船舶电站可靠性实时在线评估系统及其评估方法

摘要

本发明公开了一种船舶电站可靠性实时在线评估系统及其评估方法，系统包括用于存储船舶电站系统可靠性模型基本准则的船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统；用于实时采集监测当前船舶电站运行条件下船舶电站工况参数信息的信息采集子系统；用于按照实时监测的船舶电站当前工况参数，调用系统可靠性模型数据库子系统内对应的可靠性模型，实时地对当前船舶电站的可靠性进行评估的评估子系统。本发明能够建立船舶电站在不同工况下的可靠性框图以及相应的可靠性数学模型，通过实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用对应的可靠性模型,在线实时评估当前工况条件下船舶电站的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于船舶电气可靠性工程领域，具体的说是涉及一种针对船舶电站可靠性的实时在线评估系统及其相应的评估方法。 

背景技术

可靠性工程现在已成为一门涉及面十分广泛的综合性新兴边缘学科。但是我国可靠性工程起步较晚，可靠性技术在工业、企业中的应用尚不广泛，特别在国内船舶电气系统上的应用还是一个空白。 

船舶技术反映了一个国家的综合国力水平，船舶电站是船舶的一个重要组成部分，是船舶技术的重要标志。 

船舶电站可靠性技术是以船舶电气工程技术和自动控制技术为基础、结合可靠性工程技术而发展起来的一门多学科交叉并高度综合的工程技术。 

船舶电站通常由三台发电机组构成，船舶电站正常运行工况主要可分为：进出港工况、航行工况和停泊工况。由于船舶电站在不同运行工况下的用电负荷是不同的，因此，船舶电站各个运行工况下投入运行的发电机组台数也是变化的，这样，船舶电站就会出现单机运行、双机并联运行以及三台机组同时并联运行的不同运行方式。 

目前我国的船舶电站可靠性技术理论基础学科还很薄弱。在我国，船舶电站可靠性的研究还仅限于其应用技术方面，相关船舶电站可靠性的研究论文、报告数量较少，而且仅有的少量研究论文、报告都是将船舶电站作为一个整体系统即只按三台机组并联运行的一种方式进行可靠性分析，还没有关于船舶电站在不同工况下的可靠性模型的论文、报告。显然，将船舶电站作为一个整体系统进行分析，得出的船舶电站可靠性数学模型与实际船舶电站相差甚远，按此数学模型评估船舶电站的可靠性只能得出一般性的、近似的结论，可信度较低。 

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种针对船舶电站的可 靠性实时在线评估系统及其对应的评估方法，本发明通过建立船舶电站系统可靠性模型的基本准则，按照基本准则建立船舶电站整机系统与子系统之间的逻辑关系可靠性框图及可靠性模型并建立船舶电站在不同工况下的更加符合实际的准确可靠性数学模型，实时在线检测船舶电站不同运行工况，相应地调用该工况对应的船舶电站可靠性模型，从而实时在线完成当前工况条件下船舶电站可靠性的准确评估。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案： 

船舶电站可靠性实时在线评估系统，其特征在于：包括： 

用于存储船舶电站系统可靠性模型基本准则的船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统，其中所述的基本准则包括依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型以及船舶电站不同运行工况下对应的可靠性数学模型； 

用于实时采集监测当前船舶电站运行条件下，船舶电站工况参数信息的信息采集子系统； 

用于按照实时监测的船舶电站当前工况参数，调用系统可靠性模型数据库子系统内对应的可靠性模型，实时地对当前船舶电站的可靠性进行评估的评估子系统。 

进一步的，所述的依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型包括； 

若配电结构类型为串联系统时，则串联系统可靠性模型的可靠度 

$R_{s\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{R}_{i\left(t\right)}=\exp \left({-\lambda }_{s}t\right)$式中：${\lambda }_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\lambda }_i,$λs—串联系统的失效率；λi—组成串联系统的子系统或元器件的失效率，则串联系统的平均无故障工作时间$\mathrm{MTBFs}={\int }_0^{\infty }{R}_{s\left(t\right)}{d}_{\left(t\right)}=1/{\lambda }_s;$

