基于贝叶斯网络的大型邮轮推进系统航行试验风险研究.pdf

船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期基于贝叶斯网络的大型邮轮推进系统航行试验风险研究龚洁，何洪良”，张鑫，程绍坚（1.中船动力镇江有限公司，江苏镇江212002)（2.上海外高桥造船有限公司，上海200137)摘要：推进系统试验是邮轮航行试验的重要环节。国产大型邮轮采用了两种规格共5台双燃料发电机组，单机功率分别达到96 0 0 和16 8 0 0 kW，配置了2 台大功率全电力推进吊舱作为主推进装置。在保证邮轮推进系统性能先进的同时，其可靠性、安全性是航行试验成功与否更为重要的参考依据。国产大型邮轮的推进系统航行试验具有一定的复杂性和开创性，因此研究价值很高。在对推进系统航行试验进行风险源识别后，再进行根节点先验概率赋值，采用贝叶斯网络的风险评估方法对轮机系统可能出现的风险点进行定量分析研究；在此基础上进行正向及反向推理分析，得到各个风险点的推理概率；最后对结果进行敏感性分析，根据结果对轮机系统航行试验大纲中8 项试验项目的3 7 个高风险点提出有针对性的应对措施，并在国产大型邮轮航行试验中进行实船验证，确保航行试验的顺利完成。关键词：大型邮轮；推进系统；航行试验；风险分析；实船验证中图分类号：U676.1文献标志码：A随着中国邮轮市场的快速发展，国产大型邮轮建成并进行航行试验标志着我国邮轮行业发展进人了一个新阶段。推进系统是船舶关键系统之一，通常由主机、螺旋桨、传动系统、舵机及控制系统组成。国产大型邮轮采用全电力吊舱推进器作为动力装置，无须轴浆推进设施，推进吊舱本体就有舵机的功能，因此具有占用空间小、调速范围广、易于正反转调整等优点 2。在航行试验时，对推进系统的试验更是重中之重，其主要目的是测试推进器在不同转速下对应的航速、功率以及主推进系统的操控性能 3。电力推进控制系统的要求较高，一般采用现场总线网络监控系统【4，主要由推进控制中心、推进操纵单元、舵角控制单元、报警以及监视单元组成。因此，在编制邮轮推进系统航行试验程序时需要针对邮轮进行风险评估(5-7)。常用的风险评作者简介：龚洁，助理工程师，研究方向为船舶轮机开发设计。估方法有文档审查法、分解结构法 8-10、德尔菲法 1-13、层次分析(analyic hierarchy process,AHP)法(14-1 等等定性分析法，对于复杂的邮轮推进系统风险分析稍有局限性。文中在AHP法的基础上采用贝叶斯网络模型对邮轮推进系统进行定量化分析，确定风险源对试验影响的严重程度，并由此给出相应的控制或避免措施，以减少风险试验对试航试验的影响，确保航行试验的顺利进行。1风险源识别风险源识别是指在事故发生前发现、识别和描述可能导致事故的风险源，对其性质加以判断并分类、分级，以作为后续风险分析和风险控制的基础。大型邮轮的推进系统功能试验包括船舶吊舱推进器中外船舶科技船舶设计与建造2023年第4期功能、推进系统耐久性及推进相关系统等测试。表1为推进系统功能试验风险源，表2 为推进系统功能试验风险源的分类分级表1推进系统功能试验风险源试验项目风险事件推进器功率限制系统故障特定情况下推进器功率限制未触发推进扭矩限制功能无效电网输出功率超出限制发电机跳闸后推进系统无法稳定运行吊舱旋角超过40，推进功率未切断螺旋浆超速未报错推进器震动幅度过大松动设备未进行固定推进系统功能试验船舶倾斜过大发生侧翻Solas试验用时过长（2 8 s）最大工作扭矩大于8 0%设计扭矩吊舱转向刹车功能不足轴承温度过高轴承油水平过高或过低实验过程中系统报警驾驶台控制系统命令传输受阻驾驶模式切换不顺畅控制模式切换不顺畅表2#推进系统功能试验风险源分类分级根节点中间节点推进器功率限制系统故障X1推进器控制系统故障Y1推进扭矩限制功能无效X2推进器功能试验失误Y2电网输出功功率超出限制X3推进系统耐久性差Y3发电机跳闸后推进系统无法稳定运行X4燃油系统故障Y4吊舱旋角超过40 推进功率未切断X5推进系统总谐波异常Y5实验过程中系统报警X6不符合EEDI能效设计指数Y6推进器震动幅度过大X7热井继承及蒸汽卸荷阀工作异常Y7松动设备未进行固定X8废气锅炉工作异常Y8轴承温度过高X9推进系统遥控系统故障Y9Solas试验用时过长（2 8 s）X10换热器冷/热端数据与设计值偏差大Y10船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期续表根节点中间节点吊舱转向刹车功能不足X11最大工作扭矩大于8 