专利名称：滚装运输船即时状态评估方法
技术领域：
本发明属于故障设备诊断及设备综合技术状态评估技术领域，涉及一种滚装运输船 的即时状态评估方法。
背景技术：
为加强船舶管理，确保船舶安全航行，针对船舶主要设备如主机、副机、发电机、 锚机、舵机、应急设备、通导设备以及船体结构等的实际运行状态进行评估，评定船舶 的完好率，对其寿命做出估计，并根据评估的结果有针对性的安排重点设备检修与船体 维护，解决船舶设备与船体存在的问题，制订切实有效的船舶状态改善计划，旨在强化 船舶设备的管理，做好船体防腐系统的维护，确保船舶的安全营运，避免船舶在港口国 检查中发生滞留，同时也可降低船舶检修费用，从而提高船舶管理公司的竞争力。但是， 船舶的评估涉及的指标体系庞大，各影响因素间的关系错综复杂，目前国内船舶公司仍 然只是凭借评估人员的技术经验对船舶实施状态评估，缺乏真实性，具有较大的主观性。发明内容本发明的目的是针对滚装运输船实际运行状态，提出一种具有科学性、合理性、经 济性的船舶即时状态评估方法，并建立船舶状态计算机评估系统，以提高船舶管理的信 息化和科学化程度，确保船舶安全航行。本发明提出滚装运输船即时状态评估方法，包括下列步骤1) 对船舶及各设备划分系统，对各系统根据需要进行子系统划分，确定每子系统的基本设备单元；2) 对步骤l)划分的各子系统，确定其主要功能；3) 在船舶各测点处安装传感器，以实时采集即时状态评估所需要的各参数，并通过 信号转换存储到即时状态评估数据库中；4) 在歩骤3)所采集的参数中筛选出最灵敏、便于度量、影响目标任务的状态参数， 并对其在不同船舶工况下的阈值进行标定；5) 对步骤l)确定的每个基本设备单元，设定其基本故障模式，并对各个基本故障 模式进行影响分析，同时对各基本设备单元的重要度进行分析；6) 对步骤l)确定的各子系统，确定其故障诊断流程，对各子系统建立由功能无法 实现或参数异常的报告故障模式到基本故障模式的分析査找过程；7) 结合步骤5)确定的故障模式及影响分析、单元重要度信息，建立滚装运输船即时状态等级评定方法及相关细则；8) 建立和运行滚装运输船即时状态评估计算机系统；9) 对歩骤2)确定的各子系统主要功能进行检査，确定各项功能是否能够正常实现， 并根据滚装运输船即时状态评估系统提示信息将功能检査结果进行录入；10) 根据步骤4)获取的各项参数以及相应的参数阈值，结合实时工况信息，对各系 统的实时状态参数进行监测，以检测各项参数是否异常；11) 经过步骤9)的功能检查和歩骤IO)的参数监测分析，如果判断有功能无法实现 或出现参数异常，则根据歩骤6)确定的各子系统故障诊断流程，寻找基本故障模 式；12) 即时状态评估计算机系统根据步骤11诊断出的基本故障模式，结合步骤7)确定 的即时状态等级评定方法及相关细则，最终给出系统的即时状态评定值。本发明以滚装运输船为对象，建立一套针对该型船舶的实用的评估模型，提出一套 对该型船舶即时状态的评估方法，利用此方法建立的滚装运输船即时状态评估计算机系 统，可以为船舶提供最佳的维修策略，保证在船人员的人身安全和生命安全，并在此基 础上保证船舶自身、船舶停靠的港口、码头，以及与船舶直接或间接相关的其他船只的 安全。
图l:滚装运输船即时状态评估流程图；图2:发配电系统故障诊断流程图；图3:发配电系统故障诊断流程图(接图2)。
具体实施方式
_下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。本发明提出一套对该型船舶即时状态的评估方法，并利用此方法建立了滚装运输船 即时状态评估计算机系统。下面结合图1所示的功能模块和系统流程框图，对本发明进 行说明。它主要由运行原始信息、运行参数储存、状态监测、故障模式及影响分析、故障诊 断和等级评定六个子模块组成。由于目前状态监测手段的局限性，本发明在评估滚装运 输船的各子系统即时状态时，主要通过部分设备监测参数、现有滚装运输船设备仪表读 数，结合在船人员的功能检査作为系统输入，通过状态评估计算机系统的处理，获得系 统输出，即子系统即时状态评定值。本发明首先对各子系统进行模块划分，即划分为相应的功能检査模块和参数监测模块。
