美國海軍艦船綜合狀態評估系統發展研究

楊劍征（中國艦船研究院，北京 100192）

美國海軍艦船綜合狀態評估系統發展研究

楊劍征
（中國艦船研究院，北京 100192）

介紹美國海軍艦船綜合狀態評估系統（ICAS）的發展情況，分析綜合狀態評估系統及其新一代產品企業級遠程監控系統（eRM）的系統配置，最后對艦船綜合狀態評估系統技術的發展趨勢進行探討。

美國海軍；艦船；綜合狀態評估系統

0　引　言

為了對艦船推進系統設備進行全面有效的監控，及時發現發生故障和接近發生故障的設備，降低艦船維修成本，節省維修人力和物力，美國海軍于 1995 年引入了水面艦船綜合狀態評估系統（ICAS），該系統可自動采集與合成推進系統設備和輔機的參數，能夠輕松完成設備的性能趨勢分析。ICAS 現已安裝到 100多艘美國海軍水面艦船上，在節省艦船維護費用方面發揮了突出作用［1］。

1　ICAS 的系統配置

ICAS 可分為艦上分系統、岸基分系統和數據傳輸鏈路三部分。這三者的作業關系，簡言之，就是艦上分系統采集艦載設備數據，通過傳輸鏈路將數據從艦船發送到岸基分系統，岸基分系統用計算機生成健康評估報告（IPARs），經專家審查并給出維修建議后再通過傳輸鏈路發回艦上。

1.1艦上分系統

艦上分系統主要包括數據采集設備、配置數據集（CDS）和綜合電子技術手手冊［2］。一個典型的 ICAS艦上分系統組成包括 4～5 臺工作站、打印機、便攜式設備（手動輸入，例如掌上電腦），自動或在線的數據采集儀器和 1 臺光驅。每個主機艙室內有 1 臺工作站（見圖 1），通過主動式（光纖）局域網互聯起來，每臺工作站都有一個包含預檢信息的配置數據集（CDS）。

1）數據采集設備。設備采集數據可通過以下 3 種方式輸入 ICAS 系統：

① 數據總線可以通過與現有機械設備的接口（數字復用系統/復雜指令計算機接口）采集數據；

② 聯機的傳感器（通過高速數據采集板卡）可以不斷地為 ICAS 提供數據；

③通過便攜式數據終端或便攜式數據分析器（掌上電腦）實現對數據的人工采集，再把數據加載至ICAS 系統。

2）配置數據集（CDS）。ICAS 的核心部分是 CDS。每臺工作站都有一個獨一無二的 CDS，用于識別受監控設備的容差和超差范圍。對原始數據的趨勢分析結果反映出對操作人員和維修人員有用的設備狀態信息。

3）綜合電子技術手冊（Integrated Electric Technique Manuals，IETMs），提供可自動鏈接的維修建議，既可以瀏覽整個庫，又可以直接定位到合適的字段或卡片。

除了以上三部分，艦上分系統還包含了對諸如工程作業排序系統（EOSS）、計劃維修系統和綜合電子技術手冊這樣的數字后勤軟件的鏈接。

圖 1　典型 ICAS 系統的艦上分系統安裝示意Fig. 1　Typcial ICAS onboard installation illustration

1.2岸基分系統

岸基分系統主要包括維修工程庫服務器（MELS）、綜合性能分析報告（IPAR）、企業級性能分析報告（ePAR）［2］。

1）維修工程庫服務器（MELS）是關于 ICAS 數據/信息的一個通用的岸上數據知識庫，其中的統計分析結果可以為未來維修提供借鑒，還可以獲得關于設備在海上環境工作的更好先驗知識。

數據傳輸到岸基后，就被輸入 MELS 服務器，并通過先進算法進行計算，估算出已知設備故障模式，將信息與艦隊平均值做比較，并進行設備故障模式狀態劃分。以上信息接下來被處理寫入綜合性能評估報告（IPAR）中。對于每個系統，對應的區域維修中心（RMC）和專職維修專家（SME）審查 IPAR 報告，并針對設備的故障模式提出特定的維修建議［3］。

