综合层次分类方法在舰船动力装置故障诊断中的应用研究

1 引 言

随着现代舰船新技术、新装备应用程度的不断提高，舰船动力装置日趋复杂[1]。一个集机、电、热、液为一体的复杂舰船动力装置系统，故障激发源多，关系错综复杂，同时，设备的运行环境也受舰体状况、航行条件、主机运行工况等因素的影响，所以以分布性和并发性为特征的复杂诊断问题日益突出[2,3]，对故障诊断技术提出了更高的要求。本文根据舰船动力装置结构、功能以及故障上都具有非常良好的层次特性，采用综合层次分类方法来建立舰船动力装置的分类层次体系。综合层次分类方法在故障诊断中的应用有如下优点：

1) 将诊断对象按其结构、功能和故障进行层次分析，规范了诊断范围，明确了推理路径。

2) 在诊断过程中可以将故障缩小在一定范围内，并能快速、准确地确定故障的类型和具体物理位置，是解决复杂诊断问题的有效方法。

3) 运用综合层次分类方法建立的模型对构建简便、实用的舰船动力装置故障诊断系统具有重要意义。

2 舰船动力装置特点分析

舰船动力装置结构复杂，数目众多，是一个典型的复杂系统。复杂系统是由有限的零、元部件按一定的方式和要求集合而成的，也就是说是由零、元部件和零、元部件之间的联系构成的。在此，广义地称零、元部件为元素，而将零、元部件之间的联系简单称之为联系。而元素间的联系失调是导致系统发生故障的重要因素之一。因此，本文首先对舰船动力装置的结构、功能和故障特点进行分析。

2.1 结构特点分析

显然，在复杂系统中，较低层的元素可以集合成高层的更大的元素，而高层的较大的元素亦可以分解为较低层的较小的元素。最高层的元素就是复杂系统本身，最低层的元素就是元部件或零件[4]。很自然地，我们可以根据复杂系统层次性这一特征，对舰船动力装置进行结构分解，将其分为系统级、子系统级、部件级和零件级等几个层次，其结构模型如图1所示。

图1 复杂系统的结构分层图

2.2 功能特点分析

舰船动力装置作为复杂系统，联系是构成它的两大要素之一。从性质上来分，联系可以分为两大类：一类是功能性联系；一类是非功能性联系。功能性联系是指将有关元素相联而构成复杂系统这一类联系。例如，机械零、部件之间的各种相对运动副及安装位置等。非功能性联系是指元素之间没有功能关系的联系。例如，由工作元件或工作副产生的振动、热量等，有可能会波及到设备的其它元素或联系，这种由振动、热量等产生的联系即为非功能联系。由此可知，在功能上，舰船动力装置是一定功能单元的组合体，每一个组合单元都要实现一定的功能并共同完成系统的整体功能[5]。在功能上，舰船动力装置具有图2的特性。可见，舰船动力装置在功能上是有其层次性的。

图2 复杂系统的功能分层图

2.3 故障特点分析

由于绝大多数诊断对象、特别是机械设备类诊断对象的故障都具有相同的产生和传播机理，导致其故障特点亦具有相当大的共性。因此，本研究从分析一般机械设备系统的故障产生和传播机理着手，联系舰船动力装置故障实际，归纳出舰船动力装置的故障特点。

图3 复杂系统的故障分层图

3 综合层次分类模型的建立

由上面的分析可知：故障诊断和层次分类之间存在一定的对应关系，舰船动力装置无论是结构、功能以及故障上都具有非常良好的层次特性，因而可以采用综合层次分类方法来建立舰船动力装置的分类层次体系。

3.1 结构、功能和故障分解方法简介

在建立舰船动力装置分类层次时综合采用结构分解、功能分解和故障分解的方法，下面对建立舰船动力装置的综合层次分类体系中的这3种分解方法分别进行介绍。

1) 结构分解：结构分解是指从结构上对诊断对象进行分解，把系统的总体结构分解为下一层次的子结构，而每一子结构又可分解为更下层次的子结构，这种分解可以直至最低层次的零部件。例如，可将舰船动力装置系统故障结构分解为舰船主动力装置系统故障和辅助动力装置系统故障等两大类。以诊断对象的结构分解为基础而建立的分类层次称为结构分类层次。

2) 功能分解：功能分解是指从功能上对诊断对象进行分解，把系统的总体功能分解为下一层次的子功能，而每一子功能又可分解为更下层的子功能，这种分解可以直至基本功能，即没有子功能的功能。对系统的功能分解深度依赖于下一层次的分解对诊断的有用程度，如果下一层次的功能分解对诊断工作没有多大的意义，则认为这一层次的功能就是基本功能。例如，对柴油主机冒黑烟故障，可将其功能分解为供油故障和供气故障两大类。以诊断对象的功能分解为基础建立的分类层次称为功能分类层次。