0%设计扭矩X12轴承油水平过高或过低X13推进器未全程保持最大输出功率X14推进器运行时间不达最低要求X15监测系统报警X16主机负荷未达试验要求X17主机供油单元无法进行自动切换X18混合油的温度一黏度控制逻辑不合要求X19测量仪器精度不足X20总谐波失真过大X21推进系统无法安全返港X22电气系统瞬时变化导致读数的偶然性X23热井水位过低X24蒸汽压力过大、温度过高X25产生气锤现象X26蒸汽凝水中含油或其他杂质X27锅炉给水泵变频控制不准确X28就地或远程操作无效X29锅炉换热效率低X30监测报警及自动化功能未生效X31控制模式切换不顺畅X32驾驶模式切换不顺畅X33驾驶台控制系统命令传输受阻X34失火X35低温冷却水温度高X36流量调节阀分配不合理或故障X372风险分析定量研究2.1贝叶斯网络模型对经过风险源识别后得到的风险源进行分类、分级，确立因果关系，把它们分别代人贝叶斯网络的根节点、中间节点和叶节点，通过有向边相连，从而能得到用于风险分析的有向无环图，即风险分析贝叶斯网络模型。图1为推进系统航行试验风险分析贝叶斯网络模型4船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期轴承温度过商推进通功限制系统放障发电机路鹏后推造器系统低温冷却水流量调节阀分配吊轮转向制车温度高不合理或故摩功能卷Sol试验用时过松动设备未进行圈定长电网轴出动率超达服制最大工作扭矩不合要求吊触康角过大未断电推进器摄动机度过大换热器冷/热端数推透扭矩眼制功镜无效据与设计值偏差大轴承油水平过高低试验过程中报警推进器运行时间驾驶台控制系统命令传输受围推进器控制系技放障推进器未全程保持最大推进器功能试验失误不达标输出功率驾映锁式切换不照畅监测系统报警推进系恢遥控系统散障推进系统试验推进系统耐久性差主机灸药来达试控制模式切换不顺畅触要求废气锅炉工作异营燃油系统故障报蓄及自动化功能储主机供油单元无法进行自动切换热井维承及燕汽卸荷阀工作异常不特合田D能效设计指数推进系统无法安全透港抗进系航总请波异常锅炉换热效事纸混合油漏度-粘度控制逻辑不合要求失火热井水位过低诚地/选程操作无测量仪器精度不足总谱掀失真过大产生气领观象赢汽压力过大、温度电气系统鹏时变化导致读蒸汽凝水中含油杂质过产数的锅然性锅炉给水系变频不准确图1推进系统航行试验风险分析贝叶斯网络模型2.2根节点先验概率赋值在建立贝叶斯网络模型后，需要给模型中的各个节点赋值，对各试验根节点的先验概率进行赋值，结果详见表3。表3推进系统功能试验贝叶斯网络根节点的先验概率根节点先验概率推进器功率限制系统故障X10.000366070751748253推进扭矩限制功能无效X20.000 267990912587413电网输出功功率超出限制X30.000180648965034966发电机跳闸后推进系统无法稳定运行X40.000072.599265734266吊舱旋角超过40 推进功率未切断X50.000398921517482519实验过程中系统报警X60.000074515898601399推进器震动幅度过大X70.000166562517482518松动设备未进行固定X80.000158553702797203轴承温度过高X90.000199393374125875Solas试验用时过长（2 8 s）X100.000200754083916084吊舱转向刹车功能不足X110.000114126566433567最大工作扭矩大于8 0%设计扭矩X120.000137760954545455轴承油水平过高或过低X130.00009759512937063船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期续表根节点先验概率推进器未全程保持最大输出功率X140.0011978227972028推进器运行时间未达最低要求X150.000927329465034968监测系统报警X160.000434.633449300701主机负荷未达试验要求X170.000279315364735264主机供油单元无法进行自动切换X180.0011586029040959混合油的温度黏度控制逻辑不合要求X190.000728368171428569测量仪器精度不足X200.000598.717948717949总谐波失真过大X210.000094289044289044推进系统无法安全返港X220.003828671328671.34电气系统瞬时变化导致读数的偶然性X230.000076573426573427热井水位过低X240.000082288308125208蒸汽压力过大、温度过高X250.000 