船用低速柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及試航管理系統(tǒng)開發(fā)＊

郭蘊(yùn)華 石俠紅 楊建國

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1） 武漢 430063） （船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2） 武漢 430063）

船用柴油機(jī)從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行管理到維護(hù)是一個(gè)復(fù)雜過程，且相互影響［1］.而臺(tái)架試驗(yàn)和試航是船用柴油機(jī)生產(chǎn)中的2個(gè)關(guān)鍵步驟，目前大多數(shù)船用柴油機(jī)制造廠的臺(tái)架試驗(yàn)和試航采用紙質(zhì)方式記錄數(shù)據(jù)，且各部門間的信息不能及時(shí)共享，從而形成“信息孤島”.本文針對(duì)船用柴油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)和試航，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將船用柴油機(jī)的相關(guān)信息有規(guī)則、有秩序地管理起來，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、臺(tái)架試驗(yàn)和試航提供全方位的信息和技術(shù)支持，以提高船用柴油機(jī)的制造水平、經(jīng)濟(jì)效益和管理效率，同時(shí)還可為船用柴油機(jī)故障庫的建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的大型低速船用柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及試航管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的基本信息、設(shè)計(jì)參數(shù)、安裝與調(diào)試參數(shù)、臺(tái)架試驗(yàn)和試航等數(shù)據(jù)的自動(dòng)管理、分析和信息共享.根據(jù)柴油機(jī)制造廠各部門的業(yè)務(wù)需求，將系統(tǒng)劃分為5個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示.

基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理船用柴油機(jī)相關(guān)證書、文件資料等基本信息.這些基本信息通常用于生成試車／試航報(bào)告等相關(guān)數(shù)據(jù).

圖1 大型低速柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及試航管理系統(tǒng)劃分

試車管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)船用柴油機(jī)的臺(tái)架試車，并采集試車過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和各種相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，試車數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)試航.技術(shù)服務(wù)支持子系統(tǒng)負(fù)責(zé)臺(tái)架試車和試航時(shí)的調(diào)速器限制曲線測(cè)量.

試車故障診斷子系統(tǒng)將從試車、試航及一些故障仿真模型中獲得的數(shù)據(jù)輸入到故障診斷知識(shí)庫中，為試車磨合階段出現(xiàn)的問題進(jìn)行初步診斷和指導(dǎo).

標(biāo)準(zhǔn)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)把柴油機(jī)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理.如排放標(biāo)準(zhǔn)可為試車、試航的排放計(jì)算提供依據(jù).

系統(tǒng)采用工作流的方式管理數(shù)據(jù)，即通過部門間的相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)在各子系統(tǒng)間的流轉(zhuǎn).各部門可查看當(dāng)前的數(shù)據(jù)流程進(jìn)度，即某臺(tái)船用柴油機(jī)目前所處的生產(chǎn)環(huán)節(jié).同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)更新后，各部門可及時(shí)共享數(shù)據(jù)，以避免出現(xiàn)“信息孤島”，系統(tǒng)工作流程如圖2所示.

圖2 工作流程圖

2 系統(tǒng)開發(fā)背景與開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)的平臺(tái)搭建結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.試車小組、技術(shù)服務(wù)室和基礎(chǔ)技術(shù)室利用X3軟件平臺(tái)提供的Tomcat中間件實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)制造廠各部門間的任務(wù)協(xié)作及對(duì)服務(wù)器端SQLServer數(shù)據(jù)庫的訪問，在該平臺(tái)上完成了數(shù)據(jù)發(fā)布、交換及共享.

圖3 平臺(tái)搭建結(jié)構(gòu)圖

由于試車和試航現(xiàn)場(chǎng)缺少網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序服務(wù)器等硬件設(shè)施的支持，無法使用X3軟件平臺(tái)，需要另外開發(fā)C／S模式的客戶端系統(tǒng).客戶端系統(tǒng)分為試車客戶端和試航客戶端，采用Delphi 7.0作為開發(fā)平臺(tái)，選用Access 2003數(shù)據(jù)庫作為其數(shù)據(jù)支持.

