艦用發動機健康管理開放式系統架構

唐 磊，周 斌，李 南

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦用發動機健康管理開放式系統架構

唐 磊，周 斌，李 南

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦用發動機運行健康狀態是影響艦船研制、試驗及航行性能的決定性因素之一，對其進行有效、系統的管理意義重大。通過國外發動機健康管理系統現狀以及我國艦用發動機健康管理應用需求的調研，對艦用發動機健康管理的功能架構及系統邏輯架構進行研究，形成適應我國海軍艦船發展現狀和未來需求的艦用發動機健康管理開放式系統架構。該研究將對我國海軍艦用發動機及其他裝備健康管理系統的研發起基礎支撐作用。

艦用發動機;健康管理;開放式系統架構

0 引言

健康管理(Health Management，HM)技術是隨著基于狀態的維修(Condition-Based Maintenance，CBM)的不斷發展而提出的設備監控與管理技術［1］。“健康”是指管理對象完成其功能的程度，即性能狀態。“健康管理”對管理對象的健康狀態進行管理，它包含3方面內容:一是對當前運行性能狀態進行健康評估，評價管理對象完成其功能的程度，如果出現性能衰退則診斷可能發生故障的子系統或部件;二是對未來一段時間運行性能狀態進行健康預測，推斷可能發生性能衰退的子系統或部件，并對剩余有效使用壽命(Remaining Useful Life，RUL)進行預估;三是綜合健康評估和預測結論，結合可用資源和使用需求對維修活動和運行策略做出決策支持。

健康管理的重點是利用先進傳感器的集成，借助各種知識、算法和智能模型來評估、預測、監控和管理設備的運行狀態［2］。它代表了一種方法的轉變，即從傳統的基于傳感器的診斷轉向基于智能系統的預測，從反應性的維修轉向主動性的3Rs(即在準確時間對準確的部位采取正確的維修活動)［3］。它是提高復雜系統可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性以及降低壽命周期費用的一項非常有前途的軍民兩用技術。

健康管理已成為國外新一代武器裝備研制和實現自主保障的一項核心技術。而目前我國艦用的發動機監控系統智能化水平不高，無法進行性能評估和預測，亦無法實現健康管理。本文通過艦用發動機健康管理開放式系統架構研究，實現對艦用發動機智能化健康管理功能架構及系統邏輯架構的搭建，為今后健康管理系統的研制和應用起指導和基礎支撐作用。

1 國外發動機健康管理系統

自20世紀90年代以來，隨著國外信息技術突飛猛進的發展和廣泛應用，智能化診斷系統向測試、監控、診斷、預測和維修管理一體化方向發展，形成設備運行健康管理系統的時機已經成熟。健康管理系統正在成為國外新一代的戰機、戰艦和戰車系統設計和使用中的一個重要組成部分。

英國經過大量研究開發出直升機健康與使用狀態監控系統(HUMS)，用來監控動力設備完好狀態以及結構使用情況、跟蹤疲勞壽命、提供維修趨勢信息，HUMS在美國、加拿大、荷蘭等國的軍用直升機中得到廣泛應用［3］。美軍在其先進的聯合攻擊機(JSF)上應用了健康管理技術，可對飛機進行近乎實時的健康狀態管理，后勤部門通過飛機實時下傳的數據對飛機的健康狀態作出評估，以此調整作戰任務，并對維修做出規劃［4］。

美國艦用LM2500 MGTs系統集成了熱力參數分析、振動分析、狀態識別、故障診斷、傳感器網絡等技術，實現了對艦用燃氣輪機的“全面健康管理”，已于2003年裝備美國海軍CG和DDG級艦。

美軍還在重型高機動性戰術卡車HEMTT M1120A2+上運用了健康狀態評估技術，通過車載健康管理系統向操作人員提供健康狀態信息，能持續監控和評估關鍵部件的狀態，提高車輛的可靠性和可用性。

此外，美國空軍的發動機監測系統(EMS)、海軍的綜合狀態評估系統(ICAS)以及陸軍的綜合診斷預測系統(IDPS)等都應用了健康管理技術。

健康管理技術在民用領域也得到廣泛應用。例如，波音公司的飛機健康管理(AHM)系統已在各大航空公司的多型民航飛機上得到應用。美國宇航局與相關公司合作，開發綜合系統健康管理(ISHM)方案，旨在對航天飛機進行健康監控、診斷推理和最優查故，以求降低危及航天任務安全的系統故障。

