許小偉，范世東

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

維修理論

基于PHM的船舶維修大綱的優(yōu)化研究

許小偉1,2，范世東1

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

為了改變船舶落后的傳統(tǒng)維修理念，完善并優(yōu)化設(shè)備的維修大綱和維護(hù)計(jì)劃，引入故障診斷與健康管理(PHM)技術(shù)，建立了基于PHM的船舶維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作平臺(tái)和優(yōu)化流程。以某航道單位挖泥船為對(duì)象進(jìn)行實(shí)例分析，剖析其全壽命周期維修性變化趨勢(shì)，通過(guò)維修大綱的優(yōu)化提高了船舶設(shè)備的可靠性和維修性。

PHM；船舶；維修性；維修大綱的優(yōu)化

在過(guò)去幾十年中，我國(guó)航運(yùn)業(yè)主要采用事后維修和定期預(yù)防維修的方式。在傳統(tǒng)的維修決策中，主要依據(jù)船舶維護(hù)保養(yǎng)體系CWBT、法定檢驗(yàn)規(guī)則、設(shè)備制造廠(chǎng)商的建議和船舶維修人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)有效的定量分析模型以及模型分析所需的大量數(shù)據(jù)。因而船舶設(shè)備的維修方式缺乏針對(duì)性和精確性，維修人力、物力資源得不到合理配置，維修的經(jīng)濟(jì)性和有效性、設(shè)備的安全性和可靠性不能得到真正的保證[1]。目前，經(jīng)驗(yàn)豐富的船舶維修人員多從事一線(xiàn)生產(chǎn)工作，亟需先進(jìn)的維修知識(shí)和相關(guān)理論；而維修理論的研究人員不熟悉實(shí)際維修的工作特點(diǎn)，對(duì)工程實(shí)踐中的應(yīng)用問(wèn)題考慮較少，在維修方面的研究偏重于理論分析和公式推導(dǎo)，其研究成果對(duì)工程應(yīng)用缺乏指導(dǎo)作用。

大多數(shù)船舶在交接時(shí)缺乏系統(tǒng)、完整的維修大綱；多數(shù)船務(wù)公司仍主要采用傳統(tǒng)的事后維修和定期維修策略。多數(shù)情況下，設(shè)備維護(hù)只是簡(jiǎn)單地更換無(wú)法再使用的設(shè)備或部件，很少進(jìn)行故障分析和維修優(yōu)化等工作；同時(shí)，設(shè)備維修缺少管理層的有效預(yù)算控制和大力支持，船務(wù)公司時(shí)常把設(shè)備維修和設(shè)備監(jiān)控混淆起來(lái)，造成設(shè)備的維修管理系統(tǒng)失靈，導(dǎo)致被動(dòng)式的而不是主動(dòng)式的維護(hù)。因此，進(jìn)行基于PHM的船舶維修大綱的優(yōu)化研究具有非常重要的意義。

1 PHM技術(shù)簡(jiǎn)介

故障預(yù)測(cè)與健康管理( PHM, Prognostics and Health Management),即根據(jù)各種先進(jìn)的傳感器采集設(shè)備的各種數(shù)據(jù)信息，融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘、模糊識(shí)別和專(zhuān)家系統(tǒng)等眾多推理技術(shù)，分析評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備故障發(fā)生的時(shí)間；根據(jù)設(shè)備的維修性要求和相關(guān)的維修理論，結(jié)合各種可利用的維修資源信息，制定系列的維修決策方案，采取相應(yīng)的保障措施，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修[2-3]。

上世紀(jì)90年代，在美國(guó)國(guó)防部的支持下，洛克希德-馬丁(Lockheed Martin)公司提出了F-35聯(lián)合攻擊機(jī)的PHM 系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)機(jī)載信息進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理，綜合運(yùn)用了多種診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)，集部件、分系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)監(jiān)控策略于一體的體系結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著PHM技術(shù)的誕生[4]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，為實(shí)現(xiàn)武器設(shè)備預(yù)防性維修、自主式保障、全壽命周期管理等新思想、新理論的關(guān)鍵技術(shù)，PHM技術(shù)在西方軍事強(qiáng)國(guó)得到高度重視和推廣應(yīng)用。如今，在新一代的飛機(jī)、艦船及車(chē)輛等系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中， PHM系統(tǒng)逐漸成為不可或缺的組成部分；在核電設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置等多個(gè)領(lǐng)域，PHM技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用[5-9]。

