米紅菊, 王維俊, 毛龍波, 溫亞東, 王文強(qiáng)

(1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系， 重慶 401311； 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院， 北京 100091)

為了解決長期以來海島供電在安全風(fēng)險(xiǎn)、效能水平、成本代價(jià)、環(huán)境影響等方面的保障積弊，我軍已開始積極研究、規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)用于邊防海島的微電網(wǎng)系統(tǒng)，并將其列為后勤保障設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容。島礁微電網(wǎng)系統(tǒng)立足于利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)、光、海浪、潮汐等可再生資源，就地接入、轉(zhuǎn)化和消納，應(yīng)用運(yùn)行控制和能量管理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)融合、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，改變了島礁依靠單一燃油來源進(jìn)行發(fā)電的能源保障模式，極大地提升了島礁自我保障與生存能力。

與傳統(tǒng)島礁供電方式相比，由于在島礁微電網(wǎng)中引入了分布式能源、新型元件和設(shè)備等高新技術(shù)，使得其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)及檢修等技術(shù)保障工作量也呈階梯式增長[1]。因此，在島礁微電網(wǎng)多尺度時(shí)空、多場景耦合、多能源互補(bǔ)等典型特性條件下，構(gòu)建科學(xué)有效的供電裝備維修系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)的供電目標(biāo)具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。但在以往傳統(tǒng)的供電裝備及系統(tǒng)的維護(hù)管理實(shí)踐中，無論是維護(hù)觀念、維護(hù)技術(shù)還是維護(hù)決策等，均難以滿足微網(wǎng)模式的運(yùn)行要求，無法達(dá)到全壽命周期管理的目標(biāo)，島礁電力保障效能得不到充分發(fā)揮，亟待解決存在的現(xiàn)實(shí)矛盾，主要表現(xiàn)在如下2個(gè)方面：

1)維護(hù)方式與電力保障可持續(xù)發(fā)展要求之間的矛盾。傳統(tǒng)的供電裝備大都采取定期維護(hù)、例行巡檢以及故障應(yīng)急搶修等被動(dòng)反應(yīng)式的維修方式，其預(yù)見性差、針對性弱、投機(jī)性強(qiáng)、效率低下，但卻成本高，工作量和強(qiáng)度較大，難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對供電裝備維修保障能力的要求[2]。特別是基于島礁應(yīng)用背景，在面臨后場技術(shù)力量弱和備品備件準(zhǔn)備時(shí)間短，同時(shí)受氣候條件、補(bǔ)給周期、船只可及性[3]等隨機(jī)因素的疊加影響下，采取傳統(tǒng)的被動(dòng)維護(hù)，極易造成島礁供電系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)間窗口內(nèi)停機(jī)，嚴(yán)重影響島礁電力保障的可靠性，制約了前沿后勤的保障效能。

2)維護(hù)決策與裝備保障精確化要求之間的矛盾。微網(wǎng)供電系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的分布式能源網(wǎng)絡(luò)，高新技術(shù)密集，信息化程度高，要素間耦合性強(qiáng)，對某節(jié)點(diǎn)或裝備的潛在隱患和故障的處置必然會(huì)影響整個(gè)島礁供電系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，其技術(shù)保障更加強(qiáng)調(diào)精確化決策，需要在供電可靠性、系統(tǒng)安全性、裝備可用性及成本經(jīng)濟(jì)性等方面尋求一種全局性的最優(yōu)化策略。以往的維護(hù)決策主要依靠經(jīng)驗(yàn)(如通過簡單的二元健康狀態(tài)判斷及經(jīng)驗(yàn)閾值)來驅(qū)動(dòng)決策；或通過統(tǒng)計(jì)各類裝備的(如風(fēng)電、儲(chǔ)能電池等)失效特征[4]，并將作為開展維護(hù)保障的依據(jù)，其決策可供參考的歷史數(shù)據(jù)很少，也未考慮裝備的未來健康狀態(tài)或退化趨勢，難以有效提高維修的針對性和精確化程度。因此，為充分發(fā)揮島礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)保障效能，急需在規(guī)?；ㄔO(shè)能源保障設(shè)施的同時(shí)，研究制定出整套科學(xué)量化、適合海島特殊環(huán)境應(yīng)用的維修模式及決策方法。

