Диагностические модули системы поддержки принятия решений для танкеров-газовозов

DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-15-21 УДК 656.612

А. И. Епихин

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ТАНКЕРОВ-ГАЗОВОЗОВ

Рассмотрена принципиально новая система поддержки принятия решений для танкеров-газовозов. Отличительной особенностью является принцип построения контрольно-аналитической системы, следящей не только за значениями контролируемых параметров, но и за их динамикой. Раскрываются принципы построения данной системы, ее логическая структура, физический уровень реализации, а также подробно описаны диагностические модули для главной энергетической установки, грузовой системы, корпуса судна, навигацион-но-метеорологической системы и ряда дополнительных судовых технических средств, обеспечивающих безопасность при эксплуатации судов в различных климатических районах.

Ключевые слова: система поддержки принятия решений, диагностика судовых технических средств, предотвращение аварийных ситуаций, сбор информации, диагностический модуль.

Введение

В рамках статьи рассматривается система поддержки принятия решений (СППР) для танкеров-газовозов, предназначенная для повышения безопасности эксплуатации судна в целом и судовых технических средств (СТС) в частности за счет автоматизированной обработки диагностической и аналитической информации и формирования рекомендаций судоводителю для принятия оперативных решений в условиях больших потоков информации.

Уникальность разработанной системы заключается в возможности ее универсального применения на танкерах вне зависимости от типа силовой установки, дедвейта, конструкции грузовой системы, районов плавания и прочих существенных особенностей судов. Также данная система может быть адаптирована для использования на судах других типов.

Существенным недостатком современных систем управления комплексами СТС является отсутствие возможности контроля за динамикой наблюдаемых показателей, при этом сигнализация о выходе значений параметров из допустимых диапазонов срабатывает в то время, когда эти значения уже близки к критическим и возможности реализации превентивных мероприятий исчерпаны.

Основной отличительной особенностью разработанной СППР является метод контроля параметров, при котором анализируются не только фактические значения контролируемых показателей, но и их динамика, что позволяет на ранних стадиях выявлять вероятность опасных и аварийных ситуаций и вырабатывать меры по их предотвращению. Также в состав СППР включена самообучаемая база данных взаимных сочетаний различных параметров, позволяющая выявить зарождение неблагоприятных ситуаций на основании накопленного ранее опыта эксплуатации.

Структура системы поддержки принятия решений

Рассматриваемая СППР представляет собой программно-аппаратный комплекс для автоматизированного сбора, обработки и визуализации различной диагностической информации и технологических параметров СТС. С точки зрения архитектуры СППР в минимальном исполнении состоит из 3-х блоков - диагностического, контрольно-аналитического и визуализационного.

Функциональная схема предлагаемой системы приведена на рис. 1.

Система объединяет контрольно-диагностические инструменты для каждого СТС в режиме реального времени, осуществляя непрерывный сбор информации о значениях контролируемых параметров, которые, в свою очередь, передаются в соответствующие модули обработки данных.

/ Судовые технические \ средства

Интерфейсный модуль

I

Модуль выявления отклонений параметров

X

Стандартная ситуация Блок определения характера отклонения параметров — Нестандартная ситуация

г

База данных —> Логический модуль выбора решения 4— Интеллектуальный модуль

Модуль индикации для оператора

Рис. 1. Функциональная схема системы поддержки принятия решений

На физическом уровне реализация СППР предполагает ряд интерфейсных модулей для сбора диагностической информации с СТС, программные модули для первичной обработки диагностической информации и выполнения контрольно-аналитических функций на базе персонального компьютера, а также блок визуализации, реализуемый с использованием графических и звуковых индикаторов в рубке.

Принцип физической реализации СППР проиллюстрирован на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема физической реализации предлагаемой системы поддержки принятия решений

Для современных СТС, оборудованных встроенными средствами самодиагностики и контроля основных параметров протекающих технологических процессов, подсистема сбора информации представляет собой проводные или беспроводные каналы связи между СТС и блоком обработки информации с использованием аппаратных средств ввода данных (преобразователей

интерфейсов). Для СТС, не оборудованных или частично оборудованных встроенными средствами сбора диагностической информации, используются дополнительные измерительные преобразователи и датчики, при необходимости объединяемые с помощью специальных контроллеров, которые также подключаются к централизованной системе ввода данных в СППР.

Реализация программной части СППР, в целях обеспечения универсальности ее применения, реализуется на базе специализированных программных комплексов (LabVIEW, МЛТЪАВ^тиИпк и пр.), при этом предпочтение автором было отдано комплексу Simulink ввиду расширенных возможностей по построению контрольно-аналитических средств за счет использования встроенного функционала данного программного обеспечения.

