（交通运输工程专业论文）船舶电站可靠性研究.pdf

论文独创性声明 本沦文是我个人在导师指导下进行的研究_ l ：作及取得的研究成 粜。论文中除j 7 特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贞献均已在论文巾作了明确的声明并表示了谢意。 作者虢丛哆 论文使用授权声明 曰期：州。 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学 校有权保留送交论文复e | _ j 件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的仝部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 竹：者签名：碰导师签名：遴 交通运输工程硕士论文 摘要 随着工农业的发展，对动力设备的可靠运行提出了越来越高的要求。在一些安 全性和可靠性要求很高的领域，对动力设备的控制、监视和跟踪管理就显得越来越 重要，对船舶电站也不例外。船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全航行 和经济效益有重要的影响。船舶电站自动化是船舶电站发展的一个重要趋势，是船 舶电站先进水平的主要标志。电站供电的连续性，可靠性和供电品质将直接影响船 舶的经济指标，技术指标和生命力。为了实现船舶电站的可靠控制和安全运行管理， 本文将船舶电站作为一个相对独立的系统，对影响电站可靠运行的若干问题进行了 定的研究。 可靠性及可靠性工程在民航、火电等领域的应用已非常成熟，但在船舶电站管 理中的应用尚显欠缺，这显然与船舶电站自动化技术的发展大不适应，因此，本文 首先介绍了可靠性及船舶电力系统可靠性的基本概念，以及研究的任务、内容和方 法；分析了可用于船舶电力系统可靠性研究的几种常用数学方法，并阐述了其基本 原理和实现方法。本文的重点一是体现在用马尔柯夫过程方法对船舶电站运行可靠 性问题进行描述，建立船舶电站稳态可用度的计算模型和探讨其求解过程；二是提 出了以可靠性为中心的维修是船舶电站乃至整个船舶机舱管理维护的新的趋势，并 且较详细地探讨了船舶电站以可靠性为中心的维修的内容、方法和实施过程，这是 提高船舶机舱管理水平的一个有效的措施。 采用先进的工业控制技术和计算机技术对船舶电站自动化系统进行设计，可以 更好地实现船舶电站可靠运行。本文设计了一种基于p l c 控制的自动调频调载装置， 可使发电机组在大负荷波动的情况下也能可靠地运行；基于c a n 总线的船舶电站 监控系统具有实时数据处理功能，通过串行通信将测控单元和监控单元连接在一 起，实现数据交换，最终实现电站自动化系统以控制分散、管理集中为特点的安全、 可靠运行。 结合作者的工作实践，论文还提出了减少船舶电站非计划停运，提高可靠性的 一些措施和建议，同时也对电站自动化系统可靠性设计方法提出了具体的要求。 重视先进技术和先进管理思想在船舶电站上的应用，一定会大大提高电站运行 的可靠性和船舶航行的经济效益。 关键词：船舶电站，可靠性，马尔柯夫过程方法，以可靠性为中心的维修 交通运输工程硕二l 论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，i ti sm o r en e c e s s a yf o rp o w e re q u i p m e n t t or u nr e l i a b l y t h e r e f o r e ，i nt h ea r e a sw h e r eh i g h r e l i a b i l i t ya n ds a f e t ya r e r e q u i r e d ，t h ec o n t r o l l i n ga n df o l l o w - u pm a n a g i n ga st ot h ep o w e re q u i p m e n ta r e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，t h es a m ew i t hs h i pp o w e rs t a t i o n t h es h i pp o w e r s t a t i o ni st h eh e a r to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mo nb o a r d ，e f f e c t i n go nt h es a f e t ya t s e aa n de c o n o m i c a lb e n e f i to ft h es h i p s h e c o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t ya n dp o w e r s u p p l yq u a n t i t yo fs h i pp o w e rs t a t i o nd i r e c t l yi n f l u e n c et h ee c o n o m i c a lt a r g e t ， t e c h n i c a li n d e xa n dt h ev i t a l i t yo fs h