船舶動(dòng)力裝置智能故障診斷技術(shù)分析

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摘要：動(dòng)力裝置是船舶運(yùn)行的核心裝置，動(dòng)力裝置能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)將會(huì)直接影響到船舶航行期間的穩(wěn)定性與安全性，科學(xué)有效的故障診斷技術(shù)正是保障動(dòng)力裝置安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。通過對(duì)船舶動(dòng)力裝置展開分析，并結(jié)合實(shí)際對(duì)智能故障診斷技術(shù)提出個(gè)人看法，希望為智能故障診斷技術(shù)在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用帶來參考，進(jìn)而讓船舶的航行效果得到進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：船舶；動(dòng)力裝置；智能故障診斷技術(shù)

船舶動(dòng)力裝置作為支撐船舶行業(yè)的關(guān)鍵，隨著科技發(fā)展船舶動(dòng)力裝置變得越來越復(fù)雜，復(fù)雜性偏高的船舶動(dòng)力裝置在發(fā)生故障后，其維修、診斷難度也在增大。通過合理利用智能故障診斷技術(shù)對(duì)船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行故障診斷與監(jiān)測，能夠在一定程度上提高船舶動(dòng)力裝置的運(yùn)行安全性。因此，有必要對(duì)智能故障診斷技術(shù)在船舶動(dòng)力裝置中的運(yùn)用進(jìn)行研究。

1智能故障診斷技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1信號(hào)獲取

1）熱工參數(shù)信號(hào)。爆發(fā)壓力、排溫等熱工參數(shù)會(huì)反映出設(shè)備各個(gè)部件的運(yùn)行情況，在對(duì)排氣系統(tǒng)堵塞等異常故障判斷時(shí)，可以利用該信號(hào)來進(jìn)行診斷。外國學(xué)者Rubio等在監(jiān)測了柴油機(jī)運(yùn)行的同時(shí)完善了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，而我國專家駱康明等則規(guī)劃設(shè)計(jì)出了熱工參數(shù)智能檢測儀，該設(shè)備能夠在運(yùn)行期間針對(duì)船舶動(dòng)力裝置開展信號(hào)的自動(dòng)檢測。2）振動(dòng)信號(hào)。船舶動(dòng)力裝置能夠通過柴油機(jī)機(jī)體振動(dòng)、表面局部振動(dòng)等方式來完成對(duì)燃油系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)等零部件的故障診斷，利用振動(dòng)信號(hào)所開展的診斷具有速度快、精度高等優(yōu)勢。對(duì)于船舶動(dòng)力裝置而言，振動(dòng)信號(hào)可以在早期故障預(yù)報(bào)以及故障在線監(jiān)測中發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值。國外學(xué)者利用雅典加速度傳感器針對(duì)氣缸振動(dòng)信號(hào)開展了故障特征分析，在分析中發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)在不同狀態(tài)下存在振動(dòng)頻率上的巨大差異。國內(nèi)學(xué)者則結(jié)合振動(dòng)信號(hào)傳遞提出了振動(dòng)傳感器的布置優(yōu)化模式，這也為船舶動(dòng)力裝置的故障診斷提供了幫助。3）其他信號(hào)。采用激光診斷的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的全面監(jiān)測，而柴油機(jī)效率損失等異常問題則能夠利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行判斷。智能故障診斷系統(tǒng)能夠利用的各種信號(hào)有很多，只要能夠合理進(jìn)行信號(hào)利用，就能夠讓船舶動(dòng)力裝置的故障分析準(zhǔn)確性得到大幅提高。通過多種物理信號(hào)對(duì)船舶動(dòng)力裝置狀態(tài)的影響進(jìn)行監(jiān)測，可以在一定程度上為智能算法的運(yùn)用奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而保證船舶動(dòng)力裝置的故障檢測質(zhì)量。