Принцип функционирования системы поддержки принятия решений

Диагностические модули выполняют функции сбора первичной информации от измерительных преобразователей и встроенных контрольных систем судового оборудования и формируют выходные сигналы по следующему принципу (группе состояний):

- «А»: работа системы в норме;

- «Б»: в работе системы есть незначительные отклонения;

- «В»: в работе системы есть значительные отклонения;

- «Г»: опасная или предаварийная ситуация;

- «Д»: критическая ситуация.

Диагностические модули передают значения текущих параметров в контрольно-аналитический блок, функционирующий в соответствии с задаваемыми алгоритмами точной и нечеткой логики, который содержит самообучаемую базу данных опасных ситуаций и модуль математического моделирования параметров СТС, позволяющие на ранних стадиях выявлять развитие неблагоприятных ситуаций.

В ситуациях по варианту «А» индикация, минуя блок логики, отображается непосредственно оператору. В случае необходимости значения каждого контролируемого параметра могут индицироваться отдельно.

В случаях по варианту «Б» индикация осуществляется аналогичным образом, но на блок логики и интерфейсные модули подаются сигналы о повышении частоты сбора информации для оперативного контроля. Также диагностический модуль в таких случаях может отображать значения параметров, не находящихся в норме (например, двигатель не прогрет до рабочей температуры). При индикации по группе «Б» судоводитель оповещается о несоответствии конкретных значений параметров и величине такого несоответствия.

В случаях по варианту «В» осуществляется индикация оператору и обработка полученных данных в соответствии с алгоритмами блока логики (логические таблицы и модуль нечеткой логики), в результате чего оператору последовательно выдаются рекомендации принять управляющее решение (по принципу «Да» - «Нет»), которые оператор последовательно либо принимает, либо отклоняет, в результате чего в режимы функционирования систем вносятся соответствующие изменения и при переходе к группе «Б» запросы оператору прекращаются.

В случаях задержки оператора с выбором или при некорректном выборе управляющих воздействий, при переходе к группе ситуаций «Г», блок логики осуществляет автоматический выбор и направление соответствующего управляющего воздействия в систему, характеризующуюся отклонениями.

При ситуациях по варианту «Д» происходит автоматизированный перевод соответствующих СТС в аварийный режим либо их остановка.

Принцип алгоритма функционирования разрабатываемой СППР приведен на рис. 3. В примере приведены основные СТС, при этом в реальных системах состав контролируемых СТС может быть произвольным, поскольку определяется в зависимости от типа судна, используемого оборудования и районов плавания.

Внутренние факторы " пг ~ Внешние факторы I

Главная энергетическая установка, МЕР

t

Вспомогательные СТС, АМН

динамика

прогноз

норм .

конец

не норм

Грузовая система CS

динамика

прогноз

J

норм ^

конец

не норм

Метеорологическая обстановка МЕ

zt

динамика

прогноз

норм . конец не норм

Навигационная обстановка NAV

динамика

прогноз

J

норм  конец не норм

динамика

прогноз

норм не норм

Движение во льдах

Б

-L

конец

динамика

прогноз

^ норм конец не норм

Уточнить прогноз

ME, NAV и IS, предложить другой режим МЕР

Уточнить состояние, временно отключить или сменить режим

Изменить режим

работы, корректировать режим МЕР

Уточнить прогноз, корректировать NAV и МЕР

Уточнить прогноз ME,

корректировать МЕР и СБ

Уточнить прогноз

МЕ и NAV корректировать маршрут и МЕР

Рис. 3. Пример алгоритма функционирования системы поддержки принятия решений

В последние десятилетия существенно возрос интерес научной общественности к исследованию и применению нейросетевых методик в построении диагностических средств для сложных технических систем [1]. В контексте разработки СППР использование нейросетевых методов представляется перспективным, особенно в части построения аналитических модулей, качество функционирования которых в части распознавания опасных ситуаций и выработки соответствующих превентивных управляющих воздействий могло бы значительно повыситься за счет использования алгоритмов нечеткой логики. Использование самообучаемых нейросетевых аналитических систем позволяет более широко адаптировать используемые инструментальные диагностические средства для повышения безопасности эксплуатации СТС.

Модуль диагностики главной силовой установки

Наиболее простым в реализации является диагностический модуль главной силовой установки (главного двигателя (ГД)), поскольку большинство судовых двигателей оснащено эффективными системами самодиагностики и контроля параметров. Для разработанной СППР диагностический модуль ГД не только обеспечивает трансляцию параметров со встроенных систем, но и включает в себя дополнительные средства диагностики: вибродиагностику, диагностику по составу отработанных газов (ОГ), температурную диагностику, акустическую диагностику, а также перспективное решение, использующееся на сегодняшний день преимущественно в авиационной технике - трибодиагностику, т. е. диагностику узлов механических систем по составу примесей в масле.

