高建華 劉永葆，2

1海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074

柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略研究

高建華1劉永葆1，2

1海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074

研究柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及基本體系結(jié)構(gòu)，針對(duì)其測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)采集量大的特點(diǎn)，引入一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化策略，在保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和有效性的同時(shí)，節(jié)約存儲(chǔ)空間，為動(dòng)力裝置的故障診斷和技術(shù)狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。

柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置；狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；故障診斷；

1 引言

柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置充分發(fā)揮了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性好和燃?xì)廨啓C(jī)功率大、比重量小等優(yōu)點(diǎn)。典型的艦用柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置主要由燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、離合器、齒輪箱、軸系、調(diào)距槳和大量的附屬系統(tǒng)構(gòu)成。在低工況時(shí)裝置采用柴油機(jī)推進(jìn)，可以避免燃?xì)廨啓C(jī)在低工況時(shí)油耗過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)該裝置還具有起動(dòng)快、備航時(shí)間短、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。目前，柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置已日益成為各國(guó)海軍護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦的主要?jiǎng)恿π问健Ｅc此同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家的柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已將控制、監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理、故障診斷、維修結(jié)合起來(lái)，形成多層次、全壽命周期的綜合監(jiān)測(cè)、診斷和評(píng)估平臺(tái)［3－7］。

近年來(lái)，我國(guó)采用柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的艦船也越來(lái)越多，但總體說(shuō)來(lái)，這種類型動(dòng)力裝置的運(yùn)行管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、維修的經(jīng)驗(yàn)還處于積累階段。要準(zhǔn)確評(píng)估柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的技術(shù)狀態(tài)、預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障并提出科學(xué)合理的維修決策方案，必須對(duì)大量的動(dòng)力裝置運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，并以此結(jié)果作為決策的依據(jù)，這是現(xiàn)代艦船科學(xué)管理的基本要求。艦用柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的測(cè)點(diǎn)非常多，單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，在現(xiàn)有條件下將動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部保存下來(lái)不太現(xiàn)實(shí)。因此，有必要開(kāi)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略的研究，使得在剔除大量冗余數(shù)據(jù)的同時(shí)，又能夠保留有用的數(shù)據(jù)供分析之用。

2 柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)目標(biāo)主要包括：實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警、趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)、離線技術(shù)狀態(tài)分析［8-9］。通過(guò)對(duì)艦船燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是充分發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)性能的重要途徑。

通過(guò)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與全壽命周期的一體化控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)的有效融合，廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將其與現(xiàn)有的分布式控制系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，將使聯(lián)合動(dòng)力裝置的控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到高度的信息集成，從而在整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的全壽命周期里，實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)行優(yōu)化、壽命管理，以及運(yùn)行安全可靠性、故障分析與診斷等的一體化控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。新型艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多層次的狀態(tài)管理體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)以計(jì)算機(jī)快速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估，為艦船現(xiàn)場(chǎng)操作和維修人員提供狀態(tài)特征、狀態(tài)變化趨勢(shì)以及故障診斷方法，也為離線技術(shù)分析提供必要的信息，并全面補(bǔ)充和協(xié)助艦船燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)的故障診斷、檢測(cè)和維修決策。

艦船柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)在整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中扮演著一個(gè)非常重要的角色，無(wú)論是在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)還是離線狀態(tài)監(jiān)測(cè)都離不開(kāi)它。

圖1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)優(yōu)化策略

某型艦柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)約有1 000個(gè)左右的測(cè)點(diǎn)需要監(jiān)視。各測(cè)點(diǎn)通過(guò)RS422總線與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中央站相連，并按一定策略輪流向中央站發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的主要內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)位置號(hào)、節(jié)點(diǎn)名稱、測(cè)點(diǎn)當(dāng)前工作狀態(tài)、測(cè)點(diǎn)目前測(cè)得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)測(cè)得的時(shí)間等，每個(gè)測(cè)點(diǎn)單次發(fā)送的數(shù)據(jù)量一般為幾百個(gè)字節(jié)，正常情況下系統(tǒng)運(yùn)行24 h產(chǎn)生的數(shù)據(jù)約為6 G。因此，1個(gè)160 G的硬盤若不采用一定的存儲(chǔ)策略大約只能存儲(chǔ)28天左右的數(shù)據(jù)。