若配电结构类型为并联系统时，假设各子系统失效分布服从指数分布，且各个子系统或元器件的失效率λ₁＝λ₂＝λ₃＝…＝λ，令其为R_i(t)，并联系统的失效分布${\mathrm{Fs}}_{\left(t\right)}=F_{1\left(t\right)}{F}_{2\left(t\right)}···F_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)},$F_i(t)为组成并联系统的子系统或元器件的 失效分布系数，则并联系统可靠性模型的可靠度可写成：对应的所述船舶电站系统发电机组包含三台发电机组即n＝3时，该并联系统可靠性模型的的可靠度并联系统的平均无故障工作时间MTBFs＝11/6λ； 

若配电结构类型为2/3(G)表决系统时，整机系统各子系统的寿命分布为指数分布，且各子系统失效率都为λ时，则2/3(G)表决系统可靠性模型的可靠度$R_{s\left(t\right)}={{3R}^2}_{i^{\left(t\right)}}-{{2R}^3}_{i^{\left(t\right)}}={3e}^{-2\mathrm{\lambda t}}-{2e}^{-\mathrm{\lambda t}};$2/3(G)表决系统的平均无故障工作时间$\mathrm{MTBFs}=\frac{5}{6\lambda };$

配电结构类型为储备系统时，储备系统又称为备用系统即由若干个备用整机系统和一个工作整机系统组成，当工作整机系统失效时，立即能由备用整机系统接替， 

储备系统又分为冷储备系统与热储备系统：如果储备整机系统在储备期间不失效，即失效率为零，则称为冷储备系统； 

如果备用整机系统在储备期间可能失效，即失效率不为零，则称为热储备系统； 

冷储备系统： 

如果系统由n+1个元件或子系统组成，n个元件或子系统储备，1个元件或子系统工作，且元件或子系统同为指数分布，则： 

冷储备系统可靠性模型的可靠度λ—为子系统运行的失效率 

冷储备系统平均无故障工作时间

如果考虑转换装置的影响，冷储备系统可靠性模型就是一个计及转换装置失效影响的冷储备系统模型。 

特别是当n＝2，转换装置失效率为λ₁时， 

冷储备系统可靠性模型的可靠度 

${\mathrm{Rs}}_{\left(t\right)}=\exp (-\mathrm{\lambda t})+\frac{\lambda }{{\lambda }_1}\{\exp (-\mathrm{\lambda t})-\exp [-(\lambda +{\lambda }_1)t\left]\right\}+\frac{\lambda (\lambda +{\lambda }_1)}{{{2\lambda }^2}_1}·\exp [-(\lambda +{2\lambda }_1)t]$

冷储备系统平均无故障工作时间 

$\mathrm{MTBFs}=\frac{1}{\lambda }+\frac{1}{\lambda +{\lambda }_1}+\frac{1}{\lambda +{2\lambda }_1}$

式中：λ—为子系统运行的失效率，λ₁—为转换装置的失效率。热储备系统 

热储备系统即元件或者子系统在储备期间可能失效，热储备系统可靠性模型的可靠度 

式中：λ—为子系统运行的失效率，λ^*—为子系统储备期间失效率。 

所述的工况条件依据船舶运行机动状态可分为进出港工况、航行工况以及停泊工况； 

按照船舶电站实际使用需求，在进出港工况条件下，船舶电站要求全部整机或者一定数量整机投入运行，因此对应的可靠性模型类型为串联系统的可靠度模型或者2/3(G)表决系统的可靠度的模型；在航行工况条件下，船舶电站要求一台整机投入运行即可，因此对应的可靠性模型类型为并联系统的可靠度模型；在停泊工况条件下，船舶电站要求一台整机处于待机状态即可，因此对应的可靠性模型类型为储备系统的可靠度模型。 

所述评估子系统是由下位机控制器和上位机两部分组成，所述下位机控制器用于依据信息采集子系统采集的信息，实时判断船舶电站的当前工况条件；上位机通过网络通讯，实时获取下位机控制器的自动识别的工况条件，实时自动调用船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统中对应工况的可靠性相关数据库-可靠性数学模型，并给出该工况的可靠性指标。 

