基于分布式智能的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行控制與管理策略研究

王亞楠，韓堅(jiān)，王孟蓮

（1. 海軍工程大學(xué)科研部，武漢430033；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

在現(xiàn)行的船舶上，電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)是平行的兩大系統(tǒng)，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是在電力推進(jìn)技術(shù)和高能新武器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上將這兩大系統(tǒng)的綜合，使得電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)成為一個(gè)密不可分的整體。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)以其操縱性好、艙室布置靈活、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高、安靜性較好等諸多的優(yōu)勢(shì)在船舶推進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如：英國從混合動(dòng)力推進(jìn)的23型護(hù)衛(wèi)艦到全電力推進(jìn)的45型驅(qū)逐艦、美國的DD（X）到DDG1000驅(qū)逐艦計(jì)劃等。為了保證電力推進(jìn)系統(tǒng)的高效性和安全性，為使全艦?zāi)茉吹玫匠浞趾侠砝?、統(tǒng)籌調(diào)配艦上能源，滿足未來高能武器系統(tǒng)的需求，滿足網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)要求，船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)必須要配置自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的系統(tǒng)監(jiān)控與管理，設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的監(jiān)控系統(tǒng)。

船舶綜合電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)不同于以往自動(dòng)化電站、動(dòng)力系統(tǒng)自控系統(tǒng)，也不同于機(jī)艙自動(dòng)化，而是高層次綜合監(jiān)控系統(tǒng)。它將在綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中形成開放式模塊化結(jié)構(gòu)，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制、管理和保護(hù)。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)控分為兩部分：發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理；電力推進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。兩者聯(lián)系緊密，又各有分工。本研究屬于電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)科研范疇。圖1表示了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的基本模型，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

為了對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)控與管理，本文對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行控制與管理策略進(jìn)行了研究。電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行管理策略是以支持自動(dòng)化控制和指揮為目的，實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的基礎(chǔ)。本文通過對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制、操縱和管理策略的分析，歸納監(jiān)控系統(tǒng)的功能與特性，在此基礎(chǔ)上提出船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，以解決滿足未來水面船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

1 分布式智能控制概述

分布式智能控制系統(tǒng)（DICS）是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息管理技術(shù)、集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種控制方式。它是一個(gè)采用分層架構(gòu)，由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)微處理器系統(tǒng)。分布式網(wǎng)絡(luò)可以屏蔽各種現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的差異，實(shí)現(xiàn)各現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的透明互聯(lián)，使現(xiàn)場(chǎng)總線之間的通信及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信暢通[2]。分布式智能控制系統(tǒng)的基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活，具有以下特點(diǎn)：

1）高可靠性。由于分布式智能系統(tǒng)將控制功能分散在各個(gè)微處理器上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此在一個(gè)處理單元出現(xiàn)故障的情況下不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能喪失。

2）開放性。分布式智能系統(tǒng)可以采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中微處理器通過網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新的單元方便的接入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

3）協(xié)調(diào)性。各微處理器和控制單元之間通過網(wǎng)絡(luò)傳輸各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)了空間上多地點(diǎn)操作。

4）可維護(hù)性。功能單一的控制單元，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)，在某一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)控制功能和管理策略分析

對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)控與管理，主要是對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)能量需求發(fā)生變化時(shí)向發(fā)電系統(tǒng)提出能量申請(qǐng)或重載詢問，發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后給推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)答，電力推進(jìn)系統(tǒng)方能改變工況執(zhí)行新任務(wù)；另一方面，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)需要滿足高能武器需求時(shí)，或某發(fā)電機(jī)不能工作導(dǎo)致當(dāng)前能量有限時(shí)，電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行功率限制，根據(jù)現(xiàn)有能量改變推進(jìn)的運(yùn)行狀態(tài)使之匹配。為了降低易損性，電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件分解成獨(dú)立的控制子單元，每個(gè)控制子單元位于與受控設(shè)備相同的艙室內(nèi)。通過分布式敷設(shè)的電纜和通信線纜，既減少了設(shè)備的布線，又使監(jiān)控系統(tǒng)單元互相協(xié)同作用控制整個(gè)系統(tǒng)。每一個(gè)單元具有智能控制功能，用以控制隔離相關(guān)硬件，保證動(dòng)力艙室設(shè)備能安全運(yùn)行。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制功能是根據(jù)船舶航行需求和電力推進(jìn)系統(tǒng)功能導(dǎo)出的，主要包括推進(jìn)操縱與控制、監(jiān)視與報(bào)警、保護(hù)、與PMS和動(dòng)力定位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制等。

