李 沨， 張雙喜， 華 霖

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司， 武漢 430084)

0 引 言

智能運(yùn)維是指通過采用先進(jìn)的故障診斷、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，將傳統(tǒng)的以人工為主的運(yùn)維管理轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化、信息化的智能運(yùn)維管理。智能運(yùn)維通過采用數(shù)據(jù)采集和分析等技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)維進(jìn)行升級(jí)，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備在運(yùn)行過程中存在的安全隱患，及時(shí)對(duì)已發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生的故障發(fā)出警報(bào)，從而輔助運(yùn)維管理者消除設(shè)備的安全隱患，對(duì)故障原因進(jìn)行判斷和處理。

舵機(jī)作為船舶操控執(zhí)行裝置，在控制船舶運(yùn)行、保持船舶航向方面具有重要作用，其安全性和可靠性備受關(guān)注。與飛機(jī)、汽車等交通工具相比，船舶具有航行周期長、航行環(huán)境復(fù)雜多變和遠(yuǎn)程維修困難等特點(diǎn)，保障舵機(jī)在船舶航行過程中的安全可靠運(yùn)行尤其重要。

對(duì)于以舵機(jī)為代表的船舶機(jī)電設(shè)備而言，為提升其運(yùn)維管理效率，需減少設(shè)備故障的發(fā)生，提升故障停機(jī)處理效率，降低設(shè)備運(yùn)維成本。因此，迫切需要開展智能運(yùn)維技術(shù)研究，保證設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，減少故障的發(fā)生，縮短設(shè)備維修時(shí)間，提高設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)效率。

1 舵機(jī)及其運(yùn)維技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與需求

1.1 舵機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

在船舶舵機(jī)發(fā)展過程中，其驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)歷了蒸汽傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)等3個(gè)階段的轉(zhuǎn)變;電氣式控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度快且故障發(fā)生率低，在現(xiàn)代船舶舵機(jī)遙控系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，船舶舵機(jī)基本上全部采用電控液壓舵機(jī)，其主要由轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

1.2 舵機(jī)運(yùn)維技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與需求

目前很多航運(yùn)公司都制定有舵機(jī)運(yùn)維保養(yǎng)制度，定期對(duì)舵機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)，將日常養(yǎng)護(hù)與計(jì)劃檢修相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的維修保養(yǎng)。但是，在實(shí)際運(yùn)營過程中，通常存在以下問題：

1) 在舵機(jī)發(fā)展過程中，越來越多的高新技術(shù)得到運(yùn)用，舵機(jī)的信息化和集成化程度日益提升，已從傳統(tǒng)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)發(fā)展為機(jī)、電、液多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，運(yùn)維所需技術(shù)的難度因設(shè)備復(fù)雜程度的提升而急劇增大，對(duì)船員的技術(shù)水平提出了很高的要求；

2) 設(shè)備生產(chǎn)廠商難以獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，在提供運(yùn)維服務(wù)時(shí)，往往是被動(dòng)的，需在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之后進(jìn)行故障分析、故障定位、維修計(jì)劃制訂和故障維修等工作，造成維修保養(yǎng)服務(wù)周期較長，效率較低，成本較高；

3) 當(dāng)前船上的舵機(jī)艙通常為無人機(jī)艙，在使用設(shè)備過程中,因設(shè)備性能劣化而引發(fā)的故障往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，更無法做到提前預(yù)警，導(dǎo)致故障的影響程度增加，維修復(fù)雜。

為提升舵機(jī)運(yùn)行的可靠性，船舶所有人對(duì)舵機(jī)運(yùn)維存在迫切需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 提高設(shè)備的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化程度，使用方法應(yīng)簡單易學(xué)；

2) 設(shè)備具有故障診斷功能，對(duì)于常見故障，能實(shí)現(xiàn)自主判定和主動(dòng)報(bào)警提示，并能提供故障排查和處理意見；

3) 岸端具有專家支持協(xié)同系統(tǒng)，若遇到復(fù)雜故障，船員可快速得到岸基的專家系統(tǒng)提供的故障處理方案；

4) 在岸端建立專家知識(shí)庫，不同航運(yùn)公司之間可協(xié)同共享，即針對(duì)同一故障現(xiàn)象，可通過專家知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速檢索和共享，以縮短故障處理時(shí)間。