本系统的工作过程：信息采集子系统实时监测船舶电站各种工况参数，同时设定船舶运行机动状态将工况条件分为进出港工况、航行工况以及停泊工况。由下位机实时判断船舶电站的当前工况条件；上位机通过网络通讯，实时获取下位机控制器的自动识别的工况条件，按照船舶电站当前工况条件调用船舶电 站系统可靠性模型数据库存储子系统中相应的可靠性数学模型，其调用关系为：按照船舶电站实际使用需求，在进出港工况条件下，船舶电站要求全部整机或者一定数量整机投入运行，因此对应的可靠性模型类型为串联系统的可靠度模型或者2/3(G)表决系统的可靠度的模型；在航行工况条件下，船舶电站要求一台整机投入运行即可，因此对应的可靠性模型类型为并联系统的可靠度模型；在停泊工况条件下，船舶电站要求一台机组运行，其余机组处于待机状态即可，因此对应的可靠性模型为储备系统的可靠度模型。 

本发明还要提供一种船舶电站系统可靠性在线评估方法，其具体步骤主要包括： 

1、建立船舶电站系统可靠性模型的基本准则，其中所述的基本准则包括依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型以及船舶电站不同运行工况下对应的可靠性数学模型； 

2、建立船舶电站不同工况条件下对应的可靠性框图及可靠性数学模型； 

3、实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用相应工况条件下的可靠性模型，实时在线完成当前工况条件下船舶电站的可靠性评估。 

进一步的，所述的依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型包括； 

若配电结构类型为串联系统时，则串联系统可靠性模型的可靠度 

$R_{s\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{R}_{i\left(t\right)}=\exp \left({-\lambda }_{s}t\right)$式中：${\lambda }_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\lambda }_i,$λs—串联系统的失效率；λi—组成串联系统的子系统或元器件的失效率，则串联系统的平均无故障工作时间$\mathrm{MTBFs}={\int }_0^{\infty }{R}_{s\left(t\right)}{d}_{\left(t\right)}=1/{\lambda }_s;$

若配电结构类型为并联系统时，假设各子系统失效分布服从指数分布，且各个子系统或元器件的失效率λ₁＝λ₂＝λ₃＝…＝λ，令其为R_i(t)，并联系统的失效分布${\mathrm{Fs}}_{\left(t\right)}=F_{1\left(t\right)}{F}_{2\left(t\right)}···F_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)},$F_i(t)为组成并联系统的子系统或元器件的 失效分布系数，则并联系统可靠性模型的可靠度可写成：对应的所述船舶电站系统发电机组包含三台发电机组即n＝3时，该并联系统可靠性模型的的可靠度并联系统的平均无故障工作时间MTBFs＝11/6λ； 

若配电结构类型为2/3(G)表决系统时，整机系统各子系统的寿命分布为指数分布，且各子系统失效率都为λ时，则2/3(G)表决系统可靠性模型的可靠度$R_{s\left(t\right)}={{3R}^2}_{i^{\left(t\right)}}-{{2R}^3}_{i^{\left(t\right)}}={3e}^{-2\mathrm{\lambda t}}-{2e}^{-\mathrm{\lambda t}};$2/3(G)表决系统的平均无故障工作时间$\mathrm{MTBFs}=\frac{5}{6\lambda };$

配电结构类型为储备系统时，储备系统又称为备用系统即由若干个备用整机系统和一个工作整机系统组成，当工作整机系统失效时，立即能由备用整机系统接替， 

储备系统又分为冷储备系统与热储备系统：如果储备整机系统在储备期间不失效，即失效率为零，则称为冷储备系统； 

如果备用整机系统在储备期间可能失效，即失效率不为零，则称为热储备系统； 

冷储备系统： 

如果系统由n+1个元件或子系统组成，n个元件或子系统储备，1个元件或子系统工作，且元件或子系统同为指数分布，则： 

冷储备系统可靠性模型的可靠度式中：λ—为子系统运行的失效率， 

冷储备系统平均无故障工作时间

如果考虑转换装置的影响，冷储备系统可靠性模型就是一个计及转换装置失效影响的冷储备系统模型。 

特别是当n＝2，转换装置失效率为λ₁时， 

冷储备系统可靠性模型的可靠度 

${\mathrm{Rs}}_{\left(t\right)}=\exp (-\mathrm{\lambda t})+\frac{\lambda }{{\lambda }_1}\{\exp (-\mathrm{\lambda t})-\exp [-(\lambda +{\lambda }_1)t\left]\right\}+\frac{\lambda (\lambda +{\lambda }_1)}{{{2\lambda }^2}_1}·\exp [-(\lambda +{2\lambda }_1)t]$

