CN113449379A - 一种船舶蒸汽动力系统mbse设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，该方法包括以下步骤：1)在设计阶段，利用概念模型体对概念方案进行多方案论证、评估和权衡设计，综合形成蒸汽动力系统最优设计方案；2)利用设计模型体和生产建造模型体迭代验证系统方案设计、技术设计、施工设计和生产建造工艺流程，不断迭代细化系统方案，实现系统设计的验证决策；3)在完成实际系统建造后，采用试验模型体、运维模型体和退役模型体进行系泊航行试验验证、在役运维修护和退役分析处置，实现实船系统试验及保障支持的确认决策。本发明的一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，能提高船舶动力系统总体协同设计效率，缩短船舶蒸汽动力系统的全生命研制周期。

Description

一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法

技术领域

本发明涉及船舶蒸汽动力系统设计领域，尤其涉及一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法。

背景技术

船舶蒸汽动力系统具有协同专业多、设计周期长、研发难度大、人机料法环复杂等全要素、全过程、全周期特点的复杂系统工程。船舶动力系统总体设计一般采用母型设计法、统计资料法、逐次近似法及规范设计法等系统集成方法，多数基于文档进行多专业的协同设计，且复杂动力系统的设计需求时动态变化，但系统方案变化响应慢，这也造成了总体设计过程协调反复迭代，带来系统设计信息孤岛、更改设计周期长、开发效能低。另外，在实船在航运维保障阶段，由于实船蒸汽动力系统数字化水平低，在船员操作运行、备件储备、设备维护等方面带来较多人力、物力和经费的投入。

随着大数据、数字孪生、云计算等先进信息通讯技术的高速发展，基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)是现代工业领域引领数字化设计的关键技术之一，特别是在飞行器、发动机和系统领域，全面推广MBSE理论、方法、知识体系和信息化平台建设，建立了以V形模型和系统工程流程集为指导的产品开发体系。MBSE方法是基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段,从概念设计阶段就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段。

因此，亟需提出一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，提高船舶动力系统总体协同设计的效能，缩短船舶周期动力系统全生命设计周期，也为相关船舶动力系统的总体设计储备技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，包括以下步骤：

1)在设计阶段，利用概念模型体对概念方案进行多方案论证、评估和权衡设计，综合形成蒸汽动力系统最优设计方案

1.1)需求分析；

识别系统设计的任务需求和系统需求，开展任务场景和目标定义，分析及细化任务需求，将提出的详细任务需求；

1.2)架构设计

利用架构设计模型，进行系统功能架构设计、逻辑架构设计、物理架构设计和行为架构设计；

1.3)系统评估

通过系统评估模型，对备选多方案进行论证评估，对最优系统构架方案进行系统功能和性能指标分配，提出系统主要组成、原理、流程、接口和布置方案，并对各个子系统指标进行权衡设计，提出优化合理的系统性能指标；

