基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶主機故障系統(tǒng)設計

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摘要：如果船舶的主發(fā)動機不能正常的工作，船舶的安全航行就難以保證。傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)主要依靠船員的經(jīng)驗來分析每臺設備的參數(shù)并推斷出故障的類型。該方法精度低，成本高，無實時性。為解決這一問題，基于數(shù)據(jù)挖掘技術設計了一種新型船用柴油機故障診斷優(yōu)化系統(tǒng)。本文將數(shù)據(jù)挖掘技術應用故障診斷，利用算法上的高效，包括VSM算法和關聯(lián)規(guī)則，建立遠程船舶主機故障診斷系統(tǒng)，對主機的運營進行實時動態(tài)的仿真。對發(fā)動機各子系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控可以與整個船用柴油機的故障特征相結(jié)合。

關鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘故障診斷支持向量機遠程通信

1.引言

在造船業(yè)領域和航海領域，現(xiàn)代船舶的設計和建造正朝著大型船體，而這樣的船舶必然是具備復雜的結(jié)構，而且具備先進的自動化設備復。而其中的船舶的主機也不斷地發(fā)展，不再是傳統(tǒng)的簡單的提高功率，而是包括運營壽命在內(nèi)的全面智能化的提高。其設備性能會進步到一個新的臺階，其中自動化水平日益提高。作為整船的動力裝置，船用柴油機的性能備受關注。它的安全性和可靠性非常重要。如果船舶的主發(fā)動機不能正常的工作，船舶的安全航行就難以保證。船用柴油機的運行狀態(tài)與整船的安全性有關。因此，船用柴油機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究尤為重要。如果船舶的主發(fā)動機不能正常的工作，船舶的安全航行就難以保證。通常及時的船舶故障發(fā)現(xiàn)，并在未能引起大的損失之前將其解決，船舶的安全航行就可以得到保障。目前，常用的診斷系統(tǒng)是時域分析和局域分析。這些計算方法將主引擎作為每個節(jié)點，這可以很容易地改變船舶故障診斷系統(tǒng)預判計算的算法節(jié)點之間的權重并增加計算復雜度。同時，這種計算方法過分依賴船舶內(nèi)部人員的質(zhì)量和以往的經(jīng)驗，并使用各種設備的參數(shù)來分析主機故障。該方法不僅可以診斷主機故障，還可以利用船舶設備的參數(shù)。不同于傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)，本文設計了一種新的船用主機遠程故障診斷系統(tǒng)。數(shù)據(jù)挖掘技術引入故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對船舶主機運營情況的提前預判，本文主要從硬件和軟件部分分別優(yōu)化。

2.艦船柴油機故障分析

船用柴油機是一種非線性和復雜的系統(tǒng)。首先，船用柴油機由許多子系統(tǒng)組成，如機械，電氣和液壓子系統(tǒng)。它是一個復雜的機械和電氣設備，具有多層次。其次，每個子系統(tǒng)的結(jié)構和功能都有很大差異。最后，無論是在同一水平還是在不同水平，其中許多都是階段性的。連接和交互。由于系統(tǒng)的復雜性，許多原始故障可能在傳輸過程中產(chǎn)生一些失真，或者顯示完全不同的故障，或者直接導致其他子系統(tǒng)的故障。因此，船用柴油機故障現(xiàn)象與故障源之間的關系非常復雜。它一般有如下幾個方面：（1）故障的多樣性：船用柴油機故障種類繁多，可能同時發(fā)生多種故障。（2）多因素和多效：船用柴油機系統(tǒng)故障的因果關系不是一對一的。故障現(xiàn)象可能由許多相關原因引起，同樣的原因可能導致不同的故障現(xiàn)象。（3）應急性和必然性：例如隨著柴油機的連續(xù)運轉(zhuǎn)，潤滑油的粘度會逐漸降低。（4）操作簡單，難以診斷：船用柴油機結(jié)構復雜，故障診斷非常困難，但處理故障相對容易。

3.基于SVM的船舶主機系統(tǒng)故障診斷

高質(zhì)量和準確的數(shù)據(jù)樣本是船用柴油機成功故障診斷的先決條件。由于實際原因，我們無法獲得船用柴油機的實際故障數(shù)據(jù)。因此，根據(jù)上述船用柴油機各子系統(tǒng)的故障分析及原因，分別模擬各子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)。由于船用柴油機的系統(tǒng)結(jié)構非常復雜，并且有許多傳感器用于監(jiān)測其部件的運行狀態(tài)，因此將涉及許多特征參數(shù)（例如噴射器壓力，排氣溫度，最高壓力值等）計入到對主機的性能評估中。但是，如果將所有特征參數(shù)用作對船舶主機的故障診斷的分析數(shù)據(jù)，則對船舶主機診斷評估的運算過程將耗時耗力。另外，并不一定要用到這么多特征參數(shù)，其中不可避免的會有些特征參數(shù)對該時刻的主機診斷評估無效，即許多特征參數(shù)數(shù)據(jù)對于故障診斷的結(jié)果是無意義的，并且一些特征參數(shù)數(shù)據(jù)是具有線性相關性的，這將導致數(shù)據(jù)冗余。所以必須要能夠建立特征參數(shù)之間的選擇關系，通過線性相關系統(tǒng)的分析師必不可少的。因此，有必要選擇幾個主要特征參數(shù)作為船舶主機診斷評估的基準參數(shù)，模擬數(shù)據(jù)樣本，生成歷史故障數(shù)據(jù)庫作為SVM分類算法的訓練數(shù)據(jù)，而其他的樣本參數(shù)和船舶主機的其他性能診斷評估參數(shù)可由訓練數(shù)據(jù)后得到，從而實現(xiàn)船用柴油機的遠程診斷的目標的故障數(shù)據(jù)獲取。