筆者借鑒自主維護(hù)保障(Autonomic Logistics System，ALS)理念，依托信息化手段，將供電裝備維修保障要素綜合集成起來，提出一種無縫后勤管理思維模式，通過構(gòu)建面向島礁應(yīng)用的微網(wǎng)供電裝備自主維護(hù)系統(tǒng)，來應(yīng)對供電裝備及系統(tǒng)服役所面臨的壓力與挑戰(zhàn)。

1 自主維護(hù)保障概念解析

ALS是一種基于預(yù)測預(yù)知的主動(dòng)式保障系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的事后維修、定期維修向主動(dòng)維修、基于狀態(tài)的預(yù)測性維修轉(zhuǎn)變，使保障模式由“粗放規(guī)?；鞭D(zhuǎn)型為“精確敏捷型”。美軍在聯(lián)合攻擊機(jī)項(xiàng)目(Joint Strike Fighter，JSF)開發(fā)中，因采用自主維護(hù)保障系統(tǒng)，使維修人力減少了20%～40%，保障規(guī)模降低了50%，而飛機(jī)出動(dòng)架次率卻提高了25%，使用壽命達(dá)8 000飛行小時(shí)[5]。從該成功案例中得到啟發(fā)，美軍“先進(jìn)兩棲突擊車”“感知與響應(yīng)后勤方案”等都正在開發(fā)和應(yīng)用自主式保障理念及系統(tǒng)，自主式保障正成為裝備保障的發(fā)展方向。

1.1 自主維護(hù)保障的內(nèi)涵

目前，國內(nèi)外學(xué)者對自主維護(hù)保障(也稱“自主式后勤”)的概念并沒有一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的定義。DREYER[6]認(rèn)為ALS是一種在保障行為中能對器材、設(shè)施、人員、采購、維修和運(yùn)輸?shù)葘?shí)施管理的軍事實(shí)體和系統(tǒng)，具有自動(dòng)診斷、維修決策、保障實(shí)施等能力。陳春良等[7]將裝備自診斷子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的保障信息子系統(tǒng)和維修子系統(tǒng)密切協(xié)同所形成的綜合保障體系定義為ALS。本質(zhì)上講，自主式保障的理念源自人體自主式神經(jīng)系統(tǒng)，是基于知識(shí)的先導(dǎo)式保障，在需求辨識(shí)、資源管理以及部件和系統(tǒng)可靠性與安全性等綜合信息的基礎(chǔ)上，支持裝備任務(wù)的執(zhí)行，能最大程度地識(shí)別問題并自主啟動(dòng)正確的響應(yīng)[8]。

自主維護(hù)保障系統(tǒng)主要由故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)系統(tǒng)和聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)(Joint Distribution Information System，JDIS)等組成，其中：PHM負(fù)責(zé)對裝備的健康狀態(tài)進(jìn)行管理，其利用各類先進(jìn)的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測裝備運(yùn)行的各類狀態(tài)參數(shù)和特征信號(hào)，借助各種智能算法和模型，評(píng)估裝備健康狀態(tài)，包括部件正常工作的時(shí)間長度、剩余使用壽命和累計(jì)損傷等，在其故障發(fā)生前對故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源提供一系列的維修保障決策支持信息[9]；JDIS負(fù)責(zé)信息的傳輸與管理，是在裝備平臺(tái)、使用分隊(duì)、維修保障機(jī)構(gòu)、軍工廠和各級(jí)器材倉庫之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的全資產(chǎn)可視、全事件可控和全信息共享的聯(lián)系紐帶和信息通道，由分布式嵌入設(shè)備和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，對各種事件做出響應(yīng)，制定裝備使用、維修和訓(xùn)練程式，評(píng)估資源需求和任務(wù)要求的合理程度等。通過JDIS可使信息實(shí)時(shí)到達(dá)維護(hù)保障系統(tǒng)所需要的任何地方[10-11]。