在艦船領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)PHM理論的分析，明確艦船設(shè)備PHM系統(tǒng)的功能，對(duì)PHM技術(shù)應(yīng)用于艦船設(shè)備維修保養(yǎng)中的有效性和可行性進(jìn)行研究，初步構(gòu)建艦船設(shè)備PHM系統(tǒng)的組成，并對(duì)其中的關(guān)健技術(shù)進(jìn)行分析，指出艦船設(shè)備維修保障中引入PHM技術(shù)的發(fā)展方向[10-11]。

2 基于PHM的維修系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)船務(wù)公司制定的維修大綱或者維修技術(shù)規(guī)程，結(jié)合本單位研發(fā)的船舶遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，以設(shè)備的最佳維修時(shí)機(jī)為優(yōu)化目標(biāo)，以系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于PHM的船舶全壽命周期維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)。

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)船舶維修大綱的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合PHM系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建了如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，船舶維修大綱的制定依據(jù)包括3個(gè)方面：一是輪機(jī)管理人員的經(jīng)驗(yàn),二是船檢部門(mén)的法定檢驗(yàn)和相關(guān)的政策法規(guī),三是船舶維護(hù)保養(yǎng)體系CWBT，但沒(méi)有得到有效運(yùn)用。然后，通過(guò)對(duì)設(shè)備的可靠性、維修性和保障性分析，制定了設(shè)備初步的維修大綱。經(jīng)過(guò)基于PHM技術(shù)，從樣本量、使用時(shí)間以及使用環(huán)境等方面考慮，進(jìn)行設(shè)備的故障預(yù)測(cè)與健康管理，對(duì)維修大綱逐步優(yōu)化，制定明確的維修計(jì)劃。

基于PHM的船舶維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)包括6個(gè)子模塊，但是各模塊之間并沒(méi)有明顯界限，存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋[12-13]。其中數(shù)據(jù)采集模塊位于船載監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)中，其它模塊位于岸載的機(jī)務(wù)管理中心處，二者之間通過(guò)船岸無(wú)線(xiàn)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。各模塊的功能如下。

1)數(shù)據(jù)采集模塊。采集船舶的狀態(tài)參數(shù)，其數(shù)據(jù)來(lái)源包括船舶自帶的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)、加裝的機(jī)艙傳感器群以及機(jī)內(nèi)自測(cè)試系統(tǒng)(BIT)。其中，機(jī)艙傳感器群采集各個(gè)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)、齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)、滑油和燃油的油液信號(hào)以及柴油機(jī)工作相關(guān)的熱力參數(shù)。

圖1 基于PHM船舶維修大綱的優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)圖

2)數(shù)據(jù)處理模塊。利用加窗濾波、Gabor 變換、FFT變換、Hilbert變換等數(shù)學(xué)工具，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將采集的原始數(shù)據(jù)和處理的結(jié)果導(dǎo)入狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份。

3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。利用故障診斷機(jī)理分析的結(jié)果，建立故障診斷模型，確定故障的判據(jù)。然后對(duì)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取相應(yīng)的特征參數(shù)，同預(yù)定的故障閥值進(jìn)行比較，判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，如果故障則進(jìn)一步明確其故障位置。

4)健康評(píng)估模塊。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史信息和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，分析監(jiān)測(cè)對(duì)象故障劣化的趨勢(shì)，評(píng)估其健康狀態(tài)，判斷是否需要進(jìn)行維修或者保養(yǎng)。

5)故障預(yù)測(cè)模塊。故障預(yù)測(cè)能力是PHM技術(shù)的顯著特征之一，綜合利用健康評(píng)估模塊，采用專(zhuān)家系統(tǒng)、支持向量機(jī)、模糊算法等智能模型，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的故障發(fā)展趨勢(shì)以及未來(lái)的健康狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備的維修周期和維修方式，制定維修大綱。

