吳澤謀,孫寶成
(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門361000;2.自然資源部 第三海洋研究所,福建廈門361000)
船舶工程領(lǐng)域中的機(jī)電設(shè)備屬于高技術(shù)含量的船舶設(shè)備結(jié)構(gòu),本身價(jià)值在船舶總價(jià)值當(dāng)中占比40%~60%,直接成為船舶工程對(duì)外競(jìng)爭(zhēng)力的重要展現(xiàn)。然而,結(jié)合當(dāng)前船舶工程機(jī)電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況可知,以往都是采用日常維護(hù)及事發(fā)生后進(jìn)行維修相結(jié)合的維護(hù)方式[1]。這種傳統(tǒng)的船舶機(jī)電設(shè)備維護(hù)方式,盡管在某種程度上有效控制了故障發(fā)生率,但采取這種頻繁維護(hù)的方式,需經(jīng)過(guò)多次拆卸和停機(jī),必將持續(xù)損壞電機(jī)設(shè)備的使用壽命。同時(shí),還將增加相應(yīng)的維修費(fèi)用,由此引發(fā)的成本浪費(fèi)直接成為船舶所有人與供應(yīng)商的主要矛盾沖突[2],而預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的推出很好地解決了此類問(wèn)題。有相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,船舶工程機(jī)電設(shè)備采用預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)能夠有效降低整體維護(hù)成本約30%,同時(shí)可消除故障率達(dá)70%,生產(chǎn)效率可提升約25%[3]。目前預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)早已在我國(guó)“大智”號(hào)上實(shí)現(xiàn)初步運(yùn)營(yíng),但仍然缺乏較為成熟的發(fā)展之路。為此,針對(duì)用于船舶機(jī)電設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。
船舶工程機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理的理念滯后,管理力度不足,傳統(tǒng)的維護(hù)管理理念難以符合當(dāng)代航海船舶行業(yè)的發(fā)展需求,為此要求相關(guān)技術(shù)工作人員持續(xù)增強(qiáng)對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備的維護(hù)與管理認(rèn)識(shí),對(duì)此高度重視,結(jié)合實(shí)際情況來(lái)持續(xù)更新和完善自身維護(hù)管理理念,最終增強(qiáng)管理力度。正是因?yàn)槎鄶?shù)維護(hù)管理人員本身超前維護(hù)管理意識(shí)匱乏,更多地將工作重心集中于如何迅速提升船舶本身的運(yùn)營(yíng)效率及經(jīng)濟(jì)效益水平上,從而直接忽視了對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備的有效維護(hù)及管理,最終使船舶機(jī)電設(shè)備故障發(fā)生率持續(xù)攀升[4]。
船舶機(jī)電設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)力度不足也會(huì)帶來(lái)重大隱患。通常而言,船舶的操作環(huán)境比較復(fù)雜,在實(shí)際操作當(dāng)中存在一系列的人為及環(huán)境等因素的影響,很難將船舶機(jī)電設(shè)備維護(hù)工作落到實(shí)處。例如,各個(gè)零部件在最終安裝完成后,不但需要進(jìn)行二次檢查,還應(yīng)做好對(duì)設(shè)備的進(jìn)一步防護(hù)。多數(shù)船舶機(jī)械設(shè)備由于未做好防銹處理,導(dǎo)致后續(xù)機(jī)電設(shè)備很容易發(fā)生腐蝕情況[5]。部分機(jī)電零件老化受損,維護(hù)工作人員卻并未及時(shí)更換處理,甚至有部分人員在檢修過(guò)程中偷工減料,最終給船舶的安全運(yùn)營(yíng)造成巨大的阻礙。
由于國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)的維護(hù)管理制度普遍不夠規(guī)范,維護(hù)管理制度仍存在明顯的漏洞。多數(shù)船舶企業(yè)更多是將工作開(kāi)展的重心集中于怎樣切實(shí)提升工作效率,從而直接忽略了船舶機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理制度的完善及優(yōu)化目標(biāo),由此直接導(dǎo)致相關(guān)維護(hù)管理工作人員維護(hù)意識(shí)淡薄,無(wú)法定期開(kāi)展機(jī)電設(shè)備的安全維護(hù)工作,最終致使船舶機(jī)電設(shè)備的故障發(fā)生率不斷上升。為此,提出一種用于船舶機(jī)電設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)。
首先需要明確船舶機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理。通常船舶機(jī)電設(shè)備包含動(dòng)力定位系統(tǒng)、錨系設(shè)備、起吊、波浪補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備,還有多種不同的泵和閥等結(jié)構(gòu)。一旦使用工況不符合要求,勢(shì)必會(huì)對(duì)產(chǎn)品的服役性能、環(huán)境適應(yīng)性及可靠性產(chǎn)生影響。在實(shí)際的船舶運(yùn)營(yíng)當(dāng)中,通常包含以下特點(diǎn):
1)工況表現(xiàn)復(fù)雜化。呈現(xiàn)出運(yùn)行不穩(wěn)的自由三維空間運(yùn)動(dòng),由此受高壓、高濕及鹽堿類環(huán)境影響,致使船舶機(jī)電設(shè)備易發(fā)生故障。
2)單次作業(yè)所消耗的周期相對(duì)較長(zhǎng)。受船舶本身服役特性影響,要求內(nèi)部機(jī)電設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠在較為惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、滿負(fù)荷的運(yùn)行,并且此類高要求還需保證持續(xù)航行時(shí)間至少9個(gè)月[6]。
