楊 明

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引 言

故障模式影響與危害度分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)方法于20世紀(jì)50年代初起源于美國(guó),通過(guò)對(duì)系統(tǒng)每個(gè)部件所有可能產(chǎn)生的單點(diǎn)故障模式的故障等級(jí)、發(fā)生概率及其對(duì)系統(tǒng)的影響和危害度進(jìn)行分析，指導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)。FMECA能使研發(fā)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始采取必要的措施，避免未來(lái)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，降低產(chǎn)品研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

目前海運(yùn)已成為我國(guó)進(jìn)口礦物的重要運(yùn)輸方式，船舶載運(yùn)的精銅礦和鎳礦等礦物為易流態(tài)化貨物，液態(tài)化之后會(huì)對(duì)船舶的穩(wěn)性產(chǎn)生很大影響，極易引發(fā)海運(yùn)事故[1]。對(duì)此，研發(fā)一種礦砂運(yùn)輸船礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在礦砂運(yùn)輸船上部署該系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)液化水平評(píng)估和液化狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，改變以往礦砂運(yùn)輸船航行期間，海員定時(shí)到貨艙觀察礦砂液化情況的工作方式，降低海員工作的危險(xiǎn)性，提高船舶運(yùn)行的安全性。同時(shí)，礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障可能會(huì)給船舶安全航行帶來(lái)一定的影響，例如顯示錯(cuò)誤信息導(dǎo)致海員操縱錯(cuò)誤，危及船舶的安全航行等。由此，本文對(duì)礦砂運(yùn)輸船礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行FMECA研究，分析可能危及船舶安全航行的故障點(diǎn)，提出應(yīng)對(duì)措施和改進(jìn)方案，從而降低系統(tǒng)故障對(duì)船舶安全航行的影響。

本文在解構(gòu)礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和功能的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備的可靠性、嚴(yán)酷度、故障發(fā)生概率、故障發(fā)生原因、故障影響、設(shè)計(jì)改進(jìn)方案和補(bǔ)償措施等內(nèi)容進(jìn)行分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)不會(huì)對(duì)船舶和船員造成損害，滿(mǎn)足船舶設(shè)備的安全性要求。

1 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)功能

礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝在散貨艙壁上的傳感器對(duì)礦砂的含水率、艙體壓力和艙體應(yīng)力進(jìn)行感知，自動(dòng)監(jiān)測(cè)并預(yù)報(bào)艙內(nèi)礦砂的液化情況，為船舶操縱提供參考建議，減輕船員的工作負(fù)擔(dān)，提高船舶的安全性。

1.2 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦砂的含水率，對(duì)礦砂液化的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)；同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)貨艙壁的壓力和應(yīng)力，對(duì)礦砂液化的過(guò)程進(jìn)行間接觀測(cè)。礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由含水率傳感器、礦砂壓力傳感器、船體應(yīng)力傳感器、智能網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心和顯示工作站組成，其中1個(gè)貨艙共安裝有6臺(tái)含水率傳感器、6臺(tái)礦砂壓力傳感器和6臺(tái)艙體應(yīng)力傳感器，分別布置在貨艙底部、中部和上部的艙壁上，具體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意

1) 含水率傳感器1～6：含水率傳感器用于測(cè)量礦砂與艙體表面的含水率，采樣信號(hào)通過(guò)通信鏈路傳輸至數(shù)據(jù)中心和顯示工作站。

2) 艙體壓力傳感器1～6：艙體壓力傳感器用于測(cè)量礦砂對(duì)艙體表面的壓力，采樣信號(hào)通過(guò)接線(xiàn)箱傳輸至運(yùn)算顯示模塊。

3) 艙體應(yīng)力傳感器1～6：艙體應(yīng)力傳感器用于監(jiān)測(cè)礦砂對(duì)艙體表面應(yīng)力的影響，采樣信號(hào)通過(guò)接線(xiàn)箱傳輸至運(yùn)算顯示模塊。