在对子系统进行即时状态评估时，首先检査各功能检査模块的各项系统功能是否能 够正常实现。此外，还需要从参数监测数据库中提取近期的各项监测参数，置于状态监 测模块中，进行分析处理，并与模块中的各参数阈值做比较，以检测各项参数是否异常。对于上述功能检査和参数监测分析，如某项或某几项功能无法实现，或某项或某几 项参数异常，则调用计算机系统中的"故障诊断模块"，对目前系统存在的故障进行排 査。对于"故障诊断模块"的输出故障，系统自动调用"故障模式及影响分析模块"进 行故障分析。而在故障分析方面，本发明并不完全按照传统的故障诊断模式进行，而是 根据划分船舶即时状态等级的需要，将故障分析的终点定义在基本设备单元这一级。其 中，基本设备单元的定义是船舶系统或设备中，能够确定其故障模式维修策略的最高级 设备或系统。此外，计算机系统中还将包含状态等级评判标准模块，它包括基本设备单元重要度、 基本设备单元故障模式所对应的维修策略以及功能评定标准等内容。对于经过分析的系统故障，计算机系统将调用上述状态评判标准模块进行分析处理，最终给出系统的即时 状态评估值。下面对几个主要模块功能和执行流程进行详述 (一)参数状态监测模块 参数状态监测模块的主要功能如下a. 对各项参数在各种不同工况下的阈值进行存储记录；b. 对于随时间变化的一组不同的参数采用特定的统计处理方法，对参数状态进行监测。 在对子系统进行即时状态评估时，需要根据子系统的监测参数对子系统状态进行评估。状态监测模块包括两个小模块数据模块和参数处理模块。数据模块中记录各个系 统中所有采集点的标准值及其相应的变化阈值。参数处理模块利用3cr统计方法对所有监测参数进行处理，经过逻辑判断把输出信息传递给故障诊断模块。通过人机交互界面获取各子系统的状态监测参数，系统自动调用计算机系统模块中 相应的监测参数，运用参数处理模块对各个监测参数进行处理，输出状态监测结果。例如，在对船舶发配电系统进行即时状态评估时，引入质量管理中常用工序能力和 工序能力指数的概念。工序能力是否满足客观的技术要求，需要进行比较度量，工序能 力指数就是表示工序能力满足产品质量标准程度的一个评价指标。工序特性标准是指工 序加工产品必须达到的质量要求，通常用标准、公差(容差)或允许范围等来衡量， 一般 用符号T来表示。有一些设备或子系统的状态参数的公差范围，能在性能手册中查到，比如滚装运输 船主机的气缸排气温度，它的公差范围是530士4(TC;发配电系统监测参数的公差范围一 般是能够在性能手册中査到，比如发电机的电压，额定值为390V，公差范围是±5%。然 而，还有很多状态参数的公差范围无法查到，性能手册只给出了标准值。针对这种情况， 应用3^统计方法确定公差范围和报警界限。(二) 故障模式及影响分析模块传统的故障模式、影响及危害度分析(Failure Modes, Effect and Criticality Analysis)简称FMECA，它是一个反复迭代的过程，其目的是通过系统分析，确定元器件、 零部件、设备、软件在设计和制造过程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原 因及影响，以便找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施。本发明将根据船舶状态评估的需要，对上述传统方法做较大的改进。