i p s t h i st h e s i st a k e st h es h i pp o w e rs t a t i o n a sar e l a t i v e l yi n d e p a n d e n ts y s t e m ，a n ds t u d i e ss o m ei s s u e si n f l u e n c i n gt h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs t a t i o n ，w i t ht h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gr e l i a b l ec o n t r o lo ft h e s h i pp o w e rs t a t i o na n di t so p e r a t i o nm a n a g e m e n ti ns a f e t y t h er e l i a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gh a v eb e e nm a t u r e l ya p p l i e do nt h e a r e a so fc i v i la v i a t o na n dt h e r m o - e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i n g h o w e v e r , i ti sl a c ko n s h i pp w e rs t a t i o nm a n a g e m e n t ，o b v i o u s l yn o tm a t c h i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g yi ns h i pp o w e rs y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t o fr e l i a b i l i t y , r e l i a b i l i t yo fs h i pp o w e r s y s t e m ，a sw e l la st h et a s k ，c o n t e n t a n dm a t h o do fs t u d y i n g ，a n a l y s e ss e v e r a lm a t h e m a t i cm e t h o d sr e s e a r c h i n gt h e r e l i a b i l i t y o f s h i pp o w e rs y s t e m ，a n de x p a t i a t i n gt h e i r b a s i ct h e o r i e sa n d m e a s u r e s t h ee m p h a s e si nt h i st h e s i sa r e ：( i ) d e s c r i b i n gt h es h i pp o w e r s t a t i o nr e l i a b i l i t yb yu s eo fm a r k o vp r o c e s s ，s e t t i n gt h ec a l c u l a t i n gm o d e lf o r s t e a d ya v a i l a b i l i t yo fp o w e rs t a t i o na n dg e t t i n gi t sa n s w e r ；( i i ) r e s e a r c h i n gt h e c o n t e n t s ，m e a s u r e sa n da c h i e v e m e n lo fr c mu s e do ns h i pp o w e rs t a t i o n w i t ht h ea u t o m a t i c a ls y s t e md e s i g n i n go fs h i pp o w e rs t a t i o nb ym e a n so f a d v a n c e di n d u s t r yc o n t r o la n dc o m p u t o rt e c h n o l o g y , t h es h i pp o w e rs t a t i o nm a y r u nm o r er e l i a b l y t h et h e s i sd e s i g n saf r e q u e n c y p o w e ra u t o m a t i c a lc o n t r o lu n i t b a s e do np l c ，e n a b l i n gg e n e r a t o r st or u nr e l i a b l ye v e ni fi nt h ee v e n to fh e a v y l o a df l u c t u a t i n g t h es h i pp o w e