1.2 面向島礁微網(wǎng)實(shí)施ALS的要素條件

由前述分析可以看出，在自主式維護(hù)保障系統(tǒng)構(gòu)建中，感知觸發(fā)和神經(jīng)中樞響應(yīng)是最根本的核心內(nèi)容。因此，面向島礁微網(wǎng)實(shí)施ALS，需要具備有類似PHM與JSIS功能的要素條件，具體如下：

1) PHM在供電裝備及系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用為自主維護(hù)保障系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。PHM作為信息化時(shí)代提高重大裝備設(shè)施的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)承受性，實(shí)現(xiàn)自主式維護(hù)保障和基于狀態(tài)維修的關(guān)鍵使能技術(shù)[9,12-14]，引起國內(nèi)外軍方和工業(yè)界的廣泛關(guān)注：歐美各國都借助各種資助計(jì)劃來大力推動(dòng)PHM關(guān)鍵技術(shù)在軍民領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用[15]；我國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》[16]中也將重大產(chǎn)品和重大設(shè)施健康評(píng)估與壽命預(yù)測技術(shù)作為前沿技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)支持。當(dāng)前，已有部分學(xué)者和團(tuán)隊(duì)開展了針對供電設(shè)備及系統(tǒng)的PHM研究。文獻(xiàn)[17-20]的作者以高鐵牽引供電系統(tǒng)為研究對象，提出了基于PHM主動(dòng)維護(hù)技術(shù)及理論的平臺(tái)構(gòu)建方法，并對系統(tǒng)可靠性、剩余壽命預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、維修決策優(yōu)化進(jìn)行了深入探討，豐富了PHM在牽引供電領(lǐng)域的發(fā)展與研究；鄭小倩[21]對在供配電系統(tǒng)中應(yīng)用PHM需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理分析；文獻(xiàn)[22-24]的作者分別針對電力變壓器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件等關(guān)鍵設(shè)備給出了基于PHM的解決思路。在能源保障需求日益增加的形勢下，前沿島礁供電保障對供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、防范抵御事故風(fēng)險(xiǎn)及搶修搶建等能力的要求將越來越高，PHM在該領(lǐng)域必將發(fā)揮巨大的作用。

2) 微網(wǎng)本身具備的信息架構(gòu)與監(jiān)控平臺(tái)為自主維護(hù)保障系統(tǒng)提供信息支撐。雙向能量流和互動(dòng)信息流是微網(wǎng)的一個(gè)顯著特征[25]，這也是電力智能化的基本要求。通過這種機(jī)制和手段，可以在電能供給與電能使用之間建立起平衡關(guān)系，有效地提高風(fēng)、光等間歇性可再生能源的利用效率，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性，因此，需要建立計(jì)算機(jī)化的信息架構(gòu)，來執(zhí)行測量、監(jiān)視、保護(hù)以及實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制策略。事實(shí)上，監(jiān)控在實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的實(shí)時(shí)能量調(diào)度與管理、跟蹤、監(jiān)測等方面具有舉足輕重的作用，已成為微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的方向。我國頒布了微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對微電網(wǎng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行、信息能力、安全防護(hù)、體系結(jié)構(gòu)等[26]進(jìn)行規(guī)范，使微網(wǎng)可采集各種關(guān)鍵設(shè)備信息，并具備信息流轉(zhuǎn)交互功能，因此，微電網(wǎng)本身具有的監(jiān)控平臺(tái)為構(gòu)建自主維護(hù)保障系統(tǒng)提供了良好的信息支撐條件。

