摘要：船舶动力系统被称为船的“心脏”，在为船舶提供动力的同时，还关系到船舶的运行稳定性、安全性、节能、经济等因素。因此，需要一个可靠的船舶动力系统以保障船舶正常安全运行。船舶动力机械系统一旦出现故障直接威胁船舶安全，但是船舶服役后难以增加设备完善动力机械运行状态的监测。
关键词：船舶动力机械系统；产品设计；可监测性设计
由船舶主机（柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等）、传动系统（轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等）和推进器（螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等）组成的船舶动力系统，好比船舶的心脏，此套设备约占全船设备总成本的1/3，全船造价的1/4左右。
一、可监测性设计理论体系研究
1.机械系统可监测性设计研究的必要性。（1）机械产品设备及系统逐渐的向大型化、复杂化、高集成、多参数以及自动化方向发展，工业发展需要更为可靠、更加智能的机械水平，对工作环境有着更高的要求，而且机械设备的维护也越发的复杂与困难。显然，机械产品设计需要全面的更新改革。（2）现在很多产品在设计时并不会考虑到未来的监测问题，所以大部分产品机械系统的可监测性能较差，对于其使用过程中状态信息的收集十分复杂困难。即使通过其他手段采集到了状态信息，也因为各种因素导致信息的过时或者缺失。这些情况均无法准确实时的反映出系统的实际状态。
2.基于系统工程论的机械系统可监测性设计理论。可监测性设计研究对象及相关的技术领域。（1）可监测性设计研究的对象。相对于整个庞大的系统而言，产品最为重要的一个设计属性就是可监测性。也就是说，对于某一个组成部分或者某一块组成部分进行可监测性研究是没有任何意义的，必须是对于整个系统而言，才有可监测性这一概念。基于此可以得到，可监测性设计所要研究的对象首先是机械，其次是整个系统。（2）可监测性设计相关的技术领域。可监测性设计理论是多种学科交叉的一门基础理论，它涉及到机械学学科、信息学学科、数学学科、材料学科等多个领域。从整体上来看，想要进行一个全面的可监测性设计，必须要使用到计算机、网络通信、系统工程、优化算法等多种技术。
二、动力系统设计理论
1.船舶动力系统概述。船舶动力系统是保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的机械设备综合体，作为船舶的重要组成部分，船舶动力系统设计是一项包含多个学科的复杂的系统工程，具有以下特点：系统设计模块化、系统设计参数化、系统设计规范化、用户需求的多样化和个性化、设计过程复杂。产品配置设计的理论和方法应用于船舶动力系统的设计，根据不同的用户功能和个性化需求，选择和组合不同性能的组件进行配置，可以实现对用户多样化、个性化需求的快速响应，提髙设计效率，提升产品质量，提高企业的竞争力。
2.动力系统的发展。船舶在经历了漫长的以人力、风力作为航行动力的阶段后，直到200年前才进入以机械能作为航行动力的阶段。船舶的机械推进随着蒸汽机、蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机的发明及实船应用，先后出现了由多种原动机做动力的推进方式。
三、可监测性设计在船舶动力机械系统工程化实施流程
1.船舶设计建造流程。船舶系统的设计、制造与装备是一个大型、复杂的过程。在长期的船舶设计建造实践过程中技术人员形成了完整船舶设计建造流程，结合当前船舶领域普遍采用的船舶分段制造理论的船舶设计制造基本流程图可用图1简单表述出。
图1 船舶设计建造基本流程
2.可监测性设计理论工程化实施应用框架。船舶动力系统的运行保障技术是船舶安全航行的关键。在复杂的船舶动力机械系统设计过程中如何高效、可靠的开展可监测性设计工作，必须保障可监测性设计工作与船舶建造设计制造过程高度的协同，时刻掌握船舶设计制造的计划和进展程度，保障可监测性设计工作目标在船舶设计制造各个阶段的实现，使可监测性设计工作有条不紊的顺利开展，确保船舶设计建造周期，船舶建造设计初期，根据船舶设计制造特点，运用全寿命周期理念对制定系统可监测性设计完整方案；运用层次分析和故障树分析理论对船舶动力机械系统监测点进行了优化布置；应用性能参数、瞬时转速、振动、油液等监测技术进行具体化监测过程；运用基于协同理论的可监测性设计综合优化方法完成跨部门间的同步，保障可监测的逐步实现。
四、船舶动力机械系统可监测性设计实例
以某型8000kW远洋救助为研究对象，开展了船舶动力机械系统可监测性设计工程化探索。
1.远洋救助船介绍。该型8000kW远洋救助船主要承担海上紧急事件的应急救援和处理任务，是我国海上救助系统最重要的救助装备，较以往船型比较具备航速快、耐波性能好、抗风浪能力强、救生手段先进等特点，必须适应危险恶劣海况，在极端情况下救助船还承担具体的救援任务。
2.远洋救助船监测点优化布置设计实例。根据该船执行任务特点，船东要求通过多方位、多尺度状态监测技术手段对该船进行状态监测和故障趋势诊断预测，保证机械设备综合诊断准确率不小于70%，并实现系统的远程在线监测。基于可监测性设计理论综合考虑船舶自身特点和船东要求，确立两台主机、齿轮箱、两台柴油发电机（简称副机）和液压系统作为重点监测目标，确定了100个性能参数监测点、15个油液监测点、4个瞬时转速监测点和8个振动监测点来开展其可监测性理论的工程实施。
3.可监测性设计在船舶动力机械系统中的设计实现。船舶的建造设计过程中其设计人员的专业背景是分散的，工作地点也是分离的。为了实施可监测性理论的工程实施，需要协同所有设计者的思维过程，将所有可利用资源有机结合，形成分布式资源系统。考虑到当前具体条件，本文采用单中心方式的组织结构来简化协同过程的复杂性和减轻财务投入负担，消除实践环节的时空限制，融合可用资源，共享信息，协同完成任务。其中，采用VB.net语言作为开发工具，利用P2P技术实现可监测性设计工作与其它设计工作的协同设计，构建了可监测性设计信息协同通讯系统最终完成在分布式资源环境下的信息流协同功能。参照QQ、POPO等聊天工具，该通讯系统主界面设计成聊天对话框类似的布局格式，根据可监测性设计工作信息传递及共享方面的需要，其主界面分为：两个参与者信息协同主界面和多参与者信息协同主界面。
4.状态监测系统软硬件系统设计与实现。可监测性设计的实践建立在各种软硬件基础上，软件系统本着节能、高效、安全和可靠的原则，采用模块化编程与监控方法，分别对所监测的柴油机、齿轮箱以及其他部件建立故障诊断子系统，从而构成总体监测的技术体系。状态监测与故障诊断系统采用VC和LABVIEW为开发工具，数据库选用SQL2000。基于可监测性设计理论研究开发的系统在远洋救助船设计制造过程中进行了同步的应用、设计安装和运行，经过近一年多的应用系统效果良好、性能稳定，其运行结果均达到或超过了船东要求和可监测性设计的设计指标。
可监测性设计作为机械系统产品设计的一个重要有机组成，在提高系统智能化、可靠性、提高产品创新力和竞争力方面具有重要意义。同时可监测性设计的应用实施可以对机械产品的再制造时机提供数据和技术支撑。
参考文献：
[1]冯涛.浅析机械系统可监测性设计理论，2017.
[2]李健.世界船舶动力系统的发展趋势与竞争格局.船舶物资与市场，2017：2：3.
论文作者:石云峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：船舶论文; 系统论文; 动力论文; 理论论文; 机械论文; 动力机械论文; 齿轮箱论文; 《基层建设》2019年第25期论文;