舰船消防联动控制系统可靠性关键技术研究

郑珊珊，赵 淼，陈国锋

(1. 中国船舶集团有限公司第七二六研究所，上海 201108；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205)

0 引 言

为了适应海军战略转型和武器装备快速发展需求，国家着眼于实战化需求的舰船装备建设，对舰船装备自身的功能特性有更高的要求，同时强调装备的可靠性。舰船装备功能特性决定了其基本功能属性，而可靠性决定了舰船装备功能特性能否持久发挥，是决定舰船装备可靠、顶用、易于维修保障、提高综合作战效能以及降低寿命周期费用的关键因素。

舰船消防系统是保证舰船火灾安全性的重要保障，是舰船综合保障系统中的重要组成部分，其系统的完备性对舰船可否执行任务具有决定权。舰船内空间狭小，电气设备众多，存在大量易燃易爆物，一旦发生火灾，需启动消防联动控制系统实施灭火控制，减少灾害扩散和蔓延。因此消防联动控制系统的可靠性对于灭火控制起到至关重要的作用。

目前，随着大量新装备的服役，装备的可靠性成为海军装备面临的突出问题，消防联动控制系统作为消防系统的关键子系统，同面临受着严峻挑战。由于实战训练的增多，舰船在运行过程中发生火灾风险大幅增加，同时我国舰船装备可靠性工作尚处于发展阶段，可靠性投入不足、可靠性工作基础薄弱以及可靠性设计与研制工作融合度不够等问题均会导致系统整体可靠性问题的出现。解决可靠性问题首先从设计出发，破除现有通用质量特性与型号设计结合不紧密的问题，形成六性综合设计体系，即从可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性和环境适应性不同侧重点开展设计工作，达到提升装备质量和可靠性的目的[1]。

现有消防联动控制系统侧重于功能实现，面对新形势下对于可靠性要求的提高，需进一步分析现有系统设计短板，结合舰船消防联动控制的特点，在满足基本控制要求的基础上，运用六性综合设计体系等相关设计理论开展消防联动控制系统可靠性关键技术研究，达到提升消防联动控制可靠性的目的，从而保障舰船的火灾安全性，提高舰船生命力[2]。

1 消防联动控制系统可靠性分析

本文关于消防联动控制可靠性的研究，是广义的可靠性，表示可靠性系统工程，即经常提到的六性设计，是采用可靠性、维修性、测试性、安全性、保障性、环境适应性相关的设计理论和方法。采用六性设计在不同层面上均能够提高系统和装备可靠性，而且几项之间看似相互独立，其实是相互影响相互促进。维修性好则维修时间短，设备正常工作时间就长，可靠性必然好，测试性好则故障检测时间和故障检测率就高，故障的排除时间就短，系统的维修性、可靠性也得到提升，安全性设计、保障性设计便于操作、使用，误操作概率降低同样能够保障可靠性大大提升[3–4]。因此，需将六性设计相结合，多角度分析提高可靠性的技术方法和措施。广义可靠性工程的内涵及相互关系[5]如图1 所示。

图1 可靠性工程的内涵及相互关系Fig. 1 Connotation and relationship of reliability engineer

本文对于消防联动控制系统可靠性关键技术研究的总体思路为采用故障模式影响分析（FMEA）定位系统可靠性薄弱环节，并针对薄弱环节采用六性设计方法提高系统整体可靠性，对涉及的关键技术进行深入研究和探讨[6]。消防联动控制系统作为消防系统重要的组成部分，当舰船发生火灾时，通过启动该系统实施灭火联动控制，达到抑制火情的目的。图2 为典型消防联动控制系统组成原理图，系统由综合消防监控台作为集中控制单元。同时设置4 个区域控制单元，每个区域控制单元负责本保护区的灭火联动控制。该控制实现了集中控制和分布式控制，同时图中3 个气体区域控制单元的消防联动控制器之间通过控制互联实现多点控制。各控制器之间通过消防信息网络实现组网通信。图3 为系统任务可靠性框图。依据可靠性框图开展故障模式分析，提出预防补偿措施，以提高系统可靠性。

图2 消防联动控制系统组成原理图Fig. 2 Design principle of multipoint control of automatic control system for fire protection

图3 消防联动控制系统任务可靠性框图Fig. 3 Basic reliability block diagram of automatic control system for fire protection

