船舶舱系统的一种安全控制策略的研究

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1、1 9 9 8中 国撞 制 与 决 策 学 术 年 会 论 文 集 船舶机舱系统的一种安全控制策略的研究 陈家新叶银忠汤天浩李杰仁 ( 上海海 运学院商 船学碗 , 2 0 0 1 3 5 ) 摘共从系统工程的角度分析了影响船知机舱系统安全运行的因素， 概要介绍了为解决这些 问翅已经采取的方法。在此苏础上， 综合应用现有的多种控制技术对船舶机舱系统安全控制问 题进行了新的探索。 提出了鑫于冗余校脸技米以提高数据测t的可布性、 巷干故阵检洲与诊断 技术以及时发现设备异常工况、 使用自适应和每棒控制等技术以提高对恶劣海况的适应性、 建 立计算机绷助操作系统以减少人为误操作率的一种新的安全控制策略.

2、 关祖调船侧机舱系统， 安全性， 信号校脸， 故障检侧。 容错控制 C 又 l ，、 才了LU 产r卜 口 引言 船舶机舱系 统是船加的一 个重要组成部 分， 它包括主机、 辅机和电站 等一系 列设备 及其自 动 控制、 监视、 通信和管理系统。 系统结构复杂， 影响因 素众多。 机舱自 动 化的技术水平是船舶 自 动化水平高低的主要标志之一， 而机舱系统的安全运行则对船舶航行的 安全 性具有至关重 要的影响. 船舶机舱系统的安全性问题是一项复杂的系统工程， 涉及广泛领域的技术及非技术 性因素. 从系统工程的观点来看， 影响一个系统的安全性的因素来自3个方面， 即: 系统内部故 障、 外部环境

3、的影响以及人( 系统操作者与管理者) 的因素， 如图1 所示。 圈1 拍拍机能系统安全性的形响因素 就船舶机舱系统而言. 这3个因素具体表现为: 1 ) 船舶机舱各种机电设备的故障; 2 )由恶劣海况引起的特大扰动， 例如主机负荷的突卸突载等 ; 3 ) 人员的硫忽与误操作等. 国际海事组织( I MO) 对近十年来海上事故所作的调查分析表明， 约 8 0 %的事故是由于人 的因索引起的， 其余的则涉及船铂本身的故康和环境因素 1 . , ， 这充分证实了上述观点。 2 船拍帆舱安全控制的技术现状 自从 60年代初出现以主机遥控系统和机舱工况集中监视系统为标志的第一代自动化船 上海市故委”.光

4、计刘和交通那优分玲世纪人才培养羞金共网资助裸粗 1 0 4 0匕 气 舶以 来. 历经“ 无人 值班机舱” 和“ 集中型小型计算 机控制 与监视“ 几个阶 段的发展， 船舶机舱白 动化技术现已发展到了以“ 集散型微 机网络” 为主要标志的技术水平， 它包括了 徽机控制的主 机控制系 统、 辅机与电 站控制系 统以及 主机机械工况的自 动监视系统， 井且美、 日、 德、 丹麦等 航运发达国家已经开始研究面向 2 1 世纪的未来型智能化船舶 3 各 个不同发展阶 段的船舶机舱自 动化技术都具有类似的荃本结构， 图2 所示的是一种典 型的分布式计算机控制系统( D C S ) 结构， 它由计算机现场

5、控制 ( D D C) 与监仔计算机控侧 ( S C C) 组成， 在D D C和S C C之间的数据通信一般采用串行数据链规程. D C S更好地体现了集 中管理和分散控制的思想， 以通信网络为纽带将各控制设备和管理层面连接起来构成多级计 算机网络系统.从整体逻辑上看， 图 2 所示的结构是一种分支树结构， 与控制对象的行政管理 结构相一致。按系统结构进行垂直分解， 其分层结构与C I MS结构一致， 每一级又可按水平分 解成几个子集u b 显 示 船 舶 管 理 R o 舶操作卜州 打印卫 星 接 口 航 海 管 理 系统轮机管理系统 装卸管理系统 主 机 工 作 站 辅 机 工 作站 D