本发明的故障 模式及影响分析模块的主要功能如下a. 确定基本设备单元的基本故障模式；b. 确定故障模式检査方法；c. 确定基本故障模式所引发的中间故障模式或报告故障模式，即建立由基本故障模式到 报告故障模式的映射；d. 确定基本设备单元重要度；e. 确定基本故障模式的维修策略。(三) 故障诊断模块 故障诊断模块事实上是一个故障诊断的专家系统，其主要功能是a. 提供由报告故障模式出发査找基本故障模式的流程；b. 对基本故障模式给出故障建议措施。 下面分别介绍一下本发明采用的设备故障诊断专家系统中各个组成部分的功能1、 设备参数库用于存放与诊断设备有关的结构和功能参数及设备过去运行情况的背景信息。2、 征兆事实库用于存放系统推理过程中需要和产生的所有征兆事,，征兆事实是故障诊断的主要依据。3、 诊断知识库用于存放领域专家的各种与设备故障诊断有关的知识，包括设备征兆、控制知识、 经验知识、对策知识和翻译词典等。这些知识是由知识工程师和领域专家合作获取到的， 并通过知识获取模块按一定的知识表示形式存入到诊断知识库中。诊断知识库是设备故 障诊断专家系统的核心。4、 征兆获取模块征兆事实一般有两种获取方式即自动获取和对话获取。自动获取方式不需要用户参与，主要用于可通过特征数值计算获取的征兆事实。对话获取方式则需要有用户参与， 主要用于获取计算机无法自动获取的，而现场操作人员可以通过观察和分析掌握的征兆事实。5、 推理机推理机是一组程序，用于控制整个系统的运行。它负责利用诊断知识库中的知识， 并根据征兆事实按着一定的问题求解策略，进行推理诊断，最f给出诊断结果。诊断推 理模块是设备故障诊断专家系统的关键部分。它一般可提供两种推理诊断方式即自动 诊断和对话诊断。自动诊断方式不需要人工干预，由系统自动地完成诊断任务，它仅仅 利用了能够自动获取的征兆事实；对话诊断方式除利用自动获取的征兆事实外，还需要 向用户提出一些问题，以便获取更多的征兆事实，进行更详细更精确的诊断。6、 解释程序负责回答用户提出的各种问题，它是实现专家系统透明性的关键部分。7、 故障对策程序能针对推理机给出的诊断结果向用户提供故障对策。8、 知识获取负责对知识库进行管理和维护，包括知识的输入、修改、删除和査询等管理功能及 知识的一致性、冗余性和完整性检査等维护功能。这些功能为领域专家提供了很大方便， 使得他们不必知道知识库中知识的表示形式即可建立知识库并对其进行修改和扩充，大 大提高了系统的可扩充性。9、 人际接口模块用于用户、领域专家或知识工程师与诊断系统的交互作用。它负责把用户输入的信 息转换成系统能够处理的内部表示形式。系统输出的内部信息也由人机接口负责转换成 用户易于理解的外部表示形式(如自然语言、图形、表格等)显示给用户。专家系统的知识库与推理机是完全分离的，既解决问题所需的知识和使用知识进行 推理的程序相分离，这是专家系统区别于传统程序的一个基本特点。它使得知识库和推 理机的修改可以相互独立地进行，互不影响。 (四)等级评定模块滚装运输船即时状态评估的目的是在制定船舶航行任务时辅助船舶管理者进行决 策，所以，船舶等级应在明确船舶任务，确定船舶基本设备单元的故障基础上，依据基 本设备单元的重要程度，以及设备故障的维修策略进行相应划分。1.滚装运输船任务 >航行(含离、靠码头)>货物的安全运送和装卸 >淡水的安全驳运2. 基本设备单元的重要度级别对于基本设备单元的重要程度，参照相关资料，该型船舶基本设备单元的重要度可划分为以下几个级别A类设备故障引起人员严重伤害，船舶或系统严重损坏，从而导致使命任务失败； B类设备故障将使人员轻度伤害，系统和器材轻度损坏，导致任务延误或降级； C类不造成人员伤害，但系统或器材有损坏，导致非计划性维修，但对系统主要功能、主要任务无影响。3. 