楊劍征（中國(guó)艦船研究院，北京 100192）

美國(guó)海軍艦船綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)發(fā)展研究

楊劍征
（中國(guó)艦船研究院，北京 100192）

介紹美國(guó)海軍艦船綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（ICAS）的發(fā)展情況，分析綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)及其新一代產(chǎn)品企業(yè)級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（eRM）的系統(tǒng)配置，最后對(duì)艦船綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

美國(guó)海軍；艦船；綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

0　引　言

為了對(duì)艦船推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全面有效的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障和接近發(fā)生故障的設(shè)備，降低艦船維修成本，節(jié)省維修人力和物力，美國(guó)海軍于 1995 年引入了水面艦船綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（ICAS），該系統(tǒng)可自動(dòng)采集與合成推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備和輔機(jī)的參數(shù)，能夠輕松完成設(shè)備的性能趨勢(shì)分析。ICAS 現(xiàn)已安裝到 100多艘美國(guó)海軍水面艦船上，在節(jié)省艦船維護(hù)費(fèi)用方面發(fā)揮了突出作用［1］。

1　ICAS 的系統(tǒng)配置

ICAS 可分為艦上分系統(tǒng)、岸基分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸鏈路三部分。這三者的作業(yè)關(guān)系，簡(jiǎn)言之，就是艦上分系統(tǒng)采集艦載設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)傳輸鏈路將數(shù)據(jù)從艦船發(fā)送到岸基分系統(tǒng)，岸基分系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)生成健康評(píng)估報(bào)告（IPARs），經(jīng)專(zhuān)家審查并給出維修建議后再通過(guò)傳輸鏈路發(fā)回艦上。

1.1艦上分系統(tǒng)

艦上分系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、配置數(shù)據(jù)集（CDS）和綜合電子技術(shù)手手冊(cè)［2］。一個(gè)典型的 ICAS艦上分系統(tǒng)組成包括 4～5 臺(tái)工作站、打印機(jī)、便攜式設(shè)備（手動(dòng)輸入，例如掌上電腦），自動(dòng)或在線的數(shù)據(jù)采集儀器和 1 臺(tái)光驅(qū)。每個(gè)主機(jī)艙室內(nèi)有 1 臺(tái)工作站（見(jiàn)圖 1），通過(guò)主動(dòng)式（光纖）局域網(wǎng)互聯(lián)起來(lái)，每臺(tái)工作站都有一個(gè)包含預(yù)檢信息的配置數(shù)據(jù)集（CDS）。

1）數(shù)據(jù)采集設(shè)備。設(shè)備采集數(shù)據(jù)可通過(guò)以下 3 種方式輸入 ICAS 系統(tǒng)：

① 數(shù)據(jù)總線可以通過(guò)與現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備的接口（數(shù)字復(fù)用系統(tǒng)/復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)接口）采集數(shù)據(jù)；

② 聯(lián)機(jī)的傳感器（通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集板卡）可以不斷地為 ICAS 提供數(shù)據(jù)；

③通過(guò)便攜式數(shù)據(jù)終端或便攜式數(shù)據(jù)分析器（掌上電腦）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的人工采集，再把數(shù)據(jù)加載至ICAS 系統(tǒng)。

2）配置數(shù)據(jù)集（CDS）。ICAS 的核心部分是 CDS。每臺(tái)工作站都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的 CDS，用于識(shí)別受監(jiān)控設(shè)備的容差和超差范圍。對(duì)原始數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析結(jié)果反映出對(duì)操作人員和維修人員有用的設(shè)備狀態(tài)信息。

3）綜合電子技術(shù)手冊(cè)（Integrated Electric Technique Manuals，IETMs），提供可自動(dòng)鏈接的維修建議，既可以瀏覽整個(gè)庫(kù)，又可以直接定位到合適的字段或卡片。

除了以上三部分，艦上分系統(tǒng)還包含了對(duì)諸如工程作業(yè)排序系統(tǒng)（EOSS）、計(jì)劃維修系統(tǒng)和綜合電子技術(shù)手冊(cè)這樣的數(shù)字后勤軟件的鏈接。

