徐新華，李偉光，謝軍龍

1華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢4300742中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

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艦船集成冷媒水系統(tǒng)損害檢測

徐新華1，李偉光2，謝軍龍1

1華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074
2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

摘要：艦船集中冷媒水系統(tǒng)配置方式可以集中為艦船電子設(shè)備冷卻提供保障，克服電子設(shè)備因自帶冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的壽命周期費(fèi)用高、可靠性水平低等問題，能減少資源消耗，簡化設(shè)備配置，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冷卻資源的綜合利用。集中冷媒水系統(tǒng)的損害檢測及管理是艦船損害管制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在分析艦船冷媒水系統(tǒng)集成及艦船損害管制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討采用主元分析法（PCA）對冷媒水系統(tǒng)測量傳感器的損害進(jìn)行檢測與診斷，并在水系統(tǒng)的模擬平臺上對傳感器的損害檢測與診斷進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)水系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下的系統(tǒng)壓力傳感器的測量數(shù)據(jù)建立的主元模型可解釋系統(tǒng)方差95%以上，置信限為1.639 4。在某壓力傳感器損害（即故障）條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)的Q-統(tǒng)計(jì)超出這一置信限，說明有壓力傳感器發(fā)生故障，且從Q-分布圖可以看出，故障壓力傳感器的測量貢獻(xiàn)率最高，占45%～75%，從而實(shí)現(xiàn)了故障傳感器的診斷。提出一種平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)相結(jié)合的集中冷媒水管網(wǎng)的損害檢測與診斷流程。

關(guān)鍵詞：集中冷媒水系統(tǒng)；損害檢測；損害診斷；損害管制；主元分析法

0　引　言

艦船是海上國防力量的重要裝備。大量的電子設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)代艦船作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和警戒探測系統(tǒng)，要保證裝備長期使用的可靠性、保障性、維修性和適配性，需要建立具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)的艦船機(jī)電設(shè)備冷卻系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的冷卻系統(tǒng)可提高通用性，大幅減少備品、備件的種類和數(shù)量，可保證產(chǎn)品維修簡便、迅速、經(jīng)濟(jì)，從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品綜合效能的目的。這是保障裝備“減肥瘦身”的一種重要方法。解決這一問題的關(guān)鍵是建立集中冷媒水系統(tǒng)并保證該系統(tǒng)的安全、可靠、高效運(yùn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代海戰(zhàn)中，威脅艦船生存的各種武器的威力越來越巨大。艦船的損害管制是艦船生命力的重要內(nèi)容之一。艦船集中冷媒水作為重要的輔機(jī)系統(tǒng)，可為機(jī)電設(shè)備的冷卻提供重要保障。保證艦船集中冷媒水系統(tǒng)的正常運(yùn)行也是艦船損害管制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文將在分析艦船冷媒水系統(tǒng)集成及艦船損管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討采用主元分析法（PCA）進(jìn)行冷媒水系統(tǒng)測量傳感器的損害檢測與診斷，并探討戰(zhàn)時(shí)集中冷媒水管網(wǎng)損壞或破裂的檢測診斷流程。

1　艦船冷媒水系統(tǒng)集成

隨著現(xiàn)代艦船的大型化以及功能多樣化，電子機(jī)柜和雷達(dá)天線等電子設(shè)備的使用越來越多。這些電子設(shè)備內(nèi)部裝有大量的芯片等電子元件。這些電子器件均需進(jìn)行降溫除濕才能正常、可靠地運(yùn)行。當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.8 W/cm2時(shí)，就要采取強(qiáng)迫空氣冷卻的方式［1］。強(qiáng)迫空氣冷卻的風(fēng)冷能力一般可以達(dá)到3 W/cm2［2］。對于更高的熱流密度，就需要采用噴流技術(shù)等強(qiáng)制風(fēng)冷手段或冷卻能力更高的液體冷卻手段進(jìn)行冷卻［1］。目前，裝艦的電子機(jī)柜和雷達(dá)天線等電子設(shè)備多采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。對于發(fā)熱量較小的電子設(shè)備，艙內(nèi)空調(diào)通風(fēng)可直接將其熱量排除；對于發(fā)熱量較大的電子設(shè)備，由水冷系統(tǒng)提供強(qiáng)迫空氣冷卻的冷源來將空氣的熱量排入水冷系統(tǒng)帶走。也有一些采用水冷方式或多種方式組合的冷卻方式。