rs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc a nd e a l s w i t hd a t a0 nr e a l t i m e ，a c h i v i n gd a t ae x c h a n g i n gt h r o u g hc o n n e c t i n gt h ec o n t r o l u n i tw i t ht h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tu n i tb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，w i t ht h e r e s u l t a n to fs h i pp o w e rs t a t i o nr u n n i n gi ns a f e t ya n dr e l i a b i l i t y 变通运输工程硕士论文 i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea u t h o r sw o r k i n gp r a c t i c e ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r d t h em e a s u r e sa n da d v i c e so fd e c r e a s i n gn o n p l a n n i n go f f - l i n e ，p r o m o t i n gt h e r e l i a b i l i t y ，a n dt h er e l i a b i l i t yd e s i g nr e q u i r e m e n tf o rp o w e rs t a t i o na u t o m a t i c a l s y s t e ma sw e l l i ti ss u r ef o rs h i pp o w e rs t a t i o nt og r e a t l yi n c r e a s ei t so p e m t i o nr e l i a b i l i t y a n ds h i p p i n ge c o n o m i c a lb e n e f i ta l s ob ya t t a c h i n gi m p o r t a n c et oa d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dm a n a g i n gt h o u g h ta p p l i c a t i o n so ns h i pp o w e r s t a t i o n k e y w o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ，r e l i a b i l i t y , m a r k o vp r o c e s s ，r c m g u o j i a n gr o n g ( m t e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n qx i a oa n dy a n q , q u oh u a 交通运输工程硕士论文 引言 随着航运业的发展，对船舶动力设备的可靠运行提出了越来越高的要求。船 舶电力系统的控制、监视和跟踪管理就显得极为重要。船舶电站是船舶电力系统的 核心，对船舶的安全航行和经济效益有重要的影响。船舶电站自动化是船舶电站发 展的一个重要趋势，是船舶电站先进水平的主要标志。船舶电站自动化在船舶自动 化中占有十分重要的地位。电站供电的连续性，可靠性和供电品质将直接影响船舶 的经济指标，技术指标和生命力。为了实现船舶电站的可靠控制和安全运行管理， 本文通过对电站自动化系统的技术设计和运行管理中的可靠性维护研究，能提高电 站运行的可靠性和安全经济效益。 船舶电站自动化装置，从六十年代采用继电器控制技术及其后来的晶体管分立 元件控制控制技术到七十年代的小规模集成电路及其后来的中大规模集成、模拟电 路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的p l c 控制技术。约在七 十年代末已形成了船舶自动电力管理系统。 船舶电站的控制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成 电路与模拟集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国都先后研制由单片机 组成的微机控制系统。九十年代p l c 控制系统的可靠性已为世人所共识，产生了基 于p l c 控制的电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术的发展， 船舶电站自动化正朝着集散型计算机控制系统( 又称分布式或网络式微机控制系 统) 的方向发展。 但是，技术设计和技术应用仅在一个方面保证了电站的可靠运行。显而易见的 是自动化程度越高就意味着影响维持满意的质量标准的能力的故障就越多。船舶电 站运行时出现的越来越多的故障具有严重的安全性后果，同时对其安全的标准正在 迅速提高。