為解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量瓶頸問(wèn)題，提高數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索效率，同時(shí)確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效性和安全性，這里引入了一種新的智能化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化策略，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

3.1 采集數(shù)據(jù)預(yù)處理

為提高檢索速度同時(shí)避免數(shù)據(jù)量過(guò)大造成數(shù)據(jù)溢出，應(yīng)減小保存的數(shù)據(jù)量。但為了分析和決策，又不能遺漏有價(jià)值的數(shù)據(jù)，需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有選擇地進(jìn)行存儲(chǔ)。因而，必須根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，分析哪些數(shù)據(jù)不需要保存，哪些數(shù)據(jù)需要短時(shí)間保存，哪些數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期保存等，最后根據(jù)分析結(jié)果將需要保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)［10］。

對(duì)于艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置而言，由于齒輪箱的減速比是一定的，因此無(wú)論是工作在柴油機(jī)模式下還是工作在燃?xì)廨啓C(jī)模式下，兩種機(jī)型均是在一個(gè)工況變化比較大的情況下運(yùn)行。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)而言，在升工況過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生燃?xì)獍l(fā)生器超溫、壓氣機(jī)喘振以及動(dòng)力渦輪超速等多種危險(xiǎn)情況。對(duì)柴油機(jī)而言，它的大部分故障也往往是發(fā)生在工況劇烈變化的過(guò)程中。針對(duì)這一情況，如果采用通常的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法，即采用按照給定時(shí)間間隔保存數(shù)據(jù)或分段間隔的數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)方案，則需要保存的數(shù)據(jù)量較大，而且容易出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)丟失以及數(shù)據(jù)檢索性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

考慮到艦船主要是通過(guò)車鐘來(lái)控制其航速，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)或者柴油機(jī)的工況來(lái)增加或減小螺旋槳的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制航速的目的。這里采用的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)主要原理如下：

1）如果艦船的車鐘命令不變，且實(shí)際連續(xù)一段時(shí)間測(cè)得的參數(shù)僅在極小的范圍內(nèi)變化，則采集到的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)庫(kù)的頻度將自動(dòng)降低；

2）如果車鐘命令改變，如由“兩進(jìn)三”變?yōu)椤皟蛇M(jìn)四”，則這個(gè)變化過(guò)程中的數(shù)據(jù)必須送往數(shù)據(jù)庫(kù)；

3）雖然車鐘命令保持不變，但被測(cè)參數(shù)（例如振動(dòng)情況、燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪前溫度等）發(fā)生可以感知的變化，則采集數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)庫(kù)的頻度自動(dòng)增加；

4）燃?xì)廨啓C(jī)及柴油機(jī)在以前很少運(yùn)行的工況下（如110%工況），數(shù)據(jù)庫(kù)中這個(gè)工況的數(shù)據(jù)量很少，則采集數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)庫(kù)的頻度自動(dòng)增加。

3.2 多層數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)機(jī)制

由于系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)量非常大，數(shù)據(jù)種類繁多，包括動(dòng)態(tài)車鐘信息、近1 200個(gè)測(cè)點(diǎn)的循環(huán)變化的運(yùn)行參數(shù)值、報(bào)警信息、系統(tǒng)故障信息數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可靠性、存取速度和查詢效率，設(shè)置了多層數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)制，將數(shù)據(jù)庫(kù)分為訪問(wèn)層、計(jì)算層和操作層，該結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用這種三層數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)可明確地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)分割，使其在邏輯上各自獨(dú)立，在硬件實(shí)現(xiàn)放于同一計(jì)算機(jī)上。操作人員通過(guò)表示層上的用戶接口與應(yīng)用程序交互，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)功能，通過(guò)這種結(jié)構(gòu)既提高了數(shù)據(jù)存取速度又提高了查詢效率［11］。

其中，訪問(wèn)層主要負(fù)責(zé)與用戶會(huì)話的交互，需要為用戶提供強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)檢索和管理功能，設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和離線狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩種需求的前臺(tái)圖形用戶交互形式，處理用戶輸入的驗(yàn)證和向應(yīng)用服務(wù)器提出檢索請(qǐng)求。