冷储备系统平均无故障工作时间 

$\mathrm{MTBFs}=\frac{1}{\lambda }+\frac{1}{\lambda +{\lambda }_1}+\frac{1}{\lambda +{2\lambda }_1}$

式中：λ—为子系统运行的失效率，λ₁—为转换装置的失效率。 

热储备系统 

热储备系统即元件或者子系统在储备期间可能失效，热储备系统可靠性模型的可靠度 

式中：λ—为子系统运行的失效率，λ^*—为子系统储备期间失效率。 

所述的工况条件依据船舶运行机动状态可分为进出港工况、航行工况以及停泊工况； 

按照船舶电站实际使用需求，在进出港工况条件下，船舶电站要求全部整机或者一定数量整机投入运行，因此对应的可靠性模型类型为串联系统的可靠度模型或者2/3(G)表决系统的可靠度的模型；在航行工况条件下，船舶电站要求一台整机投入运行即可，因此对应的可靠性模型类型为并联系统的可靠度模型；在停泊工况条件下，船舶电站要求一台整机处于待机状态即可，因此对应的可靠性模型类型为储备系统的可靠度模型。 

与现有技术相比，本发明的有益效果： 

该发明能够建立船舶电站在不同工况下的可靠性框图以及相应的可靠性数学模型，在此基础上，计算出船舶电站在不同工况下的可靠度、系统平均无故障工作时间，这种按不同工况求解船舶电站可靠性模型的方法更加符合船舶电站的实际运行模型，这些工作对开展船舶电站可靠性研究提供更加科学的理论支撑；通过实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用对应的可靠性模型,可在线实时评估当前工况条件下船舶电站的可靠性。 

附图说明

图1：本发明串联系统的可靠性框图； 

图2：本发明并联系统的可靠性框图； 

图3：本发明2/3(G)表决系统的可靠性框图； 

图4：本发明进出港工况(1)可靠性框图； 

图5：本发明进出港工况(2)可靠性框图； 

图6：本发明航行工况可靠性框图； 

图7：本发明停泊工况可靠性框图； 

图8：本发明船舶电站可靠性评估方法流程图； 

图9：本发明船舶电站可靠性评估系统结构框图。 

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，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。 

本发明主要设计思想是：首先建立可靠性模型的基本准则即建立起设备的可靠性框图模型；以可靠性框图模型为基础，建立相应的数学模型，随后依据船舶电站实际运行的不同工况，调用相应的可靠性框图模型及数学模型并计算系统的可靠性特征值。 

其中可靠性框图是从可靠性角度看，将整机系统与子系统以及部件、元件之间的逻辑关系用方框图的形式表达出来； 

可靠性数学模型是从数学上建立可靠性框图与时间、事件和失效率数据的关系，是用数学方法对方框图所表示出来的逻辑关系加以描述，以便准确地计算出系统的可靠度，这种模型的“解”就是所预计的产品的可靠性。 

本发明所述的方法，其具体步骤如图8所示，主要包括建立船舶电站系统可靠性模型的基本准则：依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型；区分船舶电站不同的工况条件，并建立船舶电站不同的工况条件下对应的可靠性模型类型；实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用对应的可靠性模型类型评估当前的工况条件下船舶电站的可靠性。 

具体的首先建立可靠性模型的基本准则包括： 

1.1串联系统的可靠性框图与数学模型 

串联系统是指组成系统的任一子系统失效均导致系统失效。反之，系统正常工作的条件是系统中所有子系统均须正常工作。 

若以Es和Ei分别表示系统和子系统的正常工作状态，则系统正常工作状态 的表达式和其可靠性框图(图1)可分别表示为： 

E_s＝E₁∩E₂∩E₃…∩E_n   (1–1) 