2）綜合性能分析報告（IPAR）是一個計算機生成的性能分析報告，可針對特定艦船表示受監控艦載系統的健康狀況。

專職維修專家完成所有在用設備的 IPAR 報告審查后，各系統的 IPAR 報告被合并，并通過電郵發送到艦船和岸基的技術部門。目前，MELS 系統只針對 12類系統生成 IPAR 報告，包括燃氣輪機、柴油發動機、空調設備和空氣壓縮機［3］。

此外，按照水面戰企業級（SWE）遠程監控（RM）排障組（BRT）指示，對于能夠使用電子郵件提交數據的艦船，區域維修中心（RMC）專職維修專家的審查環節被省去，艦船每周都能收到沒有專職專家維修建議的 IPAR 報告。

3）企業級性能分析報告（ePAR）是針對各型艦船使用的某個特定系統、面向全艦隊開展的分析報告。

MELS 服務器還提供更高層次的分析，IPAR 故障模式信息可被處理寫入企業級性能分析報告（ePAR）。IPAR 和 ePAR 報告的區別在于 IPAR 是針對特定艦船上的特定系統，而 ePAR 是針對所有艦船都安裝了的某型特定系統［3］。

ePAR 報告給出某一個故障模式在給定時間段之內所占的時間百分比，這包括了安裝該特定系統的每艘船。該報告的意圖是提供可在識別整類設備問題中使用的企業級系統評估圖像。

1.3ICAS 數據傳輸鏈路

ICAS 數據傳輸方式包括電子郵件傳輸和人工傳輸2 種方式。對于具有相關無線通信設備（例如遠距離支持 DS 2.0 系統）支持的艦船，ICAS 每天都能使用電子郵件將設備采集數據從艦船發送至由海軍水面戰中心卡德羅克分部艦船系統工程站（NSWC-CD SSES）維護的岸基維修工程服務器（MELS）。若艦船不具有以上收發電子郵件的能力，則必須每月將設備采集數據以光盤形式提交給岸基分系統［3］。

經過多年發展，ICAS 與遠距離支持系統（DS 2.0）結合，使得實現企業級遠程監控（eRM）成為可能。

2　eRM 的系統配置

企業級遠程監控（eRM）系統是美國海軍基于狀態維修（CBM）的新一代軟件工具，其首次部署即是以一種獨特的方式集成到 DDG-1000 級驅逐艦架構中，并將逐步在其他艦船中改裝［4］。eRM 與 DDG-1000的特殊機制保持了一定的獨立性，以不限制它在其他艦船上的應用。為了降低全壽命周期的費用，eRM 將采用 ICAS 相同的計劃，保持一種軟件程序在多類型多級艦船上的通用性。

eRM 和其他一些傳統艦船上應用的軟件均被集成到 DDG-1000 軟件包中。Wrapper 接口被開發用于集成傳統軟件到 DDG-1000 環境中。eRM 集成采用該封裝器可保持其本身結構完整性，并同時提供滿足 DDG-1000 任務所需的功能和集成（eRM 在 DDG-1000 上的作用主要是提供 CBM）。

Wrapper 接口為 eRM 系統接入到 DDG-1000 的任務戰備系統單元（EMRS）提供鏈接。通過該鏈接，eRM可以訪問所需數據的存儲位置、數據庫等。因此，本質上，eRM 依附于 DDG-1000 的全艦計算環境（TSCE）。從圖 2 可見，eRM 的功能局限，它的文件和數據庫存儲均由 TSCE 維護。TSCE 對 eRM 運行的硬件有控制權。這種精簡功能與傳統艦船上的系統相比變化很大，對 eRM 來說是極大的挑戰。網絡設計使 eRM 所需的其他固有功能能夠方便地應用在傳統艦船中，保持與全艦計算環境的獨立性，減少 eRM 在傳統艦船中應用所需的成本。