2001年，由美國海軍提供部分資助，由波音、卡特彼勒、羅克韋爾等公司聯合組建的工業小組，制定了CBM開放式系統架構(OSA-CBM，Open System Architecture for CBM)，該結構從技術上解答了如何構建一個CBM系統［5］，同時也是健康管理系統的基礎架構。它基于分布式網絡結構，定義了標準的功能模塊和接口，有助于健康管理系統的標準化和產業化［6］。其組成結構及各模塊的功能介紹如圖1所示。

圖1 OSA-CBM典型組成模塊及其功能Fig.1 Typical configuration of OSA-CBM

2 國內艦用發動機健康管理需求

艦用發動機的性能及運行狀態是影響艦船研制、試驗及航行性能的決定性因素之一。我國目前艦用發動機普遍存在研發設計手段落后，產品技術水平較低，關鍵技術掌握不足，使用成熟度低，可靠性較差，監控智能化水平不高，維修保障缺乏自主性等問題，嚴重制約了新型艦船的研制進度，嚴重影響了海軍裝備的生存力和戰斗力。

針對目前國內的艦用發動機技術現狀，艦用發動機健康管理系統存在以下發展需求。

1)研發體系建設需求

我國艦用發動機至今仍未形成比較完整的設計研發體系，研究設計、試驗驗證、應用評估這3個主體平臺尚未建立。健康管理系統是應用評估平臺的重要組成部分，首先開展艦用發動機健康管理系統架構研究，進而全面開展關鍵技術的研究，將為應用評估平臺的建立和完善，并為整個艦用發動機研發體系的建立健全提供支撐。

2)技術發展需求

隨著新型艦船發動機高功率密度、高熱負荷、高機械負荷的特征和系統組成復雜程度的日益提高，艦用發動機監控和管理技術的發展將以系統綜合健康管理為主要特征。引入先進的艦用發動機健康管理技術，將有利于提高國內艦用發動機監控系統的智能化水平，有助于實現海軍裝備的自動化、信息化和現代化。

3)可靠性和安全性需求

目前，我國艦用發動機存在技術水平較低、關鍵技術掌握不足等問題，在研制、試驗及應用等各個環節中的可靠性和安全性得不到充分的保障。開展健康管理技術研究，首先將從設計環節嚴格控制發動機產品的可靠性，同時還在試驗及應用環節有效預測運行風險，為避免各種災難性事故，延長艦船發動機使用壽命，降低全壽命期維修費用等提供重要保障。

4)維修性和保障性需求

目前，國內艦用發動機出現健康問題后存在失效原因不清晰，維修方法不明確，決策措施不合理，保障條件不到位的情況。引入健康管理系統并開展決策支持技術的研究，將通過對發動機性能衰退機理的全面分析，提出與不同健康問題相對應的維護維修計劃，提出合理的系統重構運行策略，并結合可用資源和使用需求提出相應的保障方案，全面提高艦用發動機的維修性和保障性。

3 國內艦用發動機健康管理開放式系統架構

結合國內艦用發動機現狀及健康管理發展需求，對國外相關技術成果進行消化、吸收和再創新，開展艦用發動機健康管理的功能架構及系統邏輯架構研究，進而形成適合我國海軍艦船發展現狀和未來需求的艦用發動機健康管理開放式系統架構。

3.1 艦用發動機健康管理功能架構

以OSA-CBM系統架構為基礎，將狀態監測功能融入健康評估模塊中，針對單一健康管理對象，建立艦用發動機健康管理功能架構，如圖2所示。

圖2 艦用發動機健康管理功能架構Fig.2 Functional architecture for health management of marine engine

該功能架構定義了一個健康管理系統應包含的功能模塊及相互關系，各模塊的功能及技術途徑描述如下:

1)特征信號采集模塊

特征信號是健康管理對象性能衰退信息的載體，是健康管理系統得以實施運行的數據基礎。基于性能衰退機理研究，選取能表征性能衰退特點的特征參數，進行測點布置、傳感器選型，選用抗干擾能力強的檢測方法和高精度、智能化的傳感器，采集最能反映性能衰退特征的信號［7］。

2)信號特征提取模塊

根據健康管理特征信號的特點，采用FFT變換、小波分析等方法對其進行處理，根據各健康管理對象性能衰退的表征形式，采用現代信息處理技術提取對應不同性能衰退的信號特征，通過數據融合技術實現多種征兆的綜合分析，為健康評估提供判別數據［8］。

