团 体 标 准
T/CSNAME 150—2025
沿海内河船舶智能设备可靠性设计要求
Design requirements for reliability of of intelligent equipment for coastal and inland
waterway vessels
2025-12-31 发布 2026-03-31 实施
中国造船工程学会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国造船工程学会提出并归口。
本文件起草单位：武汉理工大学、武汉船用机械有限责任公司、上海船舶运输科学研究所有限公司。
本文件主要起草人：胡茂、王献忠、王强、陈强、覃刚、李熙、甘正林、王恒智、卢明剑、储兰芳、赵君龙、樊佳、李强、陶杨。
沿海内河船舶智能设备可靠性设计要求
1 范围
本文件规定了沿海内河船舶智能设备可靠性设计依据、设计内容、设计验证、文件与记录等的要求。本文件适用于沿海内河船舶智能设备的可靠性设计。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 2900.99-2016 电工术语 可信性
GB/T 5080.7-1986 设备可靠性试验 恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案
3 术语和定义
GB/T 2900.99-2016界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
可靠性设计 reliability design
在沿海内河船舶智能设备的设计阶段，通过运用可靠性理论与方法预防或减少故障发生，确保设备在规定时间、规定条件下完成规定功能的设计过程。
3.2
故障 failure
沿海内河船舶智能设备在运行过程中无法完成其规定功能的状态。
3.3
平均故障间隔时间 mean time between failure，MTBF
沿海内河船舶智能设备在两次相邻故障之间的的平均运行时间。
3.4
故障率 failure rate
单位时间内沿海内河船舶智能设备发生故障的概率。
4 设计依据
可靠性设计依据主要包括：
a) 设计任务书或技术规格书;
b) 相关规范、标准和手册中所提出的可靠性设计要求。
5 设计内容
5.1 总体设计
5.1.1 可靠性设计的一般步骤包括可靠性建模、可靠性分配、可靠性分析、可靠性预计、设计方案优化、设计验证。
5.1.2 可靠性建模的一般步骤包括明确产品定义、绘制可靠性框图、建立定量数学模型，其中产品定义应包括产品组成、功能、接口、故障判据、原理图等， 可靠性框图应对产品及其单元故障和功能逻辑关系进行描述。
5.1.3 可靠性指标一般包括 MTBF 和故障率等，可靠性分配的一般流程包括可靠性指标按设计依据确
定、将可靠性指标按照从大到小、从上到下的顺序分解到各个部件和单元，对于重要度较高的控制系统应分配较高的可靠性指标。
5.1.4 可靠性分析应遵循预防为主的原则，在船舶智能设备的功能设计、硬件设计、软件设计和使用过程中，通过故障模式、影响与危害性分析(FMECA)、故障树分析(FTA)等方法开展可靠性分析和评估，识别重大故障，并制定预防措施，降低潜在的故障风险。
5.1.5 FMECA 的一般步骤包括系统定义、故障模式与影响分析、危害性分析，其中系统定义包括明确分析范围、功能与任务分析、明确故障判据，故障模式与影响分析包括故障模式分析、故障原因分析、故障影响分析、故障检测方法分析、补偿措施分析。
5.1.6 FTA 的一般步骤包括确定顶事件、确定故障概率目标值、原因分析、故障树绘制、求最小割集、顶事件发生概率计算。
5.1.7 船舶智能设备可靠性预计宜采用故障率预计方法，其一般步骤包括根据原理图建立可靠性模型、搜集或通过可靠性仿真获取各部件和单元的故障率数据、输入故障率数据进行定量计算。