2.1 控制功能分析

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制功能是根據(jù)船舶航行需求和電力推進(jìn)系統(tǒng)功能導(dǎo)出的，主要包括推進(jìn)操縱與執(zhí)行控制、保護(hù)控制、監(jiān)視與報(bào)警等。

1）推進(jìn)操縱和執(zhí)行控制功能

船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可提供靈活的操縱功能：多種操縱方式和轉(zhuǎn)換邏輯、操縱順序、聯(lián)鎖關(guān)系。其中，操縱方式可分為遙控和本地操縱，遙控方式下又提供不同操縱部位（如集控室推進(jìn)和駕駛室推進(jìn)）的遙控；轉(zhuǎn)換邏輯一般認(rèn)為本地的權(quán)限高于遙控，而遙控方式下集控室操縱權(quán)限又高于駕駛室，操縱權(quán)限的轉(zhuǎn)換權(quán)在權(quán)限高的部位，如本地操縱與遙控方式的轉(zhuǎn)換設(shè)置在本地、遙控時(shí)集控室推進(jìn)與駕駛室推進(jìn)的轉(zhuǎn)換權(quán)在集控室；操縱順序和聯(lián)鎖控制則提供使電力推進(jìn)系統(tǒng)正常工作的必要條件，例如推進(jìn)操車的條件是進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)準(zhǔn)備好，操縱部位的選擇具有唯一性等。

船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行控制功能主要提供操縱系統(tǒng)與推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和側(cè)推裝置及相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，其接口深入到一次設(shè)備中，包括直接連接信號(hào)和來自通訊接口的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2）監(jiān)視與報(bào)警功能

監(jiān)視與報(bào)警功能滿足可視化需求，以文本、圖形、圖表、聲光等形式告知用戶系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。也提供參數(shù)輸入接口和進(jìn)行報(bào)警處理，提供人機(jī)接口。

3）保護(hù)控制功能

保護(hù)控制提供電力推進(jìn)系統(tǒng)的安全，主要包括：聯(lián)鎖控制、防止誤操作的控制、故障報(bào)警的保護(hù)控制等。其基本原則是首先保護(hù)人員的安全，其次是船舶的安全，第三是本系統(tǒng)設(shè)備的安全。根據(jù)這個(gè)要求，也提供越控功能，如不能停船狀態(tài)下電力推進(jìn)系統(tǒng)必須帶故障降額運(yùn)行以保護(hù)船舶的安全。

2.2 主要外部接口

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要外部接口包括與以下系統(tǒng)的接口：能量管理系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)和船舶其他信息化系統(tǒng)等。其中由于電力推進(jìn)系統(tǒng)與能量管理系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)關(guān)系密切，必須提供協(xié)調(diào)控制，如推進(jìn)系統(tǒng)的功率需求與變化都影響著能量管理系統(tǒng)，動(dòng)力定位系統(tǒng)與推進(jìn)操縱的協(xié)調(diào)控制；而基于船舶信息化的需要，電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備向外提供數(shù)據(jù)接口。

2.3 管理策略分析

雖然各型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不完全一致，但是從系統(tǒng)運(yùn)行管理的角度去看，可以劃分為控制和管理兩個(gè)方面3。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制如圖 2，操作人員在全船自動(dòng)化架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的全集成控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)管理功能，并有分布式智能提供底層自主控制、基于關(guān)鍵內(nèi)核軟件實(shí)現(xiàn)控制功能。

控制層基于底層自主控制，包括傳感、評(píng)估、執(zhí)行和控制等關(guān)鍵內(nèi)核。關(guān)鍵內(nèi)核根據(jù)子系統(tǒng)的任務(wù)或安全性劃分關(guān)鍵控制內(nèi)核，這些關(guān)鍵內(nèi)核分別完成獨(dú)立的控制功能，具備自主式智能，關(guān)鍵內(nèi)核可以組合以支持全系統(tǒng)的運(yùn)行，各個(gè)關(guān)鍵內(nèi)核之間盡量不共用功能模塊以保證控制的可靠性。管理層則根據(jù)評(píng)估結(jié)果實(shí)現(xiàn)決策支持，實(shí)現(xiàn)管理決策，操作指令交給控制層；評(píng)估狀態(tài)與結(jié)果提供給用戶，保證普通用戶，如船員既能夠及時(shí)有效獲得信息，又不致淹沒在數(shù)據(jù)海洋中，能夠提供良好的決策支持，隔斷誤操作的同時(shí)給出正確建議。因此，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行管理可根據(jù)這個(gè)層次來確定，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)提供可靠、實(shí)時(shí)的控制與高效、準(zhǔn)確的管理。相對(duì)于管理功能，電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制功能是關(guān)鍵，是船舶安全性的因素之一。圖中的關(guān)鍵內(nèi)核設(shè)計(jì)是控制級(jí)主要構(gòu)成，采用分布式智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。在控制操作中，控制系統(tǒng)必須提供：信號(hào)特征化、狀態(tài)檢修、故障響應(yīng)排隊(duì)、維護(hù)系統(tǒng)完整等；自動(dòng)化功能包括：智能傳感器裝置、可視化、自動(dòng)化操車、緊急操作等。

