視情維修制度在智能船舶領(lǐng)域的應(yīng)用分析

張 瑞，周帥康，湯 敏

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430070)

在工業(yè)化社會(huì)，機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)中占據(jù)著不可替代的位置，針對(duì)設(shè)備在工作壽命期間出現(xiàn)的故障問題，常采用事后維修和計(jì)劃維修2種方法。事后維修是指故障發(fā)生后再對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修處理，是一種針對(duì)性很強(qiáng)，并可節(jié)約大量檢測(cè)成本的維修方法，但無法避免故障產(chǎn)生的后果，很容易造成事故。計(jì)劃維修又稱為定期維修，指對(duì)同種類型的設(shè)備進(jìn)行大量的工作狀態(tài)記錄，統(tǒng)計(jì)后由技術(shù)人員決策出一套合適的檢測(cè)周期，這種維修方法更為常用，但由于設(shè)備工作環(huán)境、工作條件的不同，不同的設(shè)備可能出現(xiàn)的故障各異，這就使得定期維修容易產(chǎn)生維修過剩(即對(duì)正常工作且無退化征兆的設(shè)備進(jìn)行維修，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)甚至對(duì)設(shè)備造成維修傷害)和維修不足(即設(shè)備在計(jì)劃維修時(shí)間前發(fā)生故障，但因計(jì)劃原因仍進(jìn)行工作，使得設(shè)備的安全運(yùn)行無法得到保障)。這2種維修方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在日趨復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備及生產(chǎn)需要。視情維修(CBM)作為一種根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與性能參數(shù)變化趨勢(shì)而制定維修決策的維修方法，已成為國(guó)內(nèi)外研究維修問題的重點(diǎn)方向。

國(guó)內(nèi)對(duì)CBM的研究起步較晚，但發(fā)展較快。陳闖等針對(duì)單部件退化系統(tǒng)，建立了加速退化和維修用時(shí)模型[1]；李京峰等提出了一種多部件系統(tǒng)在隨機(jī)沖擊影響下的視情維修與備件庫存聯(lián)合優(yōu)化模型，該模型可用于復(fù)雜環(huán)境[2]。對(duì)于視情維修不同的使用場(chǎng)景，李鄭琦應(yīng)用時(shí)間延遲模型，為視情維修在飛機(jī)維護(hù)中的使用提供了理論支持[3]；吳明輝根據(jù)不同機(jī)載設(shè)備維修決策目標(biāo)及特點(diǎn)，選擇合適的視情維修決策建模方法提供了依據(jù)[4]。

視情維修憑借著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也將成為智能船舶機(jī)載設(shè)備維修的主要方式，本文主要討論分析智能船舶領(lǐng)域的視情維修制度。

1 智能船舶視情維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視情維修具有開放性的體系結(jié)構(gòu)，其在各個(gè)領(lǐng)域的基本構(gòu)架是類似的，經(jīng)過多年的理論發(fā)展，提供了針對(duì)不同維修目標(biāo)的多種決策模型，如可以為視情維修提供預(yù)防性維修閾值的比例危險(xiǎn)模型；用于累計(jì)沖擊損傷條件下維修決策的沖擊模型；在反映設(shè)備退化過程有著較好表現(xiàn)的延遲時(shí)間模型；以及基于控制限的隨機(jī)過程模型，該模型僅需數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)就可以比較真實(shí)地反映設(shè)備退化過程，常用于該建模的隨機(jī)過程包括Markov過程、Gamma過程及Wiener過程等[4]。通過建立與維修目標(biāo)更加合適的模型，使視情維修決策更加貼合目標(biāo)設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行情況，既可以減少維修浪費(fèi)，又可以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性及安全性。智能船舶視情維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能船舶視情維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)數(shù)據(jù)采集。通過振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、溫度傳感器和腐蝕傳感器等各種傳感器獲得設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。在該階段，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的特性選擇不同的監(jiān)測(cè)計(jì)劃，如連續(xù)狀態(tài)檢測(cè)或周期狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)于某些特殊設(shè)備，也可采用隨機(jī)監(jiān)測(cè)的方法。