由于子系统之间互相独立，因而系统正常工作的概率等于子系统正常工作概率之积，即： 

$P\left\{E_s\right\}=P\left\{E_1\right\}P\left\{E_2\right\}P\left\{E_3\right\}···P\left\{E_n\right\}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}P\left\{E_i\right\}---(1-2)$

实际上，系统和子系统正常工作的概率就是它们的可靠度，即：串联系统的可靠度Rs(t)的数学模型可写成： 

$R_{s\left(t\right)}{=R}_{1\left(t\right)}·R_{2\left(t\right)}·R_{3\left(t\right)}····R_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{R}_i\left(t\right)---(1-3)$

假设组成各子系统的元件失效率λi是常数，各子系统的可靠度可以表示为： 

R_i(t)＝e^-λit   (1–4) 

把式(1–4)代入式(1–3)得： 

串联系统可靠度$R_{s\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{R}_{i\left(t\right)}=\exp \left({-\lambda }_{s}t\right)---(1-5)$

式中：${\lambda }_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\lambda }_i$(λ_s—串联系统的失效率) 

1.2并联系统的可靠性框图与数学模型 

并联系统是指只要有一个子系统正常工作系统就能保证正常工作的冗余系统。反之，系统内所有子系统全部失效，系统才失效。其可靠性框图参见图2。 

并联系统正常工作状态的表达式为： 

E_s＝E₁∪E₂∪E₃…∪E_n   (2–1) 

并联系统的失效分布： 

${\mathrm{Fs}}_{\left(t\right)}=F_{1\left(t\right)}{F}_{2\left(t\right)}···F_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)}---(2-2)$

并联系统的可靠度Rs(t)的数学模型可写成： 

$\left(\begin{array}{c}{R}_{s\left(t\right)}=1-F_{s\left(t\right)}\\ =1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)}\end{array}\right)$

$=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-R_{i\left(t\right)})---(2-3)$

假设各子系统失效分布服从指数分布，且λ1＝λ2＝λ3＝…＝λ，这样，各子系统的可靠度也相等，现令其为Ri(t)，则： 

当n＝2时， 

$R_{s\left(t\right)}=R_{1\left(t\right)}+R_{2\left(t\right)}-R_{1\left(t\right)}{R}_{2\left(t\right)}={2R}_i\left(t\right)-{R^2}_{i^{\left(t\right)}}$

$\mathrm{MTBFs}=\frac{2}{\lambda }-\frac{1}{2\lambda }=\frac{3}{2\lambda }$

当n＝3时， 

$R_{s\left(t\right)}={R^3}_{i^{\left(t\right)}}-{{3R}^2}_{i^{\left(t\right)}}+{3R}_{i^{\left(t\right)}}---(2-4)$

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{MTBFs}=\frac{3}{\lambda }-\frac{3}{2\lambda }+\frac{1}{3\lambda }\\ =\frac{11}{6\lambda }\end{array}\right)---(2-5)$

1.32/3(G)表决系统 

对于2/3(G)表决系统，即三个子系统并联，其中任意两个子系统正常工作，系统即能正常工作。其可靠性框图如图3所示。 

若系统的子系统为1，2，3，每个子系统可靠度为Ri(t)，第i个子系统处于正常工作的事件为Ai，系统处于正常工作的事件为As,则事件As与A1、A2、A3的关系为： 

$A_s=A_1{A}_2{\bar{A}}_3\cup A_1{\bar{A}}_2{A}_3\cup {\bar{A}}_1{A}_2{A}_3\cup A_1{A}_2{A}_3---(3-1)$

所以2/3(G)表决系统的可靠度为 

R_s(t)＝R_1(t)R_2(t)R_3(t)+R_1(t)R_2(t)F_3(t)+R_1(t)F_2(t)R_3(t)+F_1(t)R_2(t)R_3(t)

