艦船動力系統運行安全管理技術體系

杜劍維，劉世生，冀 洵

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船動力系統運行安全管理技術體系

杜劍維，劉世生，冀 洵

(中國艦船研究院，北京 100192)

為提高海軍艦船裝備可靠性與安全性，從裝備需求出發，結合國內外相關技術的現狀，對艦船動力系統運行安全管理技術進行了分析研究，給出了艦船動力系統運行安全管理系統的結構，并對相關技術進行分解，構建了艦船動力系統運行安全管理技術體系。

艦船動力系統;安全管理;技術體系

0 引言

安全性、可靠性已經成為海軍裝備六性設計中的重要組成部分。艦船動力系統運行的安全性與可靠性，直接關系到海軍裝備的生存力和戰斗力、部隊作戰人員的安全、任務的執行，甚至決定戰爭的成敗。因此，艦船動力系統運行安全管理技術已成為海軍裝備的迫切需求之一。

艦船動力系統運行安全管理技術是指能對柴油機、燃氣輪機、主減速齒輪裝置、軸系及調距槳等動力設備及整個動力系統的運行進行智能化故障診斷、安全評估、決策支持和遠程通信的技術。其中，智能化故障診斷是指對動力系統運行已發生故障的真實設備原因的診斷，以及通過運行參數的趨勢分析，對動力系統運行可能要發生故障的類別與時間的預測;安全評估是指根據故障診斷結果及其對動力系統運行的影響，對動力系統運行的安全狀態進行評估，將系統運行的安全狀態劃分為“正常、異常、危險、致命”4個級別;決策支持是指根據故障診斷和安全評估的結果，給出相應的處理方法和建議，并對緊急情況采取必要的應急保護措施;遠程通信是指采用遠程通信技術，實現系統與遠程專家或指揮/保障平臺間的信息通信，對超出所開發系統數據庫范圍的故障，可通過該功能實現遠程故障診斷、安全評估及決策支持。本文以典型的柴－燃聯合動力系統為對象，對動力系統運行安全管理技術體系進行了研究。

1 國內外相關技術現狀分析

1.1 國外發展現狀

艦船動力系統運行安全管理技術以各動力設備的故障診斷技術為基礎，國外故障診斷技術的研究始于20世紀60年代，并在80年代得到了快速發展，相關系統形成了較為統一的組成結構［1－2］，如圖1所示。國外已經開發了許多帶有故障診斷功能的動力設備監控系統，其中具有代表性的有:英國的CPMPS系統、美國的LM2500 MGTs系統［3］等。在開展故障診斷技術研究的同時積極開展了狀態評估技術和決策支持技術的研究，如:美國在重型高機動性戰術卡車HEMTT M1120A2+、聯合攻擊機(JSF)上運用了狀態評估技術［4－5］，烏克蘭針對航空燃氣輪機研發出具有決策支持功能的故障診斷系統。國外故障診斷、狀態評估與決策支持技術研究開始較早，研究已較為深入，并得到了成功應用。但其相關研究多是針對單一動力設備或獨立系統進行的，對聯合動力系統的研究很少，因此無法實現對整個動力系統的運行安全狀態進行評估與優化配置。

1.2 國內發展現狀

我國艦船動力故障診斷、安全評估和決策支持技術研究起步較晚，但近年來，動力設備故障診斷與決策支持等技術已成為各相關研究機構研究的熱點與重點［6］，并研制出了一些產品，例如:DCM-Ⅱ型柴油機智能診斷儀、MVC-2M艦用燃氣輪機振動檢測系統等，但這些產品多是以單一設備為對象，且功能過于單一，特別是集成了安全評估與決策支持功能的產品尚未見諸應用。

圖1 動力設備故障診斷系統典型結構Fig.1 Power equipment fault diagnosis system

2 艦船動力系統運行安全管理系統組成

艦船動力系統運行安全管理技術涉及柴油機、燃氣輪機、主減速齒輪裝置、軸系及調距槳，為了便于系統集成，需對各動力設備運行安全管理分系統按照“標準化接口、模塊化組成”的設計思想進行設計。單一動力設備運行安全管理分系統根據功能要求將其分為信號采集、信號特征提取、智能化故障診斷、安全評估、決策支持、通信、人機接口和應急保護等9個模塊，以柴油機為例，動力設備安全管理分系統結構如圖2所示。單一動力設備運行安全管理分系統能夠實現除遠程通信外的所有功能，可獨立應用以實現對單一動力設備運行的安全管理;同時，各分系統具有標準化接口，能適應不同動力系統配置的需求。

