基于PHM的船舶维修大纲的优化研究

许小伟，范世东

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

维修理论

基于PHM的船舶维修大纲的优化研究

许小伟1,2，范世东1

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

为了改变船舶落后的传统维修理念，完善并优化设备的维修大纲和维护计划，引入故障诊断与健康管理(PHM)技术，建立了基于PHM的船舶维修大纲的优化系统，并介绍了系统的体系结构、工作平台和优化流程。以某航道单位挖泥船为对象进行实例分析，剖析其全寿命周期维修性变化趋势，通过维修大纲的优化提高了船舶设备的可靠性和维修性。

PHM；船舶；维修性；维修大纲的优化

在过去几十年中，我国航运业主要采用事后维修和定期预防维修的方式。在传统的维修决策中，主要依据船舶维护保养体系CWBT、法定检验规则、设备制造厂商的建议和船舶维修人员的经验，缺乏科学有效的定量分析模型以及模型分析所需的大量数据。因而船舶设备的维修方式缺乏针对性和精确性，维修人力、物力资源得不到合理配置，维修的经济性和有效性、设备的安全性和可靠性不能得到真正的保证[1]。目前，经验丰富的船舶维修人员多从事一线生产工作，亟需先进的维修知识和相关理论；而维修理论的研究人员不熟悉实际维修的工作特点，对工程实践中的应用问题考虑较少，在维修方面的研究偏重于理论分析和公式推导，其研究成果对工程应用缺乏指导作用。

大多数船舶在交接时缺乏系统、完整的维修大纲；多数船务公司仍主要采用传统的事后维修和定期维修策略。多数情况下，设备维护只是简单地更换无法再使用的设备或部件，很少进行故障分析和维修优化等工作；同时，设备维修缺少管理层的有效预算控制和大力支持，船务公司时常把设备维修和设备监控混淆起来，造成设备的维修管理系统失灵，导致被动式的而不是主动式的维护。因此，进行基于PHM的船舶维修大纲的优化研究具有非常重要的意义。

1 PHM技术简介

故障预测与健康管理( PHM, Prognostics and Health Management),即根据各种先进的传感器采集设备的各种数据信息，融合神经网络、数据挖掘、模糊识别和专家系统等众多推理技术，分析评估设备的健康状态，预测设备故障发生的时间；根据设备的维修性要求和相关的维修理论，结合各种可利用的维修资源信息，制定系列的维修决策方案，采取相应的保障措施，以实现系统的视情维修[2-3]。

上世纪90年代，在美国国防部的支持下，洛克希德-马丁(Lockheed Martin)公司提出了F-35联合攻击机的PHM 系统，对飞机机载信息进行故障预测和健康管理，综合运用了多种诊断和预测技术，集部件、分系统和系统级状态监控策略于一体的体系结构，标志着PHM技术的诞生[4]。进入21世纪以来，为实现武器设备预防性维修、自主式保障、全寿命周期管理等新思想、新理论的关键技术，PHM技术在西方军事强国得到高度重视和推广应用。如今，在新一代的飞机、舰船及车辆等系统设计和使用中， PHM系统逐渐成为不可或缺的组成部分；在核电设备、发动机和传动装置等多个领域，PHM技术也得到了广泛的应用[5-9]。

在舰船领域，通过对PHM理论的分析，明确舰船设备PHM系统的功能，对PHM技术应用于舰船设备维修保养中的有效性和可行性进行研究，初步构建舰船设备PHM系统的组成，并对其中的关健技术进行分析，指出舰船设备维修保障中引入PHM技术的发展方向[10-11]。

2 基于PHM的维修系统构建

针对船务公司制定的维修大纲或者维修技术规程，结合本单位研发的船舶远程诊断系统，以设备的最佳维修时机为优化目标，以系统的可靠性和经济性为衡量标准，建立了基于PHM的船舶全寿命周期维修大纲的优化系统。

2.1系统体系结构

根据船舶维修大纲的发展现状，结合PHM系统的技术特点，构建了如图1所示的体系结构。

如图1所示，船舶维修大纲的制定依据包括3个方面：一是轮机管理人员的经验,二是船检部门的法定检验和相关的政策法规,三是船舶维护保养体系CWBT，但没有得到有效运用。然后，通过对设备的可靠性、维修性和保障性分析，制定了设备初步的维修大纲。经过基于PHM技术，从样本量、使用时间以及使用环境等方面考虑，进行设备的故障预测与健康管理，对维修大纲逐步优化，制定明确的维修计划。