圖 1　典型 ICAS 系統(tǒng)的艦上分系統(tǒng)安裝示意Fig. 1　Typcial ICAS onboard installation illustration

1.2岸基分系統(tǒng)

岸基分系統(tǒng)主要包括維修工程庫(kù)服務(wù)器（MELS）、綜合性能分析報(bào)告（IPAR）、企業(yè)級(jí)性能分析報(bào)告（ePAR）［2］。

1）維修工程庫(kù)服務(wù)器（MELS）是關(guān)于 ICAS 數(shù)據(jù)/信息的一個(gè)通用的岸上數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)，其中的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以為未來(lái)維修提供借鑒，還可以獲得關(guān)于設(shè)備在海上環(huán)境工作的更好先驗(yàn)知識(shí)。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘螅捅惠斎?MELS 服務(wù)器，并通過(guò)先進(jìn)算法進(jìn)行計(jì)算，估算出已知設(shè)備故障模式，將信息與艦隊(duì)平均值做比較，并進(jìn)行設(shè)備故障模式狀態(tài)劃分。以上信息接下來(lái)被處理寫(xiě)入綜合性能評(píng)估報(bào)告（IPAR）中。對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的區(qū)域維修中心（RMC）和專(zhuān)職維修專(zhuān)家（SME）審查 IPAR 報(bào)告，并針對(duì)設(shè)備的故障模式提出特定的維修建議［3］。

2）綜合性能分析報(bào)告（IPAR）是一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的性能分析報(bào)告，可針對(duì)特定艦船表示受監(jiān)控艦載系統(tǒng)的健康狀況。

專(zhuān)職維修專(zhuān)家完成所有在用設(shè)備的 IPAR 報(bào)告審查后，各系統(tǒng)的 IPAR 報(bào)告被合并，并通過(guò)電郵發(fā)送到艦船和岸基的技術(shù)部門(mén)。目前，MELS 系統(tǒng)只針對(duì) 12類(lèi)系統(tǒng)生成 IPAR 報(bào)告，包括燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備和空氣壓縮機(jī)［3］。

此外，按照水面戰(zhàn)企業(yè)級(jí)（SWE）遠(yuǎn)程監(jiān)控（RM）排障組（BRT）指示，對(duì)于能夠使用電子郵件提交數(shù)據(jù)的艦船，區(qū)域維修中心（RMC）專(zhuān)職維修專(zhuān)家的審查環(huán)節(jié)被省去，艦船每周都能收到?jīng)]有專(zhuān)職專(zhuān)家維修建議的 IPAR 報(bào)告。

3）企業(yè)級(jí)性能分析報(bào)告（ePAR）是針對(duì)各型艦船使用的某個(gè)特定系統(tǒng)、面向全艦隊(duì)開(kāi)展的分析報(bào)告。

MELS 服務(wù)器還提供更高層次的分析，IPAR 故障模式信息可被處理寫(xiě)入企業(yè)級(jí)性能分析報(bào)告（ePAR）。IPAR 和 ePAR 報(bào)告的區(qū)別在于 IPAR 是針對(duì)特定艦船上的特定系統(tǒng)，而 ePAR 是針對(duì)所有艦船都安裝了的某型特定系統(tǒng)［3］。

ePAR 報(bào)告給出某一個(gè)故障模式在給定時(shí)間段之內(nèi)所占的時(shí)間百分比，這包括了安裝該特定系統(tǒng)的每艘船。該報(bào)告的意圖是提供可在識(shí)別整類(lèi)設(shè)備問(wèn)題中使用的企業(yè)級(jí)系統(tǒng)評(píng)估圖像。

1.3ICAS 數(shù)據(jù)傳輸鏈路

ICAS 數(shù)據(jù)傳輸方式包括電子郵件傳輸和人工傳輸2 種方式。對(duì)于具有相關(guān)無(wú)線通信設(shè)備（例如遠(yuǎn)距離支持 DS 2.0 系統(tǒng)）支持的艦船，ICAS 每天都能使用電子郵件將設(shè)備采集數(shù)據(jù)從艦船發(fā)送至由海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部艦船系統(tǒng)工程站（NSWC-CD SSES）維護(hù)的岸基維修工程服務(wù)器（MELS）。若艦船不具有以上收發(fā)電子郵件的能力，則必須每月將設(shè)備采集數(shù)據(jù)以光盤(pán)形式提交給岸基分系統(tǒng)［3］。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，ICAS 與遠(yuǎn)距離支持系統(tǒng)（DS 2.0）結(jié)合，使得實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控（eRM）成為可能。