圖2 動力設備運行安全管理分系統結構Fig.2 Power equipment safety management subsystem

艦船動力系統運行安全管理系統由綜合安全管理分系統和各動力設備安全管理分系統集成，綜合安全管理分系統由綜合故障診斷、綜合安全評估、綜合決策支持、人機接口和遠程通信等5個模塊組成，其結構如圖3示。該系統在實現各分系統功能的基礎上，還能對艦船動力系統進行綜合故障診斷、綜合安全評估和綜合決策支持，并能實現與陸上基地的遠程通信。

圖3 艦船動力系統運行安全管理系統結構Fig.3 Safety management system of power system

3 艦船動力系統運行安全管理技術體系

艦船動力系統運行安全管理技術體系由5類技術構成，包括頂層設計技術、各動力設備安全管理技術、動力系統綜合安全管理技術、安全管理系統硬件設計技術和硬件在環仿真試驗驗證技術。突破前4類技術可以實現艦船動力系統運行安全管理系統的設計與開發，突破硬件在環仿真試驗驗證技術可實現對所開發系統功能的驗證。由于動力系統的故障(特別是影響系統安全性的故障)，往往具有破壞性和不可復現性，因此，安全管理相關技術的實機試驗驗證已經成為制約安全管理技術發展的瓶頸。然而，動力系統運行安全管理系統樣機及相關產品在研制完成后必須進行功能驗證以確認其是否滿足設計要求。本文選用硬件在環仿真試驗驗證技術，對安全管理系統功能進行驗證。

3.1 頂層設計技術

1)系統技術體系框架設計技術

分析艦船動力系統運行安全管理技術需求，研究其技術體系的組成、內涵和體系框架，對相關研究工作進行分解。

2)系統設計體系框架設計技術

對艦船動力系統運行安全管理系統設計中所需的設計規范、設計準則和設計流程進行研究，形成設計體系框架。

3)開放式系統結構設計技術

對艦船動力系統運行安全管理系統模塊配置進行研究，采用模塊化設計思想，將系統分解為標準組成模塊并確定各模塊功能。對各組成模塊間的接口形式、接口關系及數據格式進行研究。建立艦船動力系統運行安全管理系統的開放式系統結構(Open system architecture for safety management system，OSASMS)。

4)系統總體方案設計技術

根據頂層設計的研究成果，針對典型動力系統(如柴－燃聯合動力系統)，進行運行安全管理系統配置和總體方案的研究，對各動力設備運行安全管理分系統功能、接口和數據通信進行研究并提出相應要求。

3.2 動力設備安全管理技術

1)故障機理分析技術

針對柴油機拉缸［7］、燃氣輪機壓氣機喘振［8］、主減速齒輪裝置斷齒［9］、軸斷裂、調距槳卡滯等故障進行故障機理研究，深入分析研究故障現象、原因及二者之間的關系，建立起故障因果關系。

2)運行特征參數選取與信號采集技術

基于對各動力設備運行故障機理的研究，選取能表征各故障特點的特征參數，根據所選參數特點，結合艦上現有傳感器種類及布置情況，進行檢測方法選擇、傳感器選型、測點布置等研究。

3)信號處理與特征提取技術

根據所需采集的各類特征信號(如溫度、壓力和轉速等)的特點，對所采集信號進行放大、整形和濾波等處理，針對振動信號等復雜信號采用FFT變換、小波分析等處理方法提取信號特征。

4)故障診斷數據庫設計技術

數據庫設計包括運行參數數據庫和故障數據庫的設計技術研究，根據各動力設備特征參數的不同特點，進行數據庫結構設計，數據庫接口設計，實時數據存儲、壓縮、遷移及過時數據自動淘汰等技術的研究。

5)故障診斷知識庫設計技術

根據故障機理研究得到的現象與故障原因之間的關聯，進行知識庫設計，包括:知識獲取與知識表達技術，知識庫結構設計，知識庫接口設計及知識庫自學習技術。

6)智能化故障推理技術

對神經網絡、模糊邏輯和灰關聯分析等智能化推理方法進行研究，選取適合各動力設備特點的故障診斷推理方法并設計故障推理軟件。

7)參數趨勢預測技術

針對所需采集特征參數的不同特點(如漸變還是突變、波動性強弱等)，采用恰當的預測方法與預測模型對運行參數進行趨勢預測技術研究，在數據準確預測的基礎上，預測各動力設備運行可能將要發生的故障及發生時間，以期避免運行安全問題的發生。

