郝剛+金濤+周澤淵+于利峰

摘要：鑒于對艦船耗散性管網(wǎng)的監(jiān)測有別于常壓封閉管網(wǎng)，其相關(guān)參數(shù)變化的瞬時性使得對受損后管網(wǎng)的快速辨識與評估存在一定困難，建立艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)模型。基于該模型，對艦船管網(wǎng)的運行進(jìn)行模擬并獲得相應(yīng)節(jié)點的各模態(tài)數(shù)據(jù)集。利用模糊理論對管網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行評估，并以模糊聚類的隸屬度作為參數(shù)來評估管網(wǎng)受損情況及對破損點進(jìn)行定位。測試表明：該方法能夠簡便、快捷、有效地對艦船耗散性管網(wǎng)受損進(jìn)行定位和評估，并獲得直觀的評估結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 艦船管網(wǎng)； 耗散性系統(tǒng)； 受損評估

中圖分類號： U672.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Because the monitoring of the ships dissipative pipe network is different from that of the atmospheric pressure closed pipe network， and instantaneous changes of relevant parameters make the fast identification and evaluation on the damaged pipeline difficult， the static model of the ships dissipative pipe network system is established. Based on the model， the running of the ship pipe network is simulated， and each mode data set of nodes is acquired. The fuzzy theory method is used to evaluate the running state of the pipe network， and the membership of the fuzzy clustering is adopted as a parameter to evaluate the damage of the pipe network and locate the damage point. The test results show that， by this method， the damage of the ships dissipative pipe network can be located and evaluated easily， quickly and effectively， and the visual evaluation result can be acquired.

Key words： ship pipe network； dissipative system； damage evaluation

0 引 言

艦船管網(wǎng)系統(tǒng)是現(xiàn)代艦船的重要組成部分，其由眾多的節(jié)點和管路按照一定的排列方式組成，承擔(dān)著全船流體介質(zhì)的輸送，對全船生命力有著重要的影響。[1]1982年5月4日，阿根廷空軍的一枚價值20萬美元的“飛魚”空對艦導(dǎo)彈擊中了價值2億美元的英國“謝菲爾德”號驅(qū)逐艦，炸毀了其操作和探測中心，導(dǎo)致其一舷消防管網(wǎng)完全失效，火勢無法控制，從而引發(fā)全船大火，最終該艦在拖航途中沉沒。[2] 1987年5月17日，美國“佩里”級護(hù)衛(wèi)艦“斯塔克”號（FFG-31）被伊拉克空軍的兩枚“飛魚”空對艦導(dǎo)彈分別擊中了住艙區(qū)和艏樓艦橋附近，艦上指揮通信系統(tǒng)被全部摧毀，甲板上消防主管線破損，隨后全艦大火失控?；馂?zāi)發(fā)生約50 min后損管分隊才恢復(fù)消防總管的供水，1 h后艦艇主機(jī)被迫關(guān)閉。12 h的大火使得艦艇雷達(dá)艙、指揮艙被燒毀，37人死亡，21人受傷，事后美軍為修復(fù)該艦花費了約1.42億美元。[3]

隨著船舶設(shè)備及系統(tǒng)的大型化、復(fù)雜化、集成化以及高速化發(fā)展，智能化管網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用是下一代艦船發(fā)展的必然趨勢。[4-5]為提高海軍艦船損管自動化水平和削減艦船非戰(zhàn)斗人員的數(shù)量，美國海軍于20世紀(jì)90年代就啟動了DC-ARM項目[6]。1998年，美國海軍研究實驗室在ex-USS Shadwell上對反射式管網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實彈測試，結(jié)果表明，耗散性艦船管網(wǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高艦船實戰(zhàn)時的生存能力。在此基礎(chǔ)上，該實驗室在2006年提出對消防供水管路智能修復(fù)能力的改進(jìn)計劃，以提高管網(wǎng)受損區(qū)域重構(gòu)可靠性[7]。美軍基于以上實驗開發(fā)的智能損管系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用到最新下水的DDG-1000型新一代驅(qū)逐艦上，以獲得免維護(hù)部署能力、更強(qiáng)的生命力和更高的自動化能力以及滿足更少的人員配置需求，并具備可升級、可重構(gòu)等特性。[8]