1.2故障特征提取

1）振動(dòng)信號(hào)特征提取。國外學(xué)者Charles等采用快速傅里葉變換對(duì)曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)故障特征進(jìn)行了提取，其他國外學(xué)者同樣發(fā)現(xiàn)了提取振動(dòng)信號(hào)故障特征的方法[1]。通過采用超限學(xué)習(xí)機(jī)來實(shí)現(xiàn)故障特征的分類，能夠讓異常故障診斷變得更加簡單。國內(nèi)學(xué)者同樣對(duì)故障特征有所研究，如暢志明等便以EEMD為核心對(duì)柴油機(jī)氣門間隙開展了故障特征提取。2）特征提取的作用。故障特征提取能夠?yàn)榇皠?dòng)力裝置故障判斷帶來非常多的幫助，無論實(shí)時(shí)故障預(yù)測還是故障分析，都可以通過提取故障特征的方式來加強(qiáng)對(duì)于故障情況的了解。而且基于故障特征提取還可以對(duì)智能故障診斷技術(shù)做出進(jìn)一步優(yōu)化。就目前而言，國內(nèi)外學(xué)者在故障特征提取這一領(lǐng)域已經(jīng)獲得了令世界矚目的成就，很多研究成果都能夠適用于船舶航行時(shí)的復(fù)雜工況，很多研究仍處于驗(yàn)證階段，想要在實(shí)船故障診斷中加強(qiáng)對(duì)于故障特征提取的利用，還需要對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行實(shí)踐與優(yōu)化。

1.3故障識(shí)別與故障預(yù)測

1）故障識(shí)別。學(xué)者Kowalski等以極限學(xué)習(xí)機(jī)算法為核心專門提出了柴油機(jī)智能故障診斷方法，這種診斷方法可以在船舶柴油機(jī)中進(jìn)行使用，還可以在保證響應(yīng)速度的同時(shí)有效提高故障診斷時(shí)的準(zhǔn)確性[2]。國內(nèi)學(xué)者蔣一然等通過結(jié)合遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同樣提出了相關(guān)的智能故障診斷方法，國內(nèi)外都針對(duì)故障識(shí)別開展了深入研究，這意味著智能故障診斷可以多種方式來進(jìn)行，只要找到合適的智能故障診斷模式，就能夠讓船舶動(dòng)力裝置的故障診斷效果得到保障。2）故障預(yù)測。故障預(yù)測是故障監(jiān)測模式，通過針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)來進(jìn)行檢測能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備故障情況的判斷。諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、形態(tài)濾波等都可以作為國內(nèi)外學(xué)者實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測的重要參考。通過在研究期間持續(xù)推陳出新，令故障預(yù)測時(shí)的效率與響應(yīng)速度不斷提高，進(jìn)而讓船舶在航行期間獲得更多保障。

2船舶動(dòng)力裝置智能故障診斷技術(shù)應(yīng)用

2.1以智能算法為核心的船舶動(dòng)力裝置故障診斷平臺(tái)