4) 智能網(wǎng)關(guān)：系統(tǒng)的3塊智能網(wǎng)關(guān)分別安裝在貨艙頂部、中部和底部的接線(xiàn)箱中，負(fù)責(zé)將接入的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)并傳輸至交換機(jī)中。

5) 交換機(jī)：所有艙室的智能網(wǎng)關(guān)經(jīng)交換機(jī)與數(shù)據(jù)中心和顯示工作站相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效交互。

6) 數(shù)據(jù)中心：數(shù)據(jù)中心用于存儲(chǔ)傳感器上傳的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)輸出的運(yùn)算結(jié)果。系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，設(shè)置2臺(tái)互為熱備份的數(shù)據(jù)中心，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

7) 顯示工作站：顯示工作站由高性能計(jì)算機(jī)和顯示器構(gòu)成，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器測(cè)量值顯示和礦物液化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)智能評(píng)估等功能。

1.3 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)約定層次

在對(duì)系統(tǒng)實(shí)施FMECA時(shí)，應(yīng)明確分析對(duì)象，即明確約定層次的定義，以便分析單點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)對(duì)上一層次的影響[2-3]。由于不同礦砂運(yùn)輸船的艙室數(shù)量一般不同，為便于分析，本文僅以單艙室系統(tǒng)為例進(jìn)行FMECA研究。礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初始約定層次為礦砂運(yùn)輸船，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能層次和結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系

為便于描述系統(tǒng)各功能單元實(shí)現(xiàn)的功能和層次關(guān)系，進(jìn)而逐層分析故障模式產(chǎn)生的影響，繪制礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系框圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系框圖

1.5 系統(tǒng)功能框圖繪制

為描述系統(tǒng)各功能單元之間的關(guān)系和功能邏輯順序，繪制礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖(見(jiàn)圖4)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)礦砂的含水量、壓力和貨艙壁的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦砂液化狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

圖4 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖

1.6 任務(wù)可靠性框圖繪制

為便于分析各功能單元的故障對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，根據(jù)圖4繪制系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖(見(jiàn)圖5)。礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中3個(gè)智能網(wǎng)關(guān)及與其連接的傳感器、交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心和顯示工作站各自構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有較高的可靠性，即某一功能單元失效不會(huì)造成系統(tǒng)功能完全喪失。

圖5 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

2 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FMECA

2.1 嚴(yán)酷度定義

在進(jìn)行故障影響分析之前，應(yīng)對(duì)故障模式的嚴(yán)酷度進(jìn)行定義和分類(lèi)。根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)的功能和精度，對(duì)船舶的影響程度或人員的傷亡，確定其嚴(yán)酷度，分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嚴(yán)酷度定義和分類(lèi)

2.2 FMECA表格填寫(xiě)

根據(jù)礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能層次與結(jié)構(gòu)層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系、系統(tǒng)功能框圖和任務(wù)可靠性系統(tǒng)框圖，對(duì)系統(tǒng)的故障模式、影響和危害性進(jìn)行分析[4]。根據(jù)每個(gè)故障模式出現(xiàn)概率的大小將故障模式分為A、B、C、D和E等5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FMECA表見(jiàn)表3。

表2 故障模式等級(jí)劃分

2.3 危害性矩陣圖繪制

根據(jù)礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FMECA結(jié)果，繪制礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障的危害度矩陣(見(jiàn)圖6)，從中可看出危害度等級(jí)最高為IIID。

表3 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FMECA表

圖6 礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障的危害度矩陣

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦砂液化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障模式、影響和危害度進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

1) 系統(tǒng)出現(xiàn)最嚴(yán)重的單點(diǎn)故障為01-1，危害度為IIID，不會(huì)出現(xiàn)致命性及更嚴(yán)重的故障，不會(huì)對(duì)船舶和船員造成損傷，滿(mǎn)足系統(tǒng)的可靠性要求；

2) 為保證系統(tǒng)可靠工作，信息平臺(tái)智能工作站、交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)；

3) 故障01-1、01-2、02-1和02-2都可能引起監(jiān)測(cè)精度下降，需引起重視，應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)償措施。