船舶舵机智能运维系统的设计与实现

李 沨， 张双喜， 华 霖

(武汉船用机械有限责任公司， 武汉 430084)

0 引 言

智能运维是指通过采用先进的故障诊断、大数据和人工智能等技术，将传统的以人工为主的运维管理转变为自动化、信息化的智能运维管理。智能运维通过采用数据采集和分析等技术对传统的运维进行升级，自动识别设备在运行过程中存在的安全隐患，及时对已发生或将要发生的故障发出警报，从而辅助运维管理者消除设备的安全隐患，对故障原因进行判断和处理。

舵机作为船舶操控执行装置，在控制船舶运行、保持船舶航向方面具有重要作用，其安全性和可靠性备受关注。与飞机、汽车等交通工具相比，船舶具有航行周期长、航行环境复杂多变和远程维修困难等特点，保障舵机在船舶航行过程中的安全可靠运行尤其重要。

对于以舵机为代表的船舶机电设备而言，为提升其运维管理效率，需减少设备故障的发生，提升故障停机处理效率，降低设备运维成本。因此，迫切需要开展智能运维技术研究，保证设备处于良好的运行状态，减少故障的发生，缩短设备维修时间，提高设备维护保养效率。

1 舵机及其运维技术发展现状与需求

1.1 舵机发展现状

在船舶舵机发展过程中，其驱动方式经历了蒸汽传动、电气传动和液压传动等3个阶段的转变;电气式控制系统的反应速度快且故障发生率低，在现代船舶舵机遥控系统中具有广泛应用。当前，船舶舵机基本上全部采用电控液压舵机，其主要由转舵机构、液压系统和控制系统组成。

1.2 舵机运维技术发展现状与需求

目前很多航运公司都制定有舵机运维保养制度，定期对舵机进行维修保养，将日常养护与计划检修相结合，实现对设备的维修保养。但是，在实际运营过程中，通常存在以下问题：

1) 在舵机发展过程中，越来越多的高新技术得到运用，舵机的信息化和集成化程度日益提升，已从传统的机械式结构发展为机、电、液多学科耦合的复杂系统，运维所需技术的难度因设备复杂程度的提升而急剧增大，对船员的技术水平提出了很高的要求；

2) 设备生产厂商难以获取设备的实时数据和历史数据，在提供运维服务时，往往是被动的，需在到达现场之后进行故障分析、故障定位、维修计划制订和故障维修等工作，造成维修保养服务周期较长，效率较低，成本较高；

3) 当前船上的舵机舱通常为无人机舱，在使用设备过程中,因设备性能劣化而引发的故障往往不能及时发现，更无法做到提前预警，导致故障的影响程度增加，维修复杂。

为提升舵机运行的可靠性，船舶所有人对舵机运维存在迫切需求，主要体现在以下几个方面：

1) 提高设备的自动化、数字化和智能化程度，使用方法应简单易学；

2) 设备具有故障诊断功能，对于常见故障，能实现自主判定和主动报警提示，并能提供故障排查和处理意见；

3) 岸端具有专家支持协同系统，若遇到复杂故障，船员可快速得到岸基的专家系统提供的故障处理方案；

4) 在岸端建立专家知识库，不同航运公司之间可协同共享，即针对同一故障现象，可通过专家知识库实现对故障的快速检索和共享，以缩短故障处理时间。

2 舵机智能运维系统架构和功能设计

以某7 500载重吨散货船配置的电液式转叶舵机为研究对象，面向舵机船岸协同的智能运维管理需求，通过对舵机的状态监测、故障诊断、健康管理和知识库等技术进行研究，开展船岸一体的舵机智能运维系统设计。

2.1 舵机智能运维系统架构

舵机智能运维系统总体架构采用模块化设计理念设计，其中:横向上按功能需求和业务场景分模块对系统的软件功能进行设计;纵向上按数据采集、数据交互和应用呈现等数据流向对系统的硬件网络架构进行设计。系统总体架构见图1，包含船端应用和岸基应用2部分。

图1 舵机智能运维系统总体架构

2.2 软件功能设计

2.2.1 智能运维系统船端应用

舵机智能运维系统船端应用的功能设计见表1。

表1 舵机智能运维系统船端应用的功能设计

1) 状态监测：状态监测模块面向操舵控制系统采集的舵机实时状态数据，在人机交互界面实时显示状态数据，以便操舵人员及时获取舵机的状态信息；针对某些具备阈值范围的监测点位，设计实时报警界面，以在舵机状态数据超过阈值时能实时报警，提醒操舵人员设备出现了异常。

2) 故障诊断：故障诊断模块面向设备常见的综合故障，基于武汉船用机械有限责任公司多年来积累的舵机设计经验和故障诊断经验，形成故障诊断模型，通过数据采集与分析技术，识别设备的典型故障模式，给出设备健康评价和故障判定结果，在预警和报警的条件下推送维护和维修建议，并根据实船运行状态，人工制订和管理运维计划。

常见的舵机故障可分为基于单个监测点的超阈值故障和基于复杂故障原因的综合故障2种。

1) 超阈值故障：超阈值故障是指引发故障的原因单一，可通过某个数值的异常进行判定的故障。电液式舵机中常见的超阈值故障报警有主电源失效、控制电源失效、电机过载、电机断相和滤器堵塞等，系统可通过监测这些点位的实时状态数据，根据其是否超过设定的报警阈值判断舵机是否出现超阈值故障。