基于PHM的船舶维修大纲的优化系统包括6个子模块，但是各模块之间并没有明显界限，存在着数据信息的交叉反馈[12-13]。其中数据采集模块位于船载监测与管理系统中，其它模块位于岸载的机务管理中心处，二者之间通过船岸无线通讯模块进行数据通信。各模块的功能如下。

1)数据采集模块。采集船舶的状态参数，其数据来源包括船舶自带的机舱监控系统、加装的机舱传感器群以及机内自测试系统(BIT)。其中，机舱传感器群采集各个柴油机和发电机的瞬时转速信号、齿轮箱的振动信号、滑油和燃油的油液信号以及柴油机工作相关的热力参数。

图1 基于PHM船舶维修大纲的优化体系结构图

2)数据处理模块。利用加窗滤波、Gabor 变换、FFT变换、Hilbert变换等数学工具，对采集的原始数据信号进行数据分析，并将采集的原始数据和处理的结果导入状态参数数据库进行备份。

3)状态监测模块。利用故障诊断机理分析的结果，建立故障诊断模型，确定故障的判据。然后对设备的状态参数进行数据分析，提取相应的特征参数，同预定的故障阀值进行比较，判断设备的工作状态，如果故障则进一步明确其故障位置。

4)健康评估模块。结合数据库中的历史信息和维护经验，结合状态检测数据和数据分析的结果，分析监测对象故障劣化的趋势，评估其健康状态，判断是否需要进行维修或者保养。

5)故障预测模块。故障预测能力是PHM技术的显著特征之一，综合利用健康评估模块，采用专家系统、支持向量机、模糊算法等智能模型，预测监测对象的故障发展趋势以及未来的健康状态，优化设备的维修周期和维修方式，制定维修大纲。

6)综合保障模块。综合保障或者健康管理是PHM技术的另一显著特征，也是维修大纲优化的核心模块。通过剖析船务公司目前所使用的维修大纲，结合故障预测模块的分析结果，提出设备对应的保障决策和维修决策，优化设备的维修大纲，并通过船岸无线通讯系统将维修计划发往对应的船舶，安排具体的维修任务，在被监测系统发生故障之前的适宜时机实施维修保养。

2.2系统工作平台

如图2所示，基于PHM船舶维修大纲的优化系统的工作平台分为7层技术结构：物理层、网络层、数据层、逻辑层、业务层、表示层和应用层。基于PHM的船舶维修大纲优化系统，以Windows XP操作系统为运行平台，Visual C++6.0作为可视化集成开发环境，MATLAB 7.0.1为数据分析工具，Microsoft SQL Server 2005为后端数据库管理系统，IIS6.0为Web服务器，Internet Explore为浏览器。其中，系统的表示层包括人-机接口和机-机接口。人-机接口进行状态监测模块的报警信息，故障预测和综合保障模块数据信息的显示等；机-机接口确保上述各模块之间，以及PHM系统同其它系统之间的数据信息可以进行数据传输。

图2 船舶维修大纲优化系统技术结构图

2.3系统优化流程

维修大纲的作用在设备的使用过程中已经逐渐得到了认可，但在设备的全寿命周期中却考虑得不够。因此，需要改变以前系统运行过程中才考虑维修的观念，而是将维修工作贯穿于船舶的全寿命周期，包括规划、设计、采购、装配、调试和运行，直到报废和更换，建立船舶全寿命周期维修大纲的优化系统。如图3所示，通过剖析维修在船舶全寿命周期各个阶段的作用，结合对船舶维修大纲的优化系统的分析，建立基于PHM船舶维修大纲的优化流程[14]。

1)设计阶段。在规划阶段将维修的理念前移，进行基于PHM的维修性研究和维修投资分析，从长远角度保证系统的可靠性和维修性；在设计阶段，结合船舶维修的工作经验和零部件的维修计划，进行系统的维修性设计，其中包括PHM技术所需数据采集模块、测试系统和检修通道等工作，协助做出最佳的设计方案。