056 162058 541459产生气锤现象X260.000 078 425 926 739 927蒸汽凝水中含油或其他杂质X270.00013781541998002锅炉给水泵变频控制不准确X280.000078425926739927就地或远程操作无效X290.000093273415118215锅炉换热效率低X300.000079872104695305监测报警及自动化功能未生效X310.00017258927982018控制模式切换不顺畅X320.000179288255244756驾驶模式切换不顺畅X330.000 177 360 902 097 903驾驶台控制系统命令传输受阻X340.00022088676923077失火X350.000371831591741592低温冷却水温度高X360.000590035006993009流量调节阀分配不合理或故障X370.002208308706293712.3贝叶斯网络正向推理概率在已知根节点先验概率的条件下，通过正向计算得到中间节点和叶节点处于不同风险状态下的概率。叶节点概率即每种试验发生事故的概率。正向推理计算需要借助中间节点和叶节点的条件概率表，但由于一些中间节点的条件概率表过于庞大，在此不做一一展示。将各个节点的先验概率或条件概率输人后即可得到各试验节点的概率。图2 为推进系统航行试验贝叶斯网络叶节点分析结果，其贝叶斯网络叶节点的正向推理概率为0.0 49913 3 2 9。6船舶设计与建造2023年第4期中外船舶科技轴承温度过高推进器功率限制系发电机联网后推进低潮冷都水温度高流量调节钢分配不YES0%益系统失稳NO100%吊轮转尚制车功能YES0%YES0%YES0%YES0%YES0%NO100%NO100%NO100%NO100%松动设备未进行So试验用时过长NO100%电网输出动率超过YES0%YES0%NO100%NO100%授大工作扭矩不合YES0%YESNO.100%0%品能旋角过大未断换热器冷鸡焗数据NO100%YES0%与设计值编差大推进器摄动幅度过NO100%YES10%YES0%推进扭矩限制功能NO100%轴承油水平过高/低NO.90%ES0%YES0%NO100%NO100%驾驶台控制系校命令传输受阻推进器控制系统故障试验过程中报警推进源功能试验失膜推进器未全程保行推进器运行时间不温YES0%YES1%YES0%最大输出功事YES0%NO100%YES1%NO100%NO99%YES%NO100%NO99%NO100%驾软模式燃换不膜监测系烧报警YES0%推进系统遇控系校YES0%NO100%YES1%NO100%99%推进系统试验推进系绽刚久性差MOYES5%YES10%控制模式切换不顺NO95%NO90%主机负微未达试验YES0%YES0%NO100%NO100%废气钢炉工作异茶燃油素统散牌YES1%YES1%报警及自动化功镜主机供油单元无法NO99%NO99%进行自动奶换0%NO100%热井维承及蒸汽部YES0%不待合口能效设讯葡阀工作异带NO100%指数推进系无法安全推进系统总请波异返港YES1%YES10%YES0%YES10%锅炉换热效丰低NO99%NO100%混合油温度粘皮控NO90%NO90%制迎辆不合要求YES0%YESNO100%0%NO100%尖火YES0%热井水促过低就地选程操作无效NO100%YES0%测量仪器精度不足总请派波夫真过天YES0%NO100%NO100%YES0%YES0%NO100%电气系烧时变化NO100%产生气绣现象燕汽压力过大、湖满汽减水中含油人度过高导致读数的锅然性YES0%锅炉论水家变频不NO100%YES%YES0%YES0%NO100%100%NO100%YES0%NONO100%图2推进系统航行试验贝叶斯网络叶节点结果2.4贝叶斯网络反向推理概率在得到每个试验的发生事故的概率后，就可以通过贝叶斯公式反向推理计算得到根节点事件的后验概率。后验概率的大小表示根节点事件在事故已经发生的条件下的概率，即事故的致因。试航试验的决策者可以通过后验概率的大小判断最有可能的事故致因组合，从而提前准备好风险控制措施，消除风险隐患或将风险的概率降到最低。