舰船动力系统运行安全管理技术体系

杜剑维，刘世生，冀 洵

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰船动力系统运行安全管理技术体系

杜剑维，刘世生，冀 洵

(中国舰船研究院，北京 100192)

为提高海军舰船装备可靠性与安全性，从装备需求出发，结合国内外相关技术的现状，对舰船动力系统运行安全管理技术进行了分析研究，给出了舰船动力系统运行安全管理系统的结构，并对相关技术进行分解，构建了舰船动力系统运行安全管理技术体系。

舰船动力系统;安全管理;技术体系

0 引言

安全性、可靠性已经成为海军装备六性设计中的重要组成部分。舰船动力系统运行的安全性与可靠性，直接关系到海军装备的生存力和战斗力、部队作战人员的安全、任务的执行，甚至决定战争的成败。因此，舰船动力系统运行安全管理技术已成为海军装备的迫切需求之一。

舰船动力系统运行安全管理技术是指能对柴油机、燃气轮机、主减速齿轮装置、轴系及调距桨等动力设备及整个动力系统的运行进行智能化故障诊断、安全评估、决策支持和远程通信的技术。其中，智能化故障诊断是指对动力系统运行已发生故障的真实设备原因的诊断，以及通过运行参数的趋势分析，对动力系统运行可能要发生故障的类别与时间的预测;安全评估是指根据故障诊断结果及其对动力系统运行的影响，对动力系统运行的安全状态进行评估，将系统运行的安全状态划分为“正常、异常、危险、致命”4个级别;决策支持是指根据故障诊断和安全评估的结果，给出相应的处理方法和建议，并对紧急情况采取必要的应急保护措施;远程通信是指采用远程通信技术，实现系统与远程专家或指挥/保障平台间的信息通信，对超出所开发系统数据库范围的故障，可通过该功能实现远程故障诊断、安全评估及决策支持。本文以典型的柴－燃联合动力系统为对象，对动力系统运行安全管理技术体系进行了研究。

1 国内外相关技术现状分析

1.1 国外发展现状

舰船动力系统运行安全管理技术以各动力设备的故障诊断技术为基础，国外故障诊断技术的研究始于20世纪60年代，并在80年代得到了快速发展，相关系统形成了较为统一的组成结构［1－2］，如图1所示。国外已经开发了许多带有故障诊断功能的动力设备监控系统，其中具有代表性的有:英国的CPMPS系统、美国的LM2500 MGTs系统［3］等。在开展故障诊断技术研究的同时积极开展了状态评估技术和决策支持技术的研究，如:美国在重型高机动性战术卡车HEMTT M1120A2+、联合攻击机(JSF)上运用了状态评估技术［4－5］，乌克兰针对航空燃气轮机研发出具有决策支持功能的故障诊断系统。国外故障诊断、状态评估与决策支持技术研究开始较早，研究已较为深入，并得到了成功应用。但其相关研究多是针对单一动力设备或独立系统进行的，对联合动力系统的研究很少，因此无法实现对整个动力系统的运行安全状态进行评估与优化配置。

1.2 国内发展现状

我国舰船动力故障诊断、安全评估和决策支持技术研究起步较晚，但近年来，动力设备故障诊断与决策支持等技术已成为各相关研究机构研究的热点与重点［6］，并研制出了一些产品，例如:DCM-Ⅱ型柴油机智能诊断仪、MVC-2M舰用燃气轮机振动检测系统等，但这些产品多是以单一设备为对象，且功能过于单一，特别是集成了安全评估与决策支持功能的产品尚未见诸应用。

图1 动力设备故障诊断系统典型结构Fig.1 Power equipment fault diagnosis system

2 舰船动力系统运行安全管理系统组成

舰船动力系统运行安全管理技术涉及柴油机、燃气轮机、主减速齿轮装置、轴系及调距桨，为了便于系统集成，需对各动力设备运行安全管理分系统按照“标准化接口、模块化组成”的设计思想进行设计。单一动力设备运行安全管理分系统根据功能要求将其分为信号采集、信号特征提取、智能化故障诊断、安全评估、决策支持、通信、人机接口和应急保护等9个模块，以柴油机为例，动力设备安全管理分系统结构如图2所示。单一动力设备运行安全管理分系统能够实现除远程通信外的所有功能，可独立应用以实现对单一动力设备运行的安全管理;同时，各分系统具有标准化接口，能适应不同动力系统配置的需求。

图2 动力设备运行安全管理分系统结构Fig.2 Power equipment safety management subsystem

舰船动力系统运行安全管理系统由综合安全管理分系统和各动力设备安全管理分系统集成，综合安全管理分系统由综合故障诊断、综合安全评估、综合决策支持、人机接口和远程通信等5个模块组成，其结构如图3示。该系统在实现各分系统功能的基础上，还能对舰船动力系统进行综合故障诊断、综合安全评估和综合决策支持，并能实现与陆上基地的远程通信。

