舰用发动机健康管理开放式系统架构

唐 磊，周 斌，李 南

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰用发动机健康管理开放式系统架构

唐 磊，周 斌，李 南

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰用发动机运行健康状态是影响舰船研制、试验及航行性能的决定性因素之一，对其进行有效、系统的管理意义重大。通过国外发动机健康管理系统现状以及我国舰用发动机健康管理应用需求的调研，对舰用发动机健康管理的功能架构及系统逻辑架构进行研究，形成适应我国海军舰船发展现状和未来需求的舰用发动机健康管理开放式系统架构。该研究将对我国海军舰用发动机及其他装备健康管理系统的研发起基础支撑作用。

舰用发动机;健康管理;开放式系统架构

0 引言

健康管理(Health Management，HM)技术是随着基于状态的维修(Condition-Based Maintenance，CBM)的不断发展而提出的设备监控与管理技术［1］。“健康”是指管理对象完成其功能的程度，即性能状态。“健康管理”对管理对象的健康状态进行管理，它包含3方面内容:一是对当前运行性能状态进行健康评估，评价管理对象完成其功能的程度，如果出现性能衰退则诊断可能发生故障的子系统或部件;二是对未来一段时间运行性能状态进行健康预测，推断可能发生性能衰退的子系统或部件，并对剩余有效使用寿命(Remaining Useful Life，RUL)进行预估;三是综合健康评估和预测结论，结合可用资源和使用需求对维修活动和运行策略做出决策支持。

健康管理的重点是利用先进传感器的集成，借助各种知识、算法和智能模型来评估、预测、监控和管理设备的运行状态［2］。它代表了一种方法的转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，从反应性的维修转向主动性的3Rs(即在准确时间对准确的部位采取正确的维修活动)［3］。它是提高复杂系统可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性以及降低寿命周期费用的一项非常有前途的军民两用技术。

健康管理已成为国外新一代武器装备研制和实现自主保障的一项核心技术。而目前我国舰用的发动机监控系统智能化水平不高，无法进行性能评估和预测，亦无法实现健康管理。本文通过舰用发动机健康管理开放式系统架构研究，实现对舰用发动机智能化健康管理功能架构及系统逻辑架构的搭建，为今后健康管理系统的研制和应用起指导和基础支撑作用。

1 国外发动机健康管理系统

自20世纪90年代以来，随着国外信息技术突飞猛进的发展和广泛应用，智能化诊断系统向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，形成设备运行健康管理系统的时机已经成熟。健康管理系统正在成为国外新一代的战机、战舰和战车系统设计和使用中的一个重要组成部分。

英国经过大量研究开发出直升机健康与使用状态监控系统(HUMS)，用来监控动力设备完好状态以及结构使用情况、跟踪疲劳寿命、提供维修趋势信息，HUMS在美国、加拿大、荷兰等国的军用直升机中得到广泛应用［3］。美军在其先进的联合攻击机(JSF)上应用了健康管理技术，可对飞机进行近乎实时的健康状态管理，后勤部门通过飞机实时下传的数据对飞机的健康状态作出评估，以此调整作战任务，并对维修做出规划［4］。

美国舰用LM2500 MGTs系统集成了热力参数分析、振动分析、状态识别、故障诊断、传感器网络等技术，实现了对舰用燃气轮机的“全面健康管理”，已于2003年装备美国海军CG和DDG级舰。

美军还在重型高机动性战术卡车HEMTT M1120A2+上运用了健康状态评估技术，通过车载健康管理系统向操作人员提供健康状态信息，能持续监控和评估关键部件的状态，提高车辆的可靠性和可用性。

此外，美国空军的发动机监测系统(EMS)、海军的综合状态评估系统(ICAS)以及陆军的综合诊断预测系统(IDPS)等都应用了健康管理技术。

健康管理技术在民用领域也得到广泛应用。例如，波音公司的飞机健康管理(AHM)系统已在各大航空公司的多型民航飞机上得到应用。美国宇航局与相关公司合作，开发综合系统健康管理(ISHM)方案，旨在对航天飞机进行健康监控、诊断推理和最优查故，以求降低危及航天任务安全的系统故障。