2 島礁微網(wǎng)供電裝備自主維護(hù)保障構(gòu)架

2.1 體系結(jié)構(gòu)分析

面向島礁微網(wǎng)構(gòu)建ALS系統(tǒng)，旨在掌握供電系統(tǒng)及裝備健康狀態(tài)，科學(xué)制定維修計(jì)劃，高效及時(shí)地提供維修資源，從而提高島礁供電系統(tǒng)與裝備維護(hù)管理的綜合效益[27]。按照目標(biāo)牽引、內(nèi)容支撐及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的思路，確定島礁微網(wǎng)供電裝備ALS體系三維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

其中：目標(biāo)體系體現(xiàn)了微網(wǎng)實(shí)施維護(hù)保障的期望與指向，強(qiáng)調(diào)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速、高效等供電要求對維護(hù)的驅(qū)動(dòng)和牽引作用；內(nèi)容體系是自主維護(hù)保障要完成的主要工作，是支撐目標(biāo)體系的細(xì)化方案，主要由以狀態(tài)監(jiān)測或預(yù)測為依據(jù)的健康評(píng)估體系、以多目標(biāo)優(yōu)化為途徑的自主決策體系和以效率效益為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)資源調(diào)度供應(yīng)體系等組成；技術(shù)體系主要是實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)自主維護(hù)與管理的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括狀態(tài)感知與信息融合技術(shù)、狀態(tài)評(píng)估與壽命預(yù)測技術(shù)、決策與優(yōu)化技術(shù)以及成本管理與控制技術(shù)。

2.2 島礁微網(wǎng)自主維護(hù)保障系統(tǒng)運(yùn)行框架

微網(wǎng)自主維護(hù)保障系統(tǒng)運(yùn)行框架體現(xiàn)基于PHM的監(jiān)測及預(yù)測信息所觸發(fā)的維護(hù)行為的響應(yīng)流程，在時(shí)間和空間域上具有典型的動(dòng)態(tài)特性。筆者假定礁群按3層級(jí)駐守，則島礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)的自主維護(hù)保障可部署為“前沿在島級(jí)”“礁群中繼級(jí)”“后場陸基級(jí)”，其網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行如圖2所示。

前沿在島級(jí)微網(wǎng)自主維護(hù)保障系統(tǒng)主要由各分布式電源PHM系統(tǒng)、維護(hù)管理與決策系統(tǒng)、保障資源系統(tǒng)等構(gòu)成。考慮可再生能源利用效率及島礁場地限制，風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)等關(guān)鍵供電裝備大都就勢、就地部署，需有獨(dú)立的PHM子系統(tǒng)；同時(shí)由于受天氣情況、能源利用水平、工況模式和戰(zhàn)備態(tài)勢等影響，使系統(tǒng)正常運(yùn)行中出現(xiàn)故障的不確定性增大，需要能源互補(bǔ)以及“源-荷-網(wǎng)-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)統(tǒng)一，將各分布式能源PHM信息進(jìn)行融合，建立全局PHM系統(tǒng)來提高決策能力。維護(hù)與管理決策系統(tǒng)主要功能是把整個(gè)環(huán)境下的維護(hù)任務(wù)、保障力量、保障資源統(tǒng)籌為一體，通過對保障活動(dòng)的計(jì)劃、組織、協(xié)調(diào)、控制及指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)快速化、精確化的自主維護(hù)保障決策。

后場陸基級(jí)可接收前沿在島級(jí)或礁群中繼級(jí)保障系統(tǒng)的支援申請，并與各維修廠家、軍工企業(yè)及承研單位等建立完整的信息與資源共享通道和機(jī)制，在自主維護(hù)保障決策支持下，啟動(dòng)后場人力派遣、物資籌措及前送等計(jì)劃，最終實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)?；蚪u礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)的閉環(huán)式維護(hù)保障響應(yīng)。