在試車和試航前，工作人員需通過企業(yè)局域網(wǎng)從服務(wù)器端SQLServer數(shù)據(jù)庫下載必要的數(shù)據(jù)到客戶端Access數(shù)據(jù)庫；在試車和試航結(jié)束后，又需要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)從Access數(shù)據(jù)庫上傳至SQLServer數(shù)據(jù)庫.根據(jù)企業(yè)的操作規(guī)程，客戶端軟件不能脫離X3平臺(tái)直接訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，且X3平臺(tái)也不支持對(duì)Access數(shù)據(jù)庫的訪問.因此，需要為系統(tǒng)開發(fā)X3軟件平臺(tái)與客戶端軟件間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)程序.該程序基于XML和自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過 Windows Socket（簡稱 WinSock，是基于TCP／IP核心協(xié)議的Windows環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)編程接口）實(shí)現(xiàn)LAN的數(shù)據(jù)傳輸和交換.

3 系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)

基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)主要管理三類數(shù)據(jù)：母／子型機(jī)組數(shù)據(jù)、排放零件鋼印號(hào)和車間用技術(shù)資料.具體數(shù)據(jù)見表1.

表1 基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于機(jī)組信息量大且復(fù)雜，當(dāng)子型機(jī)的排放零件鋼印號(hào)與母型機(jī)中的不同時(shí)，在機(jī)組資料顯示時(shí)會(huì)將這條記錄高亮變紅給予用戶提示，并且機(jī)組資料的版本號(hào)得到升級(jí)；當(dāng)機(jī)組中新增機(jī)器記錄或修改原來機(jī)器記錄時(shí)，經(jīng)過部門審核后，其版本號(hào)也會(huì)升級(jí).歷次版本的機(jī)組信息都存于數(shù)據(jù)庫中，用戶可以回溯任一版本的機(jī)組信息，也可以比較不同版本機(jī)組信息間的差異，實(shí)現(xiàn)有據(jù)可查.

3.2 試車管理子系統(tǒng)

試車管理子系統(tǒng)是本系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)之一，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2.通常在試車試驗(yàn)之前，由基礎(chǔ)技術(shù)室在X3端錄入試車準(zhǔn)備資料，這些資料是為了試車人員在試驗(yàn)時(shí)查看柴油機(jī)的相關(guān)信息.試驗(yàn)前，試車人員先將資料下載到試車客戶端中；試驗(yàn)時(shí)，通過客戶端軟件將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到本地Access數(shù)據(jù)庫中；試驗(yàn)結(jié)束后，試車人員須將試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端SQL Server數(shù)據(jù)庫，并在X3平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，最后輸出試車報(bào)告.X3端和試車客戶端均提供對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的性能分析和排放計(jì)算功能.

表2 試車管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2.1 試車試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入 試車客戶端采用“卡片式”界面管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分為手工錄入數(shù)據(jù)和自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù).由于試車試驗(yàn)要采集大量的性能參數(shù)，為了避免人為操作失誤，試車客戶端自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)是否超出域范圍，如超出則報(bào)警.

3.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) 試車客戶端與X3服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸分為數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)上傳2個(gè)功能.通過在X3運(yùn)行平臺(tái)與客戶端軟件中分別運(yùn)行Local Procedure（本地程序）和Remote Procedure（遠(yuǎn)程程序）這2個(gè)小程序來實(shí)現(xiàn).