3)數據庫、知識庫模塊

通過分析健康管理系統的數據需求，根據各特征信號的種類和特點，完成數據庫結構和接口設計，并采用數據壓縮、遷移等技術建立滿足大容量、通用化、可擴展、自淘汰要求的系統數據庫。結合健康管理對象性能衰退機理，完成知識庫(模型庫、專家知識庫)的結構和接口設計，根據不同設備健康管理需求，實現知識獲取、知識表達及知識庫自學習。

4)健康評估模塊

通過對健康管理對象運行性能衰退判別參數與判別規則的研究，建立性能衰退模型。基于各種健康狀態歷史數據、工作狀態以及維修歷史數據，結合性能衰退模型，評估管理對象的健康狀態是否退化，產生健康狀態評估記錄，實現健康分級報警，并通過神經網絡、模糊邏輯等智能方法診斷可能發生故障的子系統或部件。

5)健康預測模塊

綜合利用歷史數據及實時運行數據，采用相應的預測方法(如基于狀態信息的預測、基于衰退模型的預測、概率趨勢預測、基于環境信息的預測、基于損傷尺度的預測等［9］)，對管理對象健康狀況的發展趨勢進行分析，預知未來一段時間的健康狀態，預估剩余有效使用壽命(RUL)，并對可能發生故障的子系統或部件進行預測。

6)決策支持模塊

對健康管理對象的各種性能衰退問題的解決方法進行研究，建立決策支持專家知識庫。根據健康評估結果及健康預測結論，結合可用資源和使用需求提出相應的決策支持方案(包括運行優化配置、維修計劃制定、維修資源分配、維修備件采購等)，以排除故障或規避風險，對于重大健康問題及隱患采取應急安全保護措施，以免造成機器損毀及人員傷亡。

7)系統通信模塊

應用現場總線、工業以太網及遠程通信等技術，制定相關的通信協議與數據格式，設計相關接口形式，設計數據通信模塊及相應的轉換模塊和網關，設計網絡拓撲結構并完成網絡布置及硬件連接。

8)人機接口模塊

包括人機接口的可視化軟件設計與硬件配置，可實現運行參數、健康狀態、風險情況及解決方案的輸出，并實現操作人員指令輸入、聲光報警等功能。

3.2 艦用發動機健康管理系統邏輯架構

3.2.1 艦用發動機系統相關拓撲結構

艦用發動機系統是一個復雜的集成系統，將其組成進行合理的分類并依據相互關系建立系統相關拓撲結構將有利于建立健康管理系統的邏輯架構。將艦用發動機系統分為系統級、分系統級、子系統及設備級、關鍵部件級4個級別，建立系統相關拓撲結構如圖3所示。

圖3 艦用發動機系統相關拓撲結構Fig.3 Topological structure of marine engine system

系統級為整個艦用發動機系統，下分各發動機分系統(如艦用柴燃聯合動力發動機系統包括各柴油機分系統和各燃氣輪機分系統)，子系統及設備級為各單個發動機分系統下的組成子系統及設備(如柴油機滑油系統、燃氣輪機壓氣機等)，關鍵部件為各子系統及設備所包含的關鍵組成部件(如柴油機滑油管路、燃氣輪機壓氣機轉子等)。

3.2.2 面向艦用發動機健康管理的分層融合式邏輯架構

分層融合式架構是一種集中式和分布式相結合的方式，在較低的層次，各個子系統收集、解釋用于本子系統狀態評估的所有信號，然后在較高的層次上將評估和預測結果集中交由綜合健康管理模塊進行記錄和決策。它可在多個層次上進行融合，更加全面地利用了冗余層次狀態信息［10］。鑒于未來艦船發動機智能化、復雜化的特點，分層融合式系統架構最適用未來國產艦船發動機健康管理采用。

采用分層融合式邏輯結構方式，在健康管理功能架構和發動機系統相關拓撲結構的基礎上，構建艦用發動機健康管理(HM)的系統邏輯架構如圖4所示。該邏輯架構實現了傳感器級、關鍵部件級HM、子系統及設備級HM、分系統級HM和系統級HM共5層結構的集成。

圖4 艦用發動機系統健康管理邏輯架構Fig.4 Logical architecture for health management of marine engine system

4級HM的層次劃分描述如下:

1)系統級HM獲取整個艦用發動機系統(含多個發動機分系統)的健康狀態及其變化趨勢，在發生健康問題時，根據系統容錯能力，執行系統的緩慢降級重構，保證系統基本功能的執行，并根據健康評估和預測結論形成維修或保障建議反饋給操作人員。