從實戰(zhàn)應(yīng)用看，與艦船消防管網(wǎng)類似的耗散性管網(wǎng)破損處置是艦船損管的核心任務(wù)。艦船耗散性管網(wǎng)的智能化管理是提升艦船生命力的關(guān)鍵。耗散性管網(wǎng)有別于常壓管網(wǎng)，其參數(shù)隨著工況的變化而無規(guī)律地變化，模態(tài)的多樣性使得在正常使用情況下管網(wǎng)狀態(tài)與在受損后爆管或者泄漏情況下管網(wǎng)的參數(shù)沒有顯著區(qū)別，而耗散性管網(wǎng)介質(zhì)的漏損卻直觀影響到損管的效果。針對艦船耗散性管網(wǎng)破損的研究，周澤淵等[9]提出一種基于MAS的分布式智能管網(wǎng)漏損控制模型，通過傳感器Agent采集到的數(shù)據(jù)獨立判斷管段狀態(tài)建立漏損指標(biāo)，通過模擬計算驗證該模型能夠提升艦船耗散性管網(wǎng)生命力。金濤等[10]提出基于壓力驅(qū)動流量模型的摩阻因數(shù)與漏損因數(shù)聯(lián)合優(yōu)化模型，并結(jié)合多工況偽并行遺傳算法求解模型，實現(xiàn)消防管網(wǎng)的漏損探測定位。PREEJI等[11]以分布式供水管網(wǎng)為模型，利用ArcMap 10和瞬態(tài)分析方法基于壓力模擬結(jié)果建立風(fēng)險評估等級，對供水管網(wǎng)爆管進(jìn)行定位，并取得了較好的效果。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，管網(wǎng)受損與定位多針對輸油管道或分布式供水管網(wǎng)，這種管網(wǎng)并非耗散式管網(wǎng)。海軍工程大學(xué)金濤研究團(tuán)隊把艦船消防管網(wǎng)作為典型的耗散性管網(wǎng)，取其靜態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)開展了一系列研究，但是目前研究仍處于理論探索和數(shù)據(jù)模擬階段。本文基于模糊理論對靜態(tài)艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)在正常使用情況下的各模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并進(jìn)行艦船耗散性管網(wǎng)受損評估。endprint

1 艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)模型

采用靜態(tài)分析計算的方法分析復(fù)雜艦船管網(wǎng)受損狀態(tài)具有建模簡單、捕捉異常點快的特征。[12] 首先建立復(fù)雜艦船管網(wǎng)模型，然后對其進(jìn)行一定維度的簡化。艦船環(huán)狀管網(wǎng)模型（見圖1）有3組輸入和許多節(jié)點，每個節(jié)點有不同的屬性。設(shè)置輸入和節(jié)點的不同屬性來模擬管網(wǎng)的運行。

對于環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)置節(jié)點、管路和泵為研究對象，從時序角度看，三者與工作時間t和工況均相關(guān)。

若已知艦船管網(wǎng)系統(tǒng)的組成（如關(guān)鍵節(jié)點布置、管路布置、泵的選型與布置等），則基于表征管網(wǎng)特性的關(guān)鍵變量，建立管網(wǎng)分析的結(jié)構(gòu)模型。在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上利用數(shù)學(xué)方法對各節(jié)點以及管路的工作狀態(tài)進(jìn)行分析存在難度，因此本文采用蒙特卡洛模擬法，基于艦船管網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)層進(jìn)行分析，從中獲取合適的變量及參數(shù)來衡量系統(tǒng)的受損狀態(tài)并對受損位置進(jìn)行定位。

2 基于蒙特卡洛模擬法的艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng) 艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)的運行模擬是一個離散事件系統(tǒng)，管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)與艦船的狀態(tài)有關(guān)。離散事件系統(tǒng)指系統(tǒng)狀態(tài)僅在離散時間點上發(fā)生變化的系統(tǒng)，引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的行為稱為“事件”。這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動的，事件往往發(fā)生在隨機(jī)時間點上，故稱其為隨機(jī)事件[13]。

對離散隨機(jī)事件，蒙特卡洛模擬法有3種模擬方法：對不考慮系統(tǒng)運行時間和順序的事件模型，使用非序貫（非時序）模式，隨機(jī)抽取大量的樣本對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬；對系統(tǒng)運行事件按照先后順序分布的模型，使用序貫（時序）模式，即按照時間序列的遷移依次產(chǎn)生相應(yīng)的隨機(jī)樣本對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬；對狀態(tài)轉(zhuǎn)移的模型系統(tǒng)，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣法，得到一個與時間和狀態(tài)都相關(guān)的樣本對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬。[14]

艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)，各節(jié)點運行狀態(tài)受到艦船的工作任務(wù)和管網(wǎng)的健康狀態(tài)的影響。對單次任務(wù)而言，管網(wǎng)運行狀態(tài)具有相對獨立性和隨機(jī)性，且與時序性無關(guān)，因此選定非序貫（非時序）模式對艦船耗散性管網(wǎng)運行狀態(tài)進(jìn)行評估更為合理。

