第43卷增刊2011年7月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing U niversity of Aeronautics &Astronautics
V ol.43N o.S
Jul.2011船舶主推进系统故障预测与健康管理设计
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qq怎么恢复好友马 剑1 吕 琛1 陶来发1 邱伯华2 黄雅琳2
(1.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京,100191;2.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京,100094)
摘要：随着装备系统复杂性、综合化、智能化程度的不断增加，其可靠性、维修性、测试性，保障性、安全性以及寿命周期费用的问题越来越受到人们的重视，为故障预测与健康管理(P HM )技术的产生发展提供了契机。本文首
先简要介绍了P HM 的内涵、功能及结构。在此基础上，以船舶主推进系统为研究对象，从体系结构、应用功能组成两个方面开展船舶主推进系统的P HM 初步设计。最后，重点针对其中的设备健康检查模块，从工作原理、模块组成及功能实现流程等方面进行了详细设计。
关键词：故障预测与健康管理(P HM );P HM 体系结构；船舶主推进系统；健康检查中图分类号:T P806 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2011)S-0119-06
基金项目：国家自然科学基金(61074083,50705005)资助项目；国防技术基础支持项目。 收稿日期:2011-01-30；修订日期:2011-03-20
通讯作者：吕琛，男，副教授，博士生导师,E -mail :luchen @buaa .edu 。
Design of Prognostics and Health Management for Marine
Main Propulsion System
M a J ian 1
,L u ¨
Chen 1
,Tao L aif a 1
,Qiu B ohua 2
周杰伦歌曲排名,H uang Yalin
2
(1.Schoo l o f Reliability and Sy st ems Eng ineering ,Beijing U niver sity of A ero naut ics and A st ro nautics,Beijing ,100191,China;2.System Engineer ing Rearch Institute ,
China Sta te Shipbuilding Cor por atio n,Beijing ,100094,China )
Abstract :Along w ith the com plex ,integrated and intellig ent developm ent tr end of equipment sy stem s ,their reliability ,m aintainability ,testability ,supportability ,safety and life cycle cost (LCC )problems are being paid mor e and m ore attentio ns w ith the naissance and development chance for pr ognostics and health manag em ent (PHM )techno logies.Firstly,the conno tation,functionalities and architectur e of PHM are intro duced .T hen ,aiming at the lected marine main propulsio n sy stem ,the preliminary re-arch and desig n w ork for a PHM sy stem are g iven,in terms of architecture and functionalities.Final-ly,health exam ination m odule,as a key part of PHM algorithms,is also descr ibed and desig ned,includ-ing its wo rking principle ,m odule elements and im plementation process .
Key words :prog nostics and health manag em ent (PHM );PHM architecture ;marine main propulsion
system ;health ex amination 现代战争的新型作战模式对武器装备的作战效能以及敏捷、准确和经济的持续保障能力提出了很高的需求。随着武器装备复杂性、综合化、智能化程度的不断提高，现役武器装备普遍存在虚警率较高，能复现率、重测合格率较低等问题。导致其诊断
和修复时间过长，测试设备以及计划维修次数过多，使武器装备使用和保障费用大大超过采购成本[1-2]。在该背景下，美国军方提出了面向新一代武器装备(如JSF F-35先进战斗机)的预测与健康状态管理(Pro gnostics and health management,
PHM)技术，并已将PHM作为采购武器系统的一项要求[3]。