2)分系統級HM是單個發動機分系統健康管理方案的執行機構，能把來自該分系統不同子系統的數據或信息進行相關以解決各種數據的不一致性，結合模型庫和專家知識庫，確認子系統衰退或故障情況，預測可能發生的健康問題，得到更加可靠的子系統健康狀態，并提出相應的健康問題解決方案。

3)子系統及設備級HM是子系統及設備健康管理方案的執行機構，能通過獲取關鍵部件的數據和信息并進行融合處理，結合模型庫和專家知識庫，實現子系統及設備健康狀態的綜合評估和預測推理，并對健康問題的解決提出決策方案。

4)關鍵部件級HM是關鍵部件健康管理方案的執行機構，能通過獲取傳感器的狀態參數，對其進行信號處理及特征提取，結合模型庫、專家知識庫及歷史數據，對關鍵部件的健康狀態及趨勢進行推理，并預估關鍵部件的剩余有效使用壽命(RUL)。

3.2.3 信息的傳輸

從信息的傳輸來看，艦用發動機健康管理(HM)的邏輯架構包含3種信息流。

1)縱向信息流:從關鍵部件級獲取傳感器信息，經過子系統及設備級、分系統級和系統級的HM推理和分析，得到整個艦用發動機系統的健康狀態和發展趨勢，并對系統中發生的健康問題的解決進行決策支持。從關鍵部件級HM經過子系統及設備級HM、分系統級HM到系統級HM，是一個從數據、信息到知識的流動過程。

2)橫向信息流:在同一HM處理級別上，對1個特定的HM對象來說，將低一級別傳送的數據及健康信息進行融合處理，解決各種信息的不一致性，結合模型庫和專家知識庫，完成本級別HM對象的健康狀態評估，并對未來一段時間該對象的健康狀況進行預測，結合健康評估和預測的結論，提出決策建議。

3)反饋信息流:包括控制信息反饋流和知識信息反饋流。控制反饋是指通過系統級的決策支持方案對發動機的運行進行優化控制，使系統成為一個控制的閉環系統，實現系統的降級重構;知識反饋則是通過對系統的健康狀態分析，不斷地修正和補充HM專家知識，構成系統學習的閉環環境［10］。

以上分別建立了艦用發動機健康管理功能架構(如圖2)和系統邏輯架構(如圖4)，定義了單一HM系統的功能組成及全系統HM的體系結構，將二者結合即形成艦用發動機健康管理開放式系統架構(Open System Architecture for Health Management，OSA-HM)，該系統架構是在對國外艦用發動機健康管理系統進行調查研究的基礎上，結合我國艦用發動機現狀和健康管理應用需求，通過消化、吸收和再創新最終形成的。該架構可滿足我國海軍艦船現實需求和未來發展，可對今后海軍艦用發動機健康管理系統的設計和開發起基礎支撐作用。

4 結語

近年來，我國海軍裝備的需求相當大，相關動力設備將大量裝備于海軍各型艦船。現有的狀態監測手段缺乏智能化技術，不能實時評估裝備的運行健康狀態和預測裝備的性能趨勢，無法保證艦船裝備健康可靠的運行，也就無法保證其戰斗力的充分發揮。

首先進行健康管理開放式系統架構的研究，搭建功能架構和系統邏輯架構，隨后在此基礎上積極開展健康管理相關關鍵技術的研究和健康管理系統的研制，將為提高艦船發動機運行的可靠性與安全性，避免各種災難性事故，延長艦船發動機使用壽命，降低全壽命期維修費用等提供重要保障，必將產生重大的軍事效益和經濟效益。本課題研究的健康管理開放式系統架構(OSA-HM)還可結合不同裝備的應用特點，推廣到其他海軍裝備的健康管理系統設計和開發中，對于實現艦船監控自動化、裝備現代化和管理信息化有著十分重要的意義。

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Research on open system architecture for health management of marine engines

TANG Lei，ZHOU Bin，LI Nan
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The health status of marine engines acts as an important determinant of the performance of marine while developing，experimenting and navigating，efficient and systematic health management is of great moment.Through investigation of foreign health management systems of engines and application requirements for health management of domestic marine engines，functional and logical architectures for health management of marine engine system were studied，open system architecture for health management(OSA-HM)of marine engines which would suit the present and future development of domestic navy marines was put forward.This research work will provide fundamental support for the research and development of health management systems of marine engines and other equipments of our navy.

marine engine;health management(HM);open system architecture(OSA)

U664.1

A

1672－7649(2011)06－0076－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.018

2011－05－06

唐磊(1981－)，男，博士，工程師，研究方向為艦船動力/電力系統頂層設計、健康管理與陸上綜合試驗。