圖2 運(yùn)行管理機(jī)制

3 基于分布式智能的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行管理策略的分析，其監(jiān)控系統(tǒng)采用分層體系結(jié)構(gòu)，劃分功能為管理系統(tǒng)管理和底層安全性關(guān)鍵功能而建立兩級(jí)不同的控制：控制級(jí)為專用組件級(jí)高可靠硬件及軟件控制為核心；管理級(jí)為普遍使用的計(jì)算環(huán)境?？刂萍?jí)采用分布式智能單元，并包含關(guān)鍵控制傳感和相應(yīng)系統(tǒng)的接口。采用基于輸入/輸出接口和靈活控制的底層網(wǎng)絡(luò)，提供高可靠的傳感和執(zhí)行；通過使用安裝在現(xiàn)地、并由管理軟件進(jìn)行管理的控制核心單元提供可靠的控制，即采用分布式智能的關(guān)鍵內(nèi)核來實(shí)施現(xiàn)地控制。管理網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶寬網(wǎng)絡(luò)，處理單元使用商業(yè)成品（COTS）的軟件和硬件組成，管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)具有持續(xù)更新的能力和支撐軟件，這些軟件安裝在高冗余且通用的商業(yè)成品計(jì)算機(jī)中。核心控制網(wǎng)絡(luò)層在關(guān)鍵數(shù)據(jù)上不依賴管理系統(tǒng)，那么控制層在管理系統(tǒng)由于損害、升級(jí)、故障和失效等原因發(fā)生變化或停機(jī)時(shí)，仍然繼續(xù)工作?？梢哉f，控制系統(tǒng)的高可靠性是通過簡化、封裝的分布式智能得到的。綜上，基于分布式智能的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是指由上位監(jiān)控進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行的管理和協(xié)調(diào)，區(qū)域控制功能由自治、不依賴管理層或其他區(qū)域的分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由物理層、數(shù)據(jù)流和信息結(jié)構(gòu)決定的。

圖3 電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)控制和管理策略的研究，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要具有靈活性，能夠適應(yīng)不同船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的差異。如圖3所示，分為3個(gè)子系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)控制與數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和智能信息處理。現(xiàn)場(chǎng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制（FCS）與數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方案，完成用戶介入的現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析，在原始數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的狀態(tài)信息，用于支持智能化系統(tǒng)。智能信息系統(tǒng)由智能系統(tǒng)與知識(shí)庫組成，利用智能技術(shù)，提取知識(shí)，并在知識(shí)庫的基礎(chǔ)上向用戶提供決策支持。

4 結(jié)束語

針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，采用分級(jí)冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立監(jiān)控系統(tǒng)的通訊的基礎(chǔ)上，分布式智能組件的功能劃分和邊界條件是監(jiān)控系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。劃分的方法可以按照設(shè)備組成、設(shè)備處所、控制要求、操作位置、對(duì)外接口以及相應(yīng)規(guī)范等，在減少智能組件之間的耦合關(guān)系的同時(shí)要實(shí)現(xiàn)信息流的暢通，必要時(shí)采用解析冗余技術(shù)使得各個(gè)區(qū)域的智能單元形成備份關(guān)系，達(dá)到系統(tǒng)的容錯(cuò)控制性能最優(yōu)。分布式智能組件為船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

[1] 黃仁和, 陳新傳. 電力推進(jìn)監(jiān)控技術(shù). 船舶電力推進(jìn)技術(shù)專題論文集. 中國造船工程學(xué)會(huì)軍船學(xué)術(shù)委員會(huì), 2000: 162-166.

[2] 鄭文波 編著.控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京: 清華大學(xué)出版社，施普林格出版社, 2001.

[3] Damir Radan. Integrated control of marine electrical power systems [D]. Norwegian University of Science and Technology, 2008.