1 引 言

隨著現(xiàn)代艦船新技術(shù)、新裝備應(yīng)用程度的不斷提高，艦船動(dòng)力裝置日趨復(fù)雜[1]。一個(gè)集機(jī)、電、熱、液為一體的復(fù)雜艦船動(dòng)力裝置系統(tǒng)，故障激發(fā)源多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境也受艦體狀況、航行條件、主機(jī)運(yùn)行工況等因素的影響，所以以分布性和并發(fā)性為特征的復(fù)雜診斷問(wèn)題日益突出[2,3]，對(duì)故障診斷技術(shù)提出了更高的要求。本文根據(jù)艦船動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)、功能以及故障上都具有非常良好的層次特性，采用綜合層次分類(lèi)方法來(lái)建立艦船動(dòng)力裝置的分類(lèi)層次體系。綜合層次分類(lèi)方法在故障診斷中的應(yīng)用有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 將診斷對(duì)象按其結(jié)構(gòu)、功能和故障進(jìn)行層次分析，規(guī)范了診斷范圍，明確了推理路徑。

2) 在診斷過(guò)程中可以將故障縮小在一定范圍內(nèi)，并能快速、準(zhǔn)確地確定故障的類(lèi)型和具體物理位置，是解決復(fù)雜診斷問(wèn)題的有效方法。

3) 運(yùn)用綜合層次分類(lèi)方法建立的模型對(duì)構(gòu)建簡(jiǎn)便、實(shí)用的艦船動(dòng)力裝置故障診斷系統(tǒng)具有重要意義。

2 艦船動(dòng)力裝置特點(diǎn)分析

艦船動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)目眾多，是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)是由有限的零、元部件按一定的方式和要求集合而成的，也就是說(shuō)是由零、元部件和零、元部件之間的聯(lián)系構(gòu)成的。在此，廣義地稱(chēng)零、元部件為元素，而將零、元部件之間的聯(lián)系簡(jiǎn)單稱(chēng)之為聯(lián)系。而元素間的聯(lián)系失調(diào)是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的重要因素之一。因此，本文首先對(duì)艦船動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)、功能和故障特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

顯然，在復(fù)雜系統(tǒng)中，較低層的元素可以集合成高層的更大的元素，而高層的較大的元素亦可以分解為較低層的較小的元素。最高層的元素就是復(fù)雜系統(tǒng)本身，最低層的元素就是元部件或零件[4]。很自然地，我們可以根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)層次性這一特征，對(duì)艦船動(dòng)力裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，將其分為系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)和零件級(jí)等幾個(gè)層次，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分層圖

2.2 功能特點(diǎn)分析

艦船動(dòng)力裝置作為復(fù)雜系統(tǒng)，聯(lián)系是構(gòu)成它的兩大要素之一。從性質(zhì)上來(lái)分，聯(lián)系可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能性聯(lián)系；一類(lèi)是非功能性聯(lián)系。功能性聯(lián)系是指將有關(guān)元素相聯(lián)而構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)這一類(lèi)聯(lián)系。例如，機(jī)械零、部件之間的各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)副及安裝位置等。非功能性聯(lián)系是指元素之間沒(méi)有功能關(guān)系的聯(lián)系。例如，由工作元件或工作副產(chǎn)生的振動(dòng)、熱量等，有可能會(huì)波及到設(shè)備的其它元素或聯(lián)系，這種由振動(dòng)、熱量等產(chǎn)生的聯(lián)系即為非功能聯(lián)系。由此可知，在功能上，艦船動(dòng)力裝置是一定功能單元的組合體，每一個(gè)組合單元都要實(shí)現(xiàn)一定的功能并共同完成系統(tǒng)的整體功能[5]。在功能上，艦船動(dòng)力裝置具有圖2的特性?？梢?jiàn)，艦船動(dòng)力裝置在功能上是有其層次性的。

圖2 復(fù)雜系統(tǒng)的功能分層圖

2.3 故障特點(diǎn)分析

由于絕大多數(shù)診斷對(duì)象、特別是機(jī)械設(shè)備類(lèi)診斷對(duì)象的故障都具有相同的產(chǎn)生和傳播機(jī)理，導(dǎo)致其故障特點(diǎn)亦具有相當(dāng)大的共性。因此，本研究從分析一般機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的故障產(chǎn)生和傳播機(jī)理著手，聯(lián)系艦船動(dòng)力裝置故障實(shí)際，歸納出艦船動(dòng)力裝置的故障特點(diǎn)。