PHM代表了一种方法的转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，反应式的通信转向先导式的3R(即在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动)。PHM的引入是为了了解和预报故障何时可能发生；或在出现始料未及的故障时触发一种简单的维修活动，从而实现自主式保障，降低使用和保障费用[4]。
船舶动力系统为船舶提供各种能量，是船舶的重要组成部分，而且船舶约60%～80%的故障发生在动
力装置上[5]。主推进系统是动力系统的重要组成部分，其性能对整船性能和效能的发挥，以及船舶使命任务的达成具有十分重要的影响，因而对船舶动力系统采用PHM技术具有十分重要的意义。本文选择船舶主推进系统中常见的单机单桨型推进系统的关键设备——柴油机、齿轮箱、传动轴和调距桨作为设计构建PHM系统的对象，为后续其他系统的PHM设计以及全船PHM系统的设计提供借鉴作用。
1 PHM介绍
PHM的重点是利用先进的传感器(如涡流传感器、小功率无线综合微型传感器和无线微动力系统MEM S等)的集成，并借助各种算法(如Gabor 变换、快速傅里叶变换及离散傅里叶变换等)和智能模型(如专家系统、神经网络及模糊逻辑等)来预测、监控和管理武器装备的状态，并根据诊断/预测信息、可用保障资源和装备使用需求对维修活动做出适当的决策[3]。PHM包含下列主要功能:(1)故障检测;(2)故障隔离;(3)故障预测;(4)残余使用寿命预计;(5)部件寿命跟踪;(6)性能降级趋势跟踪;(7)保证期跟踪;(8)故障选择性报告，只通知立即需要驾驶员知道的信息，将其余信息通报给维修人员;(9)辅助决策和资源管理;(10)容错;(11)信息融合和推理机;(12)信息管理，将准确的信息在准确的时间通报给准确的人员[6]。
以典型的F-35的PHM体系结构为例，飞机PHM系统体系结构一般分为三个层次：成员级、区域级、平台级。同样，整个飞机可视为平台级对象；将飞机的主要系统和设备按照功能和任务类别可划分为众多的区域级对象，如机电系统区域级、航电系统区域级、机体结构区域级等；包含在每个区域级中的
子系统即为成员级对象，如机电系统区域级包括液压系统、供电系统、起落架系统等众多成员级对象。JSF的PHM结构是一种分层融合式体系结构，在较低的层次，各个子系统收集、解释用于本子系统状态评估的所有信号，然后在较高的层次上将诊断/预测结果集中交由上级管理器进行记录和决策。成员级PHM通过对安装于各子系统/部件的传感器获取的数据和信息进行判别处理和数据层信息融合，实现子系统/部件的状态监测和异常检测。区域级PHM把来自不同子系统的数据或信息进行一致性判别和处理；对特征信号进行特征层数据融合，进行综合诊断和推理，得到更加可靠的系统健康状态。平台级PHM获取整个飞机系统的健康状态及其变化趋势，并报告给相关的人员以进行相应的维修活动或任务决策。
考虑到当前船舶PHM技术的发展水平及所选系统的具体情况，本文主要以船舶主推进系统这一典型区域级对象，通过分析其结构及功能组成特点，在有限目标和规模下开展船舶主推进系统的PHM体系结构、功能组成和内外边界等总体设计，使其具备初级PHM系统的能力，并以设备健康检查模块为例，开展部分关键算法的前期研究。
2 船舶主推进系统PHM总体设计
2.1 船舶主推进系统PHM体系结构设计
船舶主推进系统PHM采用如下图1所示的体系结构。
船舶主推进系统PHM主要包括：成员级管理器、区域级管理器、数据记录与管理模块、本地数据库、数据通信代理、所选监测设备(推进柴油机、齿轮箱、传动轴、调距桨)的传感器及相应的数据处理单元组成。其中，成员级管理器针对所选监测设备分别执行实时状态监测与故障检测、故障诊断及定位。区域级针对所选监测设备主要实现设备的区域级状态实时监测、健康检查及健康报告生成、维护保养提醒及指导、维修建议生成等功能。
船舶主推进系统PHM将来自于所选设备的传感器采集到的数据由数据中心以报文的形式发给数据通信代理，再由数据通信代理发送给数据记录与管理模块。数据记录与管理模块完成上层应用平台、外部实时状态监测信息、综合保障管理分系统、本地数据库之间的数据交互工作，同时也具备系统或算法配置信息导入及结果信息导出功能。本地数据库中存储设备状态的实时信息及历史信息、故障信息、故障诊断算法及维护维修等信息。
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2.2 船舶主推进系统PHM 应用功能模块划分
船舶主推进系统PH M 由软件和硬件两部分组成。硬件部分主要由传感器、数据采集与处理单元、PHM 各级管理器和算法执行单元、数据存储单元等组成；软件部分主要实现船舶主推进系统PHM 的设计功能。图2为所设计的船舶主推进系统PHM 的软件功能框图，具备了初级PHM 的能力。
船舶主推进系统PHM 包含实时状态监测、故
障诊断、健康检查、维护维修辅助决策和辅助功能5大模块。
(1)状态监测模块：主要是将监控的设备、系统的运行状态特征信息集中图形化显示，提供人机交互界面，实现设备异常和故障检测功能。
(2)故障诊断模块：成员级故障诊断主要实现当系统发生可监测故障时，分析并给出成员级设备的故障部位、故障类型与严重程度(对任务的影响)
以及可能的故障原因。
图1 船舶主推进系统PHM
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体系结构示意图
图2 船舶主推进系统P HM 软件功能框图
121增刊马 剑，等：船舶主推进系统故障预测与健康管理设计
(3)健康检查模块：主要完成健康特征参数超限、趋势、偏移状态监测，及设备健康状态评估，并向用户提交相关的分析和评估结果。