3)船舶機(jī)電設(shè)備本身具備較高的運(yùn)維成本。采取的運(yùn)維方式基本以定時(shí)預(yù)防性維修為主,因此一些備品備件準(zhǔn)備、進(jìn)塢維修等操作所耗費(fèi)的時(shí)間成本將直接給船舶成員帶來(lái)非常大的經(jīng)濟(jì)損耗,并且加劇了相應(yīng)設(shè)備供應(yīng)商的售后壓力。
因此,急需搭建相應(yīng)的船舶機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)平臺(tái),借助預(yù)測(cè)性維護(hù)的技術(shù)手段來(lái)采集分析設(shè)備所處工況、運(yùn)行狀態(tài)等,同時(shí)需基于大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)達(dá)成健康狀態(tài)實(shí)時(shí)感知及趨勢(shì)預(yù)測(cè)的效果,并由此擬定科學(xué)合理化的預(yù)測(cè)性維護(hù)方案[7]。
結(jié)合船舶工程中機(jī)電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況,在充分考量網(wǎng)絡(luò)通信條件的情況下,搭建的機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)平臺(tái)在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要涵蓋了船舶記載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通信系統(tǒng)、岸端運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心等,如圖1所示。
圖1 船舶工程機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
船端機(jī)載健康監(jiān)測(cè)板塊主要采用邊緣計(jì)算技術(shù)來(lái)針對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)化采集,如設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況、工況數(shù)據(jù)等諸多參數(shù),并做好處理與分析工作,由此才能真正做到船舶設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障問(wèn)題迅速定位,在此基礎(chǔ)上,借助事先預(yù)設(shè)的故障問(wèn)題處理模式,不斷輸出最為常見(jiàn)的控制措施。
岸端運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心板塊則主要借助岸基端服務(wù)器本身所具備的強(qiáng)力計(jì)算能力,并聯(lián)合各個(gè)船端機(jī)載健康監(jiān)測(cè)傳輸最終所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)搭建功能完善的故障決策及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),由此才能形成精準(zhǔn)的故障診斷算法[8]。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)及知識(shí)內(nèi)容發(fā)掘和規(guī)則提取等,由此最終達(dá)成相應(yīng)針對(duì)模型的自學(xué)習(xí)效果,最終輸出科學(xué)合理化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)策略。
遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通信系統(tǒng)板塊則主要負(fù)責(zé)船岸兩端的通信傳輸效果,并且主要由相應(yīng)的發(fā)射裝置、衛(wèi)星通信及相關(guān)接收裝置組合而成[9]。在實(shí)際操作當(dāng)中,需要充分考慮通信帶寬及其所具備的的安全性因素,通常體現(xiàn)為船端對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施奇異值的剔除、加密和壓縮等,由此來(lái)將規(guī)范化的詳細(xì)數(shù)據(jù)及最終診斷結(jié)果傳輸至岸端運(yùn)營(yíng)維護(hù)中心,并據(jù)此促使岸端運(yùn)營(yíng)維護(hù)策略實(shí)現(xiàn)向船端的延伸。
船舶工程機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)平臺(tái)的運(yùn)行較為復(fù)雜,在技術(shù)原理方面主要?jiǎng)澐譃榇斑\(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、船舶故障問(wèn)題診斷、船舶故障問(wèn)題預(yù)測(cè)及船舶維護(hù)管理等內(nèi)容,具體技術(shù)原理及具體實(shí)施流程如圖2、圖3所示。
圖2 船舶機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)原理
圖3 船舶機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)實(shí)施流程
該技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)船用機(jī)電設(shè)備的設(shè)備識(shí)別,因此詳細(xì)介紹了設(shè)備和組件的編碼和功能,并分析了故障代碼、故障類別、故障模式以及系統(tǒng)、設(shè)備或組件的原因。根據(jù)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障方式和可能的影響因素,例如傳感器的選擇、傳感器的測(cè)量點(diǎn)、布局方式、安裝技巧以及數(shù)據(jù)的采集頻率等,確定各種故障數(shù)據(jù)采集對(duì)象和參數(shù)。通常在配制方法中收集的參數(shù)應(yīng)至少包括以下信息:1)描述設(shè)備的基本數(shù)據(jù);2)解釋運(yùn)行條件下的基本數(shù)據(jù);3)測(cè)量位置;4)測(cè)量參數(shù)單位和處理方法;5)明確日期及具體時(shí)間信息。執(zhí)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和刪除奇異值等操作,可從長(zhǎng)期監(jiān)視數(shù)據(jù)中獲取常規(guī)或自定義規(guī)則,建立設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視模型,并監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)[10]。