目前，裝艦的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)大多由各設(shè)備廠單獨(dú)配置。而艦船電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的配套供應(yīng)單位多，種類繁多，且配套供應(yīng)單位的技術(shù)水平高低不一，導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)裝艦后出現(xiàn)了不少問題。最主要的是適配性與可靠性低，各種自帶冷卻系統(tǒng)的互換性與通用性差，保障難度大［2］。

隨著艦船人機(jī)環(huán)技術(shù)的發(fā)展，要求改善居住艙室的背景噪聲等居住環(huán)境條件，以提高居住艙室的熱舒適性能，確保艦上人員身體狀況和精神狀態(tài)良好［3］。因此，現(xiàn)代艦船除了大量的電子設(shè)備需要冷卻外，還需要調(diào)節(jié)艙內(nèi)大氣環(huán)境。為艙內(nèi)空氣調(diào)節(jié)提供冷源的一般是冷水機(jī)組，出水溫度7～10℃。目前裝艦的電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)一般提供20℃左右的冷風(fēng)或10～35℃的冷水［2］。電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的冷水一般分低溫冷卻水與高溫冷卻水2種。雖然艦船上電子設(shè)備的冷卻與艙內(nèi)空調(diào)冷卻的用途與目的不同，但電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的冷源與艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的冷源有相同之處，就是都需要低溫冷水。

隨著現(xiàn)代艦船的大型化及功能的多樣化，無論是在艙室大氣環(huán)境的空調(diào)冷源系統(tǒng)中，還是在電子設(shè)備的冷卻降溫系統(tǒng)中，若仍采用傳統(tǒng)的多個(gè)冷卻系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，勢必造成系統(tǒng)配置的設(shè)備型號和數(shù)量眾多，占用較多總體資源，加大維修保養(yǎng)工作量，而且也會造成系統(tǒng)過于繁雜、操作使用困難、占用總體資源無法滿足的難題。另外，還存在著分立系統(tǒng)之間無法相互備份的問題，使保障難度進(jìn)一步增大。因此，可將電子設(shè)備的多個(gè)高溫冷卻水系統(tǒng)合并，組成一個(gè)集中的海水冷卻高溫水系統(tǒng)，將電子設(shè)備的多個(gè)低溫冷卻水系統(tǒng)合并或進(jìn)一步與艙室的空調(diào)冷媒水合并，組成一個(gè)集中的低溫冷媒水系統(tǒng)，由冷水機(jī)組統(tǒng)一提供7℃左右的冷水，即采用全艦冷媒水統(tǒng)一供給、集中監(jiān)控的形式，形成全艦冷源集中綜合調(diào)度調(diào)配的能力，以解決各設(shè)備與系統(tǒng)間的冷源集中供應(yīng)和備份問題。

由于艦船的特殊結(jié)構(gòu)和用途，艦船上冷媒水系統(tǒng)需設(shè)置多臺冷水機(jī)。冷水機(jī)一般在艦船的艏部、舯部和艉部進(jìn)行均勻設(shè)置，制取的冷媒水輸送至集中的供水干管，再由供水干管上的支管將冷媒水分送至各個(gè)末端，從各末端回來的冷媒水集中回到回水干管上。供水干管及回水干管一般較長（即從艏部至艉部）、流速較緩，可起到取代分水器、集水器的作用從而減少管道遠(yuǎn)程輸送過程中的壓力損失，進(jìn)而降低艏艉流量分配的不均衡性。為避免在部分負(fù)荷工況下開啟較少臺數(shù)冷水機(jī)時(shí)造成的艏艉流量不平衡，還需要在供水干管或回水干管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)裝置，以保證艏艉流量的平衡。