2)信號(hào)處理。將傳感器收集到的信號(hào)進(jìn)行去噪聲、高通濾波、壓縮等處理，并將獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成之后步驟中可以識(shí)別并使用的數(shù)據(jù)類型。

3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該部分用來監(jiān)測(cè)工作設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在視情維修領(lǐng)域，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可以分為正常工作狀態(tài)、潛在故障狀態(tài)以及故障狀態(tài)。視情維修要求在設(shè)備處于潛在故障狀態(tài)時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修，因此要在潛在故障狀態(tài)中設(shè)立閾值，將經(jīng)信號(hào)處理過的數(shù)據(jù)與事前設(shè)定的閾值比較，進(jìn)行報(bào)警，以及時(shí)進(jìn)行維修計(jì)劃，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

4)健康評(píng)估。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的持續(xù)監(jiān)控，將設(shè)備最新狀態(tài)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷其狀態(tài)退化程度，從而得出其健康水平。

5)故障預(yù)測(cè)。該部分將收集到的數(shù)據(jù)與設(shè)備故障庫進(jìn)行比對(duì)，由出現(xiàn)的故障征兆預(yù)測(cè)即將發(fā)生的故障類型，通過故障預(yù)測(cè)，可以做好關(guān)于維修的備件、人員等一系列工作，不僅使得用戶對(duì)維修所需時(shí)間有基本的計(jì)劃，而且可以避免盲目備件和增加維修成本。

6)輔助維修決策。該決策由視情維修系統(tǒng)結(jié)合知識(shí)庫給出，包含維修時(shí)間、維修類型的建議，并將該維修決策顯示給岸基維修人員。

7)岸基維修人員。人員通過對(duì)系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)及維修決策進(jìn)行審核檢查，并考慮船舶的出海時(shí)間、執(zhí)行任務(wù)性質(zhì)等因素，判斷船舶是否支持完成下次任務(wù)，最終給出適合船載設(shè)備實(shí)際情況的維修策略及任務(wù)計(jì)劃，以求最大程度的利用設(shè)備的工作壽命，產(chǎn)生最佳效益。

需要指出的是，船載設(shè)備同其他機(jī)械設(shè)備存在不同之處，即船舶在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，離岸時(shí)間較長(zhǎng)，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為可以在維修決策給出的最佳維修時(shí)間對(duì)設(shè)備停機(jī)進(jìn)行故障維修，筆者將船載設(shè)備視情維修分為3種情況：①如果建議維修時(shí)間船舶并未出海，則在建議維修時(shí)間對(duì)船舶進(jìn)行預(yù)防性維修即可；②如果建議維修時(shí)間與該船舶計(jì)劃執(zhí)行任務(wù)時(shí)間沖突，且不支持船舶完成該次任務(wù)，則需調(diào)整船舶任務(wù)計(jì)劃，在船舶執(zhí)行下次任務(wù)前對(duì)其進(jìn)行預(yù)防性維修；③如果建議維修時(shí)間與該船舶計(jì)劃執(zhí)行任務(wù)時(shí)間沖突，且支持船舶完成該次任務(wù)，則需要根據(jù)健康評(píng)估及故障預(yù)測(cè)，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，綜合考量船舶在執(zhí)行任務(wù)前維修、執(zhí)行任務(wù)后維修的成本及效益，在執(zhí)行任務(wù)前與執(zhí)行任務(wù)后選擇出船舶的最佳維修時(shí)間，以使設(shè)備創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 船載設(shè)備視情維修決策分析

2.1 船載設(shè)備視情維修決策目標(biāo)

由于不同設(shè)備的使用場(chǎng)景不同，導(dǎo)致對(duì)不同場(chǎng)景的設(shè)備所進(jìn)行的維修策略目的也不相同，常用的維修策略目標(biāo)如下。