若各子系统的寿命分布为指数分布，则： 

$\left(\begin{array}{c}{R}_{s\left(t\right)}=e^{-({\lambda }_1+{\lambda }_2+{\lambda }_3)t}+e^{-({\lambda }_1+{\lambda }_2)t}[1-e^{-\lambda 3t}]+e^{-({\lambda }_1+{\lambda }_3)t}[1-e^{-\lambda 2t}]+e^{-({\lambda }_2+{\lambda }_3)t}[1-e^{-\lambda 1t}]\\ =e^{-({\lambda }_1+{\lambda }_2)t}+e^{-({\lambda }_2+{\lambda }_3)t}+e^{-({\lambda }_1+{\lambda }_3)t}-{2e}^{-({\lambda }_1+{\lambda }_2+{\lambda }_3)t}\end{array}\right)---(3-2)$

$\mathrm{MTBFs}={\int }_0^{\infty }{\mathrm{Rs}}_{\left(t\right)}{d}_{\left(t\right)}=\frac{1}{{\lambda }_1+{\lambda }_2}+\frac{1}{{\lambda }_2+{\lambda }_3}+\frac{1}{{\lambda }_1+{\lambda }_3}-\frac{2}{{\lambda }_1+{\lambda }_2+{\lambda }_3}---(3-3)$

特别是当各子系统失效率都为λ时， 

$R_{s\left(t\right)}={{3R}^2}_{i^{\left(t\right)}}-{{2R}^3}_{i^{\left(t\right)}}={3e}^{-2\mathrm{\lambda t}}-{2e}^{-3\mathrm{\lambda t}}$

$\mathrm{MTBFs}=\frac{5}{6\lambda }---(3-4)$

1.4储备系统 

储备系统又称为备用系统，由若干个备用子系统和一个工作子系统组成，当工作子系统失效时，立即能由备用子系统接替，这种系统称为储备系统。 

如果储备子系统在储备期间不失效，即失效率为零，则称为冷储备系统； 

如果备用子系统在储备期间可能失效，即失效率不为零，则称为热储备系统 

1.4.1冷储备系统 

这种系统备用子系统不发生失效，当工作子系统失效时，备用子系统逐个顶替，直到所有子系统失效，系统失效。储备子系统在储备期间不失效，且假设转换开关(即负责工作子系统和备用子系统转换的装置)也是完全可靠的。 

如果系统由n+1个元件组成，n个元件储备，1个工作，且元件同为指数分布则冷储备系统可靠度： 

${\mathrm{Rs}}_{\left(\text{t}\right)}=e^{-\mathrm{\lambda t}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{{\left(\mathrm{\lambda t}\right)}^i}{i!}$

冷储备系统平均无故障工作时间： 

$\mathrm{MTBFs}=\frac{n+1}{\lambda }---(4-1)$

1.4.2热储备系统 

热储备系统即元件在储备期间可能失效，热储备系统可靠度 

$\mathrm{Rs}\left(t\right)=e^{-\mathrm{\lambda t}}[1+\frac{\lambda }{{\lambda }^{*}}(1-e^{-{\lambda }^{*}t})]---(4-2)$

式中：λ—为子系统运行的失效率，λ^*—为子系统储备期间失效率。 

随后区分船舶电站不同的工况条件，并建立船舶电站不同的工况条件下对 应的可靠性模型类型； 

所述的工况条件依据船舶运行机动状态可分为进出港工况、航行工况以及停泊工况； 

按照船舶电站实际使用需求，在进出港工况条件下，船舶电站要求全部整机或者一定数量整机投入运行，因此对应的可靠性模型类型为串联系统的可靠度模型或者k/n(G)表决系统的可靠度的模型；在航行工况条件下，船舶电站要求一台整机投入运行即可，因此对应的可靠性模型类型为并联系统的可靠度模型；在停泊工况条件下，船舶电站要求一台整机处于待机状态即可，因此对应的可靠性模型类型为储备系统的可靠度模型； 

实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用对应的可靠性模型类型评估当前的工况条件下船舶电站的可靠性。 

本发明还提供了一种船舶电站可靠性评估系统，如图9，该系统包括： 

用于存储船舶电站系统可靠性模型的基本准则的船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统，其中所述的基本准则包括依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型以及船舶电站不同运行工况下对应的可靠性数学模型； 

