾值故障報警有主電源失效、控制電源失效、電機過載、電機斷相和濾器堵塞等，系統(tǒng)可通過監(jiān)測這些點位的實時狀態(tài)數(shù)據，根據其是否超過設定的報警閾值判斷舵機是否出現(xiàn)超閾值故障。

2) 綜合故障：綜合故障是指引發(fā)故障的原因不單一，無法通過某個數(shù)值的異常進行判定的故障。電液式舵機中常見的綜合故障有操舵失效、轉舵慢、滯舵和跑舵等。電液式舵機的綜合故障判斷過程相比超閾值故障更為復雜，此類故障為復合型故障，需通過復雜的關聯(lián)參數(shù)邏輯模型進行判斷。

2.2.2 智能運維系統(tǒng)岸基應用

舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用的功能設計見表2。

表2 舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用的功能設計

1) 遠程狀態(tài)監(jiān)測：遠程狀態(tài)監(jiān)測功能主要是在岸端實現(xiàn)對舵機監(jiān)測點位數(shù)據的實時顯示，對具備狀態(tài)報警功能的監(jiān)測點設置閾值，實現(xiàn)舵機監(jiān)測點超閾值故障報警，并通過圖形化的方式對部分歷史數(shù)據進行統(tǒng)計和顯示。

2) 遠程健康管理：遠程健康管理功能主要是對舵機的綜合故障報警信息進行記錄和展示，并通過圖形化的方式對故障信息進行多維度的統(tǒng)計和顯示。

3) 遠程專家診斷：遠程專家診斷功能面向船端舵機出現(xiàn)的，船端應用故障診斷模型未主動判定，且船端工作人員依靠經驗無法判斷的故障，由船端人員發(fā)起遠程專家故障診斷申請，岸基應用提供遠程專家人工診斷和診斷意見反饋。

4) 遠程運維管理：遠程運維管理功能面向岸基船舶所有人的監(jiān)管需求，支持岸基遠程向船端人員提醒運維計劃到期情況。此外，該功能還可實現(xiàn)對新增設備信息的錄入和對設備基礎信息的維護管理。

2.3 硬件網絡設計

根據船舶總體設計要求，為提升船岸無線通信網絡的安全性，船岸數(shù)據交互統(tǒng)一由船舶所有人的船載數(shù)據集成系統(tǒng)和岸基數(shù)據服務中心承擔，即船端與岸端分別由船載數(shù)據集成系統(tǒng)和岸基數(shù)據服務中心統(tǒng)一進行設備船岸交互數(shù)據的集成和分發(fā)。硬件網絡設計要點如下：

1) 船端配置工控機，用于搭載舵機智能運維系統(tǒng)船端應用軟件和軟網關；

2) 舵機智能運維系統(tǒng)應用功能實現(xiàn)所需的數(shù)據源均由操舵控制系統(tǒng)提供；

3) 操舵控制系統(tǒng)通過交換機實現(xiàn)與船端工控機硬件接口的連接，通過軟網關實現(xiàn)舵機狀態(tài)數(shù)據上傳和集成；

4) 為降低船端網絡風暴風險和各系統(tǒng)之間的網段劃分，避免舵機設備的IP(Internet Protocol)地址與船上其他設備的IP地址存在沖突，舵機智能運維系統(tǒng)與船載數(shù)據集成系統(tǒng)之間的網絡連接設備選用路由器;

5) 舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用部署在云端，基于VPN(Virtual Private Network)技術使專用鏈路與岸基數(shù)據服務中心建立連接，通過“中間件”的方式實現(xiàn)與岸基數(shù)據服務中心的數(shù)據交互。

舵機智能運維系統(tǒng)硬件網絡架構見圖2。

圖2 舵機智能運維系統(tǒng)硬件網絡架構

3 舵機智能運維軟件實現(xiàn)

3.1 船端應用軟件實現(xiàn)

本文所述7 500載重噸散貨船舵機智能運維系統(tǒng)的船端應用部署在船上的工控機中，為使該船端應用能滿足離線環(huán)境下的獨立部署和運行需求，采用C#語言對其進行軟件代碼級開發(fā)，實現(xiàn)對該船端應用的功能邏輯開發(fā)和可視化應用呈現(xiàn)等。

3.1.1 狀態(tài)監(jiān)測功能

由操舵控制系統(tǒng)采集舵機的狀態(tài)監(jiān)測點位，通過部署在船端工控機上的軟網關對狀態(tài)數(shù)據進行接入和讀取，并按一定的規(guī)則將其存放于船端工控機的數(shù)據庫中。在船端應用的前臺界面設計實時狀態(tài)和實時報警顯示界面，在軟件后臺設計舵機狀態(tài)信息顯示邏輯和報警閾值，通過調用數(shù)據庫中關聯(lián)的實時狀態(tài)數(shù)據，實現(xiàn)對設備狀態(tài)和報警狀態(tài)的顯示。船端應用實時狀態(tài)和實時報警顯示界面分別見圖3和圖4。

圖3 船端應用實時狀態(tài)顯示界面

圖4 船端應用實時報警顯示界面

3.1.2 故障診斷功能

通過軟件編程的方式將舵機的綜合故障報警模型嵌入船端應用軟件程序后臺，故障診斷功能模塊根據故障模型和操舵控制系統(tǒng)實時采集的設備狀態(tài)數(shù)據，對舵機綜合故障進行自動判定和報警，并針對故障診斷結果給出故障維修建議和電子維護手冊。為便于操舵人員對故障診斷結果進行核對，系統(tǒng)還設計有歷史狀態(tài)數(shù)據查詢功能，用戶可通過選擇點位和查詢時間區(qū)間，實現(xiàn)對舵機歷史數(shù)據的查詢。船端應用故障診斷功能界面見圖5。

圖5 船端應用故障診斷功能界面

3.2 岸基應用軟件實現(xiàn)

該7 500載重噸散貨船舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用依托武漢船用機械有限責任公司的工業(yè)互聯(lián)網平臺(即船用設備互聯(lián)服務平臺)開發(fā)，借助該平臺的泛在連接、云化服務、知識積累、算法模型和個性化定制的特性，實現(xiàn)高水平、高效率的輕量化設計、并行設計、敏捷設計、交互設計和基于模型的設計。舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用的遠程狀態(tài)監(jiān)測、遠程健康管理、遠程專家診斷和遠程運維管理等功能均通過平臺工具進行低代碼配置化實現(xiàn)。舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用主界面見圖6。

圖6 舵機智能運維系統(tǒng)岸基應用主界面

4 結 語

本文面向船用舵機運維的現(xiàn)狀和需求，開展了舵機智能運維系統(tǒng)總體架構和功能設計，基于工業(yè)互聯(lián)網平臺進行了舵機智能運維系統(tǒng)軟件設計開發(fā)。此外，以7 500載重噸散貨船為示范船，對該舵機智能運維系統(tǒng)進行了實船示范應用。結果表明，該舵機智能運維系統(tǒng)的應用效果較好,有助于保障舵機平穩(wěn)運行，降低設備運維成本,提高設備運維管理水平。