在不考慮各關(guān)鍵節(jié)點異性的情況下，假設(shè)系統(tǒng)由N個關(guān)鍵節(jié)點組成，i表示其中的第i個節(jié)點，ui表示第i個節(jié)點的運行狀態(tài)，qi表示第i個節(jié)點在正常運行狀態(tài)下的設(shè)計參數(shù)范圍。在艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)中，每個節(jié)點的運行狀態(tài)都是相對獨立的，故有si=1， ui∈qi（節(jié)點運行狀態(tài)正常）

0， uiqi（節(jié)點運行狀態(tài)不正常） 在抽取一個節(jié)點運行狀態(tài)后，對艦船耗散性管網(wǎng)運行狀態(tài)進(jìn)行分析，可得到各節(jié)點的運行狀態(tài)評估結(jié)果為（u1，u2，…，ui，…，uN）。

通過與正常運行狀態(tài)下qi的對比，可獲得第k次抽樣條件下艦船耗散性管網(wǎng)的運行狀態(tài)矩陣Pk=（u1s1，u2s2，…，uisi，…，uNsN） 由上式可知，通過K次抽樣，艦船耗散性管網(wǎng)的運行狀態(tài)就可以用一個K×N的運行狀態(tài)矩陣表示。在該運行狀態(tài)矩陣的計算過程中，通過對運行狀態(tài)的判斷，剔除非正常運行點（si=0），保存正常運行點以及每次正常運行點的參數(shù)。在K次抽樣中，ηi表示在[0，1]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，各節(jié)點i的參數(shù)值采用線性同余發(fā)生器產(chǎn)生[15]，其遞推公式為ηi=xi/m

xi=（axi-1+c′）mod m′式中：xi 為產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)，x0為初值，m′為模數(shù)，a為系數(shù)（0

通過上述方法，可以抽樣得到艦船耗散性管網(wǎng)各節(jié)點在不同工作狀況下的運行狀態(tài)，再經(jīng)過大量的隨機(jī)抽樣得到管網(wǎng)運行狀態(tài)矩陣，用于對艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)運行情況進(jìn)行評估。

3 基于模糊理論的艦船耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)受損評估方法 通過蒙特卡洛模擬法，經(jīng)過K次抽樣，得到艦船耗散性管網(wǎng)的一個K×N的運行狀態(tài)矩陣，即樣本集合Y={y1，y2，…，yK}。采用模糊聚類方法將其分為c（c>1）類子集[16]。這使得目標(biāo)函數(shù)J（U，V）在一定的約束條件下最小。

通過模糊聚類算法對樣本數(shù)據(jù)分類，獲得相應(yīng)的聚類中心，通過計算測試樣本偏離相應(yīng)聚類中心的隸屬度，判斷樣本點的所屬分類。上文利用蒙特卡洛模擬法，通過大量的隨機(jī)抽樣得到管網(wǎng)運行狀態(tài)矩陣?？梢詫⒃摴芫W(wǎng)運行狀態(tài)矩陣作為模糊聚類算法的樣本數(shù)據(jù)，任意時刻管網(wǎng)的狀態(tài)值作為測試樣本，利用模糊聚類隸屬度的判定，對艦船耗散性管網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行評估。具體步驟如下：

步驟1 建立艦船管網(wǎng)模型，利用蒙特卡洛模擬法，通過設(shè)置各節(jié)點不同的運行狀態(tài)，得到管網(wǎng)的運行狀態(tài)矩陣，該矩陣即為樣本數(shù)據(jù)集。

步驟2 樣本數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化。樣本數(shù)據(jù)集生成后，為消除由各節(jié)點運行狀態(tài)的差異所造成的影響，采用線性函數(shù)轉(zhuǎn)換方法對特征參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

步驟3 通過所得的歸一化樣本數(shù)據(jù)集，利用模糊理論，建立模糊聚類模型，找到各節(jié)點在正常運行狀態(tài)下的聚類中心。

步驟4 利用歸一化樣本數(shù)據(jù)集所建立的模糊聚類模型對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行試算，并計算測試數(shù)據(jù)偏離正常運行狀態(tài)下聚類中心的隸屬度。

步驟5 根據(jù)隸屬度分析，對艦船耗散性管網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行評估，基于評估結(jié)果進(jìn)行受損評估。

基于模糊理論的艦船耗散性管網(wǎng)運行狀態(tài)評估流程見圖2。

4 實例分析

選取艦船消防管網(wǎng)作為研究對象。艦船消防管網(wǎng)屬于典型的耗散性復(fù)雜管網(wǎng)，該管網(wǎng)中相關(guān)參量能夠反映管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如節(jié)點的用水量、節(jié)點的水頭壓力、摩阻因數(shù)等。[17]