1)安全性目標(biāo)。針對(duì)那些一旦發(fā)生故障便有可能引起嚴(yán)重事故的設(shè)備，保證設(shè)備的正常工作，保障設(shè)備、工作人員、環(huán)境的安全應(yīng)是這類設(shè)備的主要維修目標(biāo)。

2)可用性目標(biāo)。可用性指設(shè)備可用時(shí)間占其總壽命的比重，主要用于長(zhǎng)時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備，衡量指標(biāo)有在設(shè)備的工作壽命中停機(jī)時(shí)間期望最小，或可用度期望最大等。

3)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。是最常見的視情維修目標(biāo)，主要衡量指標(biāo)為包括維修費(fèi)用、維修時(shí)間在內(nèi)的維修成本，其常用指標(biāo)為總的維修費(fèi)用期望最小、或單位時(shí)間維修成本最小等。

4)任務(wù)性目標(biāo)。適用于對(duì)設(shè)備短時(shí)任務(wù)執(zhí)行能力要求較高的場(chǎng)合，其主要指標(biāo)為任務(wù)可靠性。

需要指出的是，在大多數(shù)場(chǎng)合，并不能只考慮一種維修目標(biāo)，比如對(duì)大多數(shù)船用設(shè)備來說，視情維修的安全性與可靠性、經(jīng)濟(jì)性應(yīng)該按照不同的權(quán)重進(jìn)行考慮。在實(shí)際應(yīng)用中，將多種目標(biāo)聯(lián)合分析找到最優(yōu)解的方法更為常用，許飛雪等基于系統(tǒng)可用度提出的以利潤(rùn)為中心的維修策略模型[5]；張曉紅通過退化狀態(tài)空間劃分法和費(fèi)用率模型得出可以有效節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)維成本的維修策略[6]。

2.2 智能船舶視情維修決策內(nèi)容

視情維修決策主要包括2部分：①對(duì)目標(biāo)進(jìn)行何種維修操作及維修時(shí)間的決策；②何時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行下次監(jiān)測(cè)的決策。

1)視情維修項(xiàng)目決策。一般設(shè)備維修種類根據(jù)設(shè)備狀態(tài)分為3種：不維修，預(yù)防性維修，故障性維修。根據(jù)設(shè)備劣化程度選擇相應(yīng)的維修項(xiàng)目，在設(shè)備出現(xiàn)故障征兆但仍正常執(zhí)行工作任務(wù)時(shí)，將設(shè)備停機(jī)維修，這樣可以避免設(shè)備發(fā)生故障后造成更嚴(yán)重的后果，但也占用了設(shè)備正常的工作時(shí)間，使得設(shè)備的有效壽命不能得到充分利用，所以依據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)選擇合適的維修時(shí)間點(diǎn)及維修種類很有意義。

2)狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間決策。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行并未出現(xiàn)故障征兆時(shí)，需要決策進(jìn)行下次狀態(tài)檢測(cè)的時(shí)間。倘若第i次狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間Ti安排得較為頻繁，雖然會(huì)降低故障漏判的風(fēng)險(xiǎn)，但監(jiān)測(cè)費(fèi)用也會(huì)隨之增加，而且會(huì)減少設(shè)備的可用時(shí)間。如果將下次檢測(cè)時(shí)間Ti安排得較晚，又可能出現(xiàn)故障漏判，產(chǎn)生不良后果。對(duì)于設(shè)備的初次狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間T1，則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及同類設(shè)備歷史表現(xiàn)進(jìn)行決策。

因此設(shè)備健康狀態(tài)應(yīng)是影響視情維修決策的重要因素，設(shè)備健康狀態(tài)X與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間t的關(guān)系如圖2所示。其中LP代表故障征兆閾值，LF表示故障發(fā)生閾值。

圖2 設(shè)備健康狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間關(guān)系

3 智能船舶視情維修關(guān)鍵技術(shù)

