大型船舶动力系统故障预测理论与健康管理技术

Closely around the national maritime power strategy, this project focuses on safe and reliable operation and green energy saving of large vessels. Multi-level set of key performance indicators of large marine power systems are proposed as well as the related modeling, evaluation and prediction methods. More specifically, our main research contents will shed light on: Monitoring the global states of marine power systems and building the key performance indicators (KPIs); Model based/data driven KPI evaluation and fault prognosis of marine power systems; Fault diagnosis and coordinate control of marine power systems; Task-oriented optimization of health management of marine power systems and some industrial applications. With regard to these aspects, the key scientific issues we intend to focus on will be the mapping of typically degraded modes of marine power systems and KPIs, data driven modeling of KPI evaluation and prediction under varying environmental conditions, maintenance decision design of marine power systems based on KPIs. The study will provide the theoretical basis and technical support for the safe operation control and independent security of large vessels as the representative of advanced complex industrial systems.

本项目紧密围绕国家海洋强国战略，聚焦大型船舶安全可靠运行与绿色节能发展趋势，旨在突破船舶动力系统故障预测与健康管理的关键科学问题，深入开展船舶动力系统全局状态监测与关键性能指标（KPI）体系、基于物理模型与大数据驱动的船舶动力系统KPI评估与故障预测、船舶动力系统故障诊断与协调控制、面向任务的船舶动力系统健康管理优化设计的研究。通过在船舶动力系统典型退化模式及KPI的映射关系、变工况环境下大数据驱动的船舶动力系统KPI评估与预测模型构建、基于KPI的船舶动力系统在航优化控制与在港维修等关键科学问题上开展理论探索和应用基础研究，为以大型船舶为代表的先进复杂工业系统运行安全控制与自主保障提供理论支撑与技术保证。

本项目以大型船舶动力系统为研究对象，利用模型与数据相结合的方法，在船舶动力系统全局状态监测与关键性能指标（KPI）体系构建、基于物理模型与大数据驱动的船舶动力系统 KPI 评估与预测、船舶动力系统故障诊断与协调优化控制、面向任务的船舶动力系统健康管理优化设计等方向开展了研究。项目取得的主要成果有：①分析研究了船舶动力系统关键部件的退化模式，建立了基于状态空间的两阶段多部件退化模型, 实现了对部件损伤演化规律的精确建模，准确评估了多模式影响下装备的可靠度；②基于隐状态空间模型刻画变工况多退化模式下的动力系统退化状态切换过程，建立了多退化模式下的船舶动力系统关键性能指标预测方法，实现了不确定性多源数据驱动下剩余使用寿命的精确高效预测；③基于模型与数据融合的方法开展船舶动力系统故障诊断，从诊断观测器产生的残差信号中提取多维分类特征，克服了以往利用单一特征进行诊断的缺陷，提高了诊断精度；④提出了船舶动力系统全寿命周期健康管理的即插即用实现方法，建立了基于关键性能指标的分级容错控制与协同优化框架，实现了面向任务的动态维修方案设计。⑤部分理论成果和技术在巴拿马散货船等大型船舶的运维系统中实现了应用验证。项目执行期间共发表SCI论文110篇、EI会议论文40篇，授权发明专利21项，实用新型专利1项。培养博士后2人、博士生14人、硕士生7人。