2001年，由美国海军提供部分资助，由波音、卡特彼勒、罗克韦尔等公司联合组建的工业小组，制定了CBM开放式系统架构(OSA-CBM，Open System Architecture for CBM)，该结构从技术上解答了如何构建一个CBM系统［5］，同时也是健康管理系统的基础架构。它基于分布式网络结构，定义了标准的功能模块和接口，有助于健康管理系统的标准化和产业化［6］。其组成结构及各模块的功能介绍如图1所示。

图1 OSA-CBM典型组成模块及其功能Fig.1 Typical configuration of OSA-CBM

2 国内舰用发动机健康管理需求

舰用发动机的性能及运行状态是影响舰船研制、试验及航行性能的决定性因素之一。我国目前舰用发动机普遍存在研发设计手段落后，产品技术水平较低，关键技术掌握不足，使用成熟度低，可靠性较差，监控智能化水平不高，维修保障缺乏自主性等问题，严重制约了新型舰船的研制进度，严重影响了海军装备的生存力和战斗力。

针对目前国内的舰用发动机技术现状，舰用发动机健康管理系统存在以下发展需求。

1)研发体系建设需求

我国舰用发动机至今仍未形成比较完整的设计研发体系，研究设计、试验验证、应用评估这3个主体平台尚未建立。健康管理系统是应用评估平台的重要组成部分，首先开展舰用发动机健康管理系统架构研究，进而全面开展关键技术的研究，将为应用评估平台的建立和完善，并为整个舰用发动机研发体系的建立健全提供支撑。

2)技术发展需求

随着新型舰船发动机高功率密度、高热负荷、高机械负荷的特征和系统组成复杂程度的日益提高，舰用发动机监控和管理技术的发展将以系统综合健康管理为主要特征。引入先进的舰用发动机健康管理技术，将有利于提高国内舰用发动机监控系统的智能化水平，有助于实现海军装备的自动化、信息化和现代化。

3)可靠性和安全性需求

目前，我国舰用发动机存在技术水平较低、关键技术掌握不足等问题，在研制、试验及应用等各个环节中的可靠性和安全性得不到充分的保障。开展健康管理技术研究，首先将从设计环节严格控制发动机产品的可靠性，同时还在试验及应用环节有效预测运行风险，为避免各种灾难性事故，延长舰船发动机使用寿命，降低全寿命期维修费用等提供重要保障。

4)维修性和保障性需求

目前，国内舰用发动机出现健康问题后存在失效原因不清晰，维修方法不明确，决策措施不合理，保障条件不到位的情况。引入健康管理系统并开展决策支持技术的研究，将通过对发动机性能衰退机理的全面分析，提出与不同健康问题相对应的维护维修计划，提出合理的系统重构运行策略，并结合可用资源和使用需求提出相应的保障方案，全面提高舰用发动机的维修性和保障性。

3 国内舰用发动机健康管理开放式系统架构

结合国内舰用发动机现状及健康管理发展需求，对国外相关技术成果进行消化、吸收和再创新，开展舰用发动机健康管理的功能架构及系统逻辑架构研究，进而形成适合我国海军舰船发展现状和未来需求的舰用发动机健康管理开放式系统架构。

3.1 舰用发动机健康管理功能架构

以OSA-CBM系统架构为基础，将状态监测功能融入健康评估模块中，针对单一健康管理对象，建立舰用发动机健康管理功能架构，如图2所示。

图2 舰用发动机健康管理功能架构Fig.2 Functional architecture for health management of marine engine

该功能架构定义了一个健康管理系统应包含的功能模块及相互关系，各模块的功能及技术途径描述如下:

1)特征信号采集模块

特征信号是健康管理对象性能衰退信息的载体，是健康管理系统得以实施运行的数据基础。基于性能衰退机理研究，选取能表征性能衰退特点的特征参数，进行测点布置、传感器选型，选用抗干扰能力强的检测方法和高精度、智能化的传感器，采集最能反映性能衰退特征的信号［7］。

2)信号特征提取模块

根据健康管理特征信号的特点，采用FFT变换、小波分析等方法对其进行处理，根据各健康管理对象性能衰退的表征形式，采用现代信息处理技术提取对应不同性能衰退的信号特征，通过数据融合技术实现多种征兆的综合分析，为健康评估提供判别数据［8］。