2 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

以某7 500載重噸散貨船配置的電液式轉(zhuǎn)葉舵機(jī)為研究對(duì)象，面向舵機(jī)船岸協(xié)同的智能運(yùn)維管理需求，通過對(duì)舵機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、健康管理和知識(shí)庫等技術(shù)進(jìn)行研究，開展船岸一體的舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)總體架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)，其中:橫向上按功能需求和業(yè)務(wù)場(chǎng)景分模塊對(duì)系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行設(shè)計(jì);縱向上按數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互和應(yīng)用呈現(xiàn)等數(shù)據(jù)流向?qū)ο到y(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1，包含船端應(yīng)用和岸基應(yīng)用2部分。

圖1 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

2.2.1 智能運(yùn)維系統(tǒng)船端應(yīng)用

舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)船端應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)見表1。

表1 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)船端應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)

1) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)：狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊面向操舵控制系統(tǒng)采集的舵機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，在人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便操舵人員及時(shí)獲取舵機(jī)的狀態(tài)信息；針對(duì)某些具備閾值范圍的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)報(bào)警界面，以在舵機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)能實(shí)時(shí)報(bào)警，提醒操舵人員設(shè)備出現(xiàn)了異常。

2) 故障診斷：故障診斷模塊面向設(shè)備常見的綜合故障，基于武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司多年來積累的舵機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和故障診斷經(jīng)驗(yàn)，形成故障診斷模型，通過數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，識(shí)別設(shè)備的典型故障模式，給出設(shè)備健康評(píng)價(jià)和故障判定結(jié)果，在預(yù)警和報(bào)警的條件下推送維護(hù)和維修建議，并根據(jù)實(shí)船運(yùn)行狀態(tài)，人工制訂和管理運(yùn)維計(jì)劃。

常見的舵機(jī)故障可分為基于單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的超閾值故障和基于復(fù)雜故障原因的綜合故障2種。

1) 超閾值故障：超閾值故障是指引發(fā)故障的原因單一，可通過某個(gè)數(shù)值的異常進(jìn)行判定的故障。電液式舵機(jī)中常見的超閾值故障報(bào)警有主電源失效、控制電源失效、電機(jī)過載、電機(jī)斷相和濾器堵塞等，系統(tǒng)可通過監(jiān)測(cè)這些點(diǎn)位的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)其是否超過設(shè)定的報(bào)警閾值判斷舵機(jī)是否出現(xiàn)超閾值故障。

2) 綜合故障：綜合故障是指引發(fā)故障的原因不單一，無法通過某個(gè)數(shù)值的異常進(jìn)行判定的故障。電液式舵機(jī)中常見的綜合故障有操舵失效、轉(zhuǎn)舵慢、滯舵和跑舵等。電液式舵機(jī)的綜合故障判斷過程相比超閾值故障更為復(fù)雜，此類故障為復(fù)合型故障，需通過復(fù)雜的關(guān)聯(lián)參數(shù)邏輯模型進(jìn)行判斷。

2.2.2 智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用

舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)見表2。

表2 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)

1) 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)：遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能主要是在岸端實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，對(duì)具備狀態(tài)報(bào)警功能的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)超閾值故障報(bào)警，并通過圖形化的方式對(duì)部分歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和顯示。

2) 遠(yuǎn)程健康管理：遠(yuǎn)程健康管理功能主要是對(duì)舵機(jī)的綜合故障報(bào)警信息進(jìn)行記錄和展示，并通過圖形化的方式對(duì)故障信息進(jìn)行多維度的統(tǒng)計(jì)和顯示。

3) 遠(yuǎn)程專家診斷：遠(yuǎn)程專家診斷功能面向船端舵機(jī)出現(xiàn)的，船端應(yīng)用故障診斷模型未主動(dòng)判定，且船端工作人員依靠經(jīng)驗(yàn)無法判斷的故障，由船端人員發(fā)起遠(yuǎn)程專家故障診斷申請(qǐng)，岸基應(yīng)用提供遠(yuǎn)程專家人工診斷和診斷意見反饋。

4) 遠(yuǎn)程運(yùn)維管理：遠(yuǎn)程運(yùn)維管理功能面向岸基船舶所有人的監(jiān)管需求，支持岸基遠(yuǎn)程向船端人員提醒運(yùn)維計(jì)劃到期情況。此外，該功能還可實(shí)現(xiàn)對(duì)新增設(shè)備信息的錄入和對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)信息的維護(hù)管理。