3.1數(shù)據(jù)采集器優(yōu)化設計

采集器內(nèi)部設有ABRE時鐘芯片，能夠同時采集NADA。環(huán)境下和FEEW環(huán)境下的船舶主機故障診斷系統(tǒng)的預判計算的控制系統(tǒng)傳輸信號。內(nèi)部設有滿足PASD34.1標準的編碼數(shù)據(jù)庫，采集的內(nèi)容為100kB。STM51主控制器采用STM51F214CDE2處理器為數(shù)據(jù)采集器的主控芯片,該CPU采用ARM公司新一代技術增強型的XEDR-D1內(nèi)核,3.3V直流供電,具有64位芯片的,理論運行速度可達到72MHz。CPU內(nèi)包含有128kFlash和需要的接口,包括32路24位時鐘通道、24個可編程輸入輸出口、16個定時器,可輸出多路RPDA,支持P2R、CRD等通訊協(xié)議.系統(tǒng)通過合理利用STM51片上外設，,主要以STM52的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為主進行工業(yè)信號數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換和處理.數(shù)據(jù)采集器采用主控制器片上逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。其采集精度為24位,具有32個外部通道,各通道為CRD-A03、CRD-A07、PRD-PC4,各通道之間可以做到間越式傳輸。而ADC的結(jié)果可以存儲在32位的數(shù)據(jù)寄存器中，通過雙對齊的方式。

3.2數(shù)據(jù)處理器優(yōu)化設計

數(shù)據(jù)處理器的核心工作是對船舶主機故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器接收到的數(shù)據(jù)進行邏輯體系運算。通過對其進行疊加濾波處理，通常情況下處理的濾波類型有PD213/PD214/PD215。一般會設置多個方位的處理通道，波特率為210～3500byte/s，支持多類型數(shù)據(jù)處理，處理器的靈敏度高達120dBm，并將信號轉(zhuǎn)化成24位的CR.215信號，以便于數(shù)據(jù)分析。分析器內(nèi)部選用KRP公司生產(chǎn)的MBDRE2341智能芯片，輸入信號的形式為RRW8.23，輸出信號的形式為EER8.36，量化信號數(shù)量為22bit，將數(shù)據(jù)輸入到各個過濾器中。

4.基于關聯(lián)規(guī)則的艦船柴油機全系統(tǒng)故障分析

船用柴油機結(jié)構極其復雜，各種故障的耦合程度很高。一種故障經(jīng)常發(fā)生在另一種或幾種故障上。這些故障可能發(fā)生在同一級別的同一子系統(tǒng)中，也可能發(fā)生在不同級別的不同子系統(tǒng)中。即使在柴油發(fā)動機中，一些相關規(guī)則也經(jīng)常隱藏在這些故障信息中。維護專家也很難找到某些故障之間的關聯(lián)規(guī)則。例如，當柴油發(fā)動機在運行期間顯示不足的功率時，故障可能由柴油發(fā)動機的一個子系統(tǒng)或同時由柴油發(fā)動機的不同子系統(tǒng)引起。故障可能由以下原因引起：（1）燃料系統(tǒng)的故障，這可能是由進入燃料系統(tǒng)或燃料管道和燃料過濾器的空氣堵塞引起的。燃油供應不足，故障可表現(xiàn)為燃油霧化不良或噴油泵無霧化，噴油壓力低等。（2）進氣和排氣系統(tǒng)故障，可能是由于空氣濾清器堵塞，導致排氣溫度過高對于柴油機而言，排氣煙霧顏色較差，此外，還可能是由于氣缸蓋泄漏或閥門損壞等故障導致柴油機動力不足。例如，當柴油發(fā)動機的油壓太低時，故障可能僅由潤滑系統(tǒng)引起?？赡苁菨櫥到y(tǒng)的一個設備故障或多個設備同時發(fā)生故障。故障原因可能是輸油管漏油，油底殼油不足，濾油器堵塞，軸承間隙過大，油粘度低等?；谝陨蠈Υ貌裼蜋C故障特征的分析，可以看出船用柴油機故障不是單一形式，故障原因不是一一對應的。為挖掘隱患之間的關系，采用關聯(lián)規(guī)則挖掘算法對船用柴油機故障數(shù)據(jù)進行分析，有效挖掘故障數(shù)據(jù)。它們之間的關系對船用柴油機的故障診斷和決策具有重要的現(xiàn)實意義。

5.結(jié)論

本文中研究基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶主機故障遠程診斷系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)的實現(xiàn)核心為基于關聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘算法，同時考慮到傳統(tǒng)關聯(lián)規(guī)則計算速率慢、易忽略離群數(shù)據(jù)等缺陷，對其進行了算法改進。之后，給出了在線監(jiān)測系統(tǒng)架構及軟件設計方案及相關功能介紹。該故障診斷系統(tǒng)異常分析準確度高、實時性強、適用范圍廣泛。

作者：王寶生 單位：交通運輸部北海航海保障中心秦皇島航標處