2　艦船損管系統(tǒng)

艦船作戰(zhàn)能力與生命力涉及消滅敵人進(jìn)攻的能力與保存自己防御能力2個(gè)重要方面。艦船損害管制是艦船生命力極其重要的保障系統(tǒng)。損害管制簡稱損管，就是對艦船在平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)使用過程中產(chǎn)生影響艦船安全的各種隱患進(jìn)行控制與處理［4］。艦船損管的目的在于利用一切可利用的手段，盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測、監(jiān)視和報(bào)告艦船平臺的安全狀態(tài)，阻止、消除、限制或減輕損害所帶來的影響，并快速組織各種力量修復(fù)或采取應(yīng)急措施，將艦船平臺維持在正?；蚪咏５墓ぷ鳝h(huán)境下［5］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、探測報(bào)警技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)作為損管系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)從無到有，從簡單到復(fù)雜，由落后的損管方式發(fā)展到了先進(jìn)及智能化的方式，同時(shí)在穩(wěn)定性和可靠性等方面也有了長足的進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代末開始，以美國海軍為代表的西方主要軍事強(qiáng)國就開始著手損管系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。目前，已經(jīng)有很成熟的戰(zhàn)時(shí)損管系統(tǒng)（BDCS），如美國的ISMS BDCS、德國的西門子SINAY BDCS、加拿大的L-3 MAPPS I2BMS BDCS和意大利的AVIO MASTER + BDCS。這些系統(tǒng)已在戰(zhàn)艦上進(jìn)行了列裝，如美國的ISMS BDCS列裝在美軍現(xiàn)役DDG 61艦及“阿利·伯克”級IIA型驅(qū)逐艦上，加拿大的L-3 MAPPS I2BMS BDCS裝備在荷蘭海軍的LC F型護(hù)衛(wèi)艦、德國海軍的F124型護(hù)衛(wèi)艦、英國海軍的Albion級船塢登陸艦和K130型輕型護(hù)衛(wèi)艦上［6］。法國的“拉斐特”級護(hù)衛(wèi)艦上設(shè)有自動(dòng)化損管中心，俄羅斯的疏水集中控制系統(tǒng)與損管控制系統(tǒng)列裝在210級核潛艇上［7］。

我國于上世紀(jì)80年代開始研發(fā)艦船損管技術(shù)，已獲得不少成果。如上世紀(jì)80年代推出了JDX型“安全保障綜合監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)”，90年代中期研制了CJS型損管監(jiān)控系統(tǒng)［8］。在具體的損管技術(shù)上，國內(nèi)不少高校及研究單位也做了大量的工作，這些工作主要集中在艦船進(jìn)水后的管制［9］、潛艇抗沉技術(shù)［10］、火災(zāi)控制系統(tǒng)［11］、艦船損害信息分析和損管決策［12-13］等的研究上。艦船損管訓(xùn)練有助于提高艦員應(yīng)對和處置實(shí)際損害的能力，為此，西方軍事強(qiáng)國均建有現(xiàn)代化程度與仿真度較高的損管訓(xùn)練設(shè)施［4］。我國從上世紀(jì)70年代開始研究與建設(shè)艦船損管訓(xùn)練系統(tǒng)，如第1代和第2代艦船損管綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)。2002年，某潛艇部隊(duì)設(shè)計(jì)建造了新型損管綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)［8］。艦船損管虛擬仿真平臺可運(yùn)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化與現(xiàn)代控制技術(shù)真實(shí)地模擬多種損害環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制訓(xùn)練仿真環(huán)境［14］。常壯等［15］搭建了現(xiàn)場總線的艦船損管仿真綜合訓(xùn)練平臺監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模擬災(zāi)害設(shè)置、訓(xùn)練實(shí)時(shí)監(jiān)控和訓(xùn)練動(dòng)態(tài)管理等功能。