图3 舰船动力系统运行安全管理系统结构Fig.3 Safety management system of power system

3 舰船动力系统运行安全管理技术体系

舰船动力系统运行安全管理技术体系由5类技术构成，包括顶层设计技术、各动力设备安全管理技术、动力系统综合安全管理技术、安全管理系统硬件设计技术和硬件在环仿真试验验证技术。突破前4类技术可以实现舰船动力系统运行安全管理系统的设计与开发，突破硬件在环仿真试验验证技术可实现对所开发系统功能的验证。由于动力系统的故障(特别是影响系统安全性的故障)，往往具有破坏性和不可复现性，因此，安全管理相关技术的实机试验验证已经成为制约安全管理技术发展的瓶颈。然而，动力系统运行安全管理系统样机及相关产品在研制完成后必须进行功能验证以确认其是否满足设计要求。本文选用硬件在环仿真试验验证技术，对安全管理系统功能进行验证。

3.1 顶层设计技术

1)系统技术体系框架设计技术

分析舰船动力系统运行安全管理技术需求，研究其技术体系的组成、内涵和体系框架，对相关研究工作进行分解。

2)系统设计体系框架设计技术

对舰船动力系统运行安全管理系统设计中所需的设计规范、设计准则和设计流程进行研究，形成设计体系框架。

3)开放式系统结构设计技术

对舰船动力系统运行安全管理系统模块配置进行研究，采用模块化设计思想，将系统分解为标准组成模块并确定各模块功能。对各组成模块间的接口形式、接口关系及数据格式进行研究。建立舰船动力系统运行安全管理系统的开放式系统结构(Open system architecture for safety management system，OSASMS)。

4)系统总体方案设计技术

根据顶层设计的研究成果，针对典型动力系统(如柴－燃联合动力系统)，进行运行安全管理系统配置和总体方案的研究，对各动力设备运行安全管理分系统功能、接口和数据通信进行研究并提出相应要求。

3.2 动力设备安全管理技术

1)故障机理分析技术

针对柴油机拉缸［7］、燃气轮机压气机喘振［8］、主减速齿轮装置断齿［9］、轴断裂、调距桨卡滞等故障进行故障机理研究，深入分析研究故障现象、原因及二者之间的关系，建立起故障因果关系。

2)运行特征参数选取与信号采集技术

基于对各动力设备运行故障机理的研究，选取能表征各故障特点的特征参数，根据所选参数特点，结合舰上现有传感器种类及布置情况，进行检测方法选择、传感器选型、测点布置等研究。

3)信号处理与特征提取技术

根据所需采集的各类特征信号(如温度、压力和转速等)的特点，对所采集信号进行放大、整形和滤波等处理，针对振动信号等复杂信号采用FFT变换、小波分析等处理方法提取信号特征。

4)故障诊断数据库设计技术

数据库设计包括运行参数数据库和故障数据库的设计技术研究，根据各动力设备特征参数的不同特点，进行数据库结构设计，数据库接口设计，实时数据存储、压缩、迁移及过时数据自动淘汰等技术的研究。

5)故障诊断知识库设计技术

根据故障机理研究得到的现象与故障原因之间的关联，进行知识库设计，包括:知识获取与知识表达技术，知识库结构设计，知识库接口设计及知识库自学习技术。

6)智能化故障推理技术

对神经网络、模糊逻辑和灰关联分析等智能化推理方法进行研究，选取适合各动力设备特点的故障诊断推理方法并设计故障推理软件。

7)参数趋势预测技术

针对所需采集特征参数的不同特点(如渐变还是突变、波动性强弱等)，采用恰当的预测方法与预测模型对运行参数进行趋势预测技术研究，在数据准确预测的基础上，预测各动力设备运行可能将要发生的故障及发生时间，以期避免运行安全问题的发生。

8)安全评估技术

通过对各动力设备运行状态与各故障间关系的分析研究，开发合理的置信度较高的各动力设备安全评估模型，开发安全评估软件，使之可根据各动力设备故障诊断结果，对动力设备当前和未来一段时间的运行安全状态进行评估，将其划分为“正常、异常、危险、致命”4个级别。

9)决策支持技术

对各动力设备运行故障的解决方案进行深入研究，开发动力设备决策支持软件，使其能根据故障诊断和安全评估的结果，给出合理可行的解决安全问题的方案，指导机舱人员采取相应措施以排除故障或规避风险。

10)应急保护技术

对柴油机、燃气轮机等动力设备的应急保护技术进行研究，设计合理可行的应急保护措施，并研制相应的应急保护模块，对于各设备的重大安全问题及隐患，通过应急保护模块实现紧急停车、降负荷等操作，以免造成机器损毁及人员伤亡。

11)分布式系统通信技术

对现场总线技术、分布式网络通信技术进行研究，制定相关的通信协议与数据格式，设计接口形式，完成网络布置及硬件连接。

3.3 动力系统综合安全管理技术

1)系统综合故障诊断技术

通过深入分析研究各动力设备故障间的关联，对动力系统发生的故障进行综合诊断。对动力系统综合诊断知识库设计进行研究，将上述分析结果以知识的形式予以保存。对动力系统综合诊断知识库的自学习功能进行研究，使其在实际运行中根据具体结果不断学习不断充实完善。根据系统需要选取合理的推理方法设计动力系统综合故障诊断推理软件。