通过故障模式影响分析，现有消防联动控制系统在保证系统基本可靠性和任务可靠性的基础上，仍存在一些薄弱环节，主要体现在以下方面：

1）现有系统手动控制驱动单元及相关组件为非标准化部件，由于不同项目规模及保护部位数量的不同，主要采用定制化设计，硬件在不同项目之间无法通用，项目实现效率低、成本高、周期长。而实质上，项目之间除了规模的不同，其功能特性基本相同，因此可通过标准化模块化设计，提高产品互换性和通用化程度，降低项目工程化复杂度。

2）现有系统对于控制线路的完好性缺少监测手段，当出现线路开路、短路或者接地故障时，无法及时发现故障，而火灾的发生具有偶然性，线路故障的发生也具有不确定性，缺少监测手段无法保证第一时间发现故障并采取修复措施。针对该问题增加线路诊断功能，提高系统手动控制线路的故障检测率和故障定位能力，达到提升系统可靠性的作用。

3）手动灭火联动控制需人工介入，人的因素可能导致误操作误动作的发生。因此需加强手动控制安全性设计，尤其是气体释放的安全性设计，防止误操作误释放问题的发生。现有系统设置了基本的手动控制互锁，随着系统升级换代同时结合系统使用情况，需进一步加强手动控制安全性设计，提升系统的控制安全性。

4）手动灭火控制操作相对复杂，操作人员需具备较高的熟练度和专业知识，及较高的心理素质。针对系统的使用特点，需考虑使用过程中人的紧张情绪造成误操作或延迟操作而导致灭火失败的情况。增加手动控制辅助决策功能来指导人员操作，提高操作正确性能够进一步保证系统使用阶段的可靠性。

基于上述分析，提炼出4 项关键技术开展总体研究，主要包含消防联动控制器通用化模块化设计技术、控制线路故障诊断技术、气体释放安全防护技术、消防联动控制辅助决策技术。图4 为本文关于消防联动控制系统可靠性关键技术架构，相关设计方法均能够为系统可靠性的提升发挥作用。同时也印证了可靠性系统工程理论，六性设计在不同层面均能够提升系统可靠性，而且之间是相互影响相互促进的关系[7]。

图4 消防联动控制系统可靠性关键技术架构Fig. 4 Reliability key technology block diagram of automatic control system for fire protection

2 消防联动控制系统可靠性关键技术

2.1 消防联动控制器通用化模块化设计技术

消防联动控制器在总体架构上采用通用化模块化可扩展的设计思想。依据GB4717《火灾报警控制器》、GB16806《消防联动控制系统》和CB20016-2018《舰船火灾报警控制器规范》功能要求[8–9]，控制器整体架构主要由主CPU、电源、回路卡、液晶显示操作面板、若干控制输出模块、若干容器阀监控模块、若干辅助决策模块、通信模块、信息记录模块组成。图5为消防联动控制器通用化模块化设计原理图。其中，主CPU、液晶显示操作面板和电源是控制器的基本配置，主要实现信息处理及显示功能。回路通信卡主要负责总线通信实现二总线自动消防联动控制功能。对于手动联动控制功能主要配置了控制输出模块、容器阀监控模块、辅助决策模块。其中控制输出模块主要实现对各类控制部件的启动控制，并提供控制驱动和控制线路故障监测，容器阀监控模块主要实现对气体容器阀相关的控制，同时设计气体释放安全防护相关电路，保证气体释放的安全性和可靠性。辅助决策模块主要实现对灭火操作执行机构操作提示功能，3 类模块均设计为标准模块，可根据被控对象的数量和功能需求进行各类模块的叠加扩展使用。通用化模块化设计能在维修过程中快速隔离故障模块，便于模块更换，减少维修时间，同时便于控制扩展，满足项目个性化设计要求的基础上，最大限度地缩短项目周期，降低成本[10 – 11]。

图5 消防联动控制器通用化模块化设计原理图Fig. 5 General modular design framework of automatic controller for fire protection

2.2 控制线路故障诊断技术

在系统研制过程中完善可测试性设计（ Design F Testability, DFT）。常用的有边界扫描（Boundary Scan,BS）技术和机内测试（Built-In Test, BIT）技术。其中控制线路故障诊断技术属于BIT 技术。目的在于提高系统和装备的战备完好性和任务成功性，该技术最容易实现系统工作过程中的实时监视，从而能够保证系统功能的正常发挥[12]。

