船舶机电系统综合状态评估与健康管理系统的开发与应用

张成伟　许萌萌　张羽　张一帆　习文

摘要：文章介绍了船舶机电系统综合状态评估与健康管理系统的体系结构、功能构成、功能设计及工程实施，给出了系统的应用效果以及国内外相似系统的对比，该系统的开发有助于维修保障体系向视情维修保障的转变。

关键词：船舶机电系统；综合状态评估；健康管理

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0104-02

1 概述

目前船舶领域的设备维修保障通常采用的还是“事后维修”和“计划维修”相结合的方式，容易造成欠维修和过维修的事件发生，影响了船舶的在航率和全寿命周期维修费用的增加。

综合状态评估与健康管理技术涉及信号采集与处理、故障诊断、状态评估与预测、多因素决策等多个技术领域，主要利用先进的传感器和运行网络，获取船舶装备的各类信息，通过各种智能算法和模型来评估、诊断和管理装备的状态，并根据装备的实际状态确定最佳使用和维修方案，为船舶装备发挥最大作战效能提供支撑和保障。

近年来，综合状态评估与健康管理技术在美、英、德、加拿大、荷兰、新加坡、南非、以色列等国空军及海军以及我国航空航天、海军等国内外军方和工业界都受到了广泛关注，各方都在积极采取各种方式加速该军民两用技术的开发和利用。我国商飞更是把故障预测与健康管理系统（Prognositic and Health Management，PHM系统）作为其标志性技术之一。

综合状态评估与健康管理技术国外军方方面也应用甚广，在美国海军方面，自1995年实施“智能舰“计划后，预测未来海军船舶作战环境将由历来的平台中心战转向以网络中心战为重点的模式。“智能舰”平台管理系统主要包括：光纤局域网（SWAN）、综合状况评估系统（Integrated condition assess syetem，综合状态评估系统）、综合舰桥系统（IBCS）、损管控制系统（BDCS）、机械控制监控系统（MCMS）、燃料控制系统（FCS）等。其中，ICAS系统是实现船舶状态评估及维护的重要功能系统。此后，美国海军率先在“约克敦”号巡洋舰上成功应用了ICAS系统。由于该系统的应用能够有效提高船舶装备使用效率、减少舰员数量、节约全寿命周期费用并延长船舶寿命，该系统被美海军全面推广使用。

因此开展综合状态评估与健康管理系统的研制已成为国内外军民应用领域的重大课题，并已在逐步实施，我国船舶无论军民应用领域都应该加强研究。

2 系统功能构成分析

从系统的使命任务和系统架构角度来看，系统应该具备设备层、数据层、信息层、知识层和知识应用层五层架构体系，采用“5D”系统化方法论（数据、数字化、深度挖掘、传递和决策），实现设备、数据、传输、评估与预测、决策、功能应用；从功能定位和应用角度来看，系统应该具备综合状态监测、综合状态评估、综合故障诊断、健康管理的功能。

3 系统功能设计与实现

3.1 硬件配置要求

综合状态评估与健康管理系统的硬件主要包括监控台、服务器、在线信号采集与处理装置、离线数据采集与分析设备、各类传感器。

综合状态评估与健康管理系统采用C/S的体系架构，监控台运行系统的客户端软件，用于与用户的信息交互；服务器作为系统的数据运算与存储中心，是系统的核心；在线信号采集与处理装置实现传感器信号的高速同步采集、数据预处理、数据传输，实现有效信号的提取与数据轻量化传输；离线数据采集与分析设备实现离线数据的采集与分析，作为载体实现维修现场指导；各类传感器用于获取设备的状态信息，包括振动、瞬时转速、温度、压力、流量、功率等。

3.2 系统功能设计与实现

系统的功能设计包括综合状态监测、综合状态评估、综合故障诊断、健康管理功能和数据库管理模块。下面简要描述各模块的功能。

3.2.1 综合状态监测

综合状态监测功能船舶机电系统，通过在线和离线手段相结合的方式全面获取、显示和对象使用和维护相关的数据信息，其信息种类主要包括：设备状态信息、环境类信息、设备及人员活动信息，通过健康、亚健康、一般故障、严重故障四种状态显示设备的状态。

3.2.2 综合状态评估

对影响机电系统及其重要设备的安全可靠经济运行的状态进行评估，包括系统能力评估、设备安全性评估、可靠性评估和状态评估分析工具。

系统能力评估是针对船舶出航的使命任务要求，结合各设备的状态评估结果、各设备在任务下的工作分工，评估得到船舶机电系统现有能力是否可以保证船舶的出航使命任务达成及其达成的概率。

设备安全性评估是针对影响设备安全运行的状态进行评估。

设备可靠性评估是针对设备可靠运行的性能状态参数进行评估。

状态分析工具是针对各类性能参数，为用户提供可以多维度、多视角分析设备状态的根据，包括参数趋势分析工具、参数异常点检测分析工具、瞬时转速分析工具、振动分析工具（时频域分析）等。

3.2.3 综合故障诊断

为实现对影响装备安全可靠运行的重要报警或异常的定位与原因分析，辅助舰上人员缩小排故范围、提高排故效率，提供多种排故手段，包括故障辅助排查定位、故障影响分析、故障知识库管理功能。

3.2.4 健康管理

针对机电系统的设备，為实现装备状态在全寿命周期内的有效管理，提供多种健康管理手段，包括使用辅助决策、维护状态管理、维修状态管理、数据管理、健康档案管理，实现机电系统及其设备的使用辅助决策、维修辅助决策和全寿期的数据管理。

4 系统应用情况

目前综合状态评估与健康管理系统的主要有美海军的ICAS系统、美空军的PHM系统。美海军的ICAS系统主要是在已有监控系统的基础上，新增部分传感器，实现设备状态的评估与故障诊断；美空军的PHM的系统主要包括故障预测和健康管理系统，是非实时系统。与以上美空军PHM系统相比，船舶机电系统综合状态评估与健康管理系统的实时性强，覆盖设备多、种类广；与ICAS系统相比，本系统的功能全、评估精度高、流程全面性高。

自主研发的船舶机电系统的综合状态评估与健康管理系统已在我海军领域的水面船舶上全面应用，通过对船舶机电系统及其重要设备（燃气轮机、柴油机、齿轮箱等）状态监测、状态评估、故障诊断和健康管理的功能应用，基于设备状态并面向系统任务的使用与维修活动的辅助决策支持，本系统在人员排故效率、维修费用节约等方面得到了较大提高，进而朝着船舶使用的智能化与保障的自主化方向进行有效的发展。

5 结束语

该系统的成功研制，为船舶装备的状态掌握供了先进的技术手段，对促进船舶机电系统由“粗放型”管理向“精细化”管理的转变提供了技术支撑，促进了海军船舶机电系统的视情使用、视情维修和视情管理工作的进程，最终为保证船舶机电系统安全可靠运行、船舶高效运转，提高在航率，具有十分重要的意义。