8)安全評估技術

通過對各動力設備運行狀態與各故障間關系的分析研究，開發合理的置信度較高的各動力設備安全評估模型，開發安全評估軟件，使之可根據各動力設備故障診斷結果，對動力設備當前和未來一段時間的運行安全狀態進行評估，將其劃分為“正常、異常、危險、致命”4個級別。

9)決策支持技術

對各動力設備運行故障的解決方案進行深入研究，開發動力設備決策支持軟件，使其能根據故障診斷和安全評估的結果，給出合理可行的解決安全問題的方案，指導機艙人員采取相應措施以排除故障或規避風險。

10)應急保護技術

對柴油機、燃氣輪機等動力設備的應急保護技術進行研究，設計合理可行的應急保護措施，并研制相應的應急保護模塊，對于各設備的重大安全問題及隱患，通過應急保護模塊實現緊急停車、降負荷等操作，以免造成機器損毀及人員傷亡。

11)分布式系統通信技術

對現場總線技術、分布式網絡通信技術進行研究，制定相關的通信協議與數據格式，設計接口形式，完成網絡布置及硬件連接。

3.3 動力系統綜合安全管理技術

1)系統綜合故障診斷技術

通過深入分析研究各動力設備故障間的關聯，對動力系統發生的故障進行綜合診斷。對動力系統綜合診斷知識庫設計進行研究，將上述分析結果以知識的形式予以保存。對動力系統綜合診斷知識庫的自學習功能進行研究，使其在實際運行中根據具體結果不斷學習不斷充實完善。根據系統需要選取合理的推理方法設計動力系統綜合故障診斷推理軟件。

2)系統綜合安全評估技術

通過對動力系統運行狀態與各動力設備故障間關系全面、深入的分析，開發合理的置信度較高的艦船動力系統綜合安全評估模型，開發綜合安全評估軟件。根據各動力設備故障診斷系統的診斷結果與動力系統綜合故障分析的結果，使用綜合安全評估模型對動力系統當前運行安全狀態進行評估，并將系統運行的安全狀態劃分為“正常、異常、危險、致命”4個級別。

3)系統綜合決策支持技術

對艦船動力系統運行故障的解決方案進行深入研究，開發動力系統綜合決策支持軟件，使其能根據系統綜合故障分析結果和綜合安全評估結果對動力系統重新進行優化配置與管理，并給出合理可行的解決安全問題的方案，指導機艙人員采取相應措施以排除故障或規避風險。結合綜合故障分析的研究，對動力系統的應急保護技術進行研究，設計合理可行的應急保護措施，使之可根據動力系統綜合決策支持的結果對動力系統進行保護。

4)系統遠程通信技術

根據艦船動力系統運行安全管理系統的特點與要求，對系統遠程通信的通信方式、數據傳輸格式、通信協議等技術進行研究，并對系統遠程通信模塊硬件的研制進行研究，對其軟/硬件進行設計開發。

3.4 安全管理系統硬件設計技術

1)人機接口技術

設計開發各動力設備運行安全管理分系統人機接口的軟件與硬件，實現各動力設備當前、未來安全狀態及解決方案等的輸出，以及機艙操作人員指令輸入等功能。設計開發動力設備運行綜合安全管理分系統人機接口，基于系統綜合安全評估的結果，實現各動力設備故障狀態、動力系統故障綜合診斷結果、動力系統安全狀態、動力系統決策支持結果以及遠程通信結果的輸出，并實現機艙操作人員指令輸入等功能。

2)運行安全管理分系統硬件設計技術

根據系統集成要求，采用模塊化設計的思想，分別設計開發具有標準接口的柴油機、燃氣輪機、主減速齒輪裝置、軸系及調距槳運行安全管理分系統樣機，包括電源設計、抗干擾設計等在內的軟件和硬件設計，使之既能獨立地對各動力設備的運行安全進行管理，又可實現與綜合安全管理分系統的集成。

3)動力系統運行安全管理系統硬件設計技術

根據開放式系統結構中對模塊配置、接口等的要求，對艦船動力系統運行綜合安全管理分系統各組成模塊進行軟/硬件設計，完成各功能模塊與遠程通信模塊和人機接口模塊間的集成，采用系統集成技術，實現各模塊化分系統樣機與綜合安全管理分系統的數據、通信和人機接口等的集成，最終實現動力系統運行安全管理系統樣機的研制。

