劉振沖 嚴傳續(xù)

（中國船舶及海洋工程設計研究院 船舶設計技術國家工程研究中心 上海201114）

引 言

在艦船電氣化、自動化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化及模塊化程度日趨增長的情況下，艦船電力系統(tǒng)已成為艦船最重要的系統(tǒng)之一［1］。隨著電力推進方式和高能武器的出現(xiàn)，艦船電力系統(tǒng)將發(fā)生革命性的變化，其地位將從輔助系統(tǒng)變成主動力系統(tǒng)，即發(fā)展成為綜合電力系統(tǒng)。隨著綜合電力系統(tǒng)研究的不斷深入以及艦船電力設備技術的進步，普遍采用綜合電力系統(tǒng)設計方案成為未來艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢［2］。

隨著電力系統(tǒng)在艦船系統(tǒng)中的重要程度不斷提升，成為決定艦船戰(zhàn)斗力和生存力的核心系統(tǒng)之一，其發(fā)展水平的高低將直接決定母船的使用效能。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展過程，艦船電力系統(tǒng)由最原始的人工手動操作，逐漸發(fā)展為電氣化，直至今天已經(jīng)基本實現(xiàn)了發(fā)電及配電的自動化管理。

現(xiàn)代信息技術水平快速發(fā)展，信息化、智能化已然成為工業(yè)和制造業(yè)發(fā)展的必然方向， “智能制造”也上升成為了國家戰(zhàn)略，是各行業(yè)都在積極搶占的制高點。同樣為滿足未來海上方向信息化局部戰(zhàn)爭的需求，作為艦船核心系統(tǒng)之一，艦船電力系統(tǒng)也必將朝著智能化方向發(fā)展。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

從自動化程度來講，國內(nèi)外船舶電力系統(tǒng)差距不大，都實現(xiàn)了電站及配電的自動化控制，電力系統(tǒng)監(jiān)控自動化水平的提高，大大減輕了船員的工作量。目前艦船電力系統(tǒng)通過傳感器、現(xiàn)場總線等技術實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的監(jiān)測，并對異常數(shù)據(jù)進行實時報警；通過能量管理模塊實現(xiàn)了電網(wǎng)的自動調(diào)頻調(diào)載和自動調(diào)壓，并可做到自動增機和自動減機；通過控制裝置實現(xiàn)對負載的自動分級卸載，機組發(fā)生故障時的感知和隔離處理，遠程遙控負載開關開閉等功能，基本實現(xiàn)了電力系統(tǒng)正常情況下的無人值班。

隨著艦船電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大和綜合電力系統(tǒng)概念的提出，傳統(tǒng)艦船電網(wǎng)雖已實現(xiàn)了自動化管理，但其設備水平和管理方式已經(jīng)難以滿足艦船未來發(fā)展要求，迫切需要采取智能化措施提升設計理念和應用層次，實現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)的數(shù)字化、自動化、信息化和互動化［3］。

關于艦船電力系統(tǒng)的智能化，國內(nèi)正處于初級發(fā)展階段。中國船級社于2015年全球首發(fā)了《智能船舶規(guī)范》，分別從數(shù)據(jù)感知、分析、評估、診斷、預測、決策支持和自主響應實施等方面對不同智能功能提出了相應的要求，這對艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展具有較強的指導和參考意義，著重強調(diào)了數(shù)據(jù)的全面感知能力、數(shù)據(jù)的集成交互、智能診斷及輔助決策功能。

美國海軍于2007年10月提出下一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）概念，并于2009年4月公開發(fā)布NGIPS發(fā)展戰(zhàn)略［4］，構建了電力系統(tǒng)的形態(tài)與電力管理模式，使之復雜性越來越高，并不斷強調(diào)其在艦船中的核心地位，最終發(fā)展成為全電力戰(zhàn)艦。2009年7月，英國45型驅逐艦服役，成為世界上首艘采用綜合電力系統(tǒng)的水面主戰(zhàn)艦船，2016年10月，美國DDG 1000驅逐艦服役，這些艦艇的服役表明美國和英國等世界海軍強國已經(jīng)在主戰(zhàn)艦船上實現(xiàn)了交流綜合電力系統(tǒng)的工程化應用［5］，并在艦船電力系統(tǒng)的智能化方面處于領先地位。

2 艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢

綜合電力系統(tǒng)已經(jīng)成為艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，我國在綜合電力技術方面領先的是海軍工程大學艦船綜合電力技術重點實驗室，該實驗室在系統(tǒng)層面解決了綜合電力系統(tǒng)建模和電磁暫態(tài)仿真、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和分層保護等關鍵技術，為我國為艦船綜合電力系統(tǒng)的工程化應用提供了技術支撐［5］。

顯而易見，艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展對其信息化和智能化水平提出了更高的要求，利用現(xiàn)代信息技術及智能理論支撐艦船電力系統(tǒng)發(fā)展的需求也是非常迫切的，本文將借鑒其他領域信息化、智能化的發(fā)展成果并結合艦船電力系統(tǒng)的實際需求，對其智能化發(fā)展趨勢進行分析和設計。