2)利用设计模型体和生产建造模型体迭代验证系统方案设计、技术设计、施工设计和生产建造工艺流程，不断迭代细化系统方案，实现系统设计的验证决策；

具体如下：

2.1)利用设计模型体验证系统集成设计方案；

所述系统设计模型体包括：设备外特性模型、热力机械特性模型、监控特性模型、系统全特性模型；

根据动力系统关键属性的工艺设备和控制设备外特性参数，构建单机工艺和控制设备外特性模型，按照动力系统原理形成热力、机械和监控系统集成模型；

利用热平衡分析模型和流阻分析模型，分析热力系统汽水能量和流动阻力的平衡，迭代校核热力系统原理设计；

通过结构强度分析模型和抗冲击分析模型，分析系统管路强度和桨轴系统强度及振动，迭代校核热力系统原理、桨轴系统原理及系统管路工艺设计；

通过监控性能模型，校核监测、控制、联锁及保护系统的设计策略和原理，测试监控系统DCS、传感器、执行器、电控箱的功能；

通过动力系统全特性模型，迭代校核系统接口、总布置、运行工况及六性指标；

2.2)利用设生产建造模型体验证系统生产建造工艺流程；

所述生产建造模型体包括工艺模型、工序模型、制造模型、装配模型和检测模型；

首先，采用工艺模型下属的工艺设计模型、工艺过程模型、工艺信息模型，确定实船各层级蒸汽动力系统工艺参数和验证工艺方案可制造性；

采用工序模型下属的物料库模型、工序模型和工艺步模型，确认并验证蒸汽动力系统物料清单、关键工序及工步的可执行性，在通过制造模型实现蒸汽动力设备及管路虚拟制造；

然后，利用装配布局模型、规划模型和测试模型，分析虚拟工艺装配系统流程运行及约束条件，规划实船装配系统流程及布局；

最后通过检测模型对实船系统加工、建造及总装的工艺状态进行加工精度、建造公差及生产效率的虚拟检验；

3)在完成实际系统建造后，采用试验模型体、运维模型体和退役模型体进行系泊航行试验验证、在役运维修护和退役分析处置，实现实船系统试验及保障支持的确认决策。

3.1)采用试验模型体进行系泊航行试验验证；

所述试验模型体包括试验需求分析模型、试验系统设计模型、试验流程设计模型、试验运行模型及试验数据评估模型；

通过试验模型体进行蒸汽动力单机恢复试验、系统冷热态调试试验、系统联调试验、航行试验、性能验证及鉴定试验在内的全过程试验项目验证；

在试验准备阶段，采用试验需求分析模型分析各项试验大纲的设计，验证试验目的、方法及判据的合理性；

采用试验系统设计模型，验证各试验项目中参加试验的系统设计，校核参试试验系统的完备性；

采用试验流程设计模型，验证各项试验指令、操作细则及应急预案的准确性，提前化解试验风险；

在试验实施阶段，采用试验运行模型进行虚拟试验分析，针对蒸汽动力装置单机恢复、主汽轮机组单机恢复、主减速齿轮装置单机恢复及汽轮电动辅机单机恢复等虚拟试验，验证单机设备控制、安保、启停及裕度能力；

针对蒸汽、凝给水系统、滑油、燃油、控制系统及桨轴系统的虚拟效用试验，检验蒸汽动力系统完整性及接口准确性；

针对正车稳定航行、倒车稳定航行、起停车机动航行、正倒车转换航行在内的虚拟试验，验证船舶蒸汽动力系统与总体的适配能力；

在试验验收阶段，利用试验数据评估模型，评估各试验项目结果数据是否满足要求，进行试验项目的鉴定验收；

3.2)采用运维模型体和退役模型体进行在役运维修护和退役分析处置；

所述运维模型体包括训练支持模型、健康管理模型、故障预测模型；

所述退役模型体包括退役决策模型、退役处置模型、退役管理模型；

在役保障阶段，采用运维模型体进行训练评估、在航保障及修理保障的辅助分析，提前发现运维问题并提高在航保障的任务成功率；

在退役管理阶段，通过退役模型体进行退役决策、退役处置及退役管理的分析评估。

本发明产生的有益效果是：

本发明通过全新创建的一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，解决复杂船舶蒸汽动力系统耦合性强、涌现性高、设计效能低等难题，全面优化船舶蒸汽动力系统数字化水平，提高船舶动力系统总体协同设计效率，缩短船舶蒸汽动力系统的全生命研制周期。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统MBSE整体流程示意图；

图2是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统概念论证模型体示意图；

图3是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统设计模型体示意图；

图4是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统生产建造模型体示意图；

图5是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统试验试航模型体示意图；

图6是本发明实施例的船舶蒸汽动力系统在役保障和退役管理模型体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，包括以下步骤：

船舶蒸汽动力系统研制过程主要包括：一条生命周期、两个维度、两个过程组、六条设计基线、三个全局视角和三项决策门。在动力系统研制周期维度，将船舶蒸汽动力系统从论证、设计到建造退役全过程定义为系统生命周期，随着系统研制周期进程划分设计和实现两个过程组，其中设计过程组是完成系统概念论证和系统设计等两条设计基线，实现过程组是完成实物系统的生产建造、试验验证、在役保障和退役处置等四条设计基线。在全局视角维度，船东攸关者负责蒸汽动力系统的需求提出和运行使用，总体所负责蒸汽动力系统设计和试验验证，总装厂负责蒸汽动力系统的生产设计和总装建造。在整个生命周期内，利用概念模型体对概念方案进行多方案论证、评估和权衡设计，综合形成蒸汽动力系统最优设计方案，实现概念方案的综合决策。利用设计模型体和工艺模型体迭代验证系统方案设计、技术设计、施工设计和生产建造，不断迭代细化系统方案，实现系统设计的验证决策；在完成实际系统建造后，采用试验模型体、运维模型体和退役模型体进行系泊航行试验验证、在役运维修护和退役分析处置，实现实船系统试验及保障支持的确认决策。