基本设备单元常见故障的维修策略对于基本设备单元的常见故障，通过调研可知维修策略分为以下几种方式> I通过简单处理即可排除故障> II通过保养维护即可排除故障> III通过更换相应的备件即可排除故障> IV通过市购相应配件并更换即可排除故障> V设备厂商派专业人员上船维修、更换> VI进厂、进均维修4. 滚装运输船即时状态级别划分方式l级(绿)，很好的状态。船体结构未出现明显腐蚀，涂层状况良好，未发现存在缺 陷。机械设备状况运转良好，各项设备功能检查结果符合要求，各项监测参数未出现异 常。此外，由于人为因素造成的A、 B、 C类设备故障、参数异常，经在船人员简单处理 即可排除的，可同样视船舶状态为"很好"级别。2级(蓝)，良好的状态。船体仅有正常的腐蚀或轻微缺陷，不影响结构的完整性和 船舶安全。绝大多数机械设备运转正常，部分设备需要进行简单维护、修理，但不影响 船舶任务的执行。具体来说，船舶设备出现如下故障可视为即时状态处于2级(良好级别) 5>通过保养维护即可排除的A、 B、 C类设备故障 >通过更换相应备件即可排除的C类设备故障3级(橙)，可接受状态。船体结构存在缺陷隐患，但暂时不影响结构安全，无需即 时进行修理，但在船人员需保持对其关注。多数机械设备运转正常，部分机械设备需要 进行修理，更换部件，但船舶暂时仍能勉强航行。具体来说，船舶设备出现如下故障可视为即时状态处于3级(可接受级别) >通过更换相应备件即可排除的A、 B类设备故障 >通过市购配件、或专业人员上船维修才能排除的C类设备故障 4级(红)，不可接受的状态。船体结构存在不足或缺陷，对结构安全有影响。部分 重要机械设备无法运转，需立即进行修理，或更换部件。船舶无法航行。具体来说，船舶设备出现如下故障可视为即时状态处于4级(不可接受级别) >必须通过市购配件并更换方能排除的A、 B类故障 >必须通过设备厂商派专业人员上船维修方能解决的A、 B类故障 >必须通过进厂、进坞维修方能解决的A、 B类故障实际上，等级划分原则可由下表清晰反应表1等级划分原则表X^佳修策略等级IIIIIIIVVVI基本设备单元i5^^^^A「1 i23444B123444C1223445.即时状态等级划分中几个问题的处理1) 多个相同设备互为备用的情形在滚装运输船上，两个或两个以上设备同时存在互为备用的情形主要有b. 两台主机；c. 两套齿轮箱+轴系+推进器；d. 两台发电机；e. 两台柴油机副机等。在船舶航行过程中，如果一套推进系统或发配电系统失效，船舶理论上也能够利用 另一套推进或发配电系统驶回。如将上述情形(单套推进系统或单套发配电系统维持航 行)纳入即时状态评估，则问题过于复杂，而且也没有必要。2) 几个不同类型故障同时出现的情形在对船舶进行即时状态评估时，很有可能出现几个重要度不同的基本设备单元同时 出现故障，且故障对应的维修策略不同的情形。在此情形下，状态等级应按最差等级进 行评定。3) 确定基本设备单元的问题即时状态等级评定的前提是确定发生故障设备的重要程度和维修策略，而重要度与 维修策略必须以确定基本设备单元为前提。因此，确定基本设备单元是即时状态等级评 估的首要工作。
本发明中，确定基本设备单元的原则是自系统向下，运用层次分析的方法，以能够 首次发现该设备的基本故障模式，并提出针对性维修策略为前提，尽量简化系统、设备 的部分。下面以发配电系统的即时状态评估方法，对本发明的计算机评估方法展开描述。滚装运输船的电力系统一般包括发电机和配电板两个主要设备，监测参数包括配电 板的电压、电流、频率、功率和功率因数。根据滚装运输船发配电系统实际情况，可将其视为一个整体，而无需考虑模块划分 问题。对于模块跳转(调用)问题，仅在某种特定情况下(电压异常、频率正常、主开 关脱扣且频率调节电阻值正确时)，需要调用柴油副机的调速系统功能检査模块。