2.3 硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)要求，為提升船岸無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，船岸數(shù)據(jù)交互統(tǒng)一由船舶所有人的船載數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)和岸基數(shù)據(jù)服務(wù)中心承擔(dān)，即船端與岸端分別由船載數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)和岸基數(shù)據(jù)服務(wù)中心統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)備船岸交互數(shù)據(jù)的集成和分發(fā)。硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1) 船端配置工控機(jī)，用于搭載舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)船端應(yīng)用軟件和軟網(wǎng)關(guān)；

2) 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)源均由操舵控制系統(tǒng)提供；

3) 操舵控制系統(tǒng)通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與船端工控機(jī)硬件接口的連接，通過軟網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳和集成；

4) 為降低船端網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴風(fēng)險(xiǎn)和各系統(tǒng)之間的網(wǎng)段劃分，避免舵機(jī)設(shè)備的IP(Internet Protocol)地址與船上其他設(shè)備的IP地址存在沖突，舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)與船載數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備選用路由器;

5) 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用部署在云端，基于VPN(Virtual Private Network)技術(shù)使專用鏈路與岸基數(shù)據(jù)服務(wù)中心建立連接，通過“中間件”的方式實(shí)現(xiàn)與岸基數(shù)據(jù)服務(wù)中心的數(shù)據(jù)交互。

舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

圖2 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 舵機(jī)智能運(yùn)維軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 船端應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)

本文所述7 500載重噸散貨船舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)的船端應(yīng)用部署在船上的工控機(jī)中，為使該船端應(yīng)用能滿足離線環(huán)境下的獨(dú)立部署和運(yùn)行需求，采用C#語言對(duì)其進(jìn)行軟件代碼級(jí)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該船端應(yīng)用的功能邏輯開發(fā)和可視化應(yīng)用呈現(xiàn)等。

3.1.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

由操舵控制系統(tǒng)采集舵機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，通過部署在船端工控機(jī)上的軟網(wǎng)關(guān)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入和讀取，并按一定的規(guī)則將其存放于船端工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。在船端應(yīng)用的前臺(tái)界面設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)時(shí)報(bào)警顯示界面，在軟件后臺(tái)設(shè)計(jì)舵機(jī)狀態(tài)信息顯示邏輯和報(bào)警閾值，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)的顯示。船端應(yīng)用實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)時(shí)報(bào)警顯示界面分別見圖3和圖4。

圖3 船端應(yīng)用實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示界面

圖4 船端應(yīng)用實(shí)時(shí)報(bào)警顯示界面

3.1.2 故障診斷功能

通過軟件編程的方式將舵機(jī)的綜合故障報(bào)警模型嵌入船端應(yīng)用軟件程序后臺(tái)，故障診斷功能模塊根據(jù)故障模型和操舵控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)舵機(jī)綜合故障進(jìn)行自動(dòng)判定和報(bào)警，并針對(duì)故障診斷結(jié)果給出故障維修建議和電子維護(hù)手冊(cè)。為便于操舵人員對(duì)故障診斷結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可通過選擇點(diǎn)位和查詢時(shí)間區(qū)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)歷史數(shù)據(jù)的查詢。船端應(yīng)用故障診斷功能界面見圖5。

圖5 船端應(yīng)用故障診斷功能界面

3.2 岸基應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)

該7 500載重噸散貨船舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用依托武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)(即船用設(shè)備互聯(lián)服務(wù)平臺(tái))開發(fā)，借助該平臺(tái)的泛在連接、云化服務(wù)、知識(shí)積累、算法模型和個(gè)性化定制的特性，實(shí)現(xiàn)高水平、高效率的輕量化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)和基于模型的設(shè)計(jì)。舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程健康管理、遠(yuǎn)程專家診斷和遠(yuǎn)程運(yùn)維管理等功能均通過平臺(tái)工具進(jìn)行低代碼配置化實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用主界面見圖6。

圖6 舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)岸基應(yīng)用主界面

4 結(jié) 語

本文面向船用舵機(jī)運(yùn)維的現(xiàn)狀和需求，開展了舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)總體架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行了舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。此外，以7 500載重噸散貨船為示范船，對(duì)該舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)船示范應(yīng)用。結(jié)果表明，該舵機(jī)智能運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用效果較好,有助于保障舵機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，降低設(shè)備運(yùn)維成本,提高設(shè)備運(yùn)維管理水平。