2　eRM 的系統(tǒng)配置

企業(yè)級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控（eRM）系統(tǒng)是美國(guó)海軍基于狀態(tài)維修（CBM）的新一代軟件工具，其首次部署即是以一種獨(dú)特的方式集成到 DDG-1000 級(jí)驅(qū)逐艦架構(gòu)中，并將逐步在其他艦船中改裝［4］。eRM 與 DDG-1000的特殊機(jī)制保持了一定的獨(dú)立性，以不限制它在其他艦船上的應(yīng)用。為了降低全壽命周期的費(fèi)用，eRM 將采用 ICAS 相同的計(jì)劃，保持一種軟件程序在多類(lèi)型多級(jí)艦船上的通用性。

eRM 和其他一些傳統(tǒng)艦船上應(yīng)用的軟件均被集成到 DDG-1000 軟件包中。Wrapper 接口被開(kāi)發(fā)用于集成傳統(tǒng)軟件到 DDG-1000 環(huán)境中。eRM 集成采用該封裝器可保持其本身結(jié)構(gòu)完整性，并同時(shí)提供滿足 DDG-1000 任務(wù)所需的功能和集成（eRM 在 DDG-1000 上的作用主要是提供 CBM）。

Wrapper 接口為 eRM 系統(tǒng)接入到 DDG-1000 的任務(wù)戰(zhàn)備系統(tǒng)單元（EMRS）提供鏈接。通過(guò)該鏈接，eRM可以訪問(wèn)所需數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置、數(shù)據(jù)庫(kù)等。因此，本質(zhì)上，eRM 依附于 DDG-1000 的全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE）。從圖 2 可見(jiàn)，eRM 的功能局限，它的文件和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)均由 TSCE 維護(hù)。TSCE 對(duì) eRM 運(yùn)行的硬件有控制權(quán)。這種精簡(jiǎn)功能與傳統(tǒng)艦船上的系統(tǒng)相比變化很大，對(duì) eRM 來(lái)說(shuō)是極大的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)使 eRM 所需的其他固有功能能夠方便地應(yīng)用在傳統(tǒng)艦船中，保持與全艦計(jì)算環(huán)境的獨(dú)立性，減少 eRM 在傳統(tǒng)艦船中應(yīng)用所需的成本。

DDG-1000 中并未直接使用成熟的 ICAS，這是對(duì)DDG-1000 自動(dòng)化程度、傳感器數(shù)量重要性和采購(gòu)過(guò)程中 DDG-1000 的定位的綜合評(píng)估的結(jié)果。ICAS 如果集成到 DDG-1000 中，將會(huì)造成成本壓力并且不能提供理想的 CBM 功能。為此，主管 DDG-1000 項(xiàng)目的海上系統(tǒng)司令部 PMS-500 項(xiàng)目管理辦公室決定采用 ICAS 為 DDG-1000 開(kāi)發(fā)的 eRM。eRM 不僅可以為 DDG-1000和其他傳統(tǒng)艦船提供全艦環(huán)境可用的 CBM 工具，也可以允許 DDG-1000 利用 eRM 提供所需的岸基支持以減少艦員數(shù)量。

DDG-1000 上集成的 eRM 不是完整版本，只是包含任務(wù)所需的最小組件組合，其中包括 PMS-500 所需的艦船航空試驗(yàn)所需的單元。eRM 建立的框架將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)、增強(qiáng)的性能分析、自動(dòng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、拓展的登入功能、傳感器計(jì)算分析等功能。未來(lái)艦上和岸基自動(dòng)化工具的開(kāi)發(fā)將更注重?cái)?shù)據(jù)訪問(wèn)速度的提升和與艦上軟件應(yīng)用交互性的增強(qiáng)。