2) 综合故障：综合故障是指引发故障的原因不单一，无法通过某个数值的异常进行判定的故障。电液式舵机中常见的综合故障有操舵失效、转舵慢、滞舵和跑舵等。电液式舵机的综合故障判断过程相比超阈值故障更为复杂，此类故障为复合型故障，需通过复杂的关联参数逻辑模型进行判断。

2.2.2 智能运维系统岸基应用

舵机智能运维系统岸基应用的功能设计见表2。

表2 舵机智能运维系统岸基应用的功能设计

1) 远程状态监测：远程状态监测功能主要是在岸端实现对舵机监测点位数据的实时显示，对具备状态报警功能的监测点设置阈值，实现舵机监测点超阈值故障报警，并通过图形化的方式对部分历史数据进行统计和显示。

2) 远程健康管理：远程健康管理功能主要是对舵机的综合故障报警信息进行记录和展示，并通过图形化的方式对故障信息进行多维度的统计和显示。

3) 远程专家诊断：远程专家诊断功能面向船端舵机出现的，船端应用故障诊断模型未主动判定，且船端工作人员依靠经验无法判断的故障，由船端人员发起远程专家故障诊断申请，岸基应用提供远程专家人工诊断和诊断意见反馈。

4) 远程运维管理：远程运维管理功能面向岸基船舶所有人的监管需求，支持岸基远程向船端人员提醒运维计划到期情况。此外，该功能还可实现对新增设备信息的录入和对设备基础信息的维护管理。

2.3 硬件网络设计

根据船舶总体设计要求，为提升船岸无线通信网络的安全性，船岸数据交互统一由船舶所有人的船载数据集成系统和岸基数据服务中心承担，即船端与岸端分别由船载数据集成系统和岸基数据服务中心统一进行设备船岸交互数据的集成和分发。硬件网络设计要点如下：

1) 船端配置工控机，用于搭载舵机智能运维系统船端应用软件和软网关；

2) 舵机智能运维系统应用功能实现所需的数据源均由操舵控制系统提供；

3) 操舵控制系统通过交换机实现与船端工控机硬件接口的连接，通过软网关实现舵机状态数据上传和集成；

4) 为降低船端网络风暴风险和各系统之间的网段划分，避免舵机设备的IP(Internet Protocol)地址与船上其他设备的IP地址存在冲突，舵机智能运维系统与船载数据集成系统之间的网络连接设备选用路由器;

5) 舵机智能运维系统岸基应用部署在云端，基于VPN(Virtual Private Network)技术使专用链路与岸基数据服务中心建立连接，通过“中间件”的方式实现与岸基数据服务中心的数据交互。

舵机智能运维系统硬件网络架构见图2。

图2 舵机智能运维系统硬件网络架构

3 舵机智能运维软件实现

3.1 船端应用软件实现

本文所述7 500载重吨散货船舵机智能运维系统的船端应用部署在船上的工控机中，为使该船端应用能满足离线环境下的独立部署和运行需求，采用C#语言对其进行软件代码级开发，实现对该船端应用的功能逻辑开发和可视化应用呈现等。

3.1.1 状态监测功能

由操舵控制系统采集舵机的状态监测点位，通过部署在船端工控机上的软网关对状态数据进行接入和读取，并按一定的规则将其存放于船端工控机的数据库中。在船端应用的前台界面设计实时状态和实时报警显示界面，在软件后台设计舵机状态信息显示逻辑和报警阈值，通过调用数据库中关联的实时状态数据，实现对设备状态和报警状态的显示。船端应用实时状态和实时报警显示界面分别见图3和图4。

图3 船端应用实时状态显示界面

图4 船端应用实时报警显示界面

3.1.2 故障诊断功能

通过软件编程的方式将舵机的综合故障报警模型嵌入船端应用软件程序后台，故障诊断功能模块根据故障模型和操舵控制系统实时采集的设备状态数据，对舵机综合故障进行自动判定和报警，并针对故障诊断结果给出故障维修建议和电子维护手册。为便于操舵人员对故障诊断结果进行核对，系统还设计有历史状态数据查询功能，用户可通过选择点位和查询时间区间，实现对舵机历史数据的查询。船端应用故障诊断功能界面见图5。

图5 船端应用故障诊断功能界面

3.2 岸基应用软件实现

该7 500载重吨散货船舵机智能运维系统岸基应用依托武汉船用机械有限责任公司的工业互联网平台(即船用设备互联服务平台)开发，借助该平台的泛在连接、云化服务、知识积累、算法模型和个性化定制的特性，实现高水平、高效率的轻量化设计、并行设计、敏捷设计、交互设计和基于模型的设计。舵机智能运维系统岸基应用的远程状态监测、远程健康管理、远程专家诊断和远程运维管理等功能均通过平台工具进行低代码配置化实现。舵机智能运维系统岸基应用主界面见图6。

图6 舵机智能运维系统岸基应用主界面

4 结 语

本文面向船用舵机运维的现状和需求，开展了舵机智能运维系统总体架构和功能设计，基于工业互联网平台进行了舵机智能运维系统软件设计开发。此外，以7 500载重吨散货船为示范船，对该舵机智能运维系统进行了实船示范应用。结果表明，该舵机智能运维系统的应用效果较好,有助于保障舵机平稳运行，降低设备运维成本,提高设备运维管理水平。