Наибольшие организационные затруднения вызывает реализация диагностических систем, выполняющих функции анализа состава смазочно-охлаждающих жидкостей в непрерывном режиме. Необходимость использования таких средств обусловлена широкими диагностическими возможностями, позволяющими получать оперативную информацию не только о наличии зарождающихся дефектов в узлах трения, но и о степени интенсивности таких процессов и их локализации [2]. В настоящее время такое оборудование, работающее в режиме реального времени, большого распространения не получило ввиду различных сложностей технической реализации, поскольку технологический процесс анализа требует большого количества операций и дорогостоящего оборудования, однако существует ряд разработок [2, 3], позволяющих реализовать такие системы в условиях судна.

Модуль диагностики грузовой системы

Для грузовых систем танкеров, задействованных в перевозке сжиженных газов, одним из наиболее важных параметров, оказывающих влияние на безопасность эксплуатации, является состояние грузовой системы. В функции данного модуля входят измерение температуры в различных точках грузовой системы, давления груза, концентрации испарившихся газов, а также включение систем повторного сжижения или открытие аварийных клапанов сброса давления.

При перевозке морем на опасный груз действует множество неблагоприятных внешних факторов, наиболее опасными из которых являются динамические и температурные нагрузки. Для сжиженных газов, перевозимых при низких температурах, характерны опасные явления «провала температурных слоев» [4], ввиду чего возникает необходимость в периодическом задействовании систем перемешивания груза. Необходимость активации таких систем определяется с помощью модуля диагностики грузовой системы.

Модуль диагностики состояния корпуса судна

Диагностический модуль состояния корпуса судна предназначен для сбора информации о состоянии силовых конструкций и их деформациях, вызванных внешними и внутрисудовыми динамическими воздействиями. Система сбора информации для такого модуля представляет собой совокупность измерительных преобразователей механических напряжений (резистивных или волоконно-оптических), позволяющих получить фактические данные о механических напряжениях в контрольных зонах корпуса, а также систему лазерных теодолитов внутри и снаружи корпуса судна, осуществляющих измерения пространственного положения контрольных точек относительно судовой системы координат, что позволяет измерять деформации корпуса судна и выявлять их сверхнормативные значения.

Реализация данной системы позволяет на ранних стадиях выявлять опасные напряжения и деформации в различных зонах корпуса судна, особенно вызванные волнением или движением во льдах, и своевременно принимать меры по их минимизации, что положительно сказывается на продлении срока эксплуатации корпуса и позволяет избежать механических повреждений.

Модуль навигационно-метеорологической обстановки

При реализации разрабатываемой СППР наибольшую сложность представляет включение в систему модулей контроля навигационной обстановки и метеорологической информации, поскольку такие данные являются трудно формализуемыми и не предполагают унифицированных протоколов обмена данными с другими техническим средствами судового мостика.

Для наиболее полного учета навигационной информации представляется целесообразным использовать возможности программного комплекса Quastor или аналогов, которые позволяют осуществлять экспорт данных в рассматриваемую СППР в полностью автоматизированном режиме с использованием протокола обмена данными AIS.

Следует отдельно отметить модуль автоматизированного контроля параметров движения судна, определяющихся волнением, курсом и скоростью. Измерение параметров волнения осуществляется с помощью судовой радиолокационной станции в Х-диапазоне, параметры качки определяются посредством специализированной инерциальной системы по результатам измерения угловых и линейных перемещений, ускорений и вращений.

При наличии штатного инерциального измерительного модуля (Inertial Motion Unit, IMU), построенного с использованием гироскопических датчиков и измерительных преобразователей, наиболее целесообразным решением будет подключение его к СППР вместо штатных средств отображения информации, поскольку контроль параметров в таком случае осуществляется в полностью автоматизированном режиме с формированием сообщений только при идентификации неблагоприятной динамики, что позволяет снизить нагрузку на судоводителя. Обработка данных измерений осуществляется путем использования алгоритмов рекурсивного дооценива-ния состояния объекта (фильтра Калмана) [5].

Дополнительные диагностические модули

В зависимости от состава СТС и особенностей эксплуатации конкретного судна в состав СППР могут быть включены различные дополнительные диагностические модули. Например, при значительном разбросе географических широт в маршрутах переходов судна представляется целесообразным использовать модуль контроля температуры, позволяющий отслеживать колебания температурных режимов системы охлаждения двигателя, системы питания ДВС воздухом, а также температуру выхлопных газов, что особенно важно при эксплуатации систем утилизации тепла ОГ. Также контроль температуры ОГ, совместно с системой охлаждения и питания воздухом, позволяет выявлять отклонения в режимах работы цилиндров ГД.

При эксплуатации судов в условиях ледовой обстановки, что важно для новых танкеров российского производства, задействованных в проектах «Ямал» и «Сахалин», представляется целесообразным использование дополнительного контрольно-диагностического модуля для режима движения во льдах, функционирующего совместно с модулем диагностики состояния корпуса судна, что в результате позволит оптимизировать режимы движения с учетом минимизации нагрузок на корпус судна и снижения расхода топлива.