6)綜合保障模塊。綜合保障或者健康管理是PHM技術(shù)的另一顯著特征，也是維修大綱優(yōu)化的核心模塊。通過(guò)剖析船務(wù)公司目前所使用的維修大綱，結(jié)合故障預(yù)測(cè)模塊的分析結(jié)果，提出設(shè)備對(duì)應(yīng)的保障決策和維修決策，優(yōu)化設(shè)備的維修大綱，并通過(guò)船岸無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)將維修計(jì)劃發(fā)往對(duì)應(yīng)的船舶，安排具體的維修任務(wù)，在被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障之前的適宜時(shí)機(jī)實(shí)施維修保養(yǎng)。

2.2系統(tǒng)工作平臺(tái)

如圖2所示，基于PHM船舶維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)的工作平臺(tái)分為7層技術(shù)結(jié)構(gòu)：物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層、業(yè)務(wù)層、表示層和應(yīng)用層。基于PHM的船舶維修大綱優(yōu)化系統(tǒng)，以Windows XP操作系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)，Visual C++6.0作為可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，MATLAB 7.0.1為數(shù)據(jù)分析工具，Microsoft SQL Server 2005為后端數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，IIS6.0為Web服務(wù)器，Internet Explore為瀏覽器。其中，系統(tǒng)的表示層包括人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口。人-機(jī)接口進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的報(bào)警信息，故障預(yù)測(cè)和綜合保障模塊數(shù)據(jù)信息的顯示等；機(jī)-機(jī)接口確保上述各模塊之間，以及PHM系統(tǒng)同其它系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 船舶維修大綱優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)優(yōu)化流程

維修大綱的作用在設(shè)備的使用過(guò)程中已經(jīng)逐漸得到了認(rèn)可，但在設(shè)備的全壽命周期中卻考慮得不夠。因此，需要改變以前系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中才考慮維修的觀(guān)念，而是將維修工作貫穿于船舶的全壽命周期，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、裝配、調(diào)試和運(yùn)行，直到報(bào)廢和更換，建立船舶全壽命周期維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)。如圖3所示，通過(guò)剖析維修在船舶全壽命周期各個(gè)階段的作用，結(jié)合對(duì)船舶維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)的分析，建立基于PHM船舶維修大綱的優(yōu)化流程[14]。

1)設(shè)計(jì)階段。在規(guī)劃階段將維修的理念前移，進(jìn)行基于PHM的維修性研究和維修投資分析，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度保證系統(tǒng)的可靠性和維修性；在設(shè)計(jì)階段，結(jié)合船舶維修的工作經(jīng)驗(yàn)和零部件的維修計(jì)劃，進(jìn)行系統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)，其中包括PHM技術(shù)所需數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)試系統(tǒng)和檢修通道等工作，協(xié)助做出最佳的設(shè)計(jì)方案。

2)制造階段。在采購(gòu)階段，考慮PHM技術(shù)所需的傳感器、測(cè)試設(shè)備等維修資源及其互換性；在裝配階段，確定測(cè)試設(shè)備的通信接口、安裝位置、檢修工具和檢修通道等，并結(jié)合CWBT、法定檢驗(yàn)規(guī)則、設(shè)備制造廠(chǎng)商的建議和船舶維修人員的經(jīng)驗(yàn)，制定設(shè)備初步的維修大綱；在調(diào)試階段，通過(guò)對(duì)維修力量、維修窗口和維修資源的優(yōu)化，根據(jù)維修性檢驗(yàn)的結(jié)果，合理安排行之有效的維修任務(wù)，兼顧用戶(hù)的管理模式和維修理念，制定詳細(xì)的維修計(jì)劃。

圖3 基于PHM船舶維修大綱的優(yōu)化流程圖

3)運(yùn)行階段。在運(yùn)行階段，依據(jù)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，結(jié)合維修人員的技術(shù)以及維修保養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)備的故障預(yù)測(cè)與健康管理，從系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)與完好狀況等出發(fā), 確定各設(shè)備檢修的項(xiàng)目、時(shí)間和組織實(shí)施辦法等, 基于PHM進(jìn)行維修大綱的優(yōu)化，制定動(dòng)態(tài)的滾動(dòng)維修計(jì)劃；在更換和報(bào)廢階段，對(duì)系統(tǒng)基于PHM的優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，豐富系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。

3 應(yīng)用舉例

以某航道單位新建船舶2 000 m3自航耙吸式挖泥船為對(duì)象，建立圖4所示的基于PHM的船舶維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)。