DDG-1000 中并未直接使用成熟的 ICAS，這是對DDG-1000 自動化程度、傳感器數量重要性和采購過程中 DDG-1000 的定位的綜合評估的結果。ICAS 如果集成到 DDG-1000 中，將會造成成本壓力并且不能提供理想的 CBM 功能。為此，主管 DDG-1000 項目的海上系統司令部 PMS-500 項目管理辦公室決定采用 ICAS 為 DDG-1000 開發的 eRM。eRM 不僅可以為 DDG-1000和其他傳統艦船提供全艦環境可用的 CBM 工具，也可以允許 DDG-1000 利用 eRM 提供所需的岸基支持以減少艦員數量。

DDG-1000 上集成的 eRM 不是完整版本，只是包含任務所需的最小組件組合，其中包括 PMS-500 所需的艦船航空試驗所需的單元。eRM 建立的框架將繼續實現故障預測、增強的性能分析、自動數據訪問、拓展的登入功能、傳感器計算分析等功能。未來艦上和岸基自動化工具的開發將更注重數據訪問速度的提升和與艦上軟件應用交互性的增強。

3　ICAS 發展趨勢

未來 ICAS 系統技術發展的特點可大致分為以下兩點：

1）eRM 將逐漸取代原有 ICAS 系統。eRM 在 DDG-1000 上應用后，將在已經安裝有 ICAS 系統的 90余艘艦船上對 ICAS 系統進行改進以適應 eRM，如改進 ICAS 的數據接口以適應在不同級別艦船上不同數據源的通信。eRM 開發者將可利用原有 ICAS 軟件代碼來保證成本的可控。改進后，eRM 將可以提供更多的功能，如在初始版本 eRM 中已增加的基于瀏覽器的訪問、艦上性能分析和自主健康監控等。

2）eRM 的發展目標不僅僅局限于一個軟件應用，而是要為艦隊和岸基活動實現一系列功能，以支持 CBM的開展。水面戰企業認為艦隊的 CBM 需求是最高層次的需求。eRM 借助現有的在役工程部門（ISEA）的專職專家（SME）和區域維修中心（RMC）團隊來為艦上和岸基提供可用的自動化工具。這些自動化的專家提供更快和更節約成本的診斷和故障隔離信息。SME的職責因此更加著重于上艦前更快更準確地隔離故障。

eRM 將對數據訪問和內容采用公開標準。CBM 數據的存儲架構是基于運行和維護信息開放系統聯盟（MIMOSA）標準，允許第三方進行補充功能的接入。eRM 將支持過程控制的對象連接與嵌入技術（OPC）和可擴展標記語言（XML）進行數據合并。

對于 eRM 的使用訓練，遵循美國防部關于標準化項目的發展方向，可利用現有 ICAS 項目的核心培訓設備的進行基礎課程的合并學習。ICAS 長時間的發展經驗表明，在艦上和岸基分系統的數據訪問對新的方案非常重要。隨著 eRM 逐漸成熟，將具備向外部軟件應用提供數據的功能，該能力對海軍故障預測、數據挖掘、燃油有效作用力、系統健康和性能監控意義重大。

［1］DIULIO M. ICAS and remote monitoring informational brief［EB/OL］. （2015-02-25）. http：//slideplayer.com/slide/ 4462520/.

［2］PEREZ I，DIULIO M，MALEY S，et al. Structural health management in the NAVY［J］. Structural Health Monitoring，2010，9（3）：199-207.

［3］BRIAN F. Remote monitoring of shipboard machinery［J］. Sea Frame，2007，3（2）：16-18.

［4］CHIN H，DIULIO M，HALPIN R，et al. Enterprise remote monitoring-built for the DDG 1000 class with commonality in mind［C］//Intelligent ships symposium VIII symposium proceedings. Philadelphia PA，USA：Drexel University's Bossone Research Center，2009：1540-1605.

Research on the development of the US navy's integrated condition assessment system

YANG Jian-zheng
（China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

The paper first reviews the development of the US navy's integrated condition assessment system. And then，this paper analyzes the configurations of the integrated condition assessment system and a new product named Enterprise Remote Monitoring which has been developed from it separately. Finally，development trends in the integrated condition assessment system technology are discussed.

US navy；ship；integrated condition assessment system

E23

A

1672 - 7619（2016）08 - 0146 - 03

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.031

2016 - 06 - 22

楊劍征（1980 - ），男，工程師，研究方向為計算機網絡技術。