1）數(shù)據(jù)下載 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中的數(shù)據(jù)下載過程如圖4所示.（1）當(dāng)下載時(shí)，X3平臺(tái)首先將選中的要下載的數(shù)據(jù)保存為XML文件（在具體對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫存取數(shù)據(jù)時(shí)，使用X3平臺(tái)的 Business.Data.TQuery，Business.Data.TConnection和 UserDataSet組件），并以 Windows消息的方式向本地程序發(fā)出“發(fā)送文件列表”命令；（2）本地程序通過Winsock向遠(yuǎn)程程序轉(zhuǎn)發(fā)“發(fā)送文件列表”命令；（3）遠(yuǎn)程程序收到“發(fā)送文件列表”后，按“發(fā)送文件列表”向本地程序發(fā)送“索取文件列表”命令，然后進(jìn)入阻塞式讀取狀態(tài)；（4）本地程序收到來自遠(yuǎn)程程序的“索取文件列表”命令，立即將早已準(zhǔn)備好的XML文件發(fā)送出去；（5）遠(yuǎn)程程序收到XML文件后，將XML文件讀取并將數(shù)據(jù)存入Access數(shù)據(jù)庫.

圖4 下載過程描述

2）數(shù)據(jù)上傳 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中的數(shù)據(jù)上傳過程如圖5所示.（1）當(dāng)上傳時(shí)，X3平臺(tái)首先以Windows消息的方式向本地程序發(fā)出“索取文件列表”命令；（2）本地程序收到“索取文件列表”命令后，通過Winsock向遠(yuǎn)程程序轉(zhuǎn)發(fā)“索取文件列表”命令，然后進(jìn)入阻塞式讀取狀態(tài)；（3）遠(yuǎn)程程序收到“索取文件列表”命令后，通過Midas和ADO技術(shù)從數(shù)據(jù)庫讀取符合查詢條件的數(shù)據(jù)（具體通過TADOConnection組件、TADOQuery組件、TDataSetProvider組件和TClientDataSet組 件）［2－3］，將 其 保 存 為 XML 文件，并通過Winsock向本地程序發(fā)送這些XML文件；（4）本地程序收到XML文件后，通知X3平臺(tái)；（5）X3平臺(tái)收到通知后，同樣基于Midas的本地存取技術(shù)（即UserDataSet的LoadFromFile函數(shù)），將XML讀取并將數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫.

圖5 上傳過程描述

3.2.3 性能分析功能 在試車試驗(yàn)中，大多只測(cè)量25%，50%，75%，90%，100%和110%負(fù)荷下的性能數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少，利用這幾個(gè)點(diǎn)僅能畫出折線，很難反映出熱力參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)曲線間數(shù)量級(jí)相差較大，在一個(gè)坐標(biāo)系上顯示其可觀性較差.需要對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使其能在一張圖上反映所有的性能曲線，然后再作相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換，直至滿足性能分析繪圖的要求.在本系統(tǒng)中FLEX機(jī)型采用三次樣條插值獲得插值點(diǎn)，而MCC機(jī)型和MEC機(jī)型采用最小二乘法逼近［4］.將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MATLAB的Curve fitting Tool功能，經(jīng)驗(yàn)證采用該種數(shù)學(xué)變換法滿足要求.系統(tǒng)中性能分析界面圖略.

3.3 技術(shù)服務(wù)支持子系統(tǒng)

技術(shù)服務(wù)支持子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表4.本子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織模式和提供的功能與試車管理子系統(tǒng)大部分相似.不同之處是由于試航人員數(shù)量有限且試航地點(diǎn)通常在海上，往往出現(xiàn)試航人員處理完一條船后就直接趕赴下一個(gè)試航任務(wù)的情況.這樣，試航人員需要當(dāng)場(chǎng)向船東提交試航報(bào)告，并將本次試航服務(wù)的數(shù)據(jù)傳回本廠.為此，特別設(shè)計(jì)了離線導(dǎo)入、離線導(dǎo)出、打印試航報(bào)告和繪制調(diào)速器限制曲線的功能.