1)知識(shí)庫的建立。利用已有的知識(shí)庫，通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集分析，進(jìn)行準(zhǔn)確的故障預(yù)測(cè)是視情維修的核心內(nèi)容，因此如何建立有效的知識(shí)庫就成為視情維修的重點(diǎn)技術(shù)。利用互聯(lián)網(wǎng)建立故障庫是最有效的方式，也是故障庫在大數(shù)據(jù)時(shí)代下的發(fā)展趨勢(shì)。隨著人工智能的發(fā)展，應(yīng)逐步將“專家作為故障庫的主要建設(shè)者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癆I作為故障庫的主要建設(shè)者”。專家對(duì)故障的認(rèn)識(shí)無法達(dá)到機(jī)器那樣準(zhǔn)確的水平，甚至我們憑借自身并不能觀察到許多故障發(fā)生前所出現(xiàn)的征兆，但通過記錄傳感器數(shù)據(jù)可以很好地彌補(bǔ)這一劣勢(shì)。視情維修所使用的故障庫通過保存在故障發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)的參數(shù)變化情況，在做故障預(yù)測(cè)時(shí)，將最近一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化同故障庫中的同種數(shù)據(jù)做比對(duì)，從而可以精確地得到故障預(yù)測(cè)結(jié)果，因此故障發(fā)生前的征兆將成為故障庫的重要內(nèi)容，并且機(jī)器逐漸成為故障庫的主要建設(shè)者。

2)數(shù)據(jù)的獲取。無論是構(gòu)建故障庫需要或是故障預(yù)測(cè)需要，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度很大程度上影響了視情維修的效果。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確一方面由傳感器的性能影響，另一方面由信息處理方式影響。因此使用靈敏度高的傳感器，選擇合適的數(shù)據(jù)處理方式就顯得尤為重要。此外，故障庫的構(gòu)建需要大量的真實(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的獲取往往需要時(shí)間的積累以及昂貴的代價(jià)。利用仿真軟件獲取數(shù)據(jù)，無法使數(shù)據(jù)的真實(shí)性得到保障，發(fā)展更真實(shí)的仿真模型及仿真環(huán)境可以促進(jìn)視情維修的應(yīng)用。

3)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在視情維修系統(tǒng)中，往往采用多個(gè)傳感器監(jiān)控被測(cè)對(duì)象，這些傳感器之間的信息獲得存在時(shí)間延遲，需要使用精確的數(shù)據(jù)融合技術(shù)來獲得準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)。此外，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，還可以將設(shè)備歷史故障信息同傳感器信息進(jìn)行融合，得出維修決策。

4)自適應(yīng)的故障閾值。在外界某些偶然因素的影響下，尤其像船載設(shè)備這種運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且多變的對(duì)象，運(yùn)行參數(shù)可能會(huì)發(fā)生暫時(shí)性的變化，系統(tǒng)應(yīng)該具有識(shí)別這種非故障因素引起的參數(shù)波動(dòng)的能力，以免造成錯(cuò)誤預(yù)警。這就要求故障閾值具有自適應(yīng)性，在受到外界干擾的情況下，盡量保證故障預(yù)測(cè)的成功率。

5)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。對(duì)于船載CBM系統(tǒng)，傳感器可以通過有線數(shù)據(jù)傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送給CBM系統(tǒng)的其他部分。信息在船舶與岸基之間進(jìn)行互傳，則只能進(jìn)行無線傳輸，現(xiàn)今無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)較為成熟，即使船舶在航行過程中遭遇惡劣天氣等因素影響，也能做到數(shù)據(jù)的不失真?zhèn)鬏敗?/p>

4 結(jié)束語

本文對(duì)視情維修制度在船載設(shè)備上的應(yīng)用建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并將步驟及其作用進(jìn)行說明，針對(duì)船舶情況的特殊性也提出了對(duì)應(yīng)的解決方法，對(duì)視情維修決策的主要內(nèi)容及目標(biāo)進(jìn)行了分析，給出了視情維修決策內(nèi)容及監(jiān)測(cè)時(shí)間的影響因素。文章最后列舉了視情維修制度在智能船舶領(lǐng)域上應(yīng)用所要用到的關(guān)鍵技術(shù)，可以將其中還未成熟的技術(shù)認(rèn)作該方向待解決的難點(diǎn)。