各个试验的根节点后验概率如图3 所示0.020.0180.0160.014%/本当0.0120.010.0080.0060.0040.0020XIX2X3X4X5 X6 X7 X8 X9X10X11X12X13X14 X15X16X17X18X19X20X21X22X23X24X25X26X27X28X29X30X31X32X33X34X35X36X37推进推进电网发电实拉旅进松动Soios吊始大直机机养进电气广生炉就地锅炉监按利功输出工作迪水供油慕快水饺力蔓水纯水换款楼式后中过高用时新车平过全程时单元精度高江无法中台效事爱白网分功睫幸超 推速40推粮报过过长功新大干高城保持闯不无法粘安全麦化大橡控动化不靓不摩便高配不无蚊出舰进动大不足过银大 达警进行其地制不欢合理285计罐出过高杂展办车家行根节点图3根节点后验概率船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期根据上述分析结果可推断出推进系统航行试验后验概率较大的根节点为：推进器未全程保持最大输出功率、推进系统无法安全返港及流量调节阀分配不合理或故障。这说明当推进系统航行试验发生事故时，这3 个事件是最有可能导致事故发生的原因。决策者可以根据这些结果对相应的风险进行管控。2.5敏感性分析敏感性分析是通过分析各个根节点的重要度，判断各个根节点事件的状态发生变化时对叶节点事件的影响程度。图4为对推进系统试航试验进行敏感性分析后的结果，图中颜色越深代表根节点变化时对叶节点影响越大。由图可以看出，推进系统无法安全返港X22、流量调节阀分配不合理或故障X37、推进器未全程保持最大输出功率X14这3 个根节点的颜色较深，说明这些节点的敏感性指数较高，分别为0.18 96 8 8、0.13 2 7 57、0.0 56 92 2 2。X9X1X4X36X37YESNOX11YESYESYESYESYESNONONONOX8X10NOX3YESYESYESNONOX12NOYESX5NOY10YESX7NOYESYESX2NOX13YESNOYESNONOX34X6X15YESY2X14YESYESYESNOYESNONOYESNONONOX33X16YESY9YESNOYESNONOY3YESESX32NOX17YESNOYESNONOY8Y4YESYESX31NONOX18YESNOYESY7Y6X22NOYESY5YESYESX30NOYESNONONOX19YESNOYESX35NOYESX24X29NOYESYESNOX20X21NOYESYESNOX26NOX27X25X23YESX28NOYESYESYESNOYESLNONONO图4推进系统试验敏感性分析3大型邮轮推进系统试航试验风险控制措施3.1推进器系统功能试验（1）测试前调查海况及气象条件能否满足试验要求；（2）实验前检查推进系统及相关系统如电气系统的完整性，确保系统功能正常；（3）检查安装情况，确保安装良好并经过认证检查；（4）检查远程控制功能，确保驾驶台对推进器的操纵有效且及时；（5）对系统部件进行清洁，便于试验。3.2推进器耐久试验（1）检查压力表、万用表、频闪记录仪、流量计、点温枪等仪器的功能是否正常，做好数据记录准备工作；（2）严格按照试验标准进行试验，确保耐久试验推进器功率和时长符合试验要求；（3）若在试验中发现推进电力管理系统中显示的推进功率低于推进器额定功率，需要重新调查，与船东、船级社解释并解决问题，而后重新开始试验；（4）若在任意试验持续运作期间产生了报警信号，应对其产生原因及严重程度进行判定。若判定为轻微故障或正常运行期间不妨碍系统运行的故障，则试验可以继续，若判定为非上述情况的报警，则需要重新进行对应的耐久试验；（5）耐久试验的试验时间长度取船东和船级社二者时间更长者；（6）该试验可考虑与无人机舱等内容一起进8船舶设计与建造中外船舶科技2023年第4期行。3.3推进系统总谐波失真测试（1）对仪器仪表进行校准和认证并合理安装，做好数据记录准备工作；（2）对相关系统完整性进行检查，确保无故障。4结语以某大型邮轮为研究对象，针对推进系统航行试验，采用定性分析与定量分析相结合的风险评估方法进行研究，得到以下结论：（1）通过定性分析得到试验风险源，并对风险源的重要及影响程度进行了研究；（2）基于贝叶斯网络风险评估模型对推进系统的试航试验风险进行定量化分析，得到推进器未全程保持最大输出功率、推进系统无法安全返港及流量调节阀分配不合理或故障是影响推进系统航行试验的重要风险因素；（3）基于分析结果确定风险源对试验影响的严重程度，并据此给出相应的控制或避免措施，以减少风险对试航试验的影响，并通过实船航行进行试验验证。参考文献：1高海波，高孝洪，陈辉，等.吊舱式电力推进装置的发展及应用 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