5.1.8 船舶智能设备应运用专业设计方法从结构、材料、配套件、工艺等维度开展设计方案优化，设计优化方法包括但不限于简化设计、降额设计、散热设计、冗余设计、健壮设计、电磁兼容设计、环境防护设计、抗冲击和振动设计、故障诊断与预测性维护等。
5.1.9 可靠性设计应与产品的研发设计流程匹配，并融入产品开发的各个阶段(需求分析、设计、制造、测试和验证、交付和维护)。
5.1.10 可靠性设计应考虑船舶智能设备与船舶整体系统的兼容性。
5.1.11 应针对船舶智能设备的自动化控制、状态感知和预测性维护等智能化功能开展可靠性设计，确定提高船舶智能设备可靠性的有效措施。
5.1.12 对于沿海内河船舶所处的航道复杂、浅滩、多桥梁、多泥沙、湿度大、航向多变等的环境， 应在水深实时监控、防碰撞、防泥沙堵塞、防潮湿、机构自动动态调整等方面开展可靠性设计。
5.1.13 对于智能控制算法、多数据融合算法等智能化功能应优先选用技术成熟或是经过充分验证的设计方案，不能采用未经验证的智能化技术。
5.2 简化设计
5.2.1 在满足任务书规定功能的基础上，应尽量简化智能控制的功能。
5.2.2 应尽量减少船舶智能设备控制系统的层次和组成模块的数量。
5.2.3 不同船舶智能设备选用的相同类型传感器和元器件宜具有互换性。
5.2.4 针对易损或易污的传感器模块，应采用模块化设计，方便快速更换。
5.2.5 不同船舶智能设备宜使用标准化的通信协议和数据接口，使各船舶智能设备之间能顺畅交互信息，避免信息孤岛和系统冲突。
5.3 降额设计
5.3.1 自动舵、动力控制等闭环系统的控制带宽应预留余量，防止在船体剧烈晃动时系统失稳。
5.3.2 控制处理器的峰值负载率应预留余量，预留资源处理突发任务，防止死机。
5.4 散热设计
5.4.1 设计散热系统时，宜综合考虑船舶环境温度、船舶智能设备发热功率、舱室通风条件并预留至少 10℃的安全裕度来选取设计起点。
5.4.2 宜通过散热片、风扇、液冷等方式进行散热设计，确保元器件实际工作温度不高于其最大允许温度。
5.5 冗余设计
5.5.1 船舶智能设备设计时应考虑电源、传感器、控制器、数据库、主控算法等软硬件出现故障时，不会影响到整个系统的正常运行。
5.5.2 对影响航向安全、锚泊安全和网络安全的关键系统应进行冗余设计，在遇到故障时，系统能够自动调整或切换到备用系统。
5.5.3 硬件冗余设计时，对于电源、传感器、数据存储、控制器等关键部件宜配置备用设备或模块。
5.5.4 软件冗余设计时，涉及影响重大安全的主控算法失效时，备份算法宜在 100 ms 内接管，避免系
统崩溃。
5.5.5 针对多桥环境下的信号遮挡问题，宜设置多传感器进行多源信息融合冗余，不依赖单一信号源。
5.5.6 船舶智能设备对难检查、故障影响危害大的硬件单元宜采用冗余技术提高整个系统的可靠性，当主设备由于故障因素不能完成规定功能时，冗余设备自动或手动投入运行，保持连续正确地执行其程序和输入输出功能。
5.6 健壮设计
5.6.1 对于内河航道泥沙浓度、水流速度变化，宜通过机器学习算法动态调整控制参数，使得控制系统对环境变化不敏感。
5.6.2 针对环境干扰造成的感知系统误报，宜利用人工智能算法对其进行识别并进行干扰过滤，提升感知系统的抗干扰能力。
5.6.3 应选用性能稳定的传感器和电参数稳定的元器件，能在长期运行中抵抗性能退化和漂移失效。
5.7 电磁兼容设计
5.7.1 应重点对易受强电磁环境干扰的设备进行防护或屏蔽，并配以明显的标志或说明。
5.7.2 电气控制柜内强、弱电模块应分开安装、布线。
5.7.3 应通过保护电路增强各船舶智能设备自身抗干扰能力。
5.7.4 应将电源线、信号线、高频线分开敷设，避免平行走线。
5.8 环境防护设计
5.8.1 针对泥沙环境导致的传感器表面附着、测量孔堵塞问题，应加装自清洁和防淤罩等防护装置。
5.8.2 针对泥沙环境导致的液压系统水冷管路堵塞问题，应采用风冷或内循环液冷，避免从河水直接取水冷却。