现代船舶正朝着大型化、自动化的趋势发展，而船舶管理人员的管理水 平往往落后于先进技术的发展。当他们面对功能复杂、设备繁多的自动化电站，常 常对突然来临的运行故障无从下手，造成停电、停机甚至船舶停航的局面，进而给 船舶的安全和经济效益带来极大的损害。这就在船舶电站的运行管理上提出了与以 往完全不同的要求。 随着科学技术的发展，可靠性工程日益引起各行业和企业的重视。通过在产品 的研究、设计、制造、实验、运输、储存、建设安装、使用及维修等各个过程中实 施可靠性工程就意味着可以提高设备或系统的可靠性。对船舶电站的设备和装置应 交通运输工程顺士论文 用状态检修技术，可以延长设备的计划检修间隔、降低检修费用，可以让设备和装 置在要求的寿命内不停地高效运转，降低发电成本。常用的状态检修技术包括预测 性检修( p d m ) 技术和以可靠性为中心的检修( r c m ) 技术。经过2 0 多年的在火电机 组上的研究和应用，其可靠性分支学科趋于成熟，内容包括可靠性分析、可靠性设 计、可靠性试验、司。靠性保证和可靠性管理，产品可靠性数据和零部件使用寿命数 据的统计分析技术是火电设备可靠性分支学科的重要组成部分。2 0 世纪8 0 年代后 期，国内大型火电机组实行可靠性管理，已积累了不少可靠性数据。可靠性分析技 术作为火电机组实现p d m 和r c m 的重要技术手段，根据少量的电站数据，应用可 靠性统计分析方法可以评价和预测电站的可靠性，可以确定发电机状态离线监测的 间隔，可以识别发电机组重要部件的故障类型，故研究可靠性分析技术在电站发电 机组和自动化装置状态检修中的应用是一项有益的工作。 交通运输t 程颂七论文 第一章船舶电站及其自动化系统的可靠性要求 1 1 船舶电站概述 船舶电站是产生并连续供给辅助机械及全船所需电能的设备，它由原动机、发 电机和附属设各( 组合成发电机组) 及配电板组成，是船舶电力系统的核心部分。 1 1 1 船舶电站的组成 如图l l 所示的船舶电力系统中，船舶电站是由主电源和配电装置组成的。 丑矗配电楹 图1 - 1 船舶电力系统单线图m 电源：电源是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。船上常用的电源是 柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源，主发电机不能供电时由应急 发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设各和应急照明系统供电。直流船舶电力系统 用直流发电机组，交流船舶电力系统用交流发电机组。发电机组的原动机用得最多 的是柴油机，其次是汽轮机，应急发电机均采用柴油发电机。近年来又有节能型主 机轴带发电机、主机废气透平发电机等作为航行期间的电源。 配电装置：配电装置对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换、控制 的装置。分为主配电盘、分配电盘( 动力、照明分配电盘) 、应急配电盘、蓄电池充 放电盘及岸电箱。 1 1 2 船舶电站的特点及对其基本要求 由于船舶是一个孤立的活动于海洋上的独立体，使得船舶电站与陆上电力系统 相比有很大差异，主要有以下几个方面： 一、船舶电站容量较小 交通运输工程硕士论文 陆上电网容量般在几百万几千万k w ，单机容量大多数在数十万k w ，而 一般远洋船舶主电站大多安装三台发电机组，发电机单机容量为4 0 0 8 0 0 k w 。 由于船舶电站容量较小，而某些大负载容量可与单台发电机容量相比，所以当 这样的负载起动时对电网将造成很大的冲击( 电压、频率跌落均很大) ，因而对船 舶电力系统的稳定性提出了较高的要求。如船用发电机调压器和调速器的动态特性 与陆上发电机相比具有较高的指标要求。尤其重要的是：由于船舶工况变动十分频 繁，因此对电站自动化装置的可靠性提出了很高的要求。 二、船舶电气设备的： 作环境恶劣 船舶电气设备的工作条件比陆地恶劣得多，环境条件对电气设备的运行和工作 寿命有严重影响。当环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘加速老化。相对湿 度高则会使电气设各绝缘受潮、发涨、分层及变形等，使绝缘性能降低，并且会使 金属部件加速腐蚀，镀层剥落。盐雾的存在、霉菌的生长和油雾及灰尘粘结都能使 电气设备绝缘下降、工作性能受到影响。当船舶受到严重的冲击和振动时，也会造 成电气设备损坏、接触不良或误动作。由此可见，除了设计上必须满足“船用条件” 外，在船用电气设备的日常管理维护中必须采取一切措施保证船用电气设备的可靠 运行。 三、船舶发电设备与用电设备之间的距离较短，因此，在网络计算是，一般不 考虑连接电缆的阻抗。 1 2 船舶电站自动化系统简介 船舶电站是现代船舶的心脏。船舶电网失电会造成整船瘫痪，电站的可靠供电 是全船所有设备正常运行的必要条件。电站可靠供电的保证在技术上取决于电站的 控制系统及电站机组、发电机控制屏等方面。 12 1 船舶电站自动化系统的作用 船舶电站的控制在二十世纪七十年代后形成了功能齐全、性能稳定的由数字集 成电路与线性模拟集成电路组成的控制系统，如s i m e n s 公司的e e a 2 2 。八十年 代后，世界各国都先后研制由单板机或单片机组成的微机控制系统。