由圖2可以看出：在自主維護(hù)保障網(wǎng)絡(luò)中，自主維護(hù)行為由島礁微網(wǎng)PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)信息的感知，通過各分布式電源的PHM系統(tǒng)進(jìn)行信息采集與處理，并在微網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)PHM的支持下進(jìn)行綜合狀態(tài)推理及預(yù)測；管理與維護(hù)決策系統(tǒng)接收上述數(shù)據(jù)信息，參照歷史數(shù)據(jù)開展趨勢分析，并據(jù)此來觸發(fā)驅(qū)動(dòng)資源管理器實(shí)施維護(hù)規(guī)劃，確定所需資源、備件可用狀態(tài)、合適的維護(hù)人員及維護(hù)策略建議等：當(dāng)所需資源滿足維護(hù)保障需求時(shí)，即下達(dá)供應(yīng)指示，開始實(shí)施維護(hù)保障；當(dāng)出現(xiàn)本級(jí)維修力量或維修資源不足時(shí)，經(jīng)評(píng)估之后，系統(tǒng)向“礁群中繼級(jí)”或“后場陸基級(jí)”自主維護(hù)保障系統(tǒng)發(fā)出同級(jí)或越級(jí)支援申請，并上傳故障診斷、健康評(píng)估及維修決策信息，供上級(jí)指揮機(jī)構(gòu)決策參考。

3 預(yù)測驅(qū)動(dòng)的自主維護(hù)決策

微網(wǎng)維護(hù)策略的制定需要在保障供電安全、可靠及經(jīng)濟(jì)等多方面尋求平衡。根據(jù)其觸發(fā)機(jī)制、決策支持方式以及所使用技術(shù)的不同，維護(hù)策略一般可分為修復(fù)性維護(hù)、定期維護(hù)、基于狀態(tài)的維護(hù)以及預(yù)測性維護(hù)等。其中：修復(fù)性維護(hù)也稱事后維修，由于其非計(jì)劃性的特點(diǎn)，造成系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間長，成本高，屬于被動(dòng)維護(hù)；定期維護(hù)雖能在一定程度上預(yù)防故障發(fā)生，但無法動(dòng)態(tài)選擇科學(xué)有效的時(shí)間窗口，仍屬被動(dòng)行為。本文所述的微網(wǎng)供電裝備自主維護(hù)采用基于預(yù)測驅(qū)動(dòng)的決策思路。

3.1 自主維護(hù)的預(yù)測驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析

預(yù)測性維護(hù) (Predictive Maintenance，PdM)是“工業(yè)4.0”的關(guān)鍵內(nèi)容之一[28]，也是使能ALS的核心功能體現(xiàn)。它是從“狀態(tài)監(jiān)測(Condition Based Maintenance,CBM)”的概念發(fā)展而來，但卻有別于CBM。CBM[29]是一種視情維修策略，通過采用一定的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對裝備設(shè)施可能發(fā)生的功能性故障的各種物理信息進(jìn)行周期性檢測、診斷，據(jù)此判斷性能狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)安排維修。其決策機(jī)制基于閾值，當(dāng)性能參數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值，立即執(zhí)行維修任務(wù)。為保證設(shè)備具有一定的可用性，維修活動(dòng)必須在對象的P-F間隔期，也即故障即將或正在發(fā)生的潛在故障點(diǎn)(P)與功能故障點(diǎn)(F)之間完成。

圖3為CBM與PdM工作機(jī)理的對比[30]?？梢钥闯觯涸赑-F間隔期內(nèi)，基于CBM和PdM應(yīng)用的維護(hù)活動(dòng)都具有足夠的響應(yīng)時(shí)間，可以降低因裝備功能失效而造成停機(jī)的概率，但是CBM參照的P-F間隔期通常是基于機(jī)理模型，即根據(jù)裝備產(chǎn)品資料、過去的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或歷史故障而確定的[31]；相比之下，PdM在監(jiān)測狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，綜合環(huán)境、態(tài)勢等數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型來識(shí)別、解讀、模擬裝備運(yùn)行規(guī)律，預(yù)測其未來狀態(tài)的發(fā)展趨勢。由于模型輸出信息包含對象目標(biāo)的耗損與壽命變化趨勢以及運(yùn)轉(zhuǎn)中斷等預(yù)測數(shù)據(jù)，PdM可采取更主動(dòng)，更具有針對性的維護(hù)；同時(shí)，可在綜合技術(shù)力量、備品備件等各類維護(hù)要素情況，以及整個(gè)系統(tǒng)中其他裝備的維護(hù)需求，能在最佳維護(hù)機(jī)會(huì)窗口內(nèi)獲得最佳力量配置、庫存水平及維修順序等。