用于实时采集监测当前船舶电站运行条件下，船舶电站工况参数信息的信息采集子系统； 

用于按照实时监测的船舶电站当前工况参数，调用系统可靠性模型数据库子系统内对应的可靠性模型，实时地对当前船舶电站的可靠性进行评估的评估子系统。 

所述评估子系统是由下位机控制器和上位机两部分组成，所述下位机控制器用于依据信息采集子系统采集的信息，实时判断船舶电站的当前工况条件；上位机通过网络通讯，实时获取下位机控制器的自动识别的工况条件，实时自动调用船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统中对应工况的可靠性相关数据库-可靠性数学模型，并给出该工况的可靠性指标。 

所述船舶电站系统可靠性模型的基本准则：依据船舶电站系统发电机组的配电结构类型建立相应的可靠性框图及可靠性模型； 

具体的，配电结构类型为串联系统时，整机系统正常工作状态的表达式表示为： 

E_s＝E₁∩E₂∩E₃…∩E_n   (1–1) 

其中Es和En分别表示整机系统以及各个子系统的正常工作状态， 

由于船舶电站各个子系统之间互相独立，因而整机系统正常工作的概率等于子系统正常工作概率之积，即： 

$P\left\{E_s\right\}=P\left\{E_1\right\}P\left\{E_2\right\}P\left\{E_3\right\}···P\left\{E_n\right\}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}P\left\{E_i\right\}---(1-2)$

鉴于整机系统以及各个子系统正常工作的概率就是它们的可靠度，即：串联系统的可靠度Rs(t)的模型可写成： 

$R_{s\left(t\right)}{=R}_{1\left(t\right)}·R_{2\left(t\right)}·R_{3\left(t\right)}····R_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{R}_i\left(t\right)---(1-3)$

配电结构类型为并联系统时，整机系统正常工作状态的表达式表示为： 

E_s＝E₁∪E₂∪E₃…∪E_n   (2–1) 

并联系统的失效分布： 

对应的${\mathrm{Fs}}_{\left(t\right)}=F_{1\left(t\right)}{F}_{2\left(t\right)}···F_{n\left(t\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)}---(2-2)$

那么并联系统的可靠度Rs(t)的数学模型可写成： 

$R_{s\left(t\right)}=1-F_{s\left(t\right)}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}{F}_{i\left(t\right)}---(2-3)$

配电结构类型为2/3(G)表决系统时，整机系统正常工作状态的表达式表示为： 

配电结构类型为储备系统时，整机系统正常工作状态的表达式表示为： 

储备系统又称为备用系统即由若干个备用整机系统和一个工作整机系统组成，当工作整机系统失效时，立即能由备用整机系统接替， 

储备系统又分为冷储备系统与热储备系统：如果储备整机系统在储备期间不失效，即失效率为零，则称为冷储备系统； 

如果备用整机系统在储备期间可能失效，即失效率不为零，则称为热储备系统； 

所述冷储备系统： 

这种系统备用整机系统不发生失效，当工作整机系统失效时，备用整机系统逐个顶替，直到所有整机系统失效，系统失效。储备整机系统在储备期间不 失效，且假设转换开关(即负责工作整机系统和备用整机系统转换的装置)也是完全可靠的； 

如果系统由n+1个整机系统组成，n个整机系统储备，1个整机系统工作，且元件同为指数分布则冷储备系统可靠度： 

${\mathrm{Rs}}_{\left(\text{t}\right)}=e^{-\mathrm{\lambda t}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{{\left(\mathrm{\lambda t}\right)}^i}{i!}---(4-1)$

式中：λ—为整机系统运行的失效率， 

所述热储备系统： 

这种系统即整机系统在储备期间可能失效，热储备系统可靠度 

$\mathrm{Rs}\left(t\right)=e^{-\mathrm{\lambda t}}[1+\frac{\lambda }{{\lambda }^{*}}(1-e^{-{\lambda }^{*}t})]---(4-2)$

式中：λ—为整机系统运行的失效率，λ^*—为整机系统储备期间失效率。 

区分船舶电站不同的工况条件，并建立船舶电站不同的工况条件下对应的可靠性模型类型； 

用于监控子系统实时监控船舶电站的工况参数信息，并依据船舶运行机动状态将工况条件分为进出港工况、航行工况以及停泊工况；随后按照船舶电站当前的工况条件调用的可靠性模型类型，其调用关系为：按照船舶电站实际使用需求，在进出港工况条件下，船舶电站要求全部整机或者一定数量整机投入运行，因此对应的可靠性模型类型为串联系统的可靠度模型或者2/3(G)表决系统的可靠度的模型；在航行工况条件下，船舶电站要求一台整机投入运行即可，因此对应的可靠性模型类型为并联系统的可靠度模型；在停泊工况条件下，船舶电站要求一台整机处于待机状态即可，因此对应的可靠性模型类型为储备系统的可靠度模型。 