1）以云平臺(tái)為主的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)信號(hào)的獲取是船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行智能故障診斷的先決條件，通過采用衛(wèi)星通信的云平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力裝置運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)管，降低計(jì)算機(jī)計(jì)算存在的制約性。在此期間，通過組建完善的數(shù)據(jù)監(jiān)測體系，還能夠?yàn)榇疤峁?shù)據(jù)備份與共享，進(jìn)而加速對(duì)智能故障診斷技術(shù)的完善。2）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)是船舶推行智能故障診斷的關(guān)鍵與重要資源。對(duì)于船舶而言，船舶動(dòng)力裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有非常多的重要信息，機(jī)械健康狀況完全能夠在船舶動(dòng)力裝置數(shù)據(jù)中有所體現(xiàn)。在完善智能故障診斷平臺(tái)時(shí)，需要關(guān)注狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，以此來加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用。而且數(shù)據(jù)庫還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，因此船舶動(dòng)力裝置必須借助數(shù)據(jù)庫讓智能故障診斷技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)實(shí)船應(yīng)用。3）數(shù)據(jù)挖掘。智能故障診斷系統(tǒng)會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力裝置機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測期間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)故障診斷的核心。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到一定規(guī)模后，便要通過數(shù)據(jù)挖掘的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的篩選，船舶機(jī)械工況將有可能因?yàn)槠渌S機(jī)因素而受到干擾，此時(shí)的數(shù)據(jù)中往往存在非常多的無效數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)挖掘則是保證數(shù)據(jù)信息有效性的一種方式。從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，數(shù)據(jù)挖掘?qū)⒊蔀榇髷?shù)據(jù)時(shí)代智能故障診斷今后的發(fā)展方向，因此必須提高對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的認(rèn)知，以此來讓智能故障診斷變得更好[3]。4）自學(xué)習(xí)故障診斷平臺(tái)。機(jī)械設(shè)備在長期運(yùn)行期間，不同工況下的運(yùn)行參數(shù)往往存在非常強(qiáng)的耦合性，很難通過人工識(shí)別的方式來確定故障特征參數(shù)，即便利用傳統(tǒng)理論、經(jīng)驗(yàn)分析等方式來針對(duì)故障信號(hào)特征進(jìn)行提取，也很難保證信號(hào)提取效果。通過云平臺(tái)不斷積累機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，則能夠潛移默化地增加數(shù)據(jù)樣本。智能算法通過對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與識(shí)別，可以讓數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性有所提高。除此之外，還可以通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障情況的智能判斷。5）船舶動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測。通過故障診斷平臺(tái)進(jìn)行船舶動(dòng)力裝置的狀態(tài)監(jiān)測，能夠結(jié)合運(yùn)行情況來實(shí)現(xiàn)故障問題預(yù)測。通過提前掌握大致的故障信息，能夠在一定程度上將故障問題消除在發(fā)生之前。船舶動(dòng)力裝置故障監(jiān)測是智能故障診斷的重要環(huán)節(jié)，狀態(tài)監(jiān)測可以有效降低人力、物力的消耗，并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)問題的發(fā)生。6）模型、數(shù)據(jù)故障診斷的融合。在專家系統(tǒng)中，知識(shí)庫數(shù)據(jù)多數(shù)都來自于專家以及運(yùn)維人員所積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)信息存在較為明顯的非結(jié)構(gòu)化傾向，在實(shí)船操作中，很難真正得到應(yīng)用。若選擇針對(duì)專家數(shù)據(jù)信息來開展總結(jié)與歸納，或者利用智能算法將內(nèi)容總結(jié)到云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，可以讓智能診斷系統(tǒng)后續(xù)的故障特征提取工作變得更加簡單。

2.2智能故障診斷系統(tǒng)需求

1）軟硬件分離。對(duì)于智能故障診斷系統(tǒng)而言，為了保證運(yùn)行質(zhì)量，必須保證軟件運(yùn)行期間不受終端硬件變化所帶來的影響，用戶若需要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行更換，只要通過簡單的裝配便可以重新運(yùn)行軟件功能，軟硬件分離可以在一定程度上提高系統(tǒng)靈活性，避免因?yàn)槔売布绊懙较到y(tǒng)的正常運(yùn)行。2）可定制系統(tǒng)分析診斷功能。船舶動(dòng)力裝置非常復(fù)雜，不同的設(shè)備其振動(dòng)診斷模式存在明顯差異性，智能診斷系統(tǒng)需要允許用戶自行添加、刪除設(shè)備信息，通過對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)測點(diǎn)、工藝測點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)整，能夠讓系統(tǒng)運(yùn)行變得更加具有個(gè)性化。在此期間，系統(tǒng)可以針對(duì)分析診斷模塊來開展組態(tài)，組態(tài)結(jié)束后通過系統(tǒng)打包發(fā)布來提高系統(tǒng)價(jià)值[4]。3）海量數(shù)據(jù)管理。大型船舶的動(dòng)力裝置在開展故障診斷，振動(dòng)測點(diǎn)往往多而復(fù)雜，只有長時(shí)間對(duì)船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行保存才能夠有效掌握設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)而讓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷的處理變得更加簡單。通過對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理優(yōu)化，能夠讓船舶的所有數(shù)據(jù)信息發(fā)揮出極高的價(jià)值。4）系統(tǒng)權(quán)限管理。權(quán)限管理包括系統(tǒng)登錄、密碼等管理內(nèi)容，該功能的主要作用是提高數(shù)據(jù)信息安全性，確保智能故障診斷系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)使用方管理要求的不同將會(huì)給崗位用戶提供對(duì)應(yīng)等級(jí)的工作權(quán)限，以此來保證不同等級(jí)工作人員的正常工作。5）遠(yuǎn)程訪問。授權(quán)用戶在局域網(wǎng)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與管理，必要時(shí)還可以通過Web來完成對(duì)動(dòng)力裝置運(yùn)行狀態(tài)的判斷。除此之外，系統(tǒng)運(yùn)行期間必須具有這足夠的擴(kuò)展性，這樣便可以在科技變得更加發(fā)達(dá)后及時(shí)完成對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化與升級(jí)。