島礁微網(wǎng)供電裝備(如風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能電池等)的故障均存在于漸變行為過程中[32]，因此體現(xiàn)故障的參數(shù)值也具有相應(yīng)的變化趨勢。對裝備開展基于預(yù)測驅(qū)動(dòng)的自主維護(hù)，可以得到動(dòng)態(tài)的P-F窗口，找到供電裝備性能退化(剩余壽命)趨勢的臨界值區(qū)間，并將微網(wǎng)未來的供能需求和產(chǎn)能狀態(tài)納入該預(yù)測框架，以確定合適維修時(shí)機(jī)，使因可再生能源的隨機(jī)性、間歇性而造成的停機(jī)時(shí)間最短、風(fēng)險(xiǎn)影響最低，同時(shí)降低維護(hù)頻率，節(jié)約島礁微網(wǎng)維護(hù)成本。以風(fēng)機(jī)為例，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的參數(shù)值變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，識(shí)別P-F間隔區(qū)間，獲取風(fēng)機(jī)性能退化(剩余壽命)臨界值，再結(jié)合維護(hù)保障系統(tǒng)知識(shí)庫，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型與算法，預(yù)測未來風(fēng)能供給的低值概率區(qū)間[Ls，Le]，進(jìn)而估計(jì)維修窗口[MTs，MTe]。

3.2 自主維護(hù)決策基本思路

島礁微網(wǎng)自主維護(hù)決策算法流程如圖4所示?？梢钥闯觯?)通過微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、終端監(jiān)測裝置等，收集整理風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能電池等供電裝備和設(shè)施的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如齒輪振動(dòng)，發(fā)電機(jī)溫度，葉片噪音，電池的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等，構(gòu)成維護(hù)保障系統(tǒng)知識(shí)庫；2)在PHM系統(tǒng)支持下，對各供電裝備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并融合歷史和當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)開展剩余壽命預(yù)測；3)當(dāng)預(yù)測驅(qū)動(dòng)條件成立，即性能參數(shù)在經(jīng)過狀態(tài)評(píng)估和預(yù)測得到的P-F間隔期內(nèi)，即可進(jìn)行維修決策優(yōu)化。本文所構(gòu)建的島礁微網(wǎng)供電裝備自主維護(hù)系統(tǒng)，主要從供電可靠性與維護(hù)經(jīng)濟(jì)性 2個(gè)維度進(jìn)行決策優(yōu)化建模。

1) 可靠性，可采用極大化的可靠性目標(biāo)。即在啟動(dòng)并實(shí)施自主維護(hù)的情況下，微網(wǎng)的供電能力或電力儲(chǔ)備量可滿足島礁一定范圍的用能需求，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。一方面，由于維護(hù)的介入，微網(wǎng)系統(tǒng)的電力產(chǎn)出減少，滿足島礁負(fù)荷用電需求的可能性必然降低，島礁對供電保障的滿意度下降；另一方面，由于維護(hù)工作的開展，各供電設(shè)施設(shè)備的性能退化趨勢得到抑制或緩解，降低了島礁供電保障的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于極大化微網(wǎng)供電可靠性目標(biāo)的決策優(yōu)化模型，可從電力需求滿意度和供電安全風(fēng)險(xiǎn)度2方面來描述。