在艦船損管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制中，應(yīng)選擇對艦船生命力與戰(zhàn)斗力影響較大的，如火災(zāi)、抗沉性等方面作為監(jiān)控對象。艦船損管系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)的核心是艦船損管智能決策模塊，包括重要輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)模塊。該系統(tǒng)利用采集的數(shù)據(jù)掌握全艦與生命力有關(guān)的參數(shù)狀態(tài)，各子模塊產(chǎn)生相應(yīng)的損管方案，之后由艦船損管智能決策模塊采用多目標(biāo)決策方法對各個(gè)方案進(jìn)行綜合評價(jià)，形成最優(yōu)方案，然后再由決策控制輸出模塊發(fā)出數(shù)據(jù)輸出及控制指令，現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終完成實(shí)際操作。艦船集中冷媒水系統(tǒng)能否為艦船電子設(shè)備系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的冷源保障直接影響了電子設(shè)備的正常運(yùn)行，關(guān)系到艦船的生命力與戰(zhàn)斗力，是重要的艦船輔助系統(tǒng)。艦船集中冷媒水無論是在平時(shí)還是戰(zhàn)時(shí)都可能發(fā)生各種各樣的故障（或稱為損害），對這些故障（或損害）進(jìn)行處理和控制也是非常重要和必要的，是艦船損管系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

圖1艦船損管系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematics of the warship damage management system

3　艦船集成冷媒水系統(tǒng)損害檢測及診斷

艦船冷媒水系統(tǒng)的損害包括系統(tǒng)的傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)、閥門卡死不能動(dòng)作、管道破損、管道斷裂等。這些損害在民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中及核電等領(lǐng)域內(nèi)被稱作故障［16-18］。建筑空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測和診斷研究工作一直很活躍，國際能源組織（IEA）曾組織一些國家的專家進(jìn)行了大量的研究工作，如Annex25，Annex34和Annex40，其中上世紀(jì)末的研究項(xiàng)目Annex25確定了各種建筑空調(diào)系統(tǒng)的常有故障及各種各樣的故障檢測與診斷方法［17，19］。

故障按照其嚴(yán)重程度可以分為器件完全失效的硬故障，以及器件性能下降或部分失效的軟故障。閥門完全堵塞、傳感器讀數(shù)完全失效、冷媒水系統(tǒng)在戰(zhàn)時(shí)管道被打斷或裂開都是硬故障。硬故障是突發(fā)性的，易于被檢測到。而水泵的效率降低、傳感器的偏差與漂移等是典型的軟故障，是漸變性的，在初期不易檢測到。一般來講，軟故障的危害要比硬故障的更大［17］。但是，對于艦船集中冷媒水而言，尤其是戰(zhàn)時(shí)，硬故障，如管道被打斷，所帶來的危害要比軟故障的危害更大。按照故障發(fā)生的器件不同，可把故障分為水泵、水閥、管網(wǎng)和制冷機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)的組件故障，以及傳感器出現(xiàn)偏差、漂移和精度等級下降的傳感器故障［17］。

系統(tǒng)故障診斷的方法多種多樣，劃分方法也不同。目前，多數(shù)按照是否采用模型來進(jìn)行故障診斷的方法劃分，一般分為基于模型的故障診斷和非模型的故障診斷。基于模型的故障診斷方法需要建立系統(tǒng)參考模型，根據(jù)參考模型預(yù)測的各參數(shù)與實(shí)際測量的各參數(shù)的比較進(jìn)行故障的分類。建立參考模型的方法通常有物理原理法［20］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［21］、回歸法［22］、模糊邏輯法［23］、狀態(tài)空間法［24］和主元分析法（PCA）［25-28］等。非模型的故障診斷方法是直接將系統(tǒng)的各種輸入、輸出參數(shù)輸入到分類器，作出故障分類，從而給出故障診斷結(jié)果。這種方法的關(guān)鍵在于分類器的分類規(guī)則的設(shè)計(jì)。常用的方法主要有貝葉斯分類法［29］、專家規(guī)則法［30］和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［22］等。

