楊俊飛，梁樹甜

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估方法研究

楊俊飛，梁樹甜

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文分析了國內(nèi)外設(shè)備狀態(tài)評估相關(guān)研究內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)的研究提供了參考。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng) 狀態(tài)評估 模糊綜合評判

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性是保證系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行的必要條件。對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的狀態(tài)評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，從而減少船員維修工作量，改善工作條件，實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的檢測和自動化控制。

設(shè)備維修管理的發(fā)展歷程分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為事后維修，事后維修是設(shè)備發(fā)生故障后，由船員來檢查設(shè)備的狀態(tài)，分析原因、逐步排查，找到故障點(diǎn)再進(jìn)行維修，這種方式稱為被動設(shè)備管理。第二個(gè)階段是預(yù)防維修，預(yù)防維修分為計(jì)劃預(yù)修制和預(yù)防維修制兩種，首先依靠制定設(shè)備維修計(jì)劃，然后定期停機(jī)對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢查，排除可能存在的故障隱患，相應(yīng)會產(chǎn)生維修不足和過度維修的問題，這種維修方式對系統(tǒng)的運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)的管理均有不利影響。第三個(gè)階段是狀態(tài)維修，狀態(tài)維修是基于計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過對設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測和檢查，掌握和評估設(shè)備的狀態(tài)、預(yù)測會發(fā)生的故障，進(jìn)行維修決策的管理方法，是比較完善的設(shè)備管理方法，同時(shí)正確、有效的狀態(tài)評估是狀態(tài)維修的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[1]討論電力變壓器的狀態(tài)評估，文獻(xiàn)[2]討論高壓斷路器的狀態(tài)評估，文獻(xiàn)[3]討論電力系統(tǒng)的狀態(tài)評估。本文將對電力推進(jìn)狀態(tài)評估方法進(jìn)行討論。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)（柴油機(jī)、汽輪機(jī)做動力源）相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)的動力源為電動機(jī)，具有調(diào)速比高、啟動轉(zhuǎn)矩大等，對船舶總體設(shè)計(jì)有布局靈活、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。發(fā)電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、機(jī)旁控制箱等設(shè)備組成，配電系統(tǒng)由功率管理系統(tǒng)、主配電板（發(fā)電機(jī)控制屏、主推進(jìn)屏、母聯(lián)屏等）、日用變壓器、輔配電板（海水泵啟動屏、滑油泵啟動屏等）等設(shè)備組成，推進(jìn)系統(tǒng)是由推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動機(jī)、螺旋槳等設(shè)備構(gòu)成，推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)由駕駛室推進(jìn)控制臺、集控室集中控制臺等設(shè)備組成。電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，由于運(yùn)行中各設(shè)備是相互聯(lián)系的，各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有不同程度的影響，需要對電力推進(jìn)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的歷史狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方面的評估。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)模糊狀態(tài)綜合評估

2.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估的總體思路

電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估各指標(biāo)因素包括確定性指標(biāo)和非確定性指標(biāo)，如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、頻率、功率等可量化指標(biāo)，屬于確定性因素；而絕緣狀態(tài)、家族質(zhì)量史等，無法量化的指標(biāo)，表述時(shí)采用自然語言，運(yùn)用模糊概念，屬于模糊因素，只給出一個(gè)模糊的評估。鑒于此，采用模糊綜合評估對電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評估是一種較好的方法。

狀態(tài)評估的具體內(nèi)容包括評估的指標(biāo)體系、評估流程、評估模型、評估方法等。本文首先對影響各種電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行安全狀態(tài)的因素進(jìn)行分類，運(yùn)用模糊綜合評價(jià)原理，建立模糊綜合評估模型，最后得出狀態(tài)評估結(jié)果。總體思路如圖1所示。

2.2 模糊綜合評判理論

模糊綜合評判(Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE)[4]是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的量化綜合評價(jià)事物的數(shù)學(xué)工具，主要評價(jià)步驟如下：

1）確定被評價(jià)的對象X；

2）建立評價(jià)因素集(即評價(jià)指標(biāo)體系)U

設(shè)定被評價(jià)的對象X有n個(gè)影響因素，分別為u1, u2,···, un，則因素集U={u1, u2,···, un}；

3）建立表示評價(jià)結(jié)果等級的評價(jià)集V

設(shè)vi為評價(jià)等級，等級數(shù)為m，則評價(jià)集V={v1, v2,···, vm}；

4）確定權(quán)重集W

權(quán)重集是指某因素對被評價(jià)對象的重要程度(權(quán)重)，設(shè)u1, u2,···, un的權(quán)重分別為w1, w2,···, wn，且滿足如下關(guān)系式：

定義權(quán)重集W={w1, w2,···, wn}。

5）確定綜合評價(jià)矩陣R

R為U與V的模糊關(guān)系矩陣(模糊隸屬矩陣)，定義為：

為使結(jié)果歸一化，令rij滿足

式中，rij——影響因素ui在評價(jià)等級vj上的隸屬度，即rij是表征ui屬于vj程度的數(shù)量指標(biāo)。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估總體思路

6）進(jìn)行模糊綜合評價(jià)運(yùn)算

8）根據(jù)評價(jià)結(jié)果對被評對象的作出相應(yīng)的對策。

3.3 用模糊綜合評價(jià)對電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估

應(yīng)用模糊綜合評價(jià)理論進(jìn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估的具體步驟如下：