2.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準

艦船電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使系統(tǒng)變得日益復雜，規(guī)模日益擴大，只有把從底層傳感器、執(zhí)行機構等設備的信息到高層的決策信息都能夠有效地集成、整合和共享，才能發(fā)揮信息的最大價值。充分的信息和共享是艦船電力系統(tǒng)信息化、智能化的基礎，是打破信息孤島、發(fā)揮最大效能的前提，因此，數(shù)據(jù)和交換的核心地位越來越凸顯。

目前而言，通過布設傳感器、現(xiàn)場儀表、通信等手段，基本可以獲取有關艦船電力系統(tǒng)所有的所需數(shù)據(jù)，但這種網(wǎng)絡化的監(jiān)控系統(tǒng)采用了不同的通信技術和信息交換標準，難以實現(xiàn)信息共享和統(tǒng)一管理，已經(jīng)不能滿足艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的需求。如何使不同子系統(tǒng)間通過大量不同總線系統(tǒng)、協(xié)議、接口訪問自動化設備上的數(shù)據(jù)，而隱藏各自差別地自由通訊、交換信息將逐漸成為標準化的電力系統(tǒng)軟件開發(fā)的一個重要需求。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)結構中，各系統(tǒng)中應用程序需要訪問底層或其他系統(tǒng)硬件設備中的數(shù)據(jù)，需分別開發(fā)專用通信驅動程序，如圖1所示，這種形式會導致系統(tǒng)設計和開發(fā)的工作量會隨著系統(tǒng)復雜程度的提升而急劇增加，且易導致系統(tǒng)可靠性降低。所以在艦船電力系統(tǒng)未來的發(fā)展過程中，系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)之間將逐漸采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準，類似總線型的數(shù)據(jù)交換架構，所有系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)將由統(tǒng)一的驅動服務器打包后送入總線型數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互形式

圖2 總線型數(shù)據(jù)交互形式

目前已經(jīng)流行的一些自動化領域的標準，比如EEMUA191、IEC 62769 等，以及自動化領域主流的標準化組織如 IEC、ISA、PLCOpen 等定制的配套標準，都具有一定的成為艦船電力系統(tǒng)標準化數(shù)據(jù)交互協(xié)議的可行性。

OPC UA是比較新的國際標準，由OPC基金會于2006年提出，它整合了現(xiàn)存的OPC規(guī)范并摒棄了傳統(tǒng)OPC規(guī)范中的限制，是用于數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎標準與規(guī)范，并于2017年正式成為中國國家標準。OPC UA為應用程序之間提供了互操作的、平臺獨立的、高性能、可擴展、安全和可靠的通信。

OPC UA相比于傳統(tǒng)OPC，具有以下優(yōu)點［6］：COM/DCOM的終止；打破COM的局限；OPC通信穿過防火墻；通過Web服務實現(xiàn)跨平臺的OPC通信；統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型；支持復雜數(shù)據(jù)結構等。

鑒于以上所述，艦船電力系統(tǒng)未來可采用OPC UA協(xié)議作為數(shù)據(jù)交互標準，其強大的信息建模能力使更為豐富的數(shù)據(jù)語義信息可以在系統(tǒng)內(nèi)外交互，最終形成一個高度透明、開放和共享的數(shù)據(jù)服務平臺，并實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外設備模塊的互聯(lián)互通、無縫集成、即插即用，成為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的基礎和保障，可進一步推廣成為全船的數(shù)據(jù)交互標準。

2.2 智能診斷、規(guī)劃與重構

艦船電力系統(tǒng)在實際運行中，由于設備故障、人員誤操作、戰(zhàn)斗損耗等問題，會引起系統(tǒng)出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，嚴重時可能會導致整個電力系統(tǒng)的崩潰，影響艦船航行安全及使命任務的完成。同時，隨著大功率電磁武器，激光武器，脈沖雷達等脈沖功率設備的上艦和使用，也可能對艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來影響，這對艦船電力系統(tǒng)供電的可靠性和生命力提出了更高的要求，要求系統(tǒng)能在出現(xiàn)故障時夠快速定位并重構，最大限度恢復供電，以保障艦船在各種情況下的用電需求。

現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)的電氣化程度較高，各電氣設備較集中，一個部件的故障易于引起鏈式反應，影響整個系統(tǒng)安全運行，必須通過故障識別快速有效地預測、發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患。目前所采用的故障診斷方法有基于直接的測量方法、基于數(shù)學模型的方法、專家診斷法、故障樹分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡診斷法等［7］。目前，大部分的故障診斷技術都采用單一的診斷方法，該方法的確在某些方面具有顯著的優(yōu)勢，但是往往存在一定缺陷，并不能很好地解決電網(wǎng)故障診斷所面臨的所有問題。將各種不同的診斷技術進行有機結合用于診斷，便可揚長避短，更準確更快速地對艦船電力系統(tǒng)的故障進行診斷。因此，現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)故障診斷技術將向著多技術融合的故障診斷技術方向發(fā)展［8］。同時，基于狀態(tài)的視情維護及故障預測也將逐漸成為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的趨勢，更多的故障情況將由“事后診斷”變?yōu)椤笆虑霸\斷”。