對于空調(diào)水系統(tǒng)的故障診斷，國內(nèi)外有許多研究。Ngo等［31］提出采用模糊識別的方法對冷卻盤管的水側(cè)結(jié)垢與閥門泄漏故障進(jìn)行檢測與診斷。Haves等［32］采用物理模型對冷卻盤管故障進(jìn)行了診斷。Wang等［33］采用傳感器讀數(shù)之間的簡單邏輯關(guān)系進(jìn)行了傳感器故障檢測。晉欣橋等［34］提出一種基于分析冗余和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的故障診斷方法以對空調(diào)水系統(tǒng)中的溫度傳感器固定偏差進(jìn)行診斷，并進(jìn)行了方法驗(yàn)證。王婉［35］采用主元分析法對空調(diào)水系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行了故障診斷，并通過對建模數(shù)據(jù)的離群點(diǎn)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高了故障檢測效率。

按照艦船領(lǐng)域慣用的術(shù)語，將艦船上的故障統(tǒng)一稱為損害，其中軟故障稱為軟損害，硬故障稱為硬損害。若采用巡查方式對艦船集中冷媒水系統(tǒng)損害進(jìn)行檢測判斷，工作人員工作量大、任務(wù)重、效率低、耗時(shí)長，不適應(yīng)信息化高科技條件下艦船損管的快速反應(yīng)需求。因此，必須在集中冷媒水系統(tǒng)上裝設(shè)測量裝置以進(jìn)行狀態(tài)自動(dòng)檢測，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)及時(shí)掌握系統(tǒng)狀態(tài)并對系統(tǒng)發(fā)生的各種損害進(jìn)行自動(dòng)檢測與診斷。高科技條件下，艦船損管要求對軟損害進(jìn)行提前預(yù)防維護(hù)，對硬損害進(jìn)行及時(shí)、快速的反應(yīng)并進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，以保持系統(tǒng)生命力。艦船集中冷媒水系統(tǒng)的軟損害一般都是測量裝置，如傳感器的偏差或漂移，閥門的泄漏等，這些軟損害可以在日常的維護(hù)保養(yǎng)過程中解決；閥門或水泵的損壞等硬損害也可以在日常的維護(hù)過程中解決，但對于在戰(zhàn)時(shí)出現(xiàn)的管網(wǎng)損害一定要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)解決。目前，很少見到有關(guān)艦船集中冷媒水系統(tǒng)的損害檢測及診斷方面的公開研究報(bào)告。本文將以某閉式水系統(tǒng)為對象，采用PCA研究管網(wǎng)系統(tǒng)檢測傳感器的損害檢測與診斷。

4　實(shí)例分析與應(yīng)用

4.1主元分析法（PCA）

對于一個(gè)特定的系統(tǒng)，不同傳感器的測量值之間具有高度的相關(guān)性，并不是孤立的。在正常情況下，這種相關(guān)性受質(zhì)量守恒、能量守恒、壓力特性、熱特性的物理化學(xué)等基本規(guī)律的制約。當(dāng)某些傳感器或部件出現(xiàn)故障時(shí)，這種測量值之間的相關(guān)性就不再保持。PCA是一種多元的統(tǒng)計(jì)方法。該方法可以很好地捕捉系統(tǒng)各個(gè)變量之間的相關(guān)性。當(dāng)這些變量的測量值偏離它們的實(shí)際值或者真值時(shí)，這一相關(guān)性就不再保持。PCA就是利用系統(tǒng)變量之間的這種相關(guān)性來對系統(tǒng)進(jìn)行故障的檢測與診斷［26-27］。PCA的數(shù)學(xué)描述如下。