3)数据库、知识库模块

通过分析健康管理系统的数据需求，根据各特征信号的种类和特点，完成数据库结构和接口设计，并采用数据压缩、迁移等技术建立满足大容量、通用化、可扩展、自淘汰要求的系统数据库。结合健康管理对象性能衰退机理，完成知识库(模型库、专家知识库)的结构和接口设计，根据不同设备健康管理需求，实现知识获取、知识表达及知识库自学习。

4)健康评估模块

通过对健康管理对象运行性能衰退判别参数与判别规则的研究，建立性能衰退模型。基于各种健康状态历史数据、工作状态以及维修历史数据，结合性能衰退模型，评估管理对象的健康状态是否退化，产生健康状态评估记录，实现健康分级报警，并通过神经网络、模糊逻辑等智能方法诊断可能发生故障的子系统或部件。

5)健康预测模块

综合利用历史数据及实时运行数据，采用相应的预测方法(如基于状态信息的预测、基于衰退模型的预测、概率趋势预测、基于环境信息的预测、基于损伤尺度的预测等［9］)，对管理对象健康状况的发展趋势进行分析，预知未来一段时间的健康状态，预估剩余有效使用寿命(RUL)，并对可能发生故障的子系统或部件进行预测。

6)决策支持模块

对健康管理对象的各种性能衰退问题的解决方法进行研究，建立决策支持专家知识库。根据健康评估结果及健康预测结论，结合可用资源和使用需求提出相应的决策支持方案(包括运行优化配置、维修计划制定、维修资源分配、维修备件采购等)，以排除故障或规避风险，对于重大健康问题及隐患采取应急安全保护措施，以免造成机器损毁及人员伤亡。

7)系统通信模块

应用现场总线、工业以太网及远程通信等技术，制定相关的通信协议与数据格式，设计相关接口形式，设计数据通信模块及相应的转换模块和网关，设计网络拓扑结构并完成网络布置及硬件连接。

8)人机接口模块

包括人机接口的可视化软件设计与硬件配置，可实现运行参数、健康状态、风险情况及解决方案的输出，并实现操作人员指令输入、声光报警等功能。

3.2 舰用发动机健康管理系统逻辑架构

3.2.1 舰用发动机系统相关拓扑结构

舰用发动机系统是一个复杂的集成系统，将其组成进行合理的分类并依据相互关系建立系统相关拓扑结构将有利于建立健康管理系统的逻辑架构。将舰用发动机系统分为系统级、分系统级、子系统及设备级、关键部件级4个级别，建立系统相关拓扑结构如图3所示。

图3 舰用发动机系统相关拓扑结构Fig.3 Topological structure of marine engine system

系统级为整个舰用发动机系统，下分各发动机分系统(如舰用柴燃联合动力发动机系统包括各柴油机分系统和各燃气轮机分系统)，子系统及设备级为各单个发动机分系统下的组成子系统及设备(如柴油机滑油系统、燃气轮机压气机等)，关键部件为各子系统及设备所包含的关键组成部件(如柴油机滑油管路、燃气轮机压气机转子等)。

3.2.2 面向舰用发动机健康管理的分层融合式逻辑架构

分层融合式架构是一种集中式和分布式相结合的方式，在较低的层次，各个子系统收集、解释用于本子系统状态评估的所有信号，然后在较高的层次上将评估和预测结果集中交由综合健康管理模块进行记录和决策。它可在多个层次上进行融合，更加全面地利用了冗余层次状态信息［10］。鉴于未来舰船发动机智能化、复杂化的特点，分层融合式系统架构最适用未来国产舰船发动机健康管理采用。

采用分层融合式逻辑结构方式，在健康管理功能架构和发动机系统相关拓扑结构的基础上，构建舰用发动机健康管理(HM)的系统逻辑架构如图4所示。该逻辑架构实现了传感器级、关键部件级HM、子系统及设备级HM、分系统级HM和系统级HM共5层结构的集成。

图4 舰用发动机系统健康管理逻辑架构Fig.4 Logical architecture for health management of marine engine system

4级HM的层次划分描述如下:

1)系统级HM获取整个舰用发动机系统(含多个发动机分系统)的健康状态及其变化趋势，在发生健康问题时，根据系统容错能力，执行系统的缓慢降级重构，保证系统基本功能的执行，并根据健康评估和预测结论形成维修或保障建议反馈给操作人员。