(1)船舶蒸汽动力系统概念论证模型体

如图2所示，概念论证模型体主要包括需求分析模型、架构设计模型和系统评估模型。主要流程是通过建立蒸汽动力单机设备、子系统、系统及总体之间需求、架构和指标的分配与集成关系，基于虚拟模型验证的多方案交互评估和迭代后，获取最优化蒸汽动力系统总体方案。具体实施过程包括：通过需求分析模型，识别系统设计攸关者并捕获攸关者的任务需求和系统需求，开展任务场景和目标定义，分析及细化任务需求，将提出的详细任务需求分配给系统去实现，随着攸关者需求的变化而变更需求并不断迭代。采用架构设计模型，进行系统功能架构设计、逻辑架构设计、物理架构设计和行为架构设计。通过系统评估模型，对备选多方案进行论证评估，对最优系统构架方案进行系统功能和性能指标分配，提出系统主要组成、原理、流程、接口和布置方案，并对各个子系统指标进行权衡设计，提出优化合理的系统性能指标。

(2)船舶蒸汽动力系统设计模型体

如图3所示，系统设计模型体主要包括设备外特性模型、热力机械特性模型、监控特性模型、系统全特性模型。根据动力系统关键属性的工艺设备和控制设备外特性参数，构建单机工艺和控制设备外特性模型，按照动力系统原理形成热力、机械和监控系统集成模型。利用热平衡分析模型和流阻分析模型，分析热力系统汽水能量和流动阻力的平衡，迭代校核热力系统原理设计。通过结构强度分析模型和抗冲击分析模型，分析系统管路强度和桨轴系统强度及振动，迭代校核热力系统原理、桨轴系统原理及系统管路工艺设计。通过监控性能模型，校核监测、控制、联锁及保护系统的设计策略和原理，测试监控系统DCS、传感器、执行器、电控箱等软硬件的功能。通过动力系统全特性模型，迭代校核系统接口、总布置、运行工况及六性指标。

(3)船舶蒸汽动力系统生产建造模型体

如图4所示，生产建造模型体主要包括工艺模型、工序模型、制造模型、装配模型和检测模型。首先，采用工艺模型下属的工艺设计模型、工艺过程模型、工艺信息模型，确定实船各层级蒸汽动力系统工艺参数和验证工艺方案可制造性。采用工序模型下属的物料库模型、工序模型和工艺步模型，确认并验证蒸汽动力系统物料清单、关键工序及工步的可执行性，在通过制造模型实现蒸汽动力设备及管路虚拟制造。然后，利用装配布局模型、规划模型和测试模型，分析虚拟工艺装配系统流程运行及约束条件，规划实船装配系统流程及布局。最后通过检测模型对实船系统加工、建造及总装的工艺状态进行加工精度、建造公差及生产效率的虚拟检验。

(4)船舶蒸汽动力系统试验试航模型体

如图5所示，试验试航模型体主要包括试验需求分析模型、试验系统设计模型、试验流程设计模型、试验运行模型及试验数据评估模型。通过试验模型体支持蒸汽动力单机恢复试验、系统冷热态调试试验、系统联调试验、航行试验、性能验证及鉴定试验等全过程试验项目验证。在试验准备阶段，采用试验需求分析模型支撑各项试验大纲的设计，验证试验目的、方法及判据的合理性。采用试验系统设计模型，验证各试验项目中参加试验的系统设计，校核参试试验系统的完备性。采用试验流程设计模型，验证各项试验指令、操作细则及应急预案的准确性，提前化解试验风险。在试验实施阶段，采用试验运行模型进行虚拟试验分析，针对蒸汽动力装置单机恢复、主汽轮机组单机恢复、主减速齿轮装置单机恢复及汽轮电动辅机单机恢复等虚拟试验，验证单机设备控制、安保、启停及裕度等能力。针对蒸汽、凝给水系统、滑油、燃油、控制系统及桨轴系统的虚拟效用试验，检验蒸汽动力系统完整性及接口准确性。针对正车稳定航行、倒车稳定航行、起停车机动航行、正倒车转换航行等虚拟试验，验证船舶蒸汽动力系统与总体的适配能力。在试验验收阶段，利用试验数据评估模型，评估各试验项目结果数据是否满足要求，支撑试验项目的鉴定验收。

(5)船舶蒸汽动力系统运维和退役模型体

如图6所示，运维模型体主要包括训练支持模型、健康管理模型、故障预测模型，退役模型体主要包括退役决策模型、退役处置模型、退役管理模型。在役保障阶段，采用运维模型体开展训练评估、在航保障及修理保障等辅助分析，提前发现运维问题并提高在航保障的任务成功率。在退役管理阶段，通过退役模型体进行退役决策、退役处置及退役管理等分析评估。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在设计阶段，利用概念模型体对概念方案进行多方案论证、评估和权衡设计，综合形成蒸汽动力系统最优设计方案