图6 为控制线路故障诊断技术电路原理图。控制线路为5 V 供电，进入故障检测状态，控制线路会有一个小电流信号通过[13]。R1为检测电阻，该电阻值选取一般与控制线路的线阻阻值相当，功率满足使用要求。D1为线路故障诊断单元，其中采样电路会定时采样（一般可设置为1 h 采样或者若干小时采样）检测点1～检测点8 的电压值，并通过A/D 转换送给微处理器进行判断。其中检测电阻R1～R8与线阻实现了线路分压，正常线路没有开路和对地短路时，由于检测电阻与线阻阻值相当，因此检测点约分得5 V 电压的一半，即在2.2～2.8 V；当线路出现开路故障，比如线缆断接或者没有连接被控消防部件时，由于检测电路无法形成回路，因此线路没有电流，检测点电压即为5 V 电压。通过上述2 种电压值的判断即可诊断出控制线路正常和控制线路开路2 种状态，对于对地短路故障通过对地电路检测电路来实现，当对地电阻值小于设置的47 K 时，即判断检测线路出现了对地短路故障。一旦检测到故障信息，控制输出模块会通过内网将信息发送给主CPU 进行进一步的信息处理后实现报警和显示。当手动开关动作时，一般是处于要启动灭火联动控制的状态，切换至24 V 供电，采用5 V 和24 V供电转换，避免只采用24 V 供电，控制线路诊断过程中的误动作发生，保证了设备稳定可靠工作。本设计能够定时检测控制线路正常、开路和对地短路状态，并发送故障信号给主CPU 进行报警和显示。该故障诊断方法不影响直线手动联动控制，为消防联动控制功能完好提供了安全保障[14]。

图6 控制线路故障自诊断电路原理图Fig. 6 Schematic diagram of control line fault diagnosis circuit

2.3 气体释放安全防护技术

气体释放安全防护技术主要通过提高系统运行和使用中的安全性来达到提高可靠性的目的。在原有控制互锁设计的基础上，增加了控制执行机构防误操设计、手自动控制去耦合设计、冗余延时供电设计等技术手段，保证对气体灭火联动控制高可靠性的设计要求。

容器阀控制可通过自动和手动控制来实现。图7为容器阀自动控制安全防护电路原理图，主要设计自动控制冗余延时供电。在自动状态下，需启动自动启动执行装置，通过联动控制逻辑软件发送控制指令，启动相应的被控部件实现灭火剂释放。为保证灭火状态下灭火剂释放同时防止监视状态下气体误释放，在容器阀自动控制供电方面开展技术研究。图7 倒计时电路中D2和D3实现容器阀供电的双路延时功能，在延时过程中，均可通过操作紧急停止执行装置停止对容器阀供电的延时程序，取消供电。同时对于延时启动增加了主CPU 发送的启动确认信号，只有在真正火警发生时才会发送该信号给倒计时电路，进行正常的延时供电，否则即便按下自动启动执行装置也不会完成延时供电。

图7 容器阀自动控制安全防护电路原理图Fig. 7 Schematic diagram of automatic comtrol safety protection circuit of container valve

图8 为容器阀手动控制误释放安全防护电路原理图，手动直线控制方式下，所有手动控制执行装置均采用瞬态执行装置，防止极端状态下机械结构未复位而设备重新启动导致气体误释放情况的发生；同时将自动控制线路与手动控制线路彻底隔离，实现手动控制和自动控制的完全独立和冗余设计；采取检测控制线路电流的方法来判定气瓶状态的设计方法，解决了现有系统无法直接获取气瓶状态的问题，传统设计中通过按钮采样和单纯检测电压作为判定气瓶状态的方法可能会造成对气瓶真实状态的误判[15–16]。

2.4 消防联动控制辅助决策技术

消防联动控制辅助决策技术属于与保障性有关的设计特性，使得装备便于操作、检测和维修。对于保障资源角度的保障性设计内容不在本次研究范围内[17]。

消防联动控制辅助决策技术能够引导操作人员准确把握灭火流程和操作正确性。图9 为消防联动控制辅助决策技术设计原理图。辅助决策模块可以根据实际项目需求进行串联扩展。并口输入主要接入消防联动控制器中的各类消防设施状态反馈端，用来采样消防设施的状态。并口输出主要接入消防联动控制器的控制执行机构指示灯端，通过预设逻辑判断，由软件控制输指示灯的闪灭来指导人员操作实现辅助决策。

图9 消防联动控制辅助决策技术设计原理图Fig. 9 Principle block diagram of intelligent decision making technology of automatic control for fire protection