正常過程的m個(gè)相關(guān)變量的n個(gè)測量構(gòu)成抽樣陣列（Xn×m），該抽樣陣列可分解為式（1）。式中：?為主元子空間；E為殘差子空間，在系統(tǒng)未出現(xiàn)故障的情況下，主要是測量噪聲；P為載荷矩陣。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，X的協(xié)方差陣可以用式（4）進(jìn)行估計(jì)。X的協(xié)方差陣具有n個(gè)特征值，每個(gè)特征值對應(yīng)一個(gè)特征向量。P的列向量分別為X的協(xié)方差陣R的前l(fā)個(gè)最大特征值λi所對應(yīng)的特征向量，每一個(gè)特征向量表示一個(gè)主元。

上述模型建立之后，一個(gè)新的測量數(shù)據(jù)樣本向量x就可以按照式（5）～式（7）所示分解成為2個(gè)部分，即?與e，分別為x在主元子空間內(nèi)與在殘差子空間內(nèi)的投影。

余差e描述了這一新觀測樣本的變化及噪聲，它是系統(tǒng)損害（或故障）檢測與診斷的基礎(chǔ)。

采用PCA進(jìn)行損害診斷時(shí)，Q-統(tǒng)計(jì)用作損害條件的指標(biāo)，如式（8）所示。這一統(tǒng)計(jì)值也稱作平方預(yù)測誤差（SPE）。當(dāng)系統(tǒng)有損害時(shí)，測量值之間的相關(guān)性不再保持，Q-統(tǒng)計(jì)將超出某一置信限。這一置信限表示了這些測量值的噪聲以及動(dòng)態(tài)性。

當(dāng)Q - statistic>Qα?xí)r，系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，此時(shí)，可通過Q -分布圖來判斷具體是哪一個(gè)傳感器最有可能出現(xiàn)故障。通常而言，對Q - statistic統(tǒng)計(jì)值貢獻(xiàn)（η）最大的那個(gè)傳感器最有可能出現(xiàn)故障，如下式所示。

4.2水系統(tǒng)及模擬

閉式水系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)置有2臺并聯(lián)的水泵，流量為22 m3/h，揚(yáng)程為20 m H2O。該系統(tǒng)設(shè)置有3個(gè)大支路，每個(gè)大支路下設(shè)置4個(gè)小支路。該系統(tǒng)為異程式，由膨脹水箱進(jìn)行補(bǔ)水定壓。管道上設(shè)置有相應(yīng)的閥門以進(jìn)行系統(tǒng)工況調(diào)試，小支路上的閥門用于模擬末端設(shè)備的阻力特性，閥門調(diào)節(jié)好之后，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不再調(diào)節(jié)，即管道系統(tǒng)的阻力特性不再變化。水系統(tǒng)上的壓力檢測點(diǎn)如圖2所示，共12個(gè)測點(diǎn)。

采用Flowmaster軟件建立水系統(tǒng)的水力特性模擬仿真平臺，進(jìn)行水系統(tǒng)的特性模擬。該軟件內(nèi)置有一維流體動(dòng)力系統(tǒng)解算器和流體系統(tǒng)仿真軟件包，可對流體管路系統(tǒng)進(jìn)行完整分析，并能對穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬。該軟件的組件庫涵蓋了目前流體系統(tǒng)所需的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)組件，且均用形象的圖標(biāo)表示。每個(gè)流體系統(tǒng)由許多的元件構(gòu)成，如泵、閥門、管路和末端設(shè)備等。Flowmaster可以通過彎頭、泵、閥門和壓力源等組件很好地還原實(shí)際的管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成。Flowmaster可以從建立的水系統(tǒng)管網(wǎng)模型中得到管網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的壓力、流量、溫度和流速等參數(shù)值。

根據(jù)水系統(tǒng)的布置及管道的直徑、長度和阻力特性等參數(shù)以及水泵的性能參數(shù)，建立基于Flowmaster的水系統(tǒng)水力特性模擬仿真平臺。根據(jù)該模擬平臺，可以模擬不同水泵運(yùn)行頻率下的系統(tǒng)流量，以及各點(diǎn)，包括壓力的運(yùn)行參數(shù)。水系統(tǒng)上的壓力檢測點(diǎn)如圖2所示。