船艇上供电电源电制分为三种，分别为1) 三相交流380V，用于电力设备。2) 交流220V,用于照明、通讯、信号、日用生活电器设备等单项负载3) 直流24V，用于应急照明，船内通讯，无线电通讯、导航等设备。 船上一般设有两台三相交流同步发电机，采用相复励调压器。在离靠码头、航行、输水、停泊作业等各种工况下均由一台发电机组运行供电，另一台作为备用，可釆用断 电转换机组或经过并车转换机组运行。在离靠码头时，为防止发电机超载须限制负荷使 用。船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并对发电机和电网进行保护、测量和调 整等工作的设备。它是由各种开关、保护电器、测量仪表、调节和信号装置等电器设备按照一定要求组合而成的。其功能有1. 接收船舶发电机输出的电能并对负载分配电能2. 控制(通、断电路)和保护电力系统(运行不正常时保护装置动作，进行声光报警或切 断故障)。3. 测量和显示系统的各类电气参数，例如电压、电流、功率、功率因数、电气绝缘电阻 值等。4. 调整某些电气参数，例如电压、频率(发电机转速)的调整等。5. 监视发电机和负荷的工作状态以及偏离正常工作状态进行信号指示。 船艇配电是通过总配电板进行的。总配电板一般有3屏。两屏发电机控制屏， 一屏负载屏。总配电板上设有电压、电流、频率、功率、功率因数、绝缘、整步等测量仪表 及绝缘监测仪。对于发电机的主开关， 一般集成电路脱扣器具有欠压、失压等保护装置， 并有过载预报指示。配电开关一般具有短路和过载保护。舵机配电开关一般只设短路保 护。通过逆功率继电器对并联运行的发电机组实现逆功率保护，以免发电机进入电动状 态运行。设有船电和岸电之间相互可靠的联锁。通过转换开关转换，使三相交流220V的船电及单相交流220V的岸电均能对220V用
电设备供电。风机、油泵分电箱通过分励脱扣装置开关供电，应急时可在驾控台或机舱口紧急切 断供电电源。在总配电板上， 一般设有下列报警功能a) ftl'、 #2发电机组滑油压力低b) #1、 H2发电机组滑油高温c) #1、 H2发电机组淡水高温d) #1、 #2发电机过流e) Hl、 tt2发电机组超速f) 380V系统绝缘低g) 220V系统绝缘低h) 充放电装置绝缘低i) 应急蓄电池放电 本实施例的发配电系统的故障诊断流程参见图2和图3.根据主开关的脱扣情况，再结合电流报警装置、电压表示数、功率表示数来判断导致 主开关脱扣的具体原因电流过流脱扣是较常见的情况，电流脱扣分为长延时、短延时和瞬时脱扣三种情况。 主开关脱扣前，当过电流报警装置报警时，可初步判断是由于系统过载而造成的长延时 脱扣。系统的电流情况发生异常。检查发电机过电流的报警装置是否报警，若报警，则 说明发电机内部发生异常；检査380V系统绝缘电阻监测是否报警，若报警，则说明380V 负载的绝缘出现问题，则应断开所有380V的负载，再将负载逐一接入电路，如果接入某 项负载时，报警装置报警，则说明该项负载异常；检査220V系统绝缘电阻监测是否报警， 若报警，则说明220V负载的绝缘出现问题，首先应检查变压器是否正常，若正常，再断 开所有220V的负载，再将负载逐一接入电路，如果接入某项负载时，报警装置报警，则 说明该项负载异常；若系统没有报警，则可能是配电板的自身故障，可首先检查配电板 内部的熔断器是否熔断，若熔断应及时更换，若熔断器没有发生故障，则初步判断是配 电板自身的线路发生故障。主开关脱扣前，若电压表示数异常，则判断系统电压出现异常，电压脱扣分为欠压脱 扣和失压脱扣两种情况。检查励磁电流的情况，若励磁电流正常，则说明是发电机自身 的问题；若励磁电流异常，再根据励磁电流的波形，若励磁电流的波形发生异常，则说 明是励磁机工作异常；若励磁电流波形正常，则说明是调压器部分发生异常检査调压 电阻的设定值是否正确，若正确，则是调压器自身出现异常。主开关脱扣前，若功率因数表示数异常，而其他表示数均正常，则检査系统的功率因 数表示数，若出现异常，则说明是负载部分出现异常情况。若各指示表示数并未发现异 常，主开关脱扣，则为过电流短延时或瞬时脱扣。此时，由于电流短时间变大，电流报