1.1)需求分析；

识别系统设计的任务需求和系统需求，开展任务场景和目标定义，分析及细化任务需求，将提出的详细任务需求；

1.2)架构设计

利用架构设计模型，进行系统功能架构设计、逻辑架构设计、物理架构设计和行为架构设计；

1.3)系统评估

通过系统评估模型，对备选多方案进行论证评估，对最优系统构架方案进行系统功能和性能指标分配，提出系统主要组成、原理、流程、接口和布置方案，并对各个子系统指标进行权衡设计，提出优化合理的系统性能指标；

2)利用设计模型体和生产建造模型体迭代验证系统方案设计、技术设计、施工设计和生产建造工艺流程，不断迭代细化系统方案，实现系统设计的验证决策；

3)在完成实际系统建造后，采用试验模型体、运维模型体和退役模型体进行系泊航行试验验证、在役运维修护和退役分析处置，实现实船系统试验及保障支持的确认决策。

2.根据权利要求1所述的船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，其特征在于，所述步骤2)具体如下：

2.1)利用设计模型体验证系统集成设计方案；

所述系统设计模型体包括：设备外特性模型、热力机械特性模型、监控特性模型、系统全特性模型；

根据动力系统关键属性的工艺设备和控制设备外特性参数，构建单机工艺和控制设备外特性模型，按照动力系统原理形成热力、机械和监控系统集成模型；

利用热平衡分析模型和流阻分析模型，分析热力系统汽水能量和流动阻力的平衡，迭代校核热力系统原理设计；

通过结构强度分析模型和抗冲击分析模型，分析系统管路强度和桨轴系统强度及振动，迭代校核热力系统原理、桨轴系统原理及系统管路工艺设计；

通过监控性能模型，校核监测、控制、联锁及保护系统的设计策略和原理，测试监控系统DCS、传感器、执行器、电控箱的功能；

通过动力系统全特性模型，迭代校核系统接口、总布置、运行工况及六性指标；

2.2)利用设生产建造模型体验证系统生产建造工艺流程；

所述生产建造模型体包括工艺模型、工序模型、制造模型、装配模型和检测模型；

首先，采用工艺模型下属的工艺设计模型、工艺过程模型、工艺信息模型，确定实船各层级蒸汽动力系统工艺参数和验证工艺方案可制造性；

采用工序模型下属的物料库模型、工序模型和工艺步模型，确认并验证蒸汽动力系统物料清单、关键工序及工步的可执行性，在通过制造模型实现蒸汽动力设备及管路虚拟制造；

然后，利用装配布局模型、规划模型和测试模型，分析虚拟工艺装配系统流程运行及约束条件，规划实船装配系统流程及布局；

最后通过检测模型对实船系统加工、建造及总装的工艺状态进行加工精度、建造公差及生产效率的虚拟检验。

3.根据权利要求1所述的船舶蒸汽动力系统MBSE设计方法，其特征在于，所述步骤3)具体如下：

3.1)采用试验模型体进行系泊航行试验验证；

所述试验模型体包括试验需求分析模型、试验系统设计模型、试验流程设计模型、试验运行模型及试验数据评估模型；

通过试验模型体进行蒸汽动力单机恢复试验、系统冷热态调试试验、系统联调试验、航行试验、性能验证及鉴定试验在内的全过程试验项目验证；

在试验准备阶段，采用试验需求分析模型分析各项试验大纲的设计，验证试验目的、方法及判据的合理性；

采用试验系统设计模型，验证各试验项目中参加试验的系统设计，校核参试试验系统的完备性；

采用试验流程设计模型，验证各项试验指令、操作细则及应急预案的准确性，提前化解试验风险；

在试验实施阶段，采用试验运行模型进行虚拟试验分析，针对蒸汽动力装置单机恢复、主汽轮机组单机恢复、主减速齿轮装置单机恢复及汽轮电动辅机单机恢复等虚拟试验，验证单机设备控制、安保、启停及裕度能力；

针对蒸汽、凝给水系统、滑油、燃油、控制系统及桨轴系统的虚拟效用试验，检验蒸汽动力系统完整性及接口准确性；

针对正车稳定航行、倒车稳定航行、起停车机动航行、正倒车转换航行在内的虚拟试验，验证船舶蒸汽动力系统与总体的适配能力；

在试验验收阶段，利用试验数据评估模型，评估各试验项目结果数据是否满足要求，进行试验项目的鉴定验收；

3.2)采用运维模型体和退役模型体进行在役运维修护和退役分析处置；

所述运维模型体包括训练支持模型、健康管理模型、故障预测模型；

所述退役模型体包括退役决策模型、退役处置模型、退役管理模型；

在役保障阶段，采用运维模型体进行训练评估、在航保障及修理保障的辅助分析，提前发现运维问题并提高在航保障的任务成功率；

在退役管理阶段，通过退役模型体进行退役决策、退役处置及退役管理的分析评估。

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