故障問(wèn)題診斷技術(shù)需結(jié)合船舶機(jī)電設(shè)備本身的型號(hào)、故障測(cè)試點(diǎn)具體名詞、編號(hào)及傳感器和通訊信號(hào)等,包含數(shù)據(jù)采樣的頻率、點(diǎn)數(shù)等諸多設(shè)置,收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容要求必須通過(guò)濾波、放大等提前處理,并做好特征值的計(jì)算處理操作,由此來(lái)提取最終的故障參數(shù)值。同時(shí),還需在此基礎(chǔ)上搭建完善的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù),由此才能夠更好地為故障診斷及預(yù)測(cè)故障開(kāi)展提供科學(xué)、原始的數(shù)據(jù)內(nèi)容。整個(gè)過(guò)程應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照局部面向全局診斷的方向演進(jìn),秉持單一至綜合的方式,由靜態(tài)故障診斷逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)故障診斷,并最終由此實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性診斷的模板[11]。此外,還需結(jié)合對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備的特征分析,來(lái)將通信信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虺浞直磉_(dá)機(jī)電設(shè)備實(shí)際工況的特征量,并且通過(guò)選取較強(qiáng)敏感性且具備良好規(guī)律性的特征量來(lái)促使機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析更加科學(xué)、準(zhǔn)確,能夠更為精準(zhǔn)地找出故障產(chǎn)生的主要原因及部位。
借助以提取信號(hào)特征為主的特征清晰模型來(lái)進(jìn)行船舶機(jī)電設(shè)備故障預(yù)測(cè),由此達(dá)成復(fù)雜背景下的狀態(tài)信號(hào)高效率、高精度的實(shí)時(shí)提取,重點(diǎn)在于深入發(fā)掘設(shè)備的關(guān)鍵特征,并由此整理出劣化特征產(chǎn)生及變化的規(guī)律。這需要建立實(shí)時(shí)監(jiān)控模型。該模型用于提取船舶機(jī)電設(shè)備的性能下降指標(biāo),建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型,并為重大變化和故障提供預(yù)警。研究核心產(chǎn)品關(guān)鍵組件的維護(hù)機(jī)制,制定維護(hù)規(guī)則,并建立將來(lái)可能發(fā)生的維護(hù)策略的預(yù)測(cè)模型。這些模型將根據(jù)其退化表示方法在多個(gè)目標(biāo)下進(jìn)行修改。
1)從狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)在不同時(shí)間、不同操作條件下提取主要操作參數(shù),對(duì)提取的參數(shù)進(jìn)行匯總,并對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)的屬性進(jìn)行歸約或降維。
2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),使用數(shù)據(jù)過(guò)濾、無(wú)效數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)重復(fù)或類似數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。而后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)規(guī)范,將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為適合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的結(jié)構(gòu)。
3)建立設(shè)備故障分類模型,收集和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)以建立故障分類器,建立專業(yè)的知識(shí)庫(kù),優(yōu)化和完善已建立的分類器,結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),通過(guò)抽樣測(cè)試并增加故障處理方法。
4)使用設(shè)備的日常運(yùn)行參數(shù)作為分類器的輸入,根據(jù)設(shè)備是否正常運(yùn)行及其與數(shù)據(jù)庫(kù)的相似性,確定故障的類型和處理方法。
預(yù)測(cè)性維護(hù)管理技術(shù)需要充分結(jié)合船舶機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障問(wèn)題診斷后的結(jié)論或故障預(yù)報(bào)的可靠性水平,在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的舉措,并制定行之有效的維修策略。整個(gè)過(guò)程要求應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循“對(duì)機(jī)電設(shè)備預(yù)防維護(hù)為主、事后維修為輔”的行事原則,在切實(shí)保障維護(hù)操作不受其他因素影響的情況下,最大限度地減少或降低船舶機(jī)電設(shè)備的突發(fā)性故障(停機(jī))。在此背景下,較為常用的維修管理技術(shù)表現(xiàn)為:1)不采取相關(guān)有效舉措,持續(xù)進(jìn)行檢測(cè)操作;2)調(diào)整(增加及削弱)船舶機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)轉(zhuǎn)速度及實(shí)際產(chǎn)量等;3)機(jī)電設(shè)備關(guān)機(jī)重新啟動(dòng);4)針對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施例行維修計(jì)劃;5)對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備開(kāi)展修復(fù)性維修操作;6)結(jié)合提取的故障數(shù)據(jù),制定維護(hù)計(jì)劃[12]。