圖2水系統(tǒng)及測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematics of the water system and its measurements

4.3水系統(tǒng)PCA模型及結(jié)果分析

在水系統(tǒng)上，通過檢測的12個(gè)典型壓力點(diǎn)（即12個(gè)壓力傳感器的測量值）建立PCA模型。這些壓力點(diǎn)之間的相互關(guān)系實(shí)際上也間接地表示系統(tǒng)的流量平衡。一旦這一平衡關(guān)系被打破，就說明系統(tǒng)的壓力測量有偏差現(xiàn)象。利用模擬平臺獲得了雙泵運(yùn)行于不同頻率下的水系統(tǒng)的各壓力測點(diǎn)值。模擬產(chǎn)生2組數(shù)據(jù)：一組是檢測系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)；另一組是某壓力傳感器出現(xiàn)偏移時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用檢測系統(tǒng)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)建立PCA模型。運(yùn)行數(shù)據(jù)形成的抽樣陣列X的協(xié)方差陣R的特征值為［11.120 4，0.264 6，0.184 9，0.139 1，…］。前3個(gè)特征值的總和大于所有特征值總和的95%，達(dá)到了96.4%。前3個(gè)特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成的主元子空間可以解釋系統(tǒng)方差95%以上。主元模型的Q-統(tǒng)計(jì)如圖3所示，置信限為1.639 4，100%的樣本點(diǎn)的Q-統(tǒng)計(jì)小于置信限。當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)與其實(shí)際值有偏差，即發(fā)生損害時(shí)，測量值之間的相關(guān)性不再保持，Q-統(tǒng)計(jì)將超出這一置信限。故障數(shù)據(jù)的Q-統(tǒng)計(jì)如圖4所示。圖5為測量數(shù)據(jù)的Q-分布圖，可以看出P7傳感器的測量數(shù)據(jù)對Q-分布的貢獻(xiàn)率最高，占45%～75%，可診斷出是P7壓力傳感器出現(xiàn)了故障。

圖3主元模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的Q -統(tǒng)計(jì)圖Fig.3　 Q -statistic plot of the training data of the PCA model

圖4主元模型的故障數(shù)據(jù)的Q -統(tǒng)計(jì)圖Fig.4　 Q -statistic plot of the fault data of the PCA model

圖5測量數(shù)據(jù)的Q -分布圖Fig.5　 Q -contribution plot of the measurement data

4.4冷媒水系統(tǒng)部件損害診斷分析方法

在進(jìn)行系統(tǒng)損害分析時(shí)，既要考慮到傳感測量裝置的讀數(shù)準(zhǔn)確性分析，又要基于測量進(jìn)行系統(tǒng)部件損害的診斷。但是，傳感損害與部件損害交織在一起很難進(jìn)行損害檢測及診斷。對于艦船冷媒水系統(tǒng)而言，明顯的部件損害，即管道戰(zhàn)損或破裂一般會發(fā)生在戰(zhàn)時(shí)，對其進(jìn)行及時(shí)的診斷非常重要。傳感器的偏移等損害可以在平時(shí)進(jìn)行診斷并開展日常維護(hù)。通過日常維護(hù)保證傳感器的讀數(shù)準(zhǔn)確是對戰(zhàn)時(shí)系統(tǒng)部件損害進(jìn)行檢測診斷的前提。開展冷媒水系統(tǒng)戰(zhàn)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與平時(shí)正常運(yùn)行狀態(tài)的對比，可以通過系統(tǒng)運(yùn)行測量的各點(diǎn)壓力值進(jìn)行比較，壓力值變化大的測量點(diǎn)處或附近出現(xiàn)管道損害的可能性最大，并采取相應(yīng)的管道切換以進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)。因此，要做好戰(zhàn)時(shí)系統(tǒng)損害的檢測，就需要平時(shí)對系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行診斷分析并做好日常維護(hù)，同時(shí)也需要建立冷媒水系統(tǒng)平時(shí)不同模式運(yùn)行的系統(tǒng)正常狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，以便作為戰(zhàn)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的對比，從而進(jìn)行系統(tǒng)損害檢測診斷。