由于船舶机舱 环境的恶劣，微机控制系统在防电磁干扰上或多或少存在一些问题，因此电站的微 机控制系统并没有被船电领域些著名企业所接受。九十年代p l c 控制系统的可靠 性已为世人所共识，到目前p l c 控制的电站、主机遥控、集中监测报警等系统已不 断地更新换代，船舶电站已形成了完善的船舶自动电力管理系统。 船舶自动电力管理系统的功能主要有： 4 交通运输一 程硕士论文 1 发电机组停机状态下的周期性预润滑。 2 发电机组的自动起动控制。 3 发电机组的自动并车操作。 4 并联运行中功率的自动分配、转移与电网频率的自动调整。 5 取决与负荷大小的发电机组运行台数管理。 6 大功率负荷投入管理。 7 发电机组自动、故障状态下解列、停机控制。 8 发电机组机、电故障的自动处理与报警及负载自动分级重合闸。 9 发电机的保护。 l o 运行状态显示及故障监视。 1 1 运行中系统给定参数的监视与修改。 1 2 2 船舶电站自动化系统的特点及要求 一、数字、模拟集成电路构成的自动电力管理系统 基于可靠性、灵活性及在控制系统局部发生故障时，从能最大限度保留自动控 制功能等情况出发，世界各生产厂家大都朝着模块化方向发展。随着模块与模块间 连接的构思不同，自动电力管理系统的结构具有不同的特点。 ( 1 ) 总体控制方式 总体控制单元相当于人的“大脑”，把来自各台发电机组的机、电信息及主开关、 汇流排与各大用户的必要信息给以综合分析、判断，然后发布相应命令，确保电力 系统安全、可靠切经济运行，保证供电质量。其树形结构方框图如图1 2 所示。 图1 2 总体控制型自动化电站结构方框图 由图可见总体控制单元与各子单元之间是苴接联系的，而各子单元间是互不相 圊三至互 交通运输工程硕l 论文 连。 ( 2 ) 积木块式 积木块式自动化电站主要由五种功能块组成，起结构框图如图1 - 3 所示。这些 功能块是以独立装置或模块形式出现的，主要是应用具有定程度的集成功能的模 拟技术和数字技术实现的。 图i - 3 积木块式自动化电站结构框图 二、基于微机或p l c 控制的自动电力管理系统 无论是微机控制的，还是p l c 控制的自动电力管理系统，系统结构形式大致也 可分成两大类。一类是由一套微机对整个电站进行控制，另一类是由每台发电机组 由一套p l c ( 或微机) 进行控制，为适合不同自动化程度要求的电站，也可在此基 础上再加套p l c ( 或微机) 进行并联运行总体控制。 系统配置是按每台发电机组一台p l c 、一块信号处理板，整个系统配一块电源 板，系统参数的在线监视与在线修改是通过p l c 的编程器实现的。 p l c 应用于船舶电站自动控制系统是实现船舶控制自动化的发展趋势，其运用 主要是在过程控制、仪器仪表、船舶电器的智能控制中，整个控制系统的应用环境差 别很大，这就要求它必须具有较强的抗干扰能力，能够在各种恶劣的环境下可靠地 进行监测、控制、显示及数据通信。提高p l c 控制系统可靠性已成为提高船舶电站 自动控制系统可靠性很重要的一个方面。 1 2 3 船舶电站自动化系统的发展趋势 从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制，集中式自动控制和集散 式自动化系统。单元自动化装置方面，m m f 自动并车装置，x e t 自动并车解列、 交通运输工程硕j 。论义 x o t 自动负荷分配装置及a v r 自动调压器等均已达到极高的可靠程度。 在单元器件自动化基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站 自动化系统。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电 站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于集中控制， 但故障的查找及维修较困难。分散控制对个设备模块分散控制，提高了系统的可靠 性和可维护性，但与无人机舱及集中管理的要求有一一定矛盾。目前船舶电站自动化 正朝着集散型自动化系统方向发展。它集中了集中型和分散型的优点，克服了它们 的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉堡大学等都进行了卓 有成效的研究。我国沪东造船厂研制的c d z 型电站自动化系统也运用了这一原理。 这类自动化系统在国内外船舶中的应用逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高， 功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系统的出现，使电站自动化开始进 入了一个全新时代。 1 3 船舶电站可靠i 生概述 技术设计和技术应用仅在一个方面保证了电站的可靠运行。显而易见的是自动 化程度越高就意味着影响维持满意的质量标准的能力的故障就越多。船舶电站运行 时出现的越来越多的故障具有严重的安全性后果，同时对其安全的标准正在迅速提 高。现代船舶正朝着大型化、自动化的趋势发展，而船舶管理人员的管理水平往往 落后于先进技术的发展。当他们面对功能复杂、设备繁多的自动化电站，常常对突 然来临的运行故障无从下手，造成停电、停机甚至船舶停航的局面，进而绘船舶的 安全和经济效益带来极大的损害。这就在船舶电站的运行管理上提出了与蛆往完全 不同的要求。 