表4 技術(shù)服務(wù)支持子系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

離線導(dǎo)入是將試航準(zhǔn)備資料離線包導(dǎo)入客戶端系統(tǒng)，該離線包中的數(shù)據(jù)是從X3服務(wù)端數(shù)據(jù)庫提取出的；離線導(dǎo)出是從試航客戶端數(shù)據(jù)庫提取出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行打包，該離線包可導(dǎo)入X3服務(wù)器端.這些離線包經(jīng)過加密，只有在本系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)間進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出.通過Internet或郵件把離線包傳回公司或是試航現(xiàn)場(chǎng)，即可以讓試航人員快速的展開下面的工作，又可讓上級(jí)主管及時(shí)獲知當(dāng)前試航情況，完成了數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享.

3.4 試車故障診斷子系統(tǒng)

試車故障診斷子系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，主要用于試車磨合階段的故障診斷及指導(dǎo).專家系統(tǒng)知識(shí)庫包含從試車試驗(yàn)、試航及一些故障仿真模型中獲得的故障數(shù)據(jù)及解決方案［5－7］.其中，故障仿真利用 AVL BOOST 軟件對(duì)柴油機(jī)工作過程建立仿真模型，通過對(duì)柴油機(jī)典型故障的仿真計(jì)算，得到不同故障態(tài)的柴油機(jī)熱力參數(shù)變化規(guī)律，提取故障仿真的計(jì)算結(jié)果，為專家知識(shí)庫提供數(shù)據(jù)支持.

當(dāng)知識(shí)庫中的故障實(shí)例和解決方案累積到一定數(shù)量后，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)完善專家知識(shí)庫.在進(jìn)行試車磨合試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)技術(shù)人員可以利用各種征兆信息檢索知識(shí)庫，利用知識(shí)庫中眾多專家的知識(shí)對(duì)這些信息進(jìn)行分析、比較和推理，最終得出正確的解決方案.

3.5 標(biāo)準(zhǔn)管理子系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)管理子系統(tǒng)是把標(biāo)準(zhǔn)的起草、申請(qǐng)制定、報(bào)批及發(fā)布等過程管理起來，簡化和規(guī)范了企業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)的流程.在標(biāo)準(zhǔn)起草時(shí)，本子系統(tǒng)把標(biāo)準(zhǔn)按照封面、前言、正文、附錄、參考文獻(xiàn)和索引等6個(gè)部分分塊存于數(shù)據(jù)庫中.其中正文和附錄按照章節(jié)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)并進(jìn)行樹狀排列，用戶可以增加和刪除章節(jié)節(jié)點(diǎn).當(dāng)進(jìn)行打印時(shí)，系統(tǒng)將這6部分按照順序及規(guī)定的格式輸出到word文件中，這樣不僅簡化和統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)的制定，還便于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管理.

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用B／S和C／S相結(jié)合的模式，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和試航試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)則有序地管理起來，不僅實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造網(wǎng)絡(luò)化和管理信息化，而且為船用柴油機(jī)故障庫的建立提供了依據(jù).同時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)大的面向業(yè)務(wù)的工作流，使得部門間分工協(xié)作更加明確，提高了工作效率；信息的共享促進(jìn)了企業(yè)的無紙化進(jìn)程，避免了“信息孤島”.對(duì)于整合船用柴油機(jī)企業(yè)資源、提升綜合競(jìng)爭力也具有十分重要的意義.

［1］李文靜，郭蘊(yùn)華，楊建國.船舶柴油機(jī)數(shù)字化管理系統(tǒng)的開發(fā)［J］.柴油機(jī)，2009，31（4）：6－9.

［2］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.Delphi 7基礎(chǔ)編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］JONES A，OHLUND J.Network programming for microsoft windows［M］.Washington：Microsoft Press，Redmond，1999.

［4］Delphi常用數(shù)值算法集［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［5］楊建國，周軼塵.船舶柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1997，17（3）：45－51.

［6］余永華，楊建國.船舶柴油機(jī)數(shù)字化監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)［J］.船海工程，2007，29（2）：81－84.

［7］竇金生，湯天浩.基于知識(shí)的故障診斷技術(shù)及其在船舶上的應(yīng)用［J］.船舶工程，2007，29（4）：72－74.