基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶主機(jī)故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：如果船舶的主發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)來(lái)分析每臺(tái)設(shè)備的參數(shù)并推斷出故障的類型。該方法精度低，成本高，無(wú)實(shí)時(shí)性。為解決這一問(wèn)題，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型船用柴油機(jī)故障診斷優(yōu)化系統(tǒng)。本文將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用故障診斷，利用算法上的高效，包括VSM算法和關(guān)聯(lián)規(guī)則，建立遠(yuǎn)程船舶主機(jī)故障診斷系統(tǒng)，對(duì)主機(jī)的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的仿真。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以與整個(gè)船用柴油機(jī)的故障特征相結(jié)合。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘故障診斷支持向量機(jī)遠(yuǎn)程通信

1.引言

在造船業(yè)領(lǐng)域和航海領(lǐng)域，現(xiàn)代船舶的設(shè)計(jì)和建造正朝著大型船體，而這樣的船舶必然是具備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且具備先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備復(fù)。而其中的船舶的主機(jī)也不斷地發(fā)展，不再是傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的提高功率，而是包括運(yùn)營(yíng)壽命在內(nèi)的全面智能化的提高。其設(shè)備性能會(huì)進(jìn)步到一個(gè)新的臺(tái)階，其中自動(dòng)化水平日益提高。作為整船的動(dòng)力裝置，船用柴油機(jī)的性能備受關(guān)注。它的安全性和可靠性非常重要。如果船舶的主發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常的工作，船舶的安全航行就難以保證。船用柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與整船的安全性有關(guān)。因此，船用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究尤為重要。如果船舶的主發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常的工作，船舶的安全航行就難以保證。通常及時(shí)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(shí)域分析和局域分析。這些計(jì)算方法將主引擎作為每個(gè)節(jié)點(diǎn)，這可以很容易地改變船舶故障診斷系統(tǒng)預(yù)判計(jì)算的算法節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重并增加計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)，這種計(jì)算方法過(guò)分依賴船舶內(nèi)部人員的質(zhì)量和以往的經(jīng)驗(yàn)，并使用各種設(shè)備的參數(shù)來(lái)分析主機(jī)故障。該方法不僅可以診斷主機(jī)故障，還可以利用船舶設(shè)備的參數(shù)。不同于傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種新的船用主機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶主機(jī)運(yùn)營(yíng)情況的提前預(yù)判，本文主要從硬件和軟件部分分別優(yōu)化。

2.艦船柴油機(jī)故障分析

船用柴油機(jī)是一種非線性和復(fù)雜的系統(tǒng)。首先，船用柴油機(jī)由許多子系統(tǒng)組成，如機(jī)械，電氣和液壓子系統(tǒng)。它是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械和電氣設(shè)備，具有多層次。其次，每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能都有很大差異。最后，無(wú)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(fù)雜性，許多原始故障可能在傳輸過(guò)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(dǎo)致其他子系統(tǒng)的故障。因此，船用柴油機(jī)故障現(xiàn)象與故障源之間的關(guān)系非常復(fù)雜。它一般有如下幾個(gè)方面：（1）故障的多樣性：船用柴油機(jī)故障種類繁多，可能同時(shí)發(fā)生多種故障。（2）多因素和多效：船用柴油機(jī)系統(tǒng)故障的因果關(guān)系不是一對(duì)一的。故障現(xiàn)象可能由許多相關(guān)原因引起，同樣的原因可能導(dǎo)致不同的故障現(xiàn)象。（3）應(yīng)急性和必然性：例如隨著柴油機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑油的粘度會(huì)逐漸降低。（4）操作簡(jiǎn)單，難以診斷：船用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷非常困難，但處理故障相對(duì)容易。