圖3 復(fù)雜系統(tǒng)的故障分層圖

3 綜合層次分類(lèi)模型的建立

由上面的分析可知：故障診斷和層次分類(lèi)之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，艦船動(dòng)力裝置無(wú)論是結(jié)構(gòu)、功能以及故障上都具有非常良好的層次特性，因而可以采用綜合層次分類(lèi)方法來(lái)建立艦船動(dòng)力裝置的分類(lèi)層次體系。

3.1 結(jié)構(gòu)、功能和故障分解方法簡(jiǎn)介

在建立艦船動(dòng)力裝置分類(lèi)層次時(shí)綜合采用結(jié)構(gòu)分解、功能分解和故障分解的方法，下面對(duì)建立艦船動(dòng)力裝置的綜合層次分類(lèi)體系中的這3種分解方法分別進(jìn)行介紹。

1) 結(jié)構(gòu)分解：結(jié)構(gòu)分解是指從結(jié)構(gòu)上對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行分解，把系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分解為下一層次的子結(jié)構(gòu)，而每一子結(jié)構(gòu)又可分解為更下層次的子結(jié)構(gòu)，這種分解可以直至最低層次的零部件。例如，可將艦船動(dòng)力裝置系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)分解為艦船主動(dòng)力裝置系統(tǒng)故障和輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)故障等兩大類(lèi)。以診斷對(duì)象的結(jié)構(gòu)分解為基礎(chǔ)而建立的分類(lèi)層次稱(chēng)為結(jié)構(gòu)分類(lèi)層次。

2) 功能分解：功能分解是指從功能上對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行分解，把系統(tǒng)的總體功能分解為下一層次的子功能，而每一子功能又可分解為更下層的子功能，這種分解可以直至基本功能，即沒(méi)有子功能的功能。對(duì)系統(tǒng)的功能分解深度依賴(lài)于下一層次的分解對(duì)診斷的有用程度，如果下一層次的功能分解對(duì)診斷工作沒(méi)有多大的意義，則認(rèn)為這一層次的功能就是基本功能。例如，對(duì)柴油主機(jī)冒黑煙故障，可將其功能分解為供油故障和供氣故障兩大類(lèi)。以診斷對(duì)象的功能分解為基礎(chǔ)建立的分類(lèi)層次稱(chēng)為功能分類(lèi)層次。

3) 故障分解：故障分解是指從故障類(lèi)型上對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行分解，下層子故障總是上層父故障的特例，上層父故障則是下層子故障的概括，這種分解可以直至最具體的故障。例如，對(duì)柴油主機(jī)排煙不正常故障，可將其故障分解為冒黑煙故障、冒藍(lán)煙故障以及冒白煙或灰白煙故障3大類(lèi)。以診斷對(duì)象的故障分解為基礎(chǔ)建立的分類(lèi)層次稱(chēng)為故障分解分類(lèi)層次。

3.2 分層建模需要考慮的因素

在建立艦船動(dòng)力裝置分類(lèi)層次過(guò)程中，考慮到了如下幾個(gè)因素的影響：

1) 基于結(jié)構(gòu)、功能以及故障分解的3種分類(lèi)層次的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)分類(lèi)層次具有自然的“樹(shù)”型結(jié)構(gòu)，1個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，最底層的結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的零部件，因此，以此為基礎(chǔ)的診斷可最終確定系統(tǒng)故障的物理位置；但結(jié)構(gòu)分類(lèi)層次難以表達(dá)各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，對(duì)于由于聯(lián)系劣化而引起的故障難以反映。功能分類(lèi)層次并不涉及系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，而只涉及系統(tǒng)不同層次的功能模塊，因此無(wú)論是元素的故障還是聯(lián)系的故障都能反映出來(lái)；但以此為基礎(chǔ)的診斷最終確定的只能是失效的功能模塊，而不是系統(tǒng)故障的物理位置。故障分類(lèi)層次同人類(lèi)專(zhuān)家診斷的思維過(guò)程相一致，且可以直接將所有的故障類(lèi)型都表示出來(lái)；但由于故障分類(lèi)層次表示的只是故障的類(lèi)型，所以以此為基礎(chǔ)的診斷有時(shí)也難以確定系統(tǒng)故障的物理位置。

