基于分布式智能的船舶电力推进系统运行控制与管理策略研究

王亚楠，韩坚，王孟莲

（1. 海军工程大学科研部，武汉430033；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

在现行的船舶上，电力系统和推进系统是平行的两大系统，船舶综合电力推进系统是在电力推进技术和高能新武器技术发展的基础上将这两大系统的综合，使得电力系统和推进系统成为一个密不可分的整体。综合电力推进系统以其操纵性好、舱室布置灵活、运行经济性高、安静性较好等诸多的优势在船舶推进领域内得到了越来越广泛的应用。如：英国从混合动力推进的23型护卫舰到全电力推进的45型驱逐舰、美国的DD（X）到DDG1000驱逐舰计划等。为了保证电力推进系统的高效性和安全性，为使全舰能源得到充分合理利用、统筹调配舰上能源，满足未来高能武器系统的需求，满足网络技术、信息技术、自动化技术要求，船舶综合电力推进系统必须要配置自动化、智能化、网络化、信息化的系统监控与管理，设计出高品质的监控系统。

船舶综合电力推进监控系统不同于以往自动化电站、动力系统自控系统，也不同于机舱自动化，而是高层次综合监控系统。它将在综合电力推进系统中形成开放式模块化结构，承担整个系统的监测和控制、管理和保护。综合电力推进系统的监控分为两部分：发电系统的监控和管理；电力推进系统的监控和管理。两者联系紧密，又各有分工。本研究属于电力推进监控系统基础科研范畴。图1表示了船舶电力推进系统的基本模型，监控系统对电力推进系统进行监控和管理。

为了对电力推进系统设备进行有效的监控与管理，本文对电力推进系统的运行控制与管理策略进行了研究。电力推进系统的运行管理策略是以支持自动化控制和指挥为目的，实现船舶电力推进控制系统自动化、网络化、信息化的基础。本文通过对船舶电力推进系统的运行、控制、操纵和管理策略的分析，归纳监控系统的功能与特性，在此基础上提出船舶电力推进监控系统的体系结构，以解决满足未来水面船舶电力推进监控系统的关键技术之一[1]。

图1 船舶电力推进系统示意图

1 分布式智能控制概述

分布式智能控制系统（DICS）是在计算机技术、通信技术、信息管理技术、集成电路技术的基础上产生的一种控制方式。它是一个采用分层架构，由过程控制级和过程监控级组成的，以通信网络为纽带的多级微处理器系统。分布式网络可以屏蔽各种现场总线控制网络的差异，实现各现场总线控制网络的透明互联，使现场总线之间的通信及现场设备之间的通信畅通[2]。分布式智能控制系统的基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活，具有以下特点：

1）高可靠性。由于分布式智能系统将控制功能分散在各个微处理器上实现，系统结构采用容错设计，因此在一个处理单元出现故障的情况下不会导致系统其它功能丧失。

2）开放性。分布式智能系统可以采用标准化、模块化和系列化设计，系统中微处理器通过网络连接，实现数据共享。当需要改变或扩充系统功能时，可将新的单元方便的接入网络当中。

3）协调性。各微处理器和控制单元之间通过网络传输各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理，实现了空间上多地点操作。

4）可维护性。功能单一的控制单元，具有维护简单、方便的特点，在某一个单元发生故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

2 船舶电力推进系统控制功能和管理策略分析

对电力推进系统的监控与管理，主要是对电力推进系统的运行、维护进行监控，当能量需求发生变化时向发电系统提出能量申请或重载询问，发电系统准备完毕后给推进系统应答，电力推进系统方能改变工况执行新任务；另一方面，当发电系统需要满足高能武器需求时，或某发电机不能工作导致当前能量有限时，电力推进监控系统需要进行功率限制，根据现有能量改变推进的运行状态使之匹配。为了降低易损性，电力推进监控系统硬件分解成独立的控制子单元，每个控制子单元位于与受控设备相同的舱室内。通过分布式敷设的电缆和通信线缆，既减少了设备的布线，又使监控系统单元互相协同作用控制整个系统。每一个单元具有智能控制功能，用以控制隔离相关硬件，保证动力舱室设备能安全运行。船舶电力推进系统的控制功能是根据船舶航行需求和电力推进系统功能导出的，主要包括推进操纵与控制、监视与报警、保护、与PMS和动力定位系统的协调控制等。

2.1 控制功能分析

船舶电力推进系统的控制功能是根据船舶航行需求和电力推进系统功能导出的，主要包括推进操纵与执行控制、保护控制、监视与报警等。

1）推进操纵和执行控制功能

船舶采用电力推进系统可提供灵活的操纵功能：多种操纵方式和转换逻辑、操纵顺序、联锁关系。其中，操纵方式可分为遥控和本地操纵，遥控方式下又提供不同操纵部位（如集控室推进和驾驶室推进）的遥控；转换逻辑一般认为本地的权限高于遥控，而遥控方式下集控室操纵权限又高于驾驶室，操纵权限的转换权在权限高的部位，如本地操纵与遥控方式的转换设置在本地、遥控时集控室推进与驾驶室推进的转换权在集控室；操纵顺序和联锁控制则提供使电力推进系统正常工作的必要条件，例如推进操车的条件是进行推进系统准备好，操纵部位的选择具有唯一性等。

船舶电力推进监控系统的执行控制功能主要提供操纵系统与推进变压器、推进变频器、推进电动机和侧推装置及相关设备的协调控制，其接口深入到一次设备中，包括直接连接信号和来自通讯接口的数据信号。