3) 故障分解：故障分解是指从故障类型上对诊断对象进行分解，下层子故障总是上层父故障的特例，上层父故障则是下层子故障的概括，这种分解可以直至最具体的故障。例如，对柴油主机排烟不正常故障，可将其故障分解为冒黑烟故障、冒蓝烟故障以及冒白烟或灰白烟故障3大类。以诊断对象的故障分解为基础建立的分类层次称为故障分解分类层次。

3.2 分层建模需要考虑的因素

在建立舰船动力装置分类层次过程中，考虑到了如下几个因素的影响：

1) 基于结构、功能以及故障分解的3种分类层次的优缺点。结构分类层次具有自然的“树”型结构，1个结点对应1个结构子系统，最底层的结点对应系统的零部件，因此，以此为基础的诊断可最终确定系统故障的物理位置；但结构分类层次难以表达各子系统之间的相互关系，对于由于联系劣化而引起的故障难以反映。功能分类层次并不涉及系统的具体结构，而只涉及系统不同层次的功能模块，因此无论是元素的故障还是联系的故障都能反映出来；但以此为基础的诊断最终确定的只能是失效的功能模块，而不是系统故障的物理位置。故障分类层次同人类专家诊断的思维过程相一致，且可以直接将所有的故障类型都表示出来；但由于故障分类层次表示的只是故障的类型，所以以此为基础的诊断有时也难以确定系统故障的物理位置。

2) 基于结构、功能以及故障分解的3种分类层次之间亦存在着非常紧密的联系。

3) 综合层次分类方法综合了基于结构、功能以及故障分解的3类方法，在具体应用时需要把握以下2个原则： 针对所研究的对象尽可能地搜集更多的资料，结合结构、功能以及故障进行整理；尽可能多地征询所涉及相关领域专家的建议，降低个体主观因素，提高故障诊断的准确率。

图4 综合层次分类法在故障诊断中的应用流程图

4) 为了提高故障诊断的准确率和效率，在进行故障诊断工作时，总是综合使用上述的多种方法，在诊断的不同阶段，选用最为适合的某一种具体分解方法或几种方法的综合。如图4所示，在对柴油主机故障进行诊断时，如果在运转中发生故障，则确定故障是调速系统工作不稳定、排烟不正常、工作参数异常等故障中的哪一种；若确认是排烟不正常故障，接着判断是属于冒黑烟、冒蓝烟、还是冒白(灰白)烟故障，利用的是故障分解的方法；在对柴油主机冒黑烟故障进行诊断时，首先诊断是由供油故障所引起，还是由供气故障所引起，利用的是功能分解的方法；如果确认是由供气故障所引起，则可进一步确认是由气筏漏气、增压器供气不足、空气冷却器堵塞故障中哪一个故障所引起，利用的是结构分解和故障分解的综合方法。

所以，在建立舰船动力装置的分类层次中，可以综合采用基于结构、功能及故障分解的方法，以便建立1个最适合舰船动力装置特点的综合分类层次，降低诊断求解的复杂性。

4 应用实例

将上述方法应用于某采用喷水推进方式的动力装置中，得到如图5所示的综合层次分类的结构体系模型。该动力装置的分类层次建立时，遵循了这样的指导思想：在高层多采用结构或功能分解方法，以减少分类过程的搜索量，并为进一步分类指出正确方向，如喷水推进动力装置和主动力装置在分层时都采用了结构分解或者功能分解，在柴油机及辅助系统、喷水推进装置和轴系的第一层分解也利用了功能分解；而中间层次和较低层次多采用故障分解方法，以适应人们进行故障诊断工作时的思维习惯，如柴油机及辅助系统的供油装置及燃油系统、喷水推进装置的液压系统和轴系的轴承在分层时采用故障分解；在最底层多采用结构分解与故障分解的综合方法，以达到通过诊断求得故障的具体物理位置和类型的目的，如喷油泵在分层时采用结构分解与故障分解的综合方法。

图5 喷水推进动力装置基于结构、功能和故障综合层次分类的结构体系图

5 结 论

本文通过对舰船动力装置特点分析，针对其结构、功能和故障上良好的层次特性，运用综合层次分类方法建立了喷水推进动力装置的层次诊断模型。该方法用于舰船动力装置这一类复杂系统的故障诊断和定位比较科学合理，且该方法具有简洁、高效的特点，可以有效地提高诊断效率和准确率，具有较高的工程应用价值。

[1] 陈国钧，曾凡明．现代舰船轮机工程[M].长沙：国防科技大学出版社，2001.

[2] 曾凡明，吴家明，孔庆福，等. 舰船主动力装置故障诊断系统研究[J].中国修船，2006，19(2)：46-48.

[3] FRANK P M. New developments using AI in fault diagnosis [J].Engineering Application of Artificial intelligence, 1997,10 (1):3-4.

[4] 高庆，杨叶舟，魏震生. 复杂装备的层次诊断技术[J].火力与指挥控制，2007,32(4):133-135.

[5] 刘宝赋，张科，廖志忠，等．基于系统分层与故障树的故障诊断方法[J]．火力与指挥控制，2002，27(4)：63-65．