3　ICAS 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái) ICAS 系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)可大致分為以下兩點(diǎn)：

1）eRM 將逐漸取代原有 ICAS 系統(tǒng)。eRM 在 DDG-1000 上應(yīng)用后，將在已經(jīng)安裝有 ICAS 系統(tǒng)的 90余艘艦船上對(duì) ICAS 系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng) eRM，如改進(jìn) ICAS 的數(shù)據(jù)接口以適應(yīng)在不同級(jí)別艦船上不同數(shù)據(jù)源的通信。eRM 開(kāi)發(fā)者將可利用原有 ICAS 軟件代碼來(lái)保證成本的可控。改進(jìn)后，eRM 將可以提供更多的功能，如在初始版本 eRM 中已增加的基于瀏覽器的訪問(wèn)、艦上性能分析和自主健康監(jiān)控等。

2）eRM 的發(fā)展目標(biāo)不僅僅局限于一個(gè)軟件應(yīng)用，而是要為艦隊(duì)和岸基活動(dòng)實(shí)現(xiàn)一系列功能，以支持 CBM的開(kāi)展。水面戰(zhàn)企業(yè)認(rèn)為艦隊(duì)的 CBM 需求是最高層次的需求。eRM 借助現(xiàn)有的在役工程部門(mén)（ISEA）的專(zhuān)職專(zhuān)家（SME）和區(qū)域維修中心（RMC）團(tuán)隊(duì)來(lái)為艦上和岸基提供可用的自動(dòng)化工具。這些自動(dòng)化的專(zhuān)家提供更快和更節(jié)約成本的診斷和故障隔離信息。SME的職責(zé)因此更加著重于上艦前更快更準(zhǔn)確地隔離故障。

eRM 將對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和內(nèi)容采用公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)。CBM 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)架構(gòu)是基于運(yùn)行和維護(hù)信息開(kāi)放系統(tǒng)聯(lián)盟（MIMOSA）標(biāo)準(zhǔn)，允許第三方進(jìn)行補(bǔ)充功能的接入。eRM 將支持過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)（OPC）和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）進(jìn)行數(shù)據(jù)合并。

對(duì)于 eRM 的使用訓(xùn)練，遵循美國(guó)防部關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目的發(fā)展方向，可利用現(xiàn)有 ICAS 項(xiàng)目的核心培訓(xùn)設(shè)備的進(jìn)行基礎(chǔ)課程的合并學(xué)習(xí)。ICAS 長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，在艦上和岸基分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)新的方案非常重要。隨著 eRM 逐漸成熟，將具備向外部軟件應(yīng)用提供數(shù)據(jù)的功能，該能力對(duì)海軍故障預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘、燃油有效作用力、系統(tǒng)健康和性能監(jiān)控意義重大。

［1］DIULIO M. ICAS and remote monitoring informational brief［EB/OL］. （2015-02-25）. http：//slideplayer.com/slide/ 4462520/.

［2］PEREZ I，DIULIO M，MALEY S，et al. Structural health management in the NAVY［J］. Structural Health Monitoring，2010，9（3）：199-207.

［3］BRIAN F. Remote monitoring of shipboard machinery［J］. Sea Frame，2007，3（2）：16-18.

［4］CHIN H，DIULIO M，HALPIN R，et al. Enterprise remote monitoring-built for the DDG 1000 class with commonality in mind［C］//Intelligent ships symposium VIII symposium proceedings. Philadelphia PA，USA：Drexel University's Bossone Research Center，2009：1540-1605.

Research on the development of the US navy's integrated condition assessment system

YANG Jian-zheng
（China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China）

The paper first reviews the development of the US navy's integrated condition assessment system. And then，this paper analyzes the configurations of the integrated condition assessment system and a new product named Enterprise Remote Monitoring which has been developed from it separately. Finally，development trends in the integrated condition assessment system technology are discussed.

US navy；ship；integrated condition assessment system

E23

A

1672 - 7619（2016）08 - 0146 - 03

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.031

2016 - 06 - 22

楊劍征（1980 - ），男，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。