警装置来不及报警主开关就已脱扣。在并车情况下，主开关脱扣，首先检查两台发电机 中哪台发电机报警，然后调节并车电抗器，如果调节并车电抗器无效，则发电机内部故 障；如果发电机未报警，或者是在非并车情况下主开关脱扣，首先检查配电板上的电网 绝缘监测仪的电阻是否正常，如正常，则说明发电机内部发生异常；如不正常，首先检 查380V系统绝缘电阻监测是否报警，若报警，则说明380V负载的绝缘出现问题，则应 断开所有380V的负载，再将负载逐一接入电路，如果接入某项负载时，报警装置报警， 则说明该项负载异常；检查220V系统绝缘电阻监测是否报警，若报警，则说明220V负 载的绝缘出现问题，首先应检查变压器是否正常，若正常，再断开所有220V的负载，再 将负载逐一接入电路，如果接入某项负载时，报警装置报警，则说明该项负载异常；若 系统没有报警，则可能是主开关或者配电板的自身出现故障。
权利要求
1.一种滚装运输船即时状态评估方法，包括下列步骤1)对船舶及各设备划分系统，对各系统根据需要进行子系统划分，确定每子系统的基本设备单元；2)对步骤1)划分的各子系统，确定其主要功能；3)在船舶各测点处安装传感器，以实时采集即时状态评估所需要的各参数，并通过信号转换存储到即时状态评估数据库中；4)在步骤3)所采集的参数中筛选出最灵敏、便于度量、影响目标任务的状态参数，并对其在不同船舶工况下的阈值进行标定；5)对步骤1)确定的每个基本设备单元，设定其基本故障模式，并对各个基本故障模式进行影响分析，同时对各基本设备单元的重要度进行分析；6)对步骤1)确定的各子系统，确定其故障诊断流程，对各子系统建立由功能无法实现或参数异常的报告故障模式到基本故障模式的分析查找过程；7)结合步骤5)确定的故障模式及影响分析、单元重要度信息，建立滚装运输船即时状态等级评定方法及相关细则；8)建立和运行滚装运输船即时状态评估计算机系统；9)对步骤2)确定的各子系统主要功能进行检查，确定各项功能是否能够正常实现，并根据滚装运输船即时状态评估系统提示信息将功能检查结果进行录入；10)根据步骤4)获取的各项参数以及相应的参数阈值，结合实时工况信息，对各系统的实时状态参数进行监测，以检测各项参数是否异常；11)经过步骤9)的功能检查和步骤10)的参数监测分析，如果判断有功能无法实现或出现参数异常，则根据步骤6)确定的各子系统故障诊断流程，寻找基本故障模式；12)即时状态评估计算机系统根据步骤11诊断出的基本故障模式，结合步骤7)确定的即时状态等级评定方法及相关细则，最终给出系统的即时状态评定值。
全文摘要
本发明属于故障设备诊断及设备综合技术状态评估技术领域，涉及一种滚装运输船的即时状态评估方法，主要通过部分设备监测参数、现有滚装运输船设备仪表读数，结合在船人员的功能检查作为系统输入，通过状态评估计算机系统的处理，获得系统输出，即子系统即时状态评定值。利用本发明提出的方法建立的滚装运输船即时状态评估计算机系统，可以为船舶提供最佳的维修策略，保证在船人员的人身安全和生命安全，并在此基础上保证船舶自身、船舶停靠的港口、码头，以及与船舶直接或间接相关的其他船只的安全。
文档编号G05B23/02GK101149621SQ200710150130
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者余建星, 俞永清, 孔令鑫, 杜尊峰, 佳 田, 郑金东, 芳 陈, 磊 齐 申请人:天津大学