中間層是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它一方面為客戶端提供共享服務(wù)；另一方面也是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)物理位置定位，為數(shù)據(jù)庫(kù)提供透明訪問(wèn)，進(jìn)行性能調(diào)整等。它包括4個(gè)方面：第一，提供安全認(rèn)證，用戶與密碼驗(yàn)證，數(shù)字認(rèn)證等；第二，負(fù)責(zé)平衡同一時(shí)間的大量負(fù)載請(qǐng)求和性能調(diào)整；第三，編制各種業(yè)務(wù)邏輯；第四，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的物理定位，為數(shù)據(jù)庫(kù)提供透明訪問(wèn)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表及其之間的相關(guān)關(guān)系。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，如果建立單一數(shù)據(jù)庫(kù)體系，檢索查詢和數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)性能將得不到滿足，因此在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)采用分庫(kù)保存的策略改善其性能。根據(jù)數(shù)據(jù)源類型的劃分，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要由5個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成：監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、車鐘信息數(shù)據(jù)庫(kù)、故障信息和歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中前4個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)主要是供艦上人員在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)使用，而歷史數(shù)據(jù)庫(kù)則主要供基地級(jí)離線狀態(tài)評(píng)估使用。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的數(shù)據(jù)來(lái)源前面4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，它將一些對(duì)機(jī)組性能評(píng)價(jià)和趨勢(shì)分析有價(jià)值的數(shù)據(jù)入庫(kù)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)從動(dòng)力裝置裝艦使用開(kāi)始的整個(gè)生命周期來(lái)綜合評(píng)價(jià)其性能和對(duì)動(dòng)力裝置未來(lái)情況做出中長(zhǎng)期趨勢(shì)分析。

4 應(yīng)用實(shí)例

文中所討論的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略已在裝艦使用的“某型艦動(dòng)力裝置數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)”中進(jìn)行了應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)CODOG動(dòng)力裝置和電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的所有機(jī)電狀態(tài)參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)、輔助系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、損管設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、車鐘命令、故障報(bào)警信息進(jìn)行全方位的采集與存儲(chǔ)，可以便捷地調(diào)閱任意參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)重要參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析。同時(shí)還可以對(duì)故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，分析相關(guān)故障的發(fā)生概率。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)通過(guò)采用包括數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在內(nèi)的智能存儲(chǔ)優(yōu)化策略，大大減少了硬盤上保存的數(shù)據(jù)量，提高了數(shù)據(jù)檢索能力。試驗(yàn)表明：動(dòng)力裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，在工況變化頻度較小的情況下，例如，某艦由北海某港口出發(fā)，航行數(shù)10 h后到達(dá)南海某海域，整個(gè)航行過(guò)程中，采用智能存儲(chǔ)優(yōu)化策略后可節(jié)約70%左右的存儲(chǔ)空間，大大緩解了存儲(chǔ)容量的瓶頸問(wèn)題。圖4為系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略前后占用硬盤空間的對(duì)比示意圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以艦用柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)其測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)采集量大的特點(diǎn)，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)優(yōu)化策略，并成功應(yīng)用于海軍某型裝備，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估艦用柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的技術(shù)狀態(tài)、預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障具有重要的意義。

該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化策略對(duì)于采用汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其它旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣具有一定的參考價(jià)值。

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Data Storage Method of Condition Monitoring System for CODOG Power Plant

Gao Jian－h(huán)ua1 Liu Yong－bao1，2
1 College of Naval Architecture and Power，Naval Univ ersity of Engineering，Wuhan 430033，China 2 College of Energy and Power Engineering， Huazhong Univ ersity of Science and Technology，Wuhan 430074，China

The compone nt and architecture of CODOG power plantmonitoring system were studied in this paper.For the power plant has a large amount ofmeasure points and collected data， a new data storage method was introduced，which ensures the safety and effectiveness for data storage，saves a great deal of storage space， and provides the basis for fault diagnosis and technicalassessmentof power plant.

CODOG power plant； condition monitoring system； data base； data storage； fault diagnosis

TP391.9

A

1673－3185（2010）04－44－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.010

2009－06-11

國(guó)防預(yù)研基金項(xiàng)目（10101020103）

高建華（1982－），男，講師，博士研究生。研究方向：船舶動(dòng)力裝置故障診斷與控制運(yùn)行。E-mail：conj e wa＠ 163.com

劉永葆（1967－），男，副教授，博士研究生。研究方向：船舶動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