圖4 基于PHM的挖泥船維修大綱優(yōu)化系統(tǒng)圖

系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)：船載監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)、機(jī)務(wù)中心管理系統(tǒng)、船岸無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。船載監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)完成對(duì)船舶主要設(shè)備的監(jiān)測(cè)預(yù)警與CWBT維護(hù)保養(yǎng)，該系統(tǒng)可獨(dú)立的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)測(cè)；機(jī)務(wù)中心管理系統(tǒng)，依托船岸無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，接收船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所管轄船舶設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、維護(hù)管理和應(yīng)急調(diào)度等功能；船岸無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是船載監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)和機(jī)務(wù)中心管理系統(tǒng)對(duì)話(huà)的橋梁，完成船、岸系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸。

其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和模型如下所述。

1)故障診斷技術(shù)。首先，通過(guò)分析船舶設(shè)備運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)參數(shù)，利用單一參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行初步的故障診斷，然后利用多參數(shù)融合的方法進(jìn)一步確定故障的位置和原因，為制定合理的維修決策做準(zhǔn)備，如表1所示。

表1 故障診斷模型

2)故障預(yù)測(cè)技術(shù)。船舶設(shè)備是集機(jī)、電、液、氣于一體的復(fù)雜混聯(lián)系統(tǒng)，各種部件的劣化方式各不相同，故障預(yù)測(cè)的方法不能通用，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài)，難以預(yù)測(cè)其劣化趨勢(shì)，而且預(yù)測(cè)的結(jié)果難以驗(yàn)證，因此對(duì)于邏輯層所采用的模型，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合多種預(yù)測(cè)方式，建立綜合診斷推理機(jī)，如表2所示。

表2 故障預(yù)測(cè)模型

3)維修優(yōu)化技術(shù)。由于船舶結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、造價(jià)越來(lái)越高，進(jìn)行多次可靠性試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，同時(shí)由于預(yù)防性維修的應(yīng)用使系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)減少。這2方面的原因使獲取進(jìn)行視情維修所需的直接數(shù)據(jù)不足；另外，船舶機(jī)電設(shè)備的工程背景相對(duì)復(fù)雜，模型規(guī)模較大，數(shù)據(jù)和變量較多，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法難以勝任。因此采用基于支持向量機(jī)的遺傳算法進(jìn)行維修大綱優(yōu)化模型的求解，來(lái)建立船舶設(shè)備的維修大綱的優(yōu)化模型。

通過(guò)對(duì)挖泥船推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行維修性核查、維修性驗(yàn)證、維修性分析評(píng)價(jià)，包括含評(píng)定產(chǎn)品的維修性、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、制定改進(jìn)措施的內(nèi)容，權(quán)衡上述3項(xiàng)工作的效益和費(fèi)用，以選擇最有效的途徑實(shí)現(xiàn)維修性增長(zhǎng)。其中，設(shè)備全壽命周期維修性變化趨勢(shì)圖如圖5所示。

圖5 船舶設(shè)備全壽命周期維修性變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用傳統(tǒng)的維修理念和保障方式難以制定完備的維修大綱和維護(hù)計(jì)劃，無(wú)法滿(mǎn)足船舶維修領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的維修性和經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，通過(guò)對(duì)眾多設(shè)備進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)與綜合保障分析，建立基于PHM的船舶全壽命周期維修大綱的優(yōu)化系統(tǒng)，在船舶壽命周期的各個(gè)階段全面實(shí)施維修工作，優(yōu)化了傳統(tǒng)的事后維修和計(jì)劃維修的維修方式，為實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備維修大綱的制定從主要依靠人員經(jīng)驗(yàn)向依靠技術(shù)手段的方向進(jìn)行改革。

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In order to change the current disadvantages of traditional ship maintenance concept,prognostics and health management(PHM)are introduced to improve equipment maintenance program and repair plan.An example of the dredger power system of the waterway bureau is taken into account to establish the PHM optimized system of life cycle ship maintenance program,which includes the system architecture,work platforms and optimization processes.Through the maintenance optimization based on PHM,the ship maintainability and operation reliability are increased greatly.

PHM;ship;maintainability;maintenance program optimization

U672.7+1

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.015

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179144)

許小偉(1983-)，男，湖北宜昌人，講師,博士，主要從事工程方面研究。

2014-07-08