實例分析的原型是ex-USS Shadwell實驗船上的消防管網(wǎng)，為一個兩層的空間管網(wǎng)，見圖3。圖3中：V表示智能閥（具有數(shù)據(jù)采集功能的閥），P表示消防水泵，F(xiàn)表示消火栓，N表示消防管道，R表示手動截止閥。艦船消防水水源取自海面，艦船消防水水泵為兩主一備。設(shè)定各用戶節(jié)點屬性，用于模擬各艙段或者位置使用消防水的情況。在正常情況下，每個用戶節(jié)點的實際用水量在0到設(shè)計用水量之間變化。

EPANET為美國國家環(huán)境保護(hù)局開發(fā)的開源有壓管網(wǎng)模擬計算軟件，可以獲得水頭、水量等多項指

EPANET示意圖標(biāo)。該軟件具有友好的交互界面，能較快地完成管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，同時通過EPANET Toolkit接口與MATLAB連接，能夠完成實時同步模擬。艦船消防管網(wǎng)系統(tǒng)EPANET示意圖見圖4，其中：V1，V2，…，V10為隨機(jī)用水節(jié)點；P1和P2為消防水泵；PS為備用消防水泵。艦船消防管網(wǎng)各節(jié)點概況見表1。

利用蒙特卡洛模擬法對該艦船消防管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行運行模擬，即使用隨機(jī)抽樣的方法設(shè)置實際用水量，在各種工況下模擬并獲得各節(jié)點的壓力值。通過采集消防管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)下各節(jié)點壓力值作為樣本數(shù)據(jù)集，利用蒙特卡洛模擬法模擬2 000次，設(shè)置聚類中心個數(shù)c=2，計算各節(jié)點壓力模糊聚類中心，見圖5。

通過模糊聚類方法，得到艦船消防管網(wǎng)正常運行狀態(tài)下各用水節(jié)點的壓力檢測值的模糊聚類中心。計算各節(jié)點壓力檢測值與正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度情況，對艦船消防管網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行評估。

設(shè)置V7作為異常節(jié)點，為模擬爆管，設(shè)置實際用水量稍大于設(shè)計用水量。通過MATLAB調(diào)用EPANET Toolkit計算各節(jié)點的壓力值，并依此計算各節(jié)點的壓力值相對于正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度情況，計算結(jié)果見表2。因為關(guān)于艦船耗散性管網(wǎng)風(fēng)險評估的參考資料較少，所以依據(jù)中國船級社2015年發(fā)布的指導(dǎo)性文件《船舶綜合安全評估應(yīng)用指南2015》，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)、模型試驗或數(shù)值模擬的結(jié)果并結(jié)合專家的經(jīng)驗判斷，建立風(fēng)險模型和設(shè)定假定條件[18]。在此，根據(jù)節(jié)點隸屬度進(jìn)行管網(wǎng)受損風(fēng)險評估，節(jié)點隸屬度在[80%，100%]上則認(rèn)為其受損風(fēng)險低，在[50%，80%）上則認(rèn)為其受損風(fēng)險中等，在（0，50%）上則認(rèn)為其受損風(fēng)險高。

根據(jù)實例計算結(jié)果分析，當(dāng)檢測用水節(jié)點因爆管而導(dǎo)致實際用水量出現(xiàn)波動時，利用該方法用該節(jié)點壓力相對于正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的隸屬度來對其進(jìn)行表征。V7偏離正常運行狀態(tài)下節(jié)點壓力模糊聚類中心的用水量過多，說明其是受損風(fēng)險較高的節(jié)點，V9和V10是受損風(fēng)險中等的節(jié)點。

5 結(jié)束語

艦船耗散性管網(wǎng)受損評估是戰(zhàn)時損管的重要組成部分，在實際處置過程中破損定位與風(fēng)險評估的效率直接影響損管的效果。本文在艦船耗散性管網(wǎng)靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，提出了基于蒙特卡洛模擬法和模糊理論的破損定位與受損風(fēng)險評估方法。實例計算說明：該方法能夠簡便、有效、快速地完成耗散性管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)評估和受損定位，為后續(xù)開發(fā)艦船耗散性管網(wǎng)損管自動控制系統(tǒng)提供理論參考。艦船耗散性管網(wǎng)因受攻擊而發(fā)生破損是時間相對獨立的離散事件，下一步將從離散事件系統(tǒng)的角度針對模型破損反應(yīng)及危險事件處置開展相關(guān)研究。

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（編輯 趙勉）endprint