2)制造阶段。在采购阶段，考虑PHM技术所需的传感器、测试设备等维修资源及其互换性；在装配阶段，确定测试设备的通信接口、安装位置、检修工具和检修通道等，并结合CWBT、法定检验规则、设备制造厂商的建议和船舶维修人员的经验，制定设备初步的维修大纲；在调试阶段，通过对维修力量、维修窗口和维修资源的优化，根据维修性检验的结果，合理安排行之有效的维修任务，兼顾用户的管理模式和维修理念，制定详细的维修计划。

图3 基于PHM船舶维修大纲的优化流程图

3)运行阶段。在运行阶段，依据设备状态的监测参数，结合维修人员的技术以及维修保养的经验，进行设备的故障预测与健康管理，从系统的安全、经济与完好状况等出发, 确定各设备检修的项目、时间和组织实施办法等, 基于PHM进行维修大纲的优化，制定动态的滚动维修计划；在更换和报废阶段，对系统基于PHM的优化过程进行总结，丰富系统知识库。

3 应用举例

以某航道单位新建船舶2 000 m3自航耙吸式挖泥船为对象，建立图4所示的基于PHM的船舶维修大纲的优化系统。

图4 基于PHM的挖泥船维修大纲优化系统图

系统分为3个子系统：船载监测与管理系统、机务中心管理系统、船岸无线通信系统。船载监测与管理系统完成对船舶主要设备的监测预警与CWBT维护保养，该系统可独立的进行数据采集、传输和监测；机务中心管理系统，依托船岸无线通信系统，接收船载监测系统在线实时传输的数据，实现所管辖船舶设备的状态监测、健康评估、故障预测、维护管理和应急调度等功能；船岸无线通信系统是船载监测与管理系统和机务中心管理系统对话的桥梁，完成船、岸系统的无线通信和数据传输。

其中涉及到的关键技术和模型如下所述。

1)故障诊断技术。首先，通过分析船舶设备运营的状态参数，利用单一参数进行数据分析，对被监测设备进行初步的故障诊断，然后利用多参数融合的方法进一步确定故障的位置和原因，为制定合理的维修决策做准备，如表1所示。

表1 故障诊断模型

2)故障预测技术。船舶设备是集机、电、液、气于一体的复杂混联系统，各种部件的劣化方式各不相同，故障预测的方法不能通用，无法准确评估设备的健康状态，难以预测其劣化趋势，而且预测的结果难以验证，因此对于逻辑层所采用的模型，在实际应用中需要结合多种预测方式，建立综合诊断推理机，如表2所示。

表2 故障预测模型

3)维修优化技术。由于船舶结构越来越复杂、造价越来越高，进行多次可靠性试验是不现实的，同时由于预防性维修的应用使系统故障数据减少。这2方面的原因使获取进行视情维修所需的直接数据不足；另外，船舶机电设备的工程背景相对复杂，模型规模较大，数据和变量较多，传统的数学方法难以胜任。因此采用基于支持向量机的遗传算法进行维修大纲优化模型的求解，来建立船舶设备的维修大纲的优化模型。

通过对挖泥船推进系统进行维修性核查、维修性验证、维修性分析评价，包括含评定产品的维修性、发现设计缺陷、制定改进措施的内容，权衡上述3项工作的效益和费用，以选择最有效的途径实现维修性增长。其中，设备全寿命周期维修性变化趋势图如图5所示。

图5 船舶设备全寿命周期维修性变化趋势图

4 结束语

利用传统的维修理念和保障方式难以制定完备的维修大纲和维护计划，无法满足船舶维修领域日益增长的维修性和经济性的要求。因此，通过对众多设备进行了数据采集、数据处理、状态检测、健康评估、故障预测与综合保障分析，建立基于PHM的船舶全寿命周期维修大纲的优化系统，在船舶寿命周期的各个阶段全面实施维修工作，优化了传统的事后维修和计划维修的维修方式，为实现船舶设备维修大纲的制定从主要依靠人员经验向依靠技术手段的方向进行改革。

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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

国家自然科学基金(51179144)

许小伟(1983-)，男，湖北宜昌人，讲师,博士，主要从事工程方面研究。

2014-07-08