随着科学技术的发展，可靠性工程日益引起各行业和企业的重视。通过在产品 的研究、设计、制造、实验、运输、储存、建设安装、使用及维修等各个过程中实 施可靠性工程就意味着可以提高设备或系统的可靠性。对船舶电站的设各和装置应 用可靠性工程，可以让设备和装置在要求的寿命内不停地高效运转，降低发电成 本。 1 3 ，1 可靠性的概念和可靠性工程 可靠性是一个早已存在与人们生产和生活之中的基本概念。它是一个衡量系统 和产品质量及功能的重要指标。所谓可靠性，是指一个组件、设备或系统在预定的 时间内、规定条件下完成其设计功能的能力。量度可靠性特性的指标称为可靠度， 表示组件、设备或系统成功的概率。可靠度高，意味着寿命长，故障少，维修费用 交通运输t 程硕十论史 低；可靠度低，则意味着寿命短，故障多，维修费用高。 可靠性工作是一个涉及多种学科的复杂的系统工程，也是系统工程进行技术评 价的一个重要内容，通常称为可靠性工程，它贯穿于产品和系统的整个开发过程之 中。从时间顺序来看，包括了研究、设计、制造、实验、运输、储存、建设安装、 使用及维修等各个阶段；从产品和系统的形成来看，包括了原材料、元器件、零部 件、组件、设备及系统等各个环节；从工作内容来看，可靠性主要工作内容包括理 论、设计、标准、技术、教育、和管理的各个方面，其中技术又包括了设计、制造 工艺、使用与维护、实验评估与失效分析等；从：e 作性质来看，通常又分为可靠性 工厂技术与可靠性管理两个方面。 可靠性工程技术，就是为了使产品和系统达到可靠性要求而进行的有关设计、 制造、建设安装、实验、维修及保养等一系列工程技术工作；可靠性管理，就是从 系统的观点出发，对产品或系统全寿命周期中的各项可靠性工程技术活动进行规 划、组织、协调、控制与监督，以求实现既定的可靠性目标，并保持全寿命周期费 用最省。它是一切可靠性活动的领导和核心。 可靠性工程涉及到预测并避免各种故障以及评价故障发生后所生成本的活动。 可靠性工程具有三大特点，即实用性，科学性和时间性。实用性是指可靠性工 程从诞生之日开始就和工程实践紧密联系和结合，具有强大的生命力，科学性是指 可靠性工程有一套独特的科学的理论和方法：时间性是指可靠性存在于产品或系统 整个开发过程之中，不论设计、研究、制造、应用等各阶段都起作用，其中任何一 个阶段对可靠性问题考虑不周，都将对其整个阶段及过程产生影响。 1 3 2 船舶电站可靠性 所谓船舶站可靠性，就是可靠性工程的一般原理和方法与船舶电站工程问题相 结合的应用科学。船舶电站可靠性也包括船舶电站可靠性工程技术与可靠性管理两 个方面。所谓船舶电站可靠性工程技术，就是为了使船舶电站达到预定的可靠性要 求进行的设计、制造、建设安装、运行、实验、维修和保养等一系列工程技术活动。 所谓船舶电力系统可靠性管理，就是从船舶电站整体出发，按照一定的可靠性弱标， 对船舶电站全寿命周期中的各项活动进行规划、组织、协调、控制和监督，并保持 其费用最省的现代化船舶电力管理方法。 船舶电站可靠性的实质就是用最科学、最经济的方法，充分发挥发、配电设备 的潜力，保证向全船用电负荷不断供给质量合格的电能，从而实现全面的质量管理 和安全管理。因此，一切为提高船舶电站设备健康水平和安全经济运行的活动都属 于船舶电站可靠性工作的范畴，都是为了提高船舶电站可靠性水平所从事的服务活 交通运输工程坝 论文 动。 1 4 船舶电站可靠性工作的任务、内容和方法 船舶电站按电力生产过程及结构特性，一般分为发电、配电和控制系统等主要 环节。就其形成过程可分为规划、设计、制造、建设安装、运行、实验及维修等 几个方面。因此船舶电站可靠性的主要任务是，从船舶电站的各个主要环节出发， 结合其形成和发展的各个方面去研究船舶电站的故障( 丧失功能) 现象，制定定量 评价指标或准则，在协调可靠性与经济性、安全性的基础上，对船舶电站可靠性进 行控制和综合评价，并提出改进和提高可靠性水平的具体措旌，组织或协助有关部 门加以实现。 船舶电站可靠性的主要工作内容和工作方法，是按船舶电站各组成部分，把船 舶电站可靠性划分为发电系统可靠性、配电系统可靠性和自动控制系统可靠性，然 后根据各个环节不同的特点和要求，以及构成各个环节的组件和系统的结构特性、 运行特性和管理方式，研究和建立适当的可靠性指标及其获取计算的方法；寻求提 高组件和系统可靠性水平的途径；研究可靠性与经济性、安全性的协调配合；对组 件和系统进行可靠性的控制、监督和综合评价。 交通运输t 程顾士论文 第二章船舶电站可靠性分析常用的数学方法 2 1 故障树分析法 故障树分析法( f a u l t t r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 法，在核电站的安全分析、宇航、 交通、电子等工业已广泛应用，并取得良好的效果。 2 1 1 概述 故障树分析法的主要特点有： ( 1 ) 目标：全面查清引起故障的原因和事实真相，评价各种故障原因对系统故 障的影响程度并采取相应措施，切实地加以改进。 ( 2 ) 分析对象的选取标准：以重大故障作为分析对象，系统地整理故障发生的 原因及其因果关系。 ( 3 ) 分析方法概要：运用理论符号和逻辑推理对复杂的故障和危险逐个地、系 统地进行分析；找出原因及其问的因果关系；明确基本事件发生的概率和场合；晶 后求出系统发故障的概率。 ( 4 ) 分析的性质：对产品、装置、部件、系统的可靠性、安全性进行定性和定 量的分析。 ( 5 ) 预期效果： 根据已经明确的故障发生过程，判明可靠性、安全性方面存在的问题，找出需 要进一步研究的课题。 采取措施，如改进设计、加强工程管理、加强维修、充实部件备品、完善使用 说明等，切实防止故障发生。 防止可靠性坚定实验、故障分析等必要的实验项目、调研项目的遗漏。 保存和更新f t a 结果，使原有技术不断完善，并有效地灵活运用 21 2 故障树分析法的基本实施步骤 f t a 法的基本实施步骤包括：选取顶事件，建立故障树，求故障树的最小割集， 求出系统故障概率。 一、顶事件的选取： 顶事件就是最不希望发生的故障状态。它可以根据人们最关心的问题来选取， 但是下列几点需共同遵守： 交通运输工程碗上论文 1 顶事件发生与否必须有明确定义。 2 顶事假：必须能进一步分解，这样才能按顶事件发生的逻辑关系建立故障树。 3 顶事件能定量地度量。 根据以上原则，在船舶电站故障树分析法中，可以选取全船失电( b l a c k o u t ) 作为顶事件。 二、建立故障树： 这是故障树分析中最关键的一步。建立故障树实质上是找出系统故障和导致故 障的诸因素之间的逻辑关系，并将这种关系用特定的图形一故障树表示出来。这就 要求设计人员、生产现场人员、可靠性工作人员紧密合作。 三、定性评定故障树： 所谓定性评定故障树就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出 故障树的所有最小割集。 设给定的故障树r ，由所有集合b l ，b 2 ，丑。组成。， ， 此处 e = 口。x i ：，厶 是基本故障事件的集合。仅当这些基本故障事件同时发生时，顶 端事件才会发生，则称聩为故障树的一个割集。如有这样一个割集，从其中任意移 走个组件后，就不再是割集，则称这个割集为最小割集。从工程上讲，最d , n 集 表征了系统故障的充分和必要条件。将组成最小割集的基本故障事件的数目称为该 最小割集的阶数。 有两种求最小割集的方法： 1 下行法( 又称f u s s e l l v e s e l y 法) 这种方法的基本思路是从顶事件开始逐级向下，分别表示和区别不同逻辑关系。 2 上行法( 又称s e m a n d e s e s 法) 这种算法由下而上进行，利用集合运算规则进行简化。 四、故障树的定量评定： 若给定基本故障事件出现的概率，则可以定量地评定故障树顶事件z 出现的概 率。若已求出故障树最小割集嚣，b ：，置。，则当至少有一个最小割集出现时， 顶事件出现的概率为 rw、 p 妒 ：p u 占： ( 2 一1 ) 21 3 用结构函数描述网络系统 一、结构函数的定义 交通运输工程硕士论文 若系统s 由n 个组件组成，系统和组件都只有两个状态：正常和故障，分别用 1 ，0 表示。用焉表示细件i 的状态，则 x i = l表示组件i 在正常状态， 蜀= 0 表示组件i 在故障状态。 用巾b ) = 中b ，z ：，x 。) 表示系统的状态，则 巾( x l = l系统在正常状态， 由b ) = 0 系统在故障状态。 此时，称酬x 1 为系统s 的结构函数。 二、调结构系统和关联系统 记 ( 1 ：，x ) = ( z ，一，x ，。，o ，x 。，- 一，x ) ( o 。，z ) = ( x ，- 一，z ，一。，o ，z 。，一，石) ( ，z ) = 0 ，- ，x 。，工。，- ，z 。) 若 取任意值时，o 的值不变，即中( 1 ，x ) = 中( o ，x ) ， 个组件与结构m 无关，否则，则称第i 个组件与结构由有关。 ( 2 2 ) 对所有的( ；，工) 成立，则称第i 如果个结构，若中( o ) = 0 ，巾0 ) - - 1 ，以及对任意的x y ，有o g ) 垂( y ) ，则称 结构是单调的。这里m 中的自变量都是n 维向量，即 0 = ( 0 ，0 ) ：l = ( 1 ，1 ) f 0 l ，x n ) ；y = 0 1 ，y 。) ( 2 3 ) x y 表示相应分量戈。y 。，i = 1 ，n 如果一个结构或一个系统满足：中是单调的，而且每个组件是有关的，则称它为关 联结构或关联系统。 三、用结构函数描述系统 1 串联系统 中g ) = o ( _ ，x ：，矗) = 丌x ，= x 1 z ： ( 2 4 ) ，= l 工程的意义是，串联系统中必须每个组件正常，系统才正常。 2 并联系统 写成布尔代数的形式，结构函数为： m b ) = u - = x i u x ：u 吒 ( 2 _ 5 ) 1 = 1 写成普通代数形式，结构函数为： b ) = l i - ( 1 一j 。) = l 一( 1 一x 1 ) ( 1 x 2 ) ( 1 一x 。) ( 2 6 ) 交通运输工程坝。论文 工程意义是，并联系统中只要有一个组件 卜常，系统就正常。 2 2 马尔柯夫过程方法 马尔柯夫过程的理论在近代物理、生物学、管理科学、信息处理以及数字计算 方法等方面都有重要应用。 2 2 1 随机过程的概念 一、随机过程的定义 如果冒是随机实验，e 是一次随机实验的结果，s = f e ) 是它的样本空间，若对于 每一个ef f s ，可以根据某种规则确定一时问t 的函数。 预p ，f ) ，t 丁 ( 2 - 7 ) 与之相对应( t 是时间t 的变化范围) ，对于所有的口苫来说，就得到一簇时间f 的函数。称此簇函数为随机过程。为简便起见，通常省去式中的p ，用记号疆f ) 表 示随机过程。