5.8.3 针对可能遭遇的浅水环境，宜在船体底部设备或是传感器外部加装高强度保护罩，或是将其收回船体内。
5.9 抗冲击和振动设计
5.9.1 不宜采用悬臂方式安装传感器，如果采用，应确保其强度能满足在最恶劣环境条件下的使用要求。
5.9.2 应在船舶典型位置安装传感器，采集振动频率、加速度和冲击响应谱，获取设备安装位置的振动与冲击数据。
5.9.3 根据船舶智能设备重量和激振频率，应选择合适的隔振器，使其固有频率避开主要振动频率。
5.10 故障诊断与预测性维护
5.10.1 设计时应对测试方案进行测试性建模与分析，通过测试性分析对测试方案进行优化。
5.10.2 宜配备故障自诊断功能，利用机器学习算法对监测数据进行深入分析，提前发现船舶智能设备的潜在故障和性能退化趋势，并能及时预警。
5.10.3 宜建立预测性维护能力，通过数据分析和人工智能技术，对船舶智能设备故障进行提前预测，并合理安排维修计划，降低停机风险和运维成本。
6 设计验证
6.1 验证方法
6.1.1 应将可靠性指标系统化融入设计验证流程，通过仿真测试进行多阶段多指标验证，结合台架试验与数据分析，确保船舶智能设备从设计、制造、试验和维护的全生命周期满足可靠性目标。
6.1.2 应制定可靠性检查表对 5.1～5.10 节中的可靠性设计要求予以贯彻落实，分模块对各项设计要求进行符合性分析和验证，验证结果应满足 5.1～5.10 节中要求的内容。
6.1.3 宜采用GB/T 5080.7-1986 可靠性统计试验方法，对 MTBF 或故障率等核心指标进行综合评估。
6.1.4 应针对关键零部件、元器件和核心功能模块开展专门的设计验证。
6.1.5 应做出是否满足预期可靠性指标要求的结论，并出具验证结论报告。
6.2 仿真测试验证
6.2.1 宜通过可靠性框图和故障树分析确定主要故障模式的逻辑关系，再通过蒙特卡洛仿真确定主要故障模式故障率的量化指标，从而预测船舶智能设备的 MTBF 可靠性指标。
6.2.2 宜通过计算流体动力学与热传导仿真开展散热设计验证，仿真验证结果应满足 5.4 节中要求的内容。
6.2.3 对于控制算法及软件，宜采用虚拟仿真方法构建船舶智能设备虚拟模型，通过故障注入的方式对软件冗余进行测试验证，仿真验证结果应满足 5.5 节中要求的内容。
6.2.4 对于健壮设计中涉及的机器学习算法和人工智能算法，宜对内河泥沙、水流速度、湿度等复杂环境进行虚拟仿真建模，并采用实测数据构建环境谱，通过仿真对环境动态变化和环境干扰分别对控制系统和感知系统的影响进行评估，仿真验证结果应满足 5.6 节中要求的内容。
6.2.5 宜通过结构强度、模态、随机振动和疲劳仿真开展结构抗冲击、振动和噪声设计验证，仿真验证结果应满足 5.9 节中要求的内容。
6.2.6 对于故障诊断算法及软件，宜采用虚拟仿真方法构建测试场景和数据样本，通过仿真来评估故障诊断系统的有效性，仿真验证结果应满足 5.10 节中要求的内容。
6.3 台架与实船验证
6.3.1 在样机研制阶段，宜对船舶智能设备关键零部件及元器件施加真实的或模拟的综合环境载荷进行摸底试验和改进设计，综合环境载荷包括但不限于温度、冲击、振动等。
6.3.2 应对船舶智能设备进行故障模拟，模拟传感器失效、通信中断等，测试其冗余设计效果、应急响应、容错机制和自恢复能力，试验验证结果应满足 5.5 节中要求的内容。
6.3.3 对于传感器状态、船舶智能设备运行状态、故障日志等宜采用现场数据统计法来进行数据采集和分析，并对故障诊断系统进行测试验证，试验验证结果应满足 5.10 节中要求的内容。
7 文件与记录要求
7.1 可靠性设计报告应包含可靠性指标分配、故障模式与影响分析、故障分析和可靠性仿真等分析结果。
7.2 试验数据及故障记录表应包含全过程的可靠性试验监测数据及对应的故障判定数据。
7.3 可靠性试验验证报告应包含 MTBF 指标的可靠性评估结论。
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