同時，在發(fā)生故障時，艦船電力系統(tǒng)應能夠依靠智能保護和重構體系，自動完成對故障的隔離和自我恢復，最大程度減小故障影響，并避免供電中斷，提高供電生命力。需根據(jù)當前的艦船工況、系統(tǒng)運行狀態(tài)以及負荷優(yōu)先等級，利用約束條件和目標函數(shù)優(yōu)化選擇供電路徑，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；同時結合艦船地理信息系統(tǒng)和損壞管制系統(tǒng)，提供全面、優(yōu)化、系統(tǒng)的故障恢復決策，重新構建供配電網(wǎng)絡，利用備用供電路徑或應急/事故配電系統(tǒng)為重要設備提供不間斷的電力供應，保障艦船的生命力和戰(zhàn)斗力；利用先進的目標探測和識別技術精確檢測打擊艦船的武器，并對來襲武器將對艦船造成損傷的地理區(qū)域進行預測，在遭受打擊之前進行重構操作或提出恢復策略，用于降低武器造成的實際損傷水平，減小對電力網(wǎng)絡和電氣設備的潛在破壞［9］。

2.3 三維可視化調(diào)度管理

三維可視化能夠提供更直觀、真實、交互感強的信息展示，越來越廣泛地應用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，其在艦船電力系統(tǒng)調(diào)度和管理領域中的應用也將是研究的一個熱點。

艦船電力系統(tǒng)三維可視化調(diào)度管理將由電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)驅動，結合計算機通信、GIS、數(shù)據(jù)庫等技術，以三維圖形化的方式實時顯示電力系統(tǒng)綜合態(tài)勢，以全方位、多角度、多源信息融合的三維化顯示方式，為決策者提供系統(tǒng)運行狀態(tài)的全方位展示，能夠更好為其提供輔助決策支持。

艦船電力系統(tǒng)三維可視化進一步可應用當下流行的VR（虛擬現(xiàn)實）技術及AR（增強現(xiàn)實）技術，利用計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、信息技術、傳感與測量技術、仿真技術、多媒體技術、語音與模式識別技術、人機接口技術、軟件工程、網(wǎng)絡技術和人工智能技術等多種高新技術的集成［10］，為使用者展現(xiàn)更為逼真、直觀、豐富的系統(tǒng)整體形態(tài)，并提供了沉浸式的電網(wǎng)調(diào)度管理方式。

2.4 信息安全評估

信息技術作為艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要推動力，隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大、復雜程度迅速提升，將成為影響電力系統(tǒng)使用效能的核心要素之一。信息技術是把雙刃劍，一方面極大推動了艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時也帶來了信息安全方面的新挑戰(zhàn)，尤其是未來的艦船電力系統(tǒng)必將高度依賴信息技術，所以在構建系統(tǒng)的同時必須高度重視其信息安全問題。

艦船電力系統(tǒng)信息安全是一項綜合性的系統(tǒng)工程，設計的環(huán)節(jié)很多，涉及到發(fā)電、輸電、配電到用電的各個環(huán)節(jié)，以及內(nèi)部和外部的信息交互。目前鮮有關于艦船電力系統(tǒng)信息安全的研究，類比其他領域信息安全設計的思路，艦船電力系統(tǒng)信息安全首先應構建電力系統(tǒng)信息安全體系總體架構，然后要對系統(tǒng)信息安全的評估機制和評估方法進行研究，進一步完成對信息安全補救措施及系統(tǒng)信息安全管理策略的研究。

分析艦船電力系統(tǒng)信息安全問題，發(fā)現(xiàn)存在信息安全的主要環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)信息安全進行全面評估，然后針對安全隱患進行處理，最終為艦船電力系統(tǒng)建立一套動態(tài)安全的信息系統(tǒng)防護體系，保障系統(tǒng)的可靠運行。

3 結 語

隨著艦船電力系統(tǒng)朝著綜合電力系統(tǒng)的方向發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模將越來越大、結構將越來越復雜、地位也將越來越高。信息技術將成為推動其發(fā)展的核心力量之一，信息化、智能化也必將成為艦船電力系統(tǒng)的重要發(fā)展形態(tài)和發(fā)展方向。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準進行系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)通信和交換，成為了艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的前提和基礎；智能診斷、規(guī)劃與重構將全面提升艦船電力系統(tǒng)的可靠性與生存能力，是其智能化發(fā)展的核心目標；三維可視化調(diào)度管理為決策者提供了全方位、高度直觀的系統(tǒng)運行態(tài)勢；信息安全則是艦船電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要保障。當然，艦船電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展也應站在全船的角度進行統(tǒng)一的規(guī)劃和考慮，并與全船系統(tǒng)進行有機結合，最終推動全船智能化整體水平的發(fā)展。