坝订在不同情况下有不同的意义。 1 对于特定的e ：s ，即一个特定的实验结果，幻是一个确定的样本函数。它 可以理解为随机过程的一次物理实现，以尬表示。 2 对于每个固定的时刻，例如t = t l 丁，凰f 1 ) 是一个随即变量。工程上有时 把 脚f 1 ) 称作随机过程敝r ) 在t = t 1 时的状态。因此，随机过程坦f ) 也可以理解为一 簇随机变量或随机变量的集合。随机过程的两种定义本质上是一样的，只是描述的 方式不同而已。在理论分析中经常采用第二种描述方式，在实际测量中往往采用第 一种描述方式，因而，这两种描述方式是互为补充的。 2 2 2 马尔柯夫过程 一个随机过程是由条件概率式所定义的。即： t 。：一，= p 【。_ ( ，= x i ) n n ( 瓦一，) 一般随机变量坝f ) 的条件概率与整个过程中t 以前的所有随机变量的取值有关。但 是有一类重要的随机过程却具有以下特殊的性质：如果集合( t l , t 2 。t ) 中的时刻按 次序f 1 t 2 t ， 0 是连续时间，离散状态空间s = 0 ，1 2 ，h ) 的齐次马尔柯夫 过程，所谓齐次是指 p x ( t + ) = j l x ( t ) = 站= 尸 ( ) = j l x ( o ) = f ) = p ( ) ( 2 8 ) 对于所有的i ，j s ， o 。 这些条件概率也称为转移概率。如果p 。与t 无关，而只于时间差值h 有关，则称之 为马尔柯夫过程是齐次的。而对于微小 = 4 t 的值，在齐次马尔柯夫过程中转移概 率为 p x ( t 十f ) = j l x ( t ) = f = p f ( f ) a p f a t ( 2 9 ) 和 p x ( t + ) = j l x ( t ) = i ) = p ( f ) “1 一p o a t ( 2 1 0 ) 其中p u a t 是已知过程在间隔开始时处于状态i 的条件下在a t 时期内状态不发生变 化的概率。q “和q i 是转移密度，它们的定义是 圹l i r a 。，掣r 考( 2 - 1 1 ) 口。：l i m ! 二竺! 丝( 2 - 1 2 ) q ，2 牌葛 在齐次马尔柯夫过程中，转移密度是常数。假定在某给定时刻过程处于状态 i ，则在下一个时间间隔a t 内，次过程或者从状态i 转移到状态j ，或者停留在原状 态。因此 珊a t + p 口( f ) = 1 ( 2 13 ) 因为 铲嬲_ 1 - p r 一( a t ) ：溉p , j ( a t ) ：善。 ( 2 _ ，。) 转移概率具有以下性质； p 。( a t ) o ，i ，j = 1 , 2 n 。 交通运输工程顿二l 论文 p ，( ，) = l p f ( f ) l j i = 1 ，2 , 3 ，i 3 转移概率p 。可形成矩阵，记为 p ( a t ) = p 】( a t ) p 2 ( a t ) p l2 ( f ) p 2 2 ( a t ) p ，。( a t ) p 2 。( a t ) p 。1 ( a t ) p 。2 ( a t ) p 。( a t ) ( 2 1 5 ) p ( a t l 称为转移概率矩阵，它是具有非负元素的方阵，每行元素之和为1 。其次，定 义转移密度矩阵a 如下： a = 一q lq 2 q 2 lq 2 q 。1吼2 吼。 9 2 。 ： 一吼 显然，9 口一q ，= 0 ，i = 1 ，2 ，n ，j 2 1 2 一，即矩阵每行的元素相加为零。 j ， 矩阵a 和p ( a t l 的关系可由下式给出： 爿：l i m ? ( a t ) - z f 斗o a f 式中，j 是单位矩阵，可写为 i = 1o 0 o1 o o o ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 2 2 3 应用马尔柯夫过程求可修复组件状态概率的一般方法 如果时问h = h l 柏2 ，那么根据全概率公式可将两个相邻时问间隔h 1 和 2 的转移 概率组合成对间隔h = h ，+ 2 的一个单一转移概率，即 p 口( ) = p ( ，) p 目( ：) ( 2 一1 9 ) 式中，求和是指状态空间中对所有状态k 进行的。式( 2 1 9 ) 称为卡普曼一哥莫 洛夫方程。p o ( ) 与h 以前所经历的状态无关。如果转移密度已知，则可以求出状 态概率。 交通运输_ c 程预七论文 记尸 x ( f ) = i = p i ( f ) ，若时刻t 的状态概率已知，则时刻f + ，时p o + f ) 可 按下式求得： p i ( f + a t ) = p i ( f ) 岛( f ) + p j ( f ) p ( a t ) ( 2 2 0 ) 因为 p x ( t + f ) = a x ( t ) = f 】= p h ( f ) 。p u a t ( 2 2 1 ) v x ( t + a t ) = l x o ) = f = p d ( a t ) “1 一p 口a t p ，o + f ) = p l ( t ) ( 1 - q f a t ) + p ( f ) p 口( f ) ( 2 2 2 ) 变形得： p , ( t + b a t ) - p j ( a t ) ：一只( f ) 吼+ z p , o ) 玑 a t j 取极限得： 黔l i r a 业号字