При эксплуатации судов в условиях низких температур необходимо использовать контрольный модуль для систем оледенения судна, позволяющий на ранних стадиях принимать эффективные меры для предотвращения накопления ледяных масс на корпусе, например, за счет корректировки режимов движения или превентивной обработки корпуса антиоледенитель-ными реагентами.

Заключение

Разработанная система поддержки принятия решений строится на принципиально новых подходах к диагностике судовых технических средств и раннему выявлению неблагоприятных ситуаций, что позволяет судоводителю принимать своевременные меры для их предотвращения. Универсальность применения системы обеспечивается за счет использования модульной архитектуры и гибких программных средств.

Контроль расширенного перечня параметров технологических процессов СТС и судна в целом позволяет в наибольшей степени реализовать меры, направленные на обеспечение безопасной эксплуатации судна как объекта повышенного риска. Использование в составе системы алгоритмов нечеткой логики и самообучаемой базы данных позволяет выявить и предотвратить негативные последствия большинства опасных ситуаций, связанных с эксплуатацией судна.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Горева Т. И., Порнягин Н. Н., Пюкке Г. А. Нейросетевые модели диагностики технических систем // Вестн. КРАУНЦ. Физико-математические науки. 2012. № 1. С. 31-43.

2. Борисенко А. Н., Обод П. С., Лавриненко О. В. Современные системы и средства контроля технического состояния дизельных двигателей // Автоматика та приладобудування: сб. науч. тр. Харьков: Вестн. НТУ ХПИ. 2008. № 56. С. 26-33.

3. Равин А. А. Диагностическое обеспечение судового энергетического оборудования: проблемы и решения: дис. ... д-ра техн. наук. СПб.: 2015. 385 с.

4. Петухов В. А. Безопасность и эксплуатация газовозов. М.: Элмор, 1999. 128 с.

5. Вагущенко Л. Л., Вагущенко А. Л., Заичко С. И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. Одесса: Феникс, 2005. 272 с.

Статья поступила в редакцию 01.02.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Епихин Алексей Иванович — Россия, 353918, Новороссийск; Государственный морской университет им. адмирала Ф. Ф. Ушакова; канд. техн. наук; доцент кафедры судовых тепловых двигателей; bsmbeton@mail.ru.

A. I. Epikhin

DIAGNOSTIC MODULES OF DECISION SUPPORT SYSTEMS FOR GAS TANKERS

Abstract. The article presents the entirely new decision support system for gas carriers. A distinctive feature of the system is the principle of creation of the control analytical system watching not only the values of controlled parameters, but also their dynamics. The article describes the principles of the system construction, its logical structure, physical level of implementation, as well as diagnostic modules for the main propulsion plant, cargo system, the hull of the vessel, navigation and meteorological system, and a number of other technical resources ensuring safety of the ships sailing in different climatic conditions.

Key words: decision support system, diagnostics of ship technical means, accident prevention, data collection, diagnostic module.

REFERENCES

1. Goreva T. I., Porniagin N. N., Piukke G. A. Neirosetevye modeli diagnostiki tekhnicheskikh sistem [Neural network models for troubleshooting engineering systems]. Vestnik KRAUNTs. Fiziko-matematicheskie nauki, 2012, no. 1, pp. 31-43.

2. Borisenko A. N., Obod P. S., Lavrinenko O. V. Sovremennye sistemy i sredstva kontrolia tekhnich-eskogo sostoianiia dizel'nykh dvigatelei [Modern systems and tools of monitoring technical condition of diesel engines]. Avtomatika ta priladobuduvannia: sbornik nauchnykh trudov. Kharkov, Vestnik NTU KhPI, 2008, no. 56, pp. 26-33.

3. Ravin A. A. Diagnosticheskoe obespechenie sudovogo energeticheskogo oborudovaniia: problemy i resheniia. Dis. ... d-ra tekhn. nauk [Diagnostic assurance of marine power plants: problems and solutions. Diss. Doc. Tech. Sci.]. Saint-Peterburg, 2015. 385 p.

4. Petukhov V. A. Bezopasnost' i ekspluatatsiia gazovozov [Gas carrier operation safety]. Moscow, Elmor Publ., 1999. 128 p.

5. Vagushchenko L. L., Vagushchenko A. L., Zaichko S. I. Bortovye avtomatizirovannye sistemy kontrolia morekhodnosti [On-board automated seaworthiness control systems]. Odessa, Feniks Publ., 2005. 272 p.

The article submitted to the editors 01.02.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Epikhin Alexey Ivanovich - Russia, 353918, Novorossiysk; Admiral üshakov Maritime State University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Marine Heat Engines; bsmbeton@mail.ru.