船舶機(jī)電設(shè)備維護(hù)工作結(jié)束后,需做好相應(yīng)的記錄,內(nèi)容上主要集中于機(jī)電設(shè)備運(yùn)行及產(chǎn)生的變化,比如設(shè)備更換備件的具體細(xì)節(jié)、所采用的工藝技術(shù)以及在維護(hù)過(guò)程中是否存在其他故障問(wèn)題等,最后結(jié)合具體的診斷意見(jiàn)及預(yù)測(cè)結(jié)論實(shí)施評(píng)價(jià)分析,并針對(duì)模型進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和完善。
對(duì)船舶機(jī)械和電氣設(shè)備實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的缺陷主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)船舶工程機(jī)電設(shè)備類型多樣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)備系統(tǒng)集成度高,運(yùn)行條件差異模型,自動(dòng)化級(jí)別不夠均衡[13]。因此,如何在特征、設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)視數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)視數(shù)據(jù)及人員管理和決策數(shù)據(jù)中查找有關(guān)設(shè)備故障和壽命的常規(guī)數(shù)據(jù),以及如何使用相應(yīng)的監(jiān)視方法來(lái)獲取數(shù)據(jù)成為研究重點(diǎn)。
2)故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)要求使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模并不斷學(xué)習(xí)模型。船舶機(jī)電設(shè)備的操作環(huán)境特殊,網(wǎng)絡(luò)通信困難。如何連續(xù)收集大量數(shù)據(jù),不斷修改模型并提高解決方案的可靠性是亟待解決的問(wèn)題。
針對(duì)船舶工程機(jī)電設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)往后發(fā)展主要體現(xiàn)為以下方面:
1)實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域間協(xié)同合作。比如借助互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)協(xié)同各大高校與科研院所攻克關(guān)鍵、重點(diǎn)技術(shù)內(nèi)容,由此來(lái)逐步達(dá)成這一技術(shù)運(yùn)用的產(chǎn)業(yè)鏈效應(yīng),并實(shí)現(xiàn)橫向集成式發(fā)展。
2)以實(shí)際需求促進(jìn)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)在船舶領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)船舶配套企業(yè)、船舶所有者、船舶建造廠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院等多方聯(lián)合參與,共同促進(jìn)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)在船舶工程中的有效應(yīng)用,最終達(dá)成產(chǎn)業(yè)鏈模式,實(shí)現(xiàn)縱向集成式發(fā)展[14]。
3)不斷強(qiáng)化執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)增強(qiáng)船舶遠(yuǎn)程信號(hào)通信、故障問(wèn)題診斷及預(yù)測(cè)性維護(hù)等諸多具備一定共性的技術(shù)環(huán)節(jié),因此在船舶行業(yè)中所采取的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將長(zhǎng)期處于研制狀態(tài)。
目前,我國(guó)船舶工程機(jī)電設(shè)備的維護(hù)效果并不理想,本文所推出的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)應(yīng)用也并不廣泛,仍然處于持續(xù)研究狀態(tài)。這一維護(hù)技術(shù)本身易受船舶運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程通信信號(hào)等多方面因素的影響,因此與當(dāng)下科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程不匹配,難以對(duì)船舶行業(yè)的發(fā)展起到重要支撐作用。為此,筆者在對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的研究中,將船舶機(jī)電設(shè)備的維護(hù)操作細(xì)分為船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)、船舶故障問(wèn)題診斷、船舶故障問(wèn)題預(yù)測(cè)以及船舶維護(hù)管理4個(gè)方面,由此促使該技術(shù)運(yùn)用操作更為明朗。同時(shí),在此基礎(chǔ)上提出3方面的運(yùn)營(yíng)模式即搭建船舶機(jī)載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、強(qiáng)化遠(yuǎn)程信號(hào)通信接受、完善岸端運(yùn)維中心。通過(guò)以上對(duì)幾個(gè)板塊協(xié)同運(yùn)作的描述,在實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí),對(duì)設(shè)備產(chǎn)生及可能產(chǎn)生的故障問(wèn)題進(jìn)行定位和預(yù)測(cè),最終便于岸端制定出相應(yīng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)方案,從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備運(yùn)營(yíng)情況的管理與控制。