(4)维护维修辅助决策模块：主要完成设备的定期保养提醒及操作内容提示，以及根据故障可能的原因和历史故障-维修案例，提供相应的故障原因排查建议，并根据确定的故障原因生成维修建议。
(5)辅助功能模块实现显示管理、数据库管理、历史数据导出和报表生成等功能。
3 船舶主推进系统设备健康检查
对设备进行健康检查可随时掌握设备的运行状态。设备健康检查模块选择统计健康控制的方法，该方法以统计过程控制为理论基础。设备健康检查模块主要由设备健康监测、设备健康评估两个功能模块组成。3.1 设备健康监测
健康控制图是统计健康控制的重要工具。健康控制图上点子的分布情况反映了健康的演变状态，通过对设备健康控制图的分析来进行设备健康监测。健康监测项类别包括：超限分析、趋势分析及偏移分析。图3即为健康控制图的示意图，该图横坐标表示时间或样本序号，纵坐标表示健康特征的实测值或经过计算的实测值统计量。图中平行于横轴的三条直线分别为标准健康线(Standar d health line ,SHL )、
健康上限(Upper health lim it ,U HL )和健康下限(Lo wer health limit,LHL)，其中UHL 和LHL
听音乐用英语怎么说统称为健康控制限。
图3 健康控制图示意图
正态分布是设备健康特征量所服从的一种常见统计分布形式。以正态分布为例。
UHL =L +3R ,SH L =L ,LHL =L -3R (1)式中,L ,R 分别为统计分布的均值和标准差。对于正态分布，不论L 与R 取何值，落在[L -3R ,L +3R ]
范围内的概率为99.73%，因此通过分析健康控制图可以较准确地监测设备的健康状态。实际中，具体对象的数据分布类型，还需要事先通过设备的历史运行数据进行检验确定。
设备健康监测功能模块由以下5部分组成:(1)设备健康表征参数统计分布检验
统计分布检验选择克尔莫格洛夫检验法，当有一个以上的分布形式通过检验时，选择分布的似然比检验的方法，以选择出最符合的分布形式。
(2)设备健康表征参数在各工况下的健康控制限确定
在已经判断出设备处于工况稳定状态时，根据各健康表征参数统计分布检验结果及设备运行工况信息，确定设备对应工况下的健康表征参数控制限。
(3)超限分析功能
在稳定工况下，健康监测的输入落在健康控制限外，则表明设备的健康出现了较大的异常波动。在工程实际中，当一点或者多点落在健康控制限外，表明健康出现了较大的异常波动。
(4)偏移分析功能
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点子在标准健康线一侧多次出现，表明设备或系统的健康状态存在偏移。根据工程经验，当连续7个及以上的点或连续的10个点中有7个及以上的点在标准健康线一侧出现时，则认为设备健康状态存在偏移。
早安心灵鸡汤(5)趋势分析功能
系统通过分析设备健康参数，可以判断设备健康参数点子数是否出现连续上升或连续下降的“趋势”。根据工程经验，连续7点或更多点连续上升或下降，表明过程均值在逐渐增大或逐渐减小。3.2 设备健康评估
实践经验表明，正常无故障情况下，各健康特征参数值只是在相应的可接受范围内波动。设备的健康程度越高，健康特征值的波动越小；设备健康程度越低，特征值的波动越大。因此，可用设备/子系统/部件的健康特征值波动的大小来描述各自健康的程度。通常，将设备/子系统/部件的健康程度记作B 。
当工况稳定时，健康程度可表示为
B =6R
(2)
式中,R 为健康表征参数值(特征参数)的标准差。B 越大，健康程度就越低;B 越小，健康程度就越高。
设备/子系统/部件的“健康指数”是衡量其健康状态对运行质量满足程度的量化值，一般定义
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“健康指数”用C pk 表示。通常以设备的健康表征参数在指定工况下的U HL 和LHL 值与B 的比值来表示。用公式表示如下
C pk =
三个双读什么UHL -LHL
6R
(3)
式中:C pk 的取值范围在[0,1]之间。实际中，可以根据经验，针对不同对象，将其C pk 划分为不同的健康级别。
实际中，可以分别计算设备/子系统/部件等各个层次上的健康指数C pk 。综合权衡设备/子系统/部件各个层次上的实际特点和关联关系，分配所有C pk 值各自所占的权重系数，最终可得到不同层次上相应对象的健康指数以及设备的总体健康指数。
如：表征设备总体的健康指数值C pkT 可表示如下
C pkT =a 1C pk 1+a 2C pk2+a 3C pk3+…
(4)
式中:a 1,a 2,a 3,…为各相关健康指数的权重。设备健康指数值越大，说明设备或系统越健康、运行越可靠。
3.3 健康检查模块功能的实现流程
设备健康检查模块的功能实现流程如图4所示，其中设备健康监测部分的功能实现流程如图5所示。设备健康检查的结果最终以健康检查报告的形式输出。健康检查报告的内容主要包括选定时间段内的设备健康特征参数超限分析、偏移分析或趋势分析结果，以及各设备和船舶主推进系统目前所
处的健康状况。
图4
设备健康检查模块功能实现流程
图5 设备健康监测功能实现流程
4 结束语
本文针对当前船舶使用保障需求，选择典型的船舶主推进系统为对象，从体系结构、应用功能组成方面对船舶主推进系统开展了PHM 设计，使其具备初级PHM 系统的能力。最后，重点针对其中的设备健康检查模块，从工作原理、模块组成及功能实现流程角度进行了详细设计。后续工作将借鉴国际上先进的PHM 设计成功经验，对船舶主推进系统的PHM 功能进行完善和扩展，最终将各子系统及系统的PHM 设计部分进行有机综合，为实现全船PHM 系统的设计提供基础。
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