具体的： 

(1)进出港工况：船舶在港内低速航行或船舶处于靠离码头等机动状态。从确保高可靠性方面考虑，该工况下实际船舶电站设计要求三台发电机组全部并联投入运行，通常又有两种设计方案： 

①只有三台发电机组均正常工作，才能满足全船实际负载供电的要求。这时船舶电站可靠性框图是可靠度为R单、失效率为λs单的三个相同子系统组成的可靠性串联模型，如图4所示。该工况条件下： 

船舶电站失效率λs_进＝3λs_单

船舶电站可靠度R_进＝exp(-λs_进t) 

船舶电站平均无故障工作时间

②船舶电站要求三台发电机组中至少两台完好就满足全船供电要求。显然，这个系统是典型的2/3(G)表决系统，即三中取二表决系统，也就是说，组成系统的三个子系统中如果有至少两个子系统故障，则系统才故障，进出港工况船舶电站可靠性框图如图5所示。该工况条件下： 

船舶电站可靠度 

R_进＝3R_单²-2R_单³＝3exp(-2λs_单t)－2exp(-3λs_单t) 

船舶电站平均无故障工作时间 

(2)航行工况：船舶在海上全速、满载航行。该工况条件下一般船舶电站要求只要有一台发电机组正常工作，就能满足全船供电的基本要求。这时船舶电站可靠性框图是可靠度为R_单的三个相同子系统组成的可靠性并联模型，如图6所示。该工况条件下： 

船舶电站可靠度 

R_航＝R_单³-3R_单²+3R_单

船舶电站平均无故障工作时间 

(3)停泊工况：船舶停靠在码头或锚地上，无装卸作业。该工况条件下船舶电站要求仅需一台发电机组在网工作即满足全船供电要求，其它机组处于停机备用状态。显然，停泊工况船舶电站是一个有三个相同子系统的冷储备系统，其可靠性框图如图7所示。如果考虑转换装置的影响，停泊工况船舶电站可靠性模型就是一个计及转换装置失效影响的冷储备系统模型。其中转换装置是一个自动转换开关电路，当收到起动指令时，便自动发出信号，起动备用机组。转换装置可靠度为R_5C147，失效率为λ₁。 

该工况条件下： 

船舶电站可靠度

船舶电站平均无故障工作时间 

具体实施例：所述实时在线评估系统的硬件结构由下位机控制器和上位机人机界面触摸屏两部分组成。下位机控制器简称下位机，主要由西门子公司生产的S7-1200系列的可编程逻辑控制器(PLC)组成，上位机采用威伦通公司生产的MT8100i以太网型人机界面触摸屏(HMI)。上位机与下位机的通讯方式为Profinet工业以太网连接。 

上位机与下位机之间的通讯过程是，首先完成下位机PLC程序的编写，通过RJ45端口建立物理连接，点击触摸屏组态软件中“取得标签资讯”按钮，触摸屏获取PLC的各个数据块(DB块，M域及I/O)内容，完成PLC与触摸屏的数据链接。 

实时在线评估系统工作流程为，由下位机控制器PLC判断船舶电站的工况，产生一个对应于该工况的输出，并在上位机触摸屏上显示。 

通过网络通讯，上位机触摸屏实时获取下位机PLC控制器的检测数据，实时自动调用对应工况的可靠性评估界面及相关数据库，并给出该工况的船舶电站系统可靠性指标。 

触摸屏可设5帧显示界面，分别是： 

0-表示在线评估系统未工作 

1-进出港工况(1)船舶电站可靠性在线评估结果 

2-进出港工况(2)船舶电站可靠性在线评估结果 

3-航行工况船舶电站可靠性在线评估结果 

4-停泊工况船舶电站可靠性在线评估结果 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内 。