第一步：確定被評價(jià)的對象X

確定X為整個(gè)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。第二步：建立因素集U

影響電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)的因素很多，一般來說，其狀態(tài)的評估應(yīng)該基于各方面的試驗(yàn)(包括在線監(jiān)測得到的信息)、系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)制造水平、系統(tǒng)歷史狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、投運(yùn)時(shí)間以及領(lǐng)域?qū)＜覍υ撓到y(tǒng)的判斷等?；谶@個(gè)原則，可以取影響電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估的因素集為：

式中：u1為電力推進(jìn)系統(tǒng)自身系列歷史缺陷；u2為基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括在線監(jiān)測數(shù)據(jù))判斷得出的系統(tǒng)的狀態(tài)；u3為系統(tǒng)歷史運(yùn)行狀態(tài)；u4為領(lǐng)域?qū)＜覍ο到y(tǒng)的判斷；u5為系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間。

第三步：建立評價(jià)集V

建立評價(jià)集的方法有多種，如百分制法、顏色法等。本文采用顏色法，故將電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行安全狀態(tài)的級別，由高到低分為4級，分別為:紅(4)、橙(3)、藍(lán)(2)、綠(1)。

評語集可表示為：V={v1, v2, v3, v4}={紅，橙，藍(lán)，綠}={4,3,2,1}，各等級表示的安全狀態(tài)情況大致如下：

紅色(4)，嚴(yán)重故障狀態(tài)：部分重要設(shè)備無法運(yùn)轉(zhuǎn)，需立即進(jìn)行修理，或更換部件。船舶無法航行。例如：柴油發(fā)電機(jī)組故障不能發(fā)電、推進(jìn)變頻器故障不能運(yùn)行等。

橙色(3)，故障狀態(tài)：多數(shù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，部分設(shè)備需要進(jìn)行修理，更換部件，但船舶暫時(shí)仍能勉強(qiáng)航行。例如：推進(jìn)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)故障、推進(jìn)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)故障等。

藍(lán)色(2)，良好狀態(tài)：絕大多數(shù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，部分設(shè)備需要進(jìn)行簡單維護(hù)、修理，但不影響船舶任務(wù)的執(zhí)行。例如：配電板內(nèi)熔斷器故障只需簡單更換。

綠色(1)，優(yōu)異狀態(tài)：設(shè)備狀況運(yùn)轉(zhuǎn)良好，各項(xiàng)設(shè)備功能檢查結(jié)果符合要求，各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)未出現(xiàn)異常。

上述等級顏色對應(yīng)的數(shù)字可理解為相應(yīng)等級數(shù)值范圍的中間值，即紅色等級的數(shù)值范圍為(3.5,4.5]，橙色等級的數(shù)值范圍為(2.5,3.5]，藍(lán)色等級的數(shù)值范圍為(1.5,2.5]，綠色等級的數(shù)值范圍為[0.5,1.5]。

第四步：確定權(quán)重集W和綜合評價(jià)矩陣R

確定權(quán)重W及其綜合評價(jià)矩陣R的方法很多，主要有統(tǒng)計(jì)法、模糊分布法、專家打分法、層次分析法等。權(quán)重和綜合評價(jià)矩陣確定的好壞直接影響著狀態(tài)評估系統(tǒng)的性能。對于電力推進(jìn)系統(tǒng)來說，我們需要實(shí)時(shí)得出狀態(tài)評估結(jié)果，并以此做出相應(yīng)的決策。所以，不論采取何種確定方法，W和R應(yīng)是根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的具體情況和運(yùn)行中的不同工況而實(shí)時(shí)變化的。

第五步：計(jì)算結(jié)果并做出決策。

4 實(shí)例驗(yàn)證

設(shè)某一電力推進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)其歷史故障記錄數(shù)據(jù)并結(jié)合電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和專家分析經(jīng)驗(yàn)，確定與U相對應(yīng)的權(quán)重W={0.3,0.3,0.15,0.15,0.1}。該系統(tǒng)的綜合評價(jià)矩陣R經(jīng)過確定隸屬度確定如下：

最后得Vresult=2.15。得出系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)，只需對個(gè)別設(shè)備進(jìn)行簡單維護(hù)，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文利用模糊綜合評估法對電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行安全狀態(tài)進(jìn)行整體上的評估，最后通過舉例驗(yàn)證證明此方法簡單有效，提出的評估總體思路和評估方法對于現(xiàn)代電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的安全管理具有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 李邦云, 涂彥明. 電力變壓器狀態(tài)評估[J]. 四川電力技術(shù), 2006, 29(3): 53-55.

[2] 李宇, 張國鋼, 耿英三. 基于模糊理論的高壓斷路器狀態(tài)評估研究[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 274-277.

[3] 余建星, 杜尊峰, 溫晶晶. 船舶電力系統(tǒng)狀態(tài)評估方法研究[J]. 船舶工程, 2008(30): 39-41.

[4] 楊綸標(biāo), 高英儀. 模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2001.

Condition Assessment Method of Marine Electric Propulsion System

Yang Junfei, Liang Shutian
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

Relevant research situation and development direction of equipment's condition assessment at home and abroad are analyzed. The condition assessment technology of marine electric propulsion system is introduced, which provides reference for future study.

marine electric propulsion system; condition assessment, FCE

TM728

A

1003-4862（2015）06-0048-03

2015-03-09

楊俊飛（1979-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。