3.基于SVM的船舶主機(jī)系統(tǒng)故障診斷

高質(zhì)量和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)樣本是船用柴油機(jī)成功故障診斷的先決條件。由于實(shí)際原因，我們無(wú)法獲得船用柴油機(jī)的實(shí)際故障數(shù)據(jù)。因此，根據(jù)上述船用柴油機(jī)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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且有許多傳感器用于監(jiān)測(cè)其部件的運(yùn)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(jì)入到對(duì)主機(jī)的性能評(píng)估中。但是，如果將所有特征參數(shù)用作對(duì)船舶主機(jī)的故障診斷的分析數(shù)據(jù)，則對(duì)船舶主機(jī)診斷評(píng)估的運(yùn)算過(guò)程將耗時(shí)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(huì)有些特征參數(shù)對(duì)該時(shí)刻的主機(jī)診斷評(píng)估無(wú)效，即許多特征參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)于故障診斷的結(jié)果是無(wú)意義的，并且一些特征參數(shù)數(shù)據(jù)是具有線性相關(guān)性的，這將導(dǎo)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(guān)系，通過(guò)線性相關(guān)系統(tǒng)的分析師必不可少的。因此，有必要選擇幾個(gè)主要特征參數(shù)作為船舶主機(jī)診斷評(píng)估的基準(zhǔn)參數(shù)，模擬數(shù)據(jù)樣本，生成歷史故障數(shù)據(jù)庫(kù)作為SVM分類算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而其他的樣本參數(shù)和船舶主機(jī)的其他性能診斷評(píng)估參數(shù)可由訓(xùn)練數(shù)據(jù)后得到，從而實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)的遠(yuǎn)程診斷的目標(biāo)的故障數(shù)據(jù)獲取。

3.1數(shù)據(jù)采集器優(yōu)化設(shè)計(jì)

采集器內(nèi)部設(shè)有ABRE時(shí)鐘芯片，能夠同時(shí)采集NADA。環(huán)境下和FEEW環(huán)境下的船舶主機(jī)故障診斷系統(tǒng)的預(yù)判計(jì)算的控制系統(tǒng)傳輸信號(hào)。內(nèi)部設(shè)有滿足PASD34.1標(biāo)準(zhǔn)的編碼數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shù)增強(qiáng)型的XEDR-D1內(nèi)核,3.3V直流供電,具有64位芯片的,理論運(yùn)行速度可達(dá)到72MHz。CPU內(nèi)包含有128kFlash和需要的接口,包括32路24位時(shí)鐘通道、24個(gè)可編程輸入輸出口、16個(gè)定時(shí)器,可輸出多路RPDA,支持P2R、CRD等通訊協(xié)議.系統(tǒng)通過(guò)合理利用STM51片上外設(shè)，,主要以STM52的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為主進(jìn)行工業(yè)信號(hào)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(gè)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(chǔ)在32位的數(shù)據(jù)寄存器中，通過(guò)雙對(duì)齊的方式。

3.2數(shù)據(jù)處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理器的核心工作是對(duì)船舶主機(jī)故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯體系運(yùn)算。通過(guò)對(duì)其進(jìn)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(huì)設(shè)置多個(gè)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(dá)120dBm，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化成24位的CR.215信號(hào)，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(hào)的形式為RRW8.23，輸出信號(hào)的形式為EER8.36，量化信號(hào)數(shù)量為22bit，將數(shù)據(jù)輸入到各個(gè)過(guò)濾器中。

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

船用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)極其復(fù)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(jí)別的同一子系統(tǒng)中，也可能發(fā)生在不同級(jí)別的不同子系統(tǒng)中。即使在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，一些相關(guān)規(guī)則也經(jīng)常隱藏在這些故障信息中。維護(hù)專家也很難找到某些故障之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。例如，當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間顯示不足的功率時(shí)，故障可能由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng)或同時(shí)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)入燃料系統(tǒng)或燃料管道和燃料過(guò)濾器的空氣堵塞引起的。燃油供應(yīng)不足，故障可表現(xiàn)為燃油霧化不良或噴油泵無(wú)霧化，噴油壓力低等。（2）進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)故障，可能是由于空氣濾清器堵塞，導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高對(duì)于柴油機(jī)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(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力不足。例如，當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油壓太低時(shí)，故障可能僅由潤(rùn)滑系統(tǒng)引起?？赡苁菨?rùn)滑系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)備故障或多個(gè)設(shè)備同時(shí)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(guò)大，油粘度低等?；谝陨蠈?duì)船用柴油機(jī)故障特征的分析，可以看出船用柴油機(jī)故障不是單一形式，故障原因不是一一對(duì)應(yīng)的。為挖掘隱患之間的關(guān)系，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法對(duì)船用柴油機(jī)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效挖掘故障數(shù)據(jù)。它們之間的關(guān)系對(duì)船用柴油機(jī)的故障診斷和決策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5.結(jié)論

本文中研究基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶主機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)核心為基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘算法，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)規(guī)則計(jì)算速率慢、易忽略離群數(shù)據(jù)等缺陷，對(duì)其進(jìn)行了算法改進(jìn)。之后，給出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)方案及相關(guān)功能介紹。該故障診斷系統(tǒng)異常分析準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適用范圍廣泛。

作者：王寶生 單位：交通運(yùn)輸部北海航海保障中心秦皇島航標(biāo)處