2)系统综合安全评估技术

通过对动力系统运行状态与各动力设备故障间关系全面、深入的分析，开发合理的置信度较高的舰船动力系统综合安全评估模型，开发综合安全评估软件。根据各动力设备故障诊断系统的诊断结果与动力系统综合故障分析的结果，使用综合安全评估模型对动力系统当前运行安全状态进行评估，并将系统运行的安全状态划分为“正常、异常、危险、致命”4个级别。

3)系统综合决策支持技术

对舰船动力系统运行故障的解决方案进行深入研究，开发动力系统综合决策支持软件，使其能根据系统综合故障分析结果和综合安全评估结果对动力系统重新进行优化配置与管理，并给出合理可行的解决安全问题的方案，指导机舱人员采取相应措施以排除故障或规避风险。结合综合故障分析的研究，对动力系统的应急保护技术进行研究，设计合理可行的应急保护措施，使之可根据动力系统综合决策支持的结果对动力系统进行保护。

4)系统远程通信技术

根据舰船动力系统运行安全管理系统的特点与要求，对系统远程通信的通信方式、数据传输格式、通信协议等技术进行研究，并对系统远程通信模块硬件的研制进行研究，对其软/硬件进行设计开发。

3.4 安全管理系统硬件设计技术

1)人机接口技术

设计开发各动力设备运行安全管理分系统人机接口的软件与硬件，实现各动力设备当前、未来安全状态及解决方案等的输出，以及机舱操作人员指令输入等功能。设计开发动力设备运行综合安全管理分系统人机接口，基于系统综合安全评估的结果，实现各动力设备故障状态、动力系统故障综合诊断结果、动力系统安全状态、动力系统决策支持结果以及远程通信结果的输出，并实现机舱操作人员指令输入等功能。

2)运行安全管理分系统硬件设计技术

根据系统集成要求，采用模块化设计的思想，分别设计开发具有标准接口的柴油机、燃气轮机、主减速齿轮装置、轴系及调距桨运行安全管理分系统样机，包括电源设计、抗干扰设计等在内的软件和硬件设计，使之既能独立地对各动力设备的运行安全进行管理，又可实现与综合安全管理分系统的集成。

3)动力系统运行安全管理系统硬件设计技术

根据开放式系统结构中对模块配置、接口等的要求，对舰船动力系统运行综合安全管理分系统各组成模块进行软/硬件设计，完成各功能模块与远程通信模块和人机接口模块间的集成，采用系统集成技术，实现各模块化分系统样机与综合安全管理分系统的数据、通信和人机接口等的集成，最终实现动力系统运行安全管理系统样机的研制。

3.5 硬件在环仿真试验验证技术

1)实时仿真软件开发技术

编制柴油机、燃气轮机、主减速齿轮装置和轴系及调距桨的实时仿真软件，使所开发软件既能满足精度要求，又分别能实时模拟各动力设备的运行并能模拟故障状态下的运行，从而可用于各动力设备运行安全管理分系统原理样机的试验验证。根据典型动力系统的具体配置，综合各动力设备的仿真模型，研究并建立整个动力系统的实时仿真软件，为整个动力系统运行安全管理系统验证提供基础。

2)输入/输出信号转换接口电路设计技术

根据各传感器及变送器输出信号的特点，开发硬件在环仿真平台的输入/输出信号转换接口电路。通过所开发的接口电路，使得仿真平台的输出信号与实际传感器和变送器的信号一致，并可采集原理样机或相关产品的输出信号。

3)系统硬件在环仿真试验平台设计技术

根据舰船动力综合安全评估及远程决策支持系统验证的需求，设计并建立硬件在环仿真试验平台，使之能应用所开发的舰船动力系统实时仿真软件，模拟舰船动力系统在不同安全状态下的运行，从而可用于系统硬件及后续相关产品功能的试验验证。

4)系统硬件试验验证技术

系统硬件试验验证是指在硬件在环仿真平台上对各动力设备运行安全管理分系统原理样机以及整个系统原理样机进行验证。根据实际需要，进行不同环境状态、不同持续时间和不同工况的试验，并形成试验操作流程与试验验收规范。

图4 舰船动力系统运行安全管理技术体系Fig.4 Safety management technology hierarchy of marine power system

上述5类26项技术即为构建舰船动力系统运行安全管理技术体系的主要技术，覆盖了从设计、研制到最终样机功能的试验验证，其结构如图4所示。

4 结语

本文通过对国内外相关技术现状与海军装备需求的分析，构建了舰船动力系统运行安全管理技术体系，覆盖了舰船动力系统运行安全管理系统研发所需的主要技术，为舰船动力系统运行安全管理技术研究和系统开发提供了重要参考。

［1］张键.机械故障诊断技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用［M］.北京:化学工业出版社，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.舰船远程监测与故障诊断系统的研究［J］.舰船科学技术，2004，26(2):48 －54.

［7］曹龙汉.柴油机智能化故障诊断技术［M］.北京:国防工业出版社，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，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.北京:机械工业出版社，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

杜剑维(1982－)，男，博士，工程师，主要从事舰船动力及电力系统研究与管理。