2)分系统级HM是单个发动机分系统健康管理方案的执行机构，能把来自该分系统不同子系统的数据或信息进行相关以解决各种数据的不一致性，结合模型库和专家知识库，确认子系统衰退或故障情况，预测可能发生的健康问题，得到更加可靠的子系统健康状态，并提出相应的健康问题解决方案。

3)子系统及设备级HM是子系统及设备健康管理方案的执行机构，能通过获取关键部件的数据和信息并进行融合处理，结合模型库和专家知识库，实现子系统及设备健康状态的综合评估和预测推理，并对健康问题的解决提出决策方案。

4)关键部件级HM是关键部件健康管理方案的执行机构，能通过获取传感器的状态参数，对其进行信号处理及特征提取，结合模型库、专家知识库及历史数据，对关键部件的健康状态及趋势进行推理，并预估关键部件的剩余有效使用寿命(RUL)。

3.2.3 信息的传输

从信息的传输来看，舰用发动机健康管理(HM)的逻辑架构包含3种信息流。

1)纵向信息流:从关键部件级获取传感器信息，经过子系统及设备级、分系统级和系统级的HM推理和分析，得到整个舰用发动机系统的健康状态和发展趋势，并对系统中发生的健康问题的解决进行决策支持。从关键部件级HM经过子系统及设备级HM、分系统级HM到系统级HM，是一个从数据、信息到知识的流动过程。

2)横向信息流:在同一HM处理级别上，对1个特定的HM对象来说，将低一级别传送的数据及健康信息进行融合处理，解决各种信息的不一致性，结合模型库和专家知识库，完成本级别HM对象的健康状态评估，并对未来一段时间该对象的健康状况进行预测，结合健康评估和预测的结论，提出决策建议。

3)反馈信息流:包括控制信息反馈流和知识信息反馈流。控制反馈是指通过系统级的决策支持方案对发动机的运行进行优化控制，使系统成为一个控制的闭环系统，实现系统的降级重构;知识反馈则是通过对系统的健康状态分析，不断地修正和补充HM专家知识，构成系统学习的闭环环境［10］。

以上分别建立了舰用发动机健康管理功能架构(如图2)和系统逻辑架构(如图4)，定义了单一HM系统的功能组成及全系统HM的体系结构，将二者结合即形成舰用发动机健康管理开放式系统架构(Open System Architecture for Health Management，OSA-HM)，该系统架构是在对国外舰用发动机健康管理系统进行调查研究的基础上，结合我国舰用发动机现状和健康管理应用需求，通过消化、吸收和再创新最终形成的。该架构可满足我国海军舰船现实需求和未来发展，可对今后海军舰用发动机健康管理系统的设计和开发起基础支撑作用。

4 结语

近年来，我国海军装备的需求相当大，相关动力设备将大量装备于海军各型舰船。现有的状态监测手段缺乏智能化技术，不能实时评估装备的运行健康状态和预测装备的性能趋势，无法保证舰船装备健康可靠的运行，也就无法保证其战斗力的充分发挥。

首先进行健康管理开放式系统架构的研究，搭建功能架构和系统逻辑架构，随后在此基础上积极开展健康管理相关关键技术的研究和健康管理系统的研制，将为提高舰船发动机运行的可靠性与安全性，避免各种灾难性事故，延长舰船发动机使用寿命，降低全寿命期维修费用等提供重要保障，必将产生重大的军事效益和经济效益。本课题研究的健康管理开放式系统架构(OSA-HM)还可结合不同装备的应用特点，推广到其他海军装备的健康管理系统设计和开发中，对于实现舰船监控自动化、装备现代化和管理信息化有着十分重要的意义。

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Research on open system architecture for health management of marine engines

TANG Lei，ZHOU Bin，LI Nan
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The health status of marine engines acts as an important determinant of the performance of marine while developing，experimenting and navigating，efficient and systematic health management is of great moment.Through investigation of foreign health management systems of engines and application requirements for health management of domestic marine engines，functional and logical architectures for health management of marine engine system were studied，open system architecture for health management(OSA-HM)of marine engines which would suit the present and future development of domestic navy marines was put forward.This research work will provide fundamental support for the research and development of health management systems of marine engines and other equipments of our navy.

marine engine;health management(HM);open system architecture(OSA)

U664.1

A

1672－7649(2011)06－0076－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.018

2011－05－06

唐磊(1981－)，男，博士，工程师，研究方向为舰船动力/电力系统顶层设计、健康管理与陆上综合试验。