2) 經(jīng)濟(jì)性，對于考量經(jīng)濟(jì)性的維護(hù)調(diào)度及決策問題來說，極小化成本是眾多文獻(xiàn)采用的目標(biāo)[33]，關(guān)鍵在于不同應(yīng)用場景下對相關(guān)成本費(fèi)用的分析。從構(gòu)成上看，島礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)維護(hù)成本包括直接成本和間接成本[34-35]。直接成本主要由海上運(yùn)輸，監(jiān)測評(píng)估，備品備件消耗等構(gòu)成，間接成本由維護(hù)作業(yè)期間引起的停機(jī)電量損失構(gòu)成。為了保持微網(wǎng)供電系統(tǒng)在某段關(guān)鍵時(shí)間窗口內(nèi)的電力保障效能，需要重點(diǎn)考慮和分析裝備健康狀態(tài)評(píng)估、更換組件維護(hù)、備品備件儲(chǔ)運(yùn)供給、庫存持有、越級(jí)支援或協(xié)同支援維修等成本。

但是，系統(tǒng)可靠性與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性實(shí)際上是一對共生矛盾體：尋求高可靠性，必然加大對設(shè)備設(shè)施或系統(tǒng)維修維護(hù)的投入，追求經(jīng)濟(jì)上的最低成本，自然會(huì)減少維修維護(hù)，供電可靠性又得不到保障。因此，針對島礁微網(wǎng)維修這種復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性決策，需要綜合考慮可靠性和成本目標(biāo)，設(shè)定約束條件，通過建立模型和優(yōu)化算法來求取維護(hù)參數(shù)和決策變量。

3.3 自主維護(hù)決策的時(shí)空約束條件分析

由于惡劣海洋氣候及海上運(yùn)輸條件的影響，開展維護(hù)作業(yè)的時(shí)間和空間必然受到限制和約束，因此,與其他供電系統(tǒng)的維護(hù)相比，海島微網(wǎng)的自主維護(hù)決策具有更明顯的時(shí)空約束特點(diǎn)，是在構(gòu)建面向島礁的自主維護(hù)決策模型時(shí)必須考慮的內(nèi)容。

3.3.1 天氣約束

當(dāng)遭遇惡劣天氣時(shí)，如強(qiáng)風(fēng)、大浪、海上風(fēng)暴、雷電、大霧等，一方面，維護(hù)作業(yè)無法按時(shí)開展；另一方面，海運(yùn)船只的可及性會(huì)受到影響，使維修資源難以及時(shí)到達(dá)維護(hù)地域，進(jìn)而產(chǎn)生維護(hù)響應(yīng)延遲。設(shè)響應(yīng)延遲窗口為TDelay，則

(1)

式中：tw為氣象等待時(shí)間，是指遭遇大風(fēng)、雷雨、高溫等惡劣天氣時(shí)預(yù)計(jì)的持續(xù)時(shí)間；D為維護(hù)資源海上航行距離；V為船機(jī)平均速度；wsp為天氣條件適宜的概率，當(dāng)遭遇惡劣氣象條件(如風(fēng)速vj>12 m/s、浪高>2 m、氣溫>30 ℃，或遇強(qiáng)雷雨天氣等)，需停止運(yùn)輸及維護(hù)作業(yè)。郭慧東等[34]認(rèn)為風(fēng)速與浪高具有一定的相關(guān)性，通過分析風(fēng)速對維護(hù)的影響，得出

(2)

由于在TDelay內(nèi)停止維護(hù)，此時(shí)段維護(hù)狀態(tài)為0，則有約束

(3)

式中：Mi,t為在時(shí)間段t內(nèi)第i(i=1,2,…,m)個(gè)維護(hù)的裝備狀態(tài)，如維護(hù)響應(yīng)延遲，則取值為0，反之則取1；R為全部維護(hù)任務(wù)中所經(jīng)歷的響應(yīng)延遲TDelay的集合。

3.3.2 船運(yùn)機(jī)會(huì)約束

海上運(yùn)輸條件(如船只類型選擇、是否列入船機(jī)計(jì)劃等)也會(huì)影響自主維護(hù)的實(shí)施。筆者假設(shè)船只類型已定，僅考慮維護(hù)資源因籌措未到位而錯(cuò)過乘船時(shí)機(jī)的情況，即船運(yùn)機(jī)會(huì)約束。船運(yùn)機(jī)會(huì)約束限制了維護(hù)資源在某個(gè)時(shí)間段到達(dá)目的海島的次數(shù)，使其不能享有超過該時(shí)間段內(nèi)總班次數(shù)的船運(yùn)機(jī)會(huì)，則