2）监视与报警功能

监视与报警功能满足可视化需求，以文本、图形、图表、声光等形式告知用户系统的运行状态。也提供参数输入接口和进行报警处理，提供人机接口。

3）保护控制功能

保护控制提供电力推进系统的安全，主要包括：联锁控制、防止误操作的控制、故障报警的保护控制等。其基本原则是首先保护人员的安全，其次是船舶的安全，第三是本系统设备的安全。根据这个要求，也提供越控功能，如不能停船状态下电力推进系统必须带故障降额运行以保护船舶的安全。

2.2 主要外部接口

电力推进监控系统的主要外部接口包括与以下系统的接口：能量管理系统、动力定位系统和船舶其他信息化系统等。其中由于电力推进系统与能量管理系统、动力定位系统关系密切，必须提供协调控制，如推进系统的功率需求与变化都影响着能量管理系统，动力定位系统与推进操纵的协调控制；而基于船舶信息化的需要，电力推进监控系统应具备向外提供数据接口。

2.3 管理策略分析

虽然各型船舶电力推进系统的结构并不完全一致，但是从系统运行管理的角度去看，可以划分为控制和管理两个方面3。船舶电力推进系统运行机制如图 2，操作人员在全船自动化架构与标准的全集成控制基础上实现管理功能，并有分布式智能提供底层自主控制、基于关键内核软件实现控制功能。

控制层基于底层自主控制，包括传感、评估、执行和控制等关键内核。关键内核根据子系统的任务或安全性划分关键控制内核，这些关键内核分别完成独立的控制功能，具备自主式智能，关键内核可以组合以支持全系统的运行，各个关键内核之间尽量不共用功能模块以保证控制的可靠性。管理层则根据评估结果实现决策支持，实现管理决策，操作指令交给控制层；评估状态与结果提供给用户，保证普通用户，如船员既能够及时有效获得信息，又不致淹没在数据海洋中，能够提供良好的决策支持，隔断误操作的同时给出正确建议。因此，船舶电力推进系统的运行管理可根据这个层次来确定，监控系统应提供可靠、实时的控制与高效、准确的管理。相对于管理功能，电力推进系统的控制功能是关键，是船舶安全性的因素之一。图中的关键内核设计是控制级主要构成，采用分布式智能技术可以实现系统可靠性指标。在控制操作中，控制系统必须提供：信号特征化、状态检修、故障响应排队、维护系统完整等；自动化功能包括：智能传感器装置、可视化、自动化操车、紧急操作等。

图2 运行管理机制

3 基于分布式智能的监控系统体系结构

根据船舶电力推进系统运行管理策略的分析，其监控系统采用分层体系结构，划分功能为管理系统管理和底层安全性关键功能而建立两级不同的控制：控制级为专用组件级高可靠硬件及软件控制为核心；管理级为普遍使用的计算环境。控制级采用分布式智能单元，并包含关键控制传感和相应系统的接口。采用基于输入/输出接口和灵活控制的底层网络，提供高可靠的传感和执行；通过使用安装在现地、并由管理软件进行管理的控制核心单元提供可靠的控制，即采用分布式智能的关键内核来实施现地控制。管理网络是一个带宽网络，处理单元使用商业成品（COTS）的软件和硬件组成，管理网络结点及系统具有持续更新的能力和支撑软件，这些软件安装在高冗余且通用的商业成品计算机中。核心控制网络层在关键数据上不依赖管理系统，那么控制层在管理系统由于损害、升级、故障和失效等原因发生变化或停机时，仍然继续工作。可以说，控制系统的高可靠性是通过简化、封装的分布式智能得到的。综上，基于分布式智能的监控系统体系结构是指由上位监控进行系统运行的管理和协调，区域控制功能由自治、不依赖管理层或其他区域的分布式智能控制网络实现。网络拓扑结构是由物理层、数据流和信息结构决定的。

图3 电力推进系统监控系统体系结构

根据电力推进系统控制和管理策略的研究，进行监控系统体系结构的设计。系统结构需要具有灵活性，能够适应不同船舶电力推进系统的差异。如图3所示，分为3个子系统：现场控制与数据采集，数据处理和智能信息处理。现场控制与数据采集系统采用现场总线控制（FCS）与数据库结合的方案，完成用户介入的现场控制、数据采集和存储。数据处理系统通过数据分析，在原始数据中提取有价值的状态信息，用于支持智能化系统。智能信息系统由智能系统与知识库组成，利用智能技术，提取知识，并在知识库的基础上向用户提供决策支持。

4 结束语

针对船舶电力推进系统，采用分级冗余网络结构建立监控系统的通讯的基础上，分布式智能组件的功能划分和边界条件是监控系统高效、可靠运行的关键。划分的方法可以按照设备组成、设备处所、控制要求、操作位置、对外接口以及相应规范等，在减少智能组件之间的耦合关系的同时要实现信息流的畅通，必要时采用解析冗余技术使得各个区域的智能单元形成备份关系，达到系统的容错控制性能最优。分布式智能组件为船舶电力推进监控系统的标准化设计提供了基础。

[1] 黄仁和, 陈新传. 电力推进监控技术. 船舶电力推进技术专题论文集. 中国造船工程学会军船学术委员会, 2000: 162-166.

[2] 郑文波 编著.控制网络技术. 北京: 清华大学出版社，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.