面向船舶推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)現(xiàn)*

馬世杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

伴隨著電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)以及數(shù)字孿生技術(shù)的飛速發(fā)展,船舶推進(jìn)系統(tǒng)也得到了長足的進(jìn)步[1]。推進(jìn)系統(tǒng)是一種十分復(fù)雜的系統(tǒng),作為船舶最重要的部件,推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性對(duì)船舶的穩(wěn)定性具有決定作用。一方面由于船舶需要長時(shí)間在海上高溫、高鹽、高濕環(huán)境下航行,受元器件特性變化、絕緣老化以及電磁干擾等影響,系統(tǒng)內(nèi)各部件面臨更大的故障風(fēng)險(xiǎn),在推進(jìn)系統(tǒng)中,推進(jìn)變頻器若主電路發(fā)生故障必然造成元器件的損壞和報(bào)廢,會(huì)直接對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)造成影響,另一方面難以全面采集實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù),且對(duì)采集到的數(shù)據(jù)也不能得到有效利用,無法在線監(jiān)控推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),一旦出現(xiàn)異常情況無法得到及時(shí)的救援,會(huì)直接影響整個(gè)船舶的運(yùn)營[2]。近年來快速發(fā)展的數(shù)字孿生技術(shù)為船舶推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型提供了新的解決思路。

本文針對(duì)目前推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理難和運(yùn)維難的問題,首先提出面向船舶推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu),開發(fā)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的船舶推進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng),獲取系統(tǒng)的全方面時(shí)效信息,通過將這些信息進(jìn)行可視化呈現(xiàn),能夠?qū)⑦\(yùn)行機(jī)理復(fù)雜,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且內(nèi)部狀態(tài)和過程不可見的系統(tǒng)變得透明,同時(shí)利用人工智能技術(shù)幫助決策者全面深入了解系統(tǒng)的性能、運(yùn)行狀態(tài)及趨勢和任務(wù)需求等,有效支持系統(tǒng)的質(zhì)量檢測和溯源、運(yùn)維和故障診斷等功能的實(shí)現(xiàn)。

1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組、配電板、變換機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)組、能量管理系統(tǒng)以及負(fù)載等部分組成。它的工作原理主要是通過柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,并將所發(fā)出的電經(jīng)過配電板裝置進(jìn)行用電分配后,傳輸給變換單元進(jìn)行調(diào)壓、變頻、整流、逆變,最終將電能輸送給推進(jìn)電機(jī)以及船上各用電機(jī)構(gòu),保證船舶正常航行和船上各用電部分的正常運(yùn)作。圖1為船舶推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)如何構(gòu)建覆蓋船舶推進(jìn)系統(tǒng)全要素、多維度、多尺度的精準(zhǔn)數(shù)字孿生實(shí)體模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)要素的精準(zhǔn)刻畫,參考陶飛等[3]提出的數(shù)字孿生五維模型,設(shè)計(jì)了船舶推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu),如圖2所示。根據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論,船舶推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和各組成部分間的連接。

圖2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

2 推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

船舶推進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)主要開展推進(jìn)系統(tǒng)的高保真建模技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)識(shí)別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)高保真建模技術(shù)

虛擬模型是物理實(shí)體的忠實(shí)映射,通過研究幾何建模、機(jī)理建模、數(shù)據(jù)建模和可視化四個(gè)部分,構(gòu)建基于機(jī)理-數(shù)據(jù)模型融合的孿生模型,主要技術(shù)思路如圖3所示。

圖3 基于機(jī)理-數(shù)據(jù)模型融合的孿生模型技術(shù)思路

1) 幾何和物理建模方面,采用SolidWorks工業(yè)建模軟件構(gòu)建船舶推進(jìn)系統(tǒng)模型,實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)參數(shù)、零部件間的約束與位置關(guān)系的精確表達(dá),同時(shí)將所有零部件的材料屬性、受力、流量等仿真分析以及零部件間的約束關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的定義,進(jìn)而采用U3D對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化處理,并對(duì)曲面、拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行優(yōu)化,從而確保幾何模型在視覺上與推進(jìn)系統(tǒng)的保真度。

2) 行為邏輯建模方面,基于方程定義的方式,采用U3D引擎構(gòu)建推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械子系統(tǒng)模型、電氣子系統(tǒng)模型、控制子系統(tǒng)模型以及運(yùn)動(dòng)過程行為模型等,支持推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的虛實(shí)精確同步,從而具備高保真分析能力。

3) 規(guī)則模型方面,針對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境、擾動(dòng)疊加分析等具體應(yīng)用場景,基于先驗(yàn)知識(shí)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集,從而采用深度學(xué)習(xí)方式構(gòu)建工作擾動(dòng)預(yù)測、疊加擾動(dòng)預(yù)測等數(shù)據(jù)模型,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí),從而獲得較高的保真度。