(4)

式中：DKt為維護(hù)資源需要的海上運(yùn)輸次數(shù)；PKt為在某時(shí)間段t內(nèi)計(jì)劃開行的船運(yùn)班次。

4 研究展望

目前，針對島礁后勤設(shè)施建設(shè)與裝備運(yùn)維管理，可供借鑒的外軍經(jīng)驗(yàn)十分有限，必須立足面向海洋戰(zhàn)略需求的背景，把握島礁后勤的特點(diǎn)規(guī)律，理清裝備技術(shù)保障的支撐要素，從理論方法、基礎(chǔ)工程以及關(guān)鍵技術(shù)等方面加強(qiáng)研究和攻關(guān)：

1) 加強(qiáng)島礁骨干裝備自主維護(hù)理論與方法研究。傳統(tǒng)逐級(jí)線式的被動(dòng)保障模式已無法適應(yīng)海島應(yīng)用條件下維修保障的時(shí)空特性需要，必須從觀念到行動(dòng)，全程貫穿主動(dòng)服務(wù)、主動(dòng)保障理念[36]。立足島礁后勤保障需求，需要從運(yùn)行特性、功能指標(biāo)、資源條件、行為動(dòng)力以及能力評(píng)估等入手，豐富并完善自主維護(hù)理論框架及實(shí)施路徑；

2) 加強(qiáng)島礁后勤大數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程研究。實(shí)現(xiàn)島礁微網(wǎng)自主維護(hù)，PdM的“科學(xué)預(yù)知”能力是前提，本質(zhì)上需要島礁后勤大數(shù)據(jù)的支持。目前，針對國防領(lǐng)域大數(shù)據(jù)工程，大多數(shù)面臨著數(shù)據(jù)“不夠用、不可用、不會(huì)用、不敢用”[37]的困境，需要在數(shù)據(jù)獲取與融合、組織與分析、存儲(chǔ)與安全，平臺(tái)與接口等基礎(chǔ)領(lǐng)域加大研究力度。

3) 加強(qiáng)微網(wǎng)自主維護(hù)多尺度決策及優(yōu)化研究。微網(wǎng)是一個(gè)多能源耦合系統(tǒng)，各要素間存在著較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、隨機(jī)和經(jīng)濟(jì)依賴性[38]，需要在充分把握供電裝備性能、系統(tǒng)運(yùn)行方式以及不同類型故障間依賴性的基礎(chǔ)上，研究設(shè)備層、子系統(tǒng)層和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層間的耦合關(guān)系、狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律和表達(dá)形式，解決自主維護(hù)多尺度決策優(yōu)化問題。

5 結(jié)論

筆者著眼島礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)面臨的運(yùn)行維護(hù)挑戰(zhàn)，通過對自主維護(hù)保障內(nèi)涵，自主行為模式，預(yù)測驅(qū)動(dòng)機(jī)理以及維護(hù)決策算法流程等內(nèi)容的分析研究，提出了一套面向島礁微網(wǎng)供電系統(tǒng)的自主維護(hù)體系框架與決策思路，并對實(shí)施自主維護(hù)保障所需的研究領(lǐng)域和方向進(jìn)行梳理，研究成果可為我國遠(yuǎn)、近海島礁重大后勤設(shè)施及裝備的維修性技術(shù)保障提供理論與方法上的借鑒。目前，研究還處于自主維護(hù)框架和決策流程設(shè)計(jì)的初步階段，需要作進(jìn)一步調(diào)整和細(xì)化，并深入研究維護(hù)模型、決策優(yōu)化、科學(xué)預(yù)測等理論和方法，探究實(shí)現(xiàn)工程化的路徑與手段。