该辅助决策软件设计采用底层软件和二次开发配置数据相结合的通用化模块化设计方法。底层软件上电会判断每块装置的物理地址，区分出物理地址为1 和非1 的装置，物理地址为1 的装置会读取初始输入条件和输出联动配置数据，并通过CAN 中断和串口中断接收回路设备的地址事件信息，与前一次回路设备状态进行比较，如果有变化将对应输入条件配置数据状态标志设置为“激活”或者“恢复”。物理地址非1 的装置会通过并口采样控制部件操作信息通过CAN 总线发送给物理地址为1 的装置，上述输入信息会作为输入判据与输入条件配置数据进行比较，通过比较找到满足输入条件配置数据相对应的输出联动配置数据，将得到的输出联动配置数据进行数据处理，生成各装置输出端口执行命令后采用定时器中断巡检的方式分别发送给非1 装置执行联动指令。输入条件的变化会实时通过中断和采样的方式获得并不断的与之前的状态进行比较，如果没有变化将维持原有的联动指令执行，如果发生变化将生成新的执行命令发送给相应的装置执行联动指令特定的联动逻辑。

其中二次开发配置数据包括输入条件配置数据和输出联动配置数据。输入条件配置数据和输出联动配置数据通过联动向量入口地址进行关联。编制完成的配置数据下载到处理器FLASH 中进行存储。当底层软件运行时调用配置数据进行逻辑判断，实现智能决策输出。

3 系统性能分析

本文研究的消防联动控制系统4 项关键技术能够完善系统设计，进一步提升消防联动控制系统的可靠性。图10 为消防联动控制系统通用质量特性相关设计框图，图中虚线框代表既有的系统性能相关设计方法，实线框对应本文提出的4 项关键技术的相应设计方法。从设计角度分析，通过完善系统可靠性设计，系统可靠性的相关措施由13 项增加为17 项，增加了23.5%。

图10 消防联动控制系统通用质量特性相关设计Fig. 10 General quality characteristics and related design of the fire linkage control system

同时采用故障树分析方法进一步论证关键技术对提升系统可靠性的作用。图11 为消防联动控制系统故障树（FTA）分析图。通过分析可明确导致系统灭火失败的各种因素，包括系统硬件、系统软件以及人为因素等。同时找出灭火失败该顶事件发生的全部最小割集，图中对于底事件分别做了编号1～15，用下行法进行分析，得到系统的最小割集为56 个，这56 个最小割集中，只要有一个出现，顶事件就会发生。本文研究的4 项关键技术起到降低5 项底事件发生的作用，该5 项底事件如图11 中的虚线框内容描述，其中消防联动控制器通用化模块化设计技术与气体释放安全防护技术2 项关键技术的研究目标是降低消防联动控制器内部电路故障1 和消防联动控制器内部电路故障2 的发生；控制线路故障诊断技术研究目标是降低手动控制线路故障的发生；消防联动控制智能决策技术研究目标是降低缺少培训演练延误灭火时机和紧张导致操作错误故障的发生。分析表明与这5 项底事件相关的最小割集为32 个，因此4 项关键技术的增加能够降低32 种顶事件的发生概率，与所有最小割集的占比为57%。灭火失败作为建树的顶事件，顶事件整体发生概率的降低标志着系统可靠性稳定性的提高[18]。

图11 消防联动控制系统故障树(FTA)分析图Fig. 11 Fault tree(FTA) analysis diagram of fire linkage control system

4 结 语

本文以提高消防联动控制系统可靠性为研究目标，基于故障模式影响分析结果，采用六性相关设计方法和理论开展消防联动控制系统关键技术研究，在现有系统的基础上完善了维修性设计、测试性设计、安全性设计和保障性设计，系统更便于维修诊断，能够起到及时发现故障并快速隔离故障、恢复设备功能的作用，系统的可用性和正常工作时间都得以延长和保证。同时加强了气体灭火系统使用维护过程中的安全性设计，做到及时可靠灭火，杜绝误释放问题的发生。灭火操作辅助决策保障性设计提高了设备的操作正确性和防止人的不可靠因素导致灭火失败问题的发生，从使用角度提高了系统的可用性，保证系统能够在日常使用维护过程中最大限度的发挥其效能。关键技术的侧重点集中在六性综合设计体系对于提高系统整体可靠性的作用，从全寿命周期考虑系统的可靠性，验证了六性设计对于提高系统可靠性的作用。

舰船装备未来更加着眼实战化需求的装备建设，可靠性相对于先进性作用更加凸显，重视程度也会同步提高，面临当前可靠性工作重视度不够，投入不足，基础薄弱的现状，需建立可靠性系统工程的设计理念。本文在可靠性系统工程实践方面做了初步探究和尝试，形成的关键技术研究成果将作为我国舰船消防装备更新换代、性能提升的技术储备。