3.5 硬件在環仿真試驗驗證技術

1)實時仿真軟件開發技術

編制柴油機、燃氣輪機、主減速齒輪裝置和軸系及調距槳的實時仿真軟件，使所開發軟件既能滿足精度要求，又分別能實時模擬各動力設備的運行并能模擬故障狀態下的運行，從而可用于各動力設備運行安全管理分系統原理樣機的試驗驗證。根據典型動力系統的具體配置，綜合各動力設備的仿真模型，研究并建立整個動力系統的實時仿真軟件，為整個動力系統運行安全管理系統驗證提供基礎。

2)輸入/輸出信號轉換接口電路設計技術

根據各傳感器及變送器輸出信號的特點，開發硬件在環仿真平臺的輸入/輸出信號轉換接口電路。通過所開發的接口電路，使得仿真平臺的輸出信號與實際傳感器和變送器的信號一致，并可采集原理樣機或相關產品的輸出信號。

3)系統硬件在環仿真試驗平臺設計技術

根據艦船動力綜合安全評估及遠程決策支持系統驗證的需求，設計并建立硬件在環仿真試驗平臺，使之能應用所開發的艦船動力系統實時仿真軟件，模擬艦船動力系統在不同安全狀態下的運行，從而可用于系統硬件及后續相關產品功能的試驗驗證。

4)系統硬件試驗驗證技術

系統硬件試驗驗證是指在硬件在環仿真平臺上對各動力設備運行安全管理分系統原理樣機以及整個系統原理樣機進行驗證。根據實際需要，進行不同環境狀態、不同持續時間和不同工況的試驗，并形成試驗操作流程與試驗驗收規范。

圖4 艦船動力系統運行安全管理技術體系Fig.4 Safety management technology hierarchy of marine power system

上述5類26項技術即為構建艦船動力系統運行安全管理技術體系的主要技術，覆蓋了從設計、研制到最終樣機功能的試驗驗證，其結構如圖4所示。

4 結語

本文通過對國內外相關技術現狀與海軍裝備需求的分析，構建了艦船動力系統運行安全管理技術體系，覆蓋了艦船動力系統運行安全管理系統研發所需的主要技術，為艦船動力系統運行安全管理技術研究和系統開發提供了重要參考。

［1］張鍵.機械故障診斷技術［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］盛兆順，尹琦嶺.設備狀態監測與故障診斷技術及應用［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［3］KACPRZYNSKI G J，KRICHENE A，et al.The US navy's comprehensive health management software for LM2500 MGTs-Part 1［C］. Proceedings of ASME/IGTI TURBOEXPO Conference［2003］:Atlanta，Georgia，USA，2003.1 －6.

［4］BANKS J，MURPHY B，REICHARD K.A demonstration of embedded health management technology for the HEMTT LHS vehicle［C］.Aerospace Conference.IEEE，2006.

［5］SMITH G，SCHEUREN J B.Development of a prognostics and health management capability for the Joint Strike Fighter［C］.Auto TESTCON Proceeding.IEEE，1997.299－324.

［6］耿俊豹，金家善.艦船遠程監測與故障診斷系統的研究［J］.艦船科學技術，2004，26(2):48 －54.

［7］曹龍漢.柴油機智能化故障診斷技術［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［8］CHARCHALIS A.Diagnosing of Naval Gas Turbing Rotors with the Use ofVibrationacoustic Parameters［C］.Proceedings of the 14th Intrnational Congress(COMAD EM).UK，2001.495 －502.

［9］丁康，李巍華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術［M］.北京:機械工業出版社，2005.

Research on safety management technology hierarchy of marine power system

DU Jian-wei，LIU Shi-sheng，JI Xun
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

In order to improve the reliability and safety of marine equipment，safety management technology of marine power system was analyzed and researched.Requirement of marine equipment and status of correlation technique both here and abroad were analyzed.Structure of safety management system of marine power system was worked out.Correlation technique was disassembled and safety management technology hierarchy of marine power system was built.

marine power system;safety management;technology hierarchy

U664.1

A

1672－7649(2011)06－0081－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.019

2011－05－06

杜劍維(1982－)，男，博士，工程師，主要從事艦船動力及電力系統研究與管理。