6、 D C I 曰D D C2 I D DC 3 发电机1 l发电机2 日发电 机3 1一 下一一一一丁 一 1 。 二 打 。 开 关 。 ， 图 2 分布式肠伯缘合自动化系统结构 为 了 保 证 船 舶 机 舱 系 统 的 安 全 性， 各 国 除 了 制 定 相 应 的 安 全 法 规、 政 策 措 施以 外， 就 技 术 方面而论所采取的典型工作有: 1 ) 为了 减少机舱系统的内 部故障发生率， 使用高性能、 高可靠性的机电设备; 2 ) 为了及时发现各类机电 设备的故障， 减轻故阵的后果， 开发在线故障检侧与诊断系 统， 采用了先 进的控制系 统和安全保护系统fs .q . 3 )

7、为了减少由于人员的 硫忽和误操作而引起故障的 发生， 应用了“ 轮机模拟器” 以及其它 先进的教 学培 训手 段， 以提高 船员的业务素质和操作技能; 4 ) 为了减少由于恶劣 海况等引起的扰动因素， 探素先 进的自 适应控制方案. 可以发现， 在上述各项工作中， 自 动控制理论与技 术起着十分重要的作用， 尤其是完普的 控制与 安保系 统、 在线故障 检侧与诊 断以 及自 适应控树等.随 着新的控制理论成果的产生， 原 有的控制、 检测安全保护方法也不断产生相应的进步。 1 0 4 1 一z-今 一翻，一 7 0年代中期出现的故隆检测与诊断技术， 为及时发现系统的内部故障提供了一种有效的 方

8、法， 对于保证系统的安全运行有着显著的意义和价值 7 - 1 0 1 . 这一技术已得到船舶控制工程 界 的 高 度 重 视 井且 在 船 舶 系 统 中 得 到 一 定 的应 用 ， 但 仍 然留 下 了 “ 发 现故 障 之 后 该 怎 样 处 理 ” 的 间 压. 8 0 年 代 中 期 出 现 的 容错 控 制 技 术 【 i i . u 7 ， 开 拓了 一 种 新 的 系 统 设 计 思 想 ， 即 试 图 保 证 系 统 内 部 出 现 了 都 件 失 效 等 故 降 因 素 时. 系 统仍 然 能 够安 全 运 行 并 满 足 一 些 基 本 品 质 的 要 求。 在 这 释

9、析 的 控 创 推 术 中 ，故 障 检 侧 与 诊 断 技 术 被 作 为 基 石 之 一 ，而 故 障 的 自 动 处 理 问 题 得 到 了 全 薪的重视。 但就其内容而言， 它仍主要局限于处理系统的内 部故障。 虽然故障检测与容错控制 已成为自 动控侧界最活 跃的前沿之一， 然而现有的技术成果与工程实际要求之间仍然存在明 显的差距。 针对由恶劣海况导致的特大扰动， 目前国内外也有了一些应用自适应控制技术以提高机 舱系统对环境因素的适应能力的尝试， 但仍有待于作进一步的研究。从系统功能的完备性来 讲， 目前的大多数自动化机舱系统缺少对应急事故的直接处理， 它一般仍需要人操作和处理。 裕二

10、谬络 船拍机脸系统安全控制的一种新策略 荃于上述分析， 本文提出一种新的实现船舶机舱安全控制的策略， 系统结构如图 3 所示。 一11!llJ!11|11| 决策支持 V一居一一一一醚-澳 划信号一刑-一)Dr干|L杖厂. .11!J分.JF一一一阵- i R m f 祖 断 谷 常 规 控 制 系 统 图 3 安全控姗系统的功德结构 3 . 1 侧 fi r *自 动校PA功能块 鉴于信号侧t系统是一切自动控制系 统及人工操作的基 础， 浏量系 统的可靠性对船舶机 能安全运行有粉十分盆要意义， 图3 的安全控制系统中首先致力于解决信号测 量系统的校脸 问翅. 即 “ 信号校脸” 功能 子系统

11、。 其墓本任务就在于及时发现测量系统中发生的故阵， 并且当 发现故阵时尽可能地从受故障“ 污染” 的 数据中 估计出 实际的故障参数. “ 冗余原理” 是信号校脸的基本理论依 据， 具有充分冗余 度( 即三重冗余) 的 测盘系 统信号 校脸向题已 经得到了圈满的解决. 然而， 在船舶机舱系统中大量的测量装里并不具备如此理想 的冗余度， 为此舫要从考察渊量系统内在信号关联出发， 从关联性中提取隐含的信息冗余， 在 1 0 4 2气 此基础上应用统计分析、 模糊决策、 参数估计等方法 实现测量信号的自动校脸。 只要信号校验算法有足够的梢确性和可靠性 信号校验装置就可以输出准确的过程测量 参数. 其