2) 基于結(jié)構(gòu)、功能以及故障分解的3種分類(lèi)層次之間亦存在著非常緊密的聯(lián)系。

3) 綜合層次分類(lèi)方法綜合了基于結(jié)構(gòu)、功能以及故障分解的3類(lèi)方法，在具體應(yīng)用時(shí)需要把握以下2個(gè)原則： 針對(duì)所研究的對(duì)象盡可能地搜集更多的資料，結(jié)合結(jié)構(gòu)、功能以及故障進(jìn)行整理；盡可能多地征詢(xún)所涉及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕ㄗh，降低個(gè)體主觀因素，提高故障診斷的準(zhǔn)確率。

圖4 綜合層次分類(lèi)法在故障診斷中的應(yīng)用流程圖

4) 為了提高故障診斷的準(zhǔn)確率和效率，在進(jìn)行故障診斷工作時(shí)，總是綜合使用上述的多種方法，在診斷的不同階段，選用最為適合的某一種具體分解方法或幾種方法的綜合。如圖4所示，在對(duì)柴油主機(jī)故障進(jìn)行診斷時(shí)，如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生故障，則確定故障是調(diào)速系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、排煙不正常、工作參數(shù)異常等故障中的哪一種；若確認(rèn)是排煙不正常故障，接著判斷是屬于冒黑煙、冒藍(lán)煙、還是冒白(灰白)煙故障，利用的是故障分解的方法；在對(duì)柴油主機(jī)冒黑煙故障進(jìn)行診斷時(shí)，首先診斷是由供油故障所引起，還是由供氣故障所引起，利用的是功能分解的方法；如果確認(rèn)是由供氣故障所引起，則可進(jìn)一步確認(rèn)是由氣筏漏氣、增壓器供氣不足、空氣冷卻器堵塞故障中哪一個(gè)故障所引起，利用的是結(jié)構(gòu)分解和故障分解的綜合方法。

所以，在建立艦船動(dòng)力裝置的分類(lèi)層次中，可以綜合采用基于結(jié)構(gòu)、功能及故障分解的方法，以便建立1個(gè)最適合艦船動(dòng)力裝置特點(diǎn)的綜合分類(lèi)層次，降低診斷求解的復(fù)雜性。

4 應(yīng)用實(shí)例

將上述方法應(yīng)用于某采用噴水推進(jìn)方式的動(dòng)力裝置中，得到如圖5所示的綜合層次分類(lèi)的結(jié)構(gòu)體系模型。該動(dòng)力裝置的分類(lèi)層次建立時(shí)，遵循了這樣的指導(dǎo)思想：在高層多采用結(jié)構(gòu)或功能分解方法，以減少分類(lèi)過(guò)程的搜索量，并為進(jìn)一步分類(lèi)指出正確方向，如噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置和主動(dòng)力裝置在分層時(shí)都采用了結(jié)構(gòu)分解或者功能分解，在柴油機(jī)及輔助系統(tǒng)、噴水推進(jìn)裝置和軸系的第一層分解也利用了功能分解；而中間層次和較低層次多采用故障分解方法，以適應(yīng)人們進(jìn)行故障診斷工作時(shí)的思維習(xí)慣，如柴油機(jī)及輔助系統(tǒng)的供油裝置及燃油系統(tǒng)、噴水推進(jìn)裝置的液壓系統(tǒng)和軸系的軸承在分層時(shí)采用故障分解；在最底層多采用結(jié)構(gòu)分解與故障分解的綜合方法，以達(dá)到通過(guò)診斷求得故障的具體物理位置和類(lèi)型的目的，如噴油泵在分層時(shí)采用結(jié)構(gòu)分解與故障分解的綜合方法。

圖5 噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置基于結(jié)構(gòu)、功能和故障綜合層次分類(lèi)的結(jié)構(gòu)體系圖

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)艦船動(dòng)力裝置特點(diǎn)分析，針對(duì)其結(jié)構(gòu)、功能和故障上良好的層次特性，運(yùn)用綜合層次分類(lèi)方法建立了噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置的層次診斷模型。該方法用于艦船動(dòng)力裝置這一類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷和定位比較科學(xué)合理，且該方法具有簡(jiǎn)潔、高效的特點(diǎn)，可以有效地提高診斷效率和準(zhǔn)確率，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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