4) 可視化方面,基于Java Web技術(shù),以幾何物理模型為可視化載體,以行為邏輯模型和規(guī)則模型為內(nèi)核,實(shí)現(xiàn)各模型在服務(wù)層的互操作與可視化。其具體融合過程如下:在規(guī)則模型訓(xùn)練階段,行為邏輯模型為規(guī)則模型提供先驗(yàn)知識(shí)和仿真數(shù)據(jù),提高規(guī)則模型的泛化能力和精度;數(shù)據(jù)模型在使用過程中不斷反饋調(diào)整機(jī)理模型,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)中涉及溫度、振動(dòng)、流量等多種類型的傳感器,通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以在最少傳感器配置的前提下,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)據(jù)決策效果,有效提高傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、可信度,降低信息的模糊度,從而得出適于決策的信息。

以推進(jìn)變頻器為例,主要檢測數(shù)據(jù)分為四類:固定限值類、離散變量、跟負(fù)荷工況相耦合的變量和環(huán)境參數(shù)類,如表1所示。

表1 推進(jìn)電機(jī)在線監(jiān)測參數(shù)

根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)推進(jìn)變頻器多發(fā)故障主要有開關(guān)器件開路、短路導(dǎo)致的電流畸變故障、電壓突變故障等。對(duì)主要反映故障情況和運(yùn)行狀態(tài)的電流、電壓、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測。

在多源異構(gòu)的傳感器信息系統(tǒng)下,由于各傳感器自身性能、所處的工作環(huán)境等因素,一方面?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)會(huì)受到噪聲等干擾,另一方面得到的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性、模糊性以及不確定性,因此需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

數(shù)據(jù)處理主要包括:數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)輕量化。

1) 數(shù)據(jù)清洗通過剔除大量數(shù)據(jù)中冗余數(shù)據(jù),來提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

2) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是將多來源、多格式、不同特性的數(shù)據(jù)通過一定的特征規(guī)則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3) 數(shù)據(jù)輕量化的目的是根據(jù)數(shù)據(jù)的特征,優(yōu)化數(shù)據(jù)維度來減少有效變量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)量。

數(shù)據(jù)輕量化處理方法:數(shù)據(jù)規(guī)范化處理,縮放數(shù)據(jù)特征,使原始數(shù)據(jù)盡量映射到較小的特定區(qū)域;規(guī)范化處理,如最大-最小規(guī)范化和零一規(guī)范化等。

同時(shí),采用時(shí)間同步算法進(jìn)行時(shí)間戳同步,通過同步或異步的回調(diào)函數(shù)可以估算數(shù)據(jù)包在通信鏈路中數(shù)據(jù)的往返延遲,還可獨(dú)立地估算本地時(shí)鐘的偏差,從而在系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳感器采樣時(shí)鐘的精確同步。

2.3 推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

以推進(jìn)變頻器為例,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)變頻器的全狀態(tài)監(jiān)測,需要對(duì)變頻器內(nèi)部電路、外部特性及關(guān)鍵電子器件進(jìn)行參數(shù)在線監(jiān)測,利用監(jiān)測數(shù)據(jù),提取特征參數(shù),通過建立的機(jī)理模型實(shí)時(shí)分析變頻器目前的運(yùn)行狀態(tài)。

IGBT作為推進(jìn)變頻器核心電子器件,需要重復(fù)開關(guān),會(huì)反復(fù)受熱應(yīng)力沖擊作用,將會(huì)逐漸發(fā)生疲勞老化失效,嚴(yán)重影響器件的可靠性,從而直接影響到推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。IGBT的故障失效在推進(jìn)變頻器失效占比率高,IGBT的狀態(tài)監(jiān)測能有效反映推進(jìn)變頻器的健康狀態(tài),因此選擇IGBT作為關(guān)鍵特征器件開展推進(jìn)變頻器狀態(tài)監(jiān)測研究。

IGBT器件在工作時(shí),當(dāng)流過電流將會(huì)在器件的集-射極產(chǎn)生一定的導(dǎo)通飽和壓降,且導(dǎo)通飽和壓降與器件的運(yùn)行結(jié)溫以及器件老化狀態(tài)相關(guān),因此可利用監(jiān)測導(dǎo)通壓降作為關(guān)鍵特征參數(shù)來反映IGBT器件的運(yùn)行狀態(tài)。

開展IGBT狀態(tài)監(jiān)測原理與輸出特性曲線研究,分析其失效特性,以集-射極飽和壓降作為老化特征量,研究其與IGBT模塊的老化失效進(jìn)程之間的關(guān)系。采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法,搭建IGBT老化狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其變式的智能算法模型,研究關(guān)鍵特征參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊狀態(tài)與行為的準(zhǔn)確描述。利用智能算法、預(yù)測模型及其他的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來學(xué)習(xí)退化系統(tǒng)或器件的退化行為并預(yù)測其未來的健康狀態(tài)。

同時(shí),開展集-射極飽和壓降VCE(sat)在線監(jiān)測方法的研究,解決狀態(tài)監(jiān)測時(shí)由于在線監(jiān)測電路靈敏度低、可靠性差導(dǎo)致的狀態(tài)監(jiān)測不準(zhǔn)確問題,如圖4所示。

圖4 IGBT狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

3 結(jié)束語

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)開展船舶推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)維,可以通過人工智能算法分析推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況,并通過可視化的手段及時(shí)確定故障部位,并大幅提高故障的可追溯性,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化,降低船舶推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)維成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。