2.3故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)組態(tài)分析。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠完成對(duì)Web、監(jiān)測等子系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，其中Web子系統(tǒng)能夠有效提供人機(jī)互動(dòng)界面，而監(jiān)測子系統(tǒng)隨著可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FFT、軸心軌跡等方面的分析，不同的子系統(tǒng)的功能相互關(guān)聯(lián)且獨(dú)立。船舶動(dòng)力裝置存在大批量旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，所有設(shè)備的監(jiān)測診斷都具有明顯差異，智能化故障診斷系統(tǒng)需要針對(duì)不同的設(shè)備提供對(duì)應(yīng)的監(jiān)測方案與分析診斷工具。傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)會(huì)針對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行布置與跟蹤，無法適應(yīng)船舶動(dòng)力裝置所面對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境。通過組態(tài)軟件的方式來進(jìn)行系統(tǒng)的柔性化開發(fā)，讓軟件更加適應(yīng)外部環(huán)境變化，工控組態(tài)軟件的組態(tài)模式有表格、組態(tài)字法等，不同的方法存在非常大的差異性，只有結(jié)合實(shí)際需求來選擇適合的組態(tài)方法才能夠滿足用戶的需求。表格法具有直觀性，而組態(tài)字法則更加復(fù)雜，因?yàn)橐槍?duì)具有特定含義的二進(jìn)制字節(jié)來實(shí)現(xiàn)組態(tài)，所以很難保證組態(tài)效果。在船舶動(dòng)力裝置中，通過將組態(tài)表格法與階梯圖法相結(jié)合，能夠讓組態(tài)效果達(dá)到最佳，船舶動(dòng)力裝置對(duì)于故障診斷系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)期間可以將相同生產(chǎn)流程設(shè)備當(dāng)作同一單元，以此來實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測管理。組態(tài)期間要優(yōu)先針對(duì)單元進(jìn)行組態(tài)，通過添加、刪除機(jī)組設(shè)備等方式來生成數(shù)據(jù)庫表并交付至最終用戶，然后針對(duì)測點(diǎn)開展組態(tài)，測點(diǎn)組態(tài)可以對(duì)設(shè)備振動(dòng)、工藝測點(diǎn)進(jìn)行管理，管理后所生成的數(shù)據(jù)表更加適用于用戶的實(shí)際情況。2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過智能故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力裝置關(guān)鍵設(shè)備的統(tǒng)一管理，例如主推進(jìn)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組等關(guān)系到船舶運(yùn)行安全問題的核心設(shè)備都可以在系統(tǒng)中完成統(tǒng)一管理，這種集中管理模式不僅能夠讓船舶動(dòng)力裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢的合理分析。設(shè)備狀態(tài)的有效評(píng)估能夠讓設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性得到保障[5]。

3結(jié)語

智能故障診斷能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化的診斷，降低故障問題所造成的影響。通過對(duì)船舶動(dòng)力裝置智能故障診斷進(jìn)行研究，可以有效提高船舶運(yùn)行質(zhì)量與安全性。相信隨著更多人了解到智能故障診斷的重要性以及方法，船舶動(dòng)力裝置的故障診斷一定會(huì)更加完善。

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作者：尹毅 單位：江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司