12、中排除了故障可能带来的影响。因此这个信号可以被用于系统内部的故障与诊断， 以 及对外部干扰的检测同时. 信号校验的结果( 测量仪表是否有故障、 故库位置等) 以报普提示 方式提供给操作人员， 为人工操作及系统维护提供必要的参考。 3 . 2 面向内部故障的安全控制策略 该功能子系统包括机电设备的“ 故障检测与诊断“ ( F D D) 模块， “ 故障分析器” 模块， 以及针 对故障工况的“ 容错控制” 模块 3个部分组成。 F D D模块负责执行对系统内部机电设备的故障检测与诊断。 至今对于动态系统的故障检 测与诊断问题人们已作了大量的研究. 提出了许多的处理和系统实现方法， 墓本上可分为两大

13、 类: 模型化方法和非模型化方法。 模型化方法以被检测过程的数学模型为基础， 应用状态观测、 参数估计、 统计决策等理论工具来实现故障的报 誓、 定位和估计。 非模型化方法则极 盖了 更广 的范围， 从传统的故障树、 故障字典， 到近年来深受重视的专家系统、 模式识别和人工神经网络 等等， 都 属于 这一 范畴。 所有 这些方法在 特定 的工程领域都有成功应用的例子L i o 7 。 对于 船舶机 舱这类复杂系统， 单方法的故障检测与诊断问题已有了相当多的研究， 尤以专家系统、 人工神 经网络方法为甚。 显然， 若能综合应用模型化和非模型化的方法来处理船舶机舱这类由多级子 系统组成的复杂对象，

14、 可望收到更好的效果。 在这里， 专家系 统、 人工神经网络、 故障树、 数学模 型和统计决策等都可以发挥各 自的特长， 担当一个复杂的 F D D系统中的特定功能， “ 故障分析器” 模块同时接受测量信号校 验、 F D D和千扰检测3 个模块的结果， 依据预定 的工况分析准则作出对当前系统所处工况的判断。 本文将当前工况划分为两类: 异常工况和应 急工况。 异常 工况指系统中虽已 发生了测量仪表的 故障， 但该故障尚可以 通过信号校 验算法予 以克服， 而没有关键测量点完全失效的现象发生; 或者机电设 备虽然有一定程 度的故障发生， 运行的性能有一定下降， 但仍然可以继续运行一段时间; 或

15、者系统虽然受到了一定的外部扰 动， 但依据现有的系统性能它仍可以保持运行。 在这种工况下故障分析器模块一方面向操作者 提供当前的工况信息， 另一方面启动异常工况的容错控制棋块作为常规控制系统的补充. 应急 工况指系统的某些关键指标已处 于临界 状态， 需 要采取紧急措施( 如减速运 行、 安全停车等) 来 保证运行安全性的情况. 图3 中的应急控制模 块在这种情况下投入运行， 鉴于现有的 船舶机舱 自 动控制技术对船舶主 机的 安全运行已 有相当 完备的安保措施， 本研究 将其主要注意力集中 在对特大扰动的应急控制. 如何构造面向异常工况的 容错控制模块， 是一个关键的问 题。 一般来说， 任

16、何 容错控例方 案都属于备用的方案， 目 的在于当系统发生了故 障后仍然保证一般时间的平稳运行， 给故库的 妥善处理争取一定的时间， 而不在于长期使系 统运行在有故障 的低性能水平上. 因此， 现有的 容错控制大多以在故障情况下维持控制系统的稳定性为目标， 若再加上其它附加的控侧目标 ( 例如控制精度、 动态性能等) 将导致极为复杂的控制方案， 甚至可能导致相应的控制策庵很本 不存在. 鉴于 此， 拟采用以系 统的 稳定性为容错控制的目 标。 由于船舶机舱系统的故 赚工况的 复杂多样性， 采用多模态控制的方案来构成容错控制策略是必然的。 3 . 3 面向 外部特 大扰动的应急控制策略 该功能子系统主要包括千扰检测模块和应急控 制棋块两部分， 故障分析器模块仍然起工 况分析的作用。 扰动检测模块依据经过校验后的侧童数据估计出当 前的扰动 来探及其大小. 当 1 0 4 3 =希_ 戒 早 认 、 墓 公 剪 一_ 冬 故障分析器判断属于特大型优动时， 启动应急控制功能块. 自 适应和香棒控制技术叮 作为适应恶劣海况的船舶机舱系