5　結(jié)　語

本文分析了在艦船上采用集中冷媒水系統(tǒng)為艦船電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)提供冷源保障的必要性，并根據(jù)艦船的特殊結(jié)構(gòu)和用途分析了集中冷媒水系統(tǒng)的布置方式。概述了國內(nèi)外在艦船損管上的研究情況，分析了艦船損管系統(tǒng)的流程及組成。集中冷媒水系統(tǒng)為艦船機(jī)電設(shè)備冷卻提供冷源保證，其安全運(yùn)行直接影響到艦船的生命力。集中冷媒水系統(tǒng)的損害檢測與管制是艦船損管系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部份。

本文進(jìn)一步概述了民用建筑空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測與診斷的研究現(xiàn)狀，提出采用PCA對閉式冷媒水系統(tǒng)的傳感器損害進(jìn)行檢測與診斷，并給出了應(yīng)用實(shí)例。該實(shí)例的模擬水系統(tǒng)設(shè)置有12個(gè)壓力傳感器測量典型壓力點(diǎn)的值。在壓力傳感器無故障（損害）條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)用于建立PCA模型。該模型的置信限為1.639 4。在某壓力傳感器故障后的運(yùn)行數(shù)據(jù)樣本Q-統(tǒng)計(jì)中，有一半以上超過了置信限。通過觀測測量數(shù)據(jù)對Q-分布的貢獻(xiàn)率可知，故障壓力傳感器的測量值的貢獻(xiàn)率最高，占45%～75%，可以診斷出該壓力傳感器損害。

本文也探討了在平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)如何進(jìn)行傳感器損害診斷，以及對集中冷媒水管網(wǎng)的破損等損害進(jìn)行檢測與診斷的方法。

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Damage detection of the warship integrated refrigerant system

XU Xinhua1，LI Weiguang2，XIE Junlong1

1 School of Environmental Science & Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：Warship integrated refrigerant systems may provide security for the cooling of electronic equip?ment, overcoming the problems of low reliability, short lifetime, and high costs etc. It may also reduce the resource consumption, optimize the system design, and realize the comprehensive utilization of cooling re?sources. Therefore, damage detection and management of this element is of vital importance to the warship damage control system. Based on the introduction and analysis of integration of warship refrigerant systems and warship damage control systems, this paper presents the damage detection and diagnosis of sensors of a refrigerant system by using Principal Component Analysis (PCA), which is further validated on the simula?tion platform of a water system. Particularly, the PCA model is established based on the normal operation data measured by pressure sensors of the water system. This model explains the systematic variance above 95%, and the confidence limit is 1.639 4. When one pressure sensor is damaged (i.e. fault), the Q-statistic of the operation data exceeds the confidence limit, indicating that some pressure sensor could be in fault. The Q-contribution shows that the measurement from the faulty sensor has the highest contribution from 45% to 75%. In addition, the faulty sensor can be isolated based on the Q-contribution plot. This paper fur?ther proposes the ways for damage detection and diagnosis of the pipe network of the warship integrated with refrigerant systems by considering the case under normal time and wartime together.

Key words：integrated refrigerant system；damage detection；damage diagnosis；damage control；princi?pal component analysis

作者簡介：徐新華（通信作者），男，1972年生，博士，教授。研究方向：船舶大氣環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)控制與故障診斷。E-mail：bexhxu@hust.edu.cn李偉光，男，1982年生，碩士，工程師。研究方向：船舶輔助系統(tǒng)。E-mail：lwgabe@163.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51178201）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET110189）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2015QN116）

收稿日期：2015 - 05 - 19網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U664.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.018

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.036.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：徐新華，李偉光，謝軍龍.艦船集成冷媒水系統(tǒng)損害檢測［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：135-142. XU Xinhua，LI Weiguang，XIE Junlong. Damage detection of the warship integrated refrigerant system［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：135-142.