故障并行計(jì)算在船舶電力設(shè)備故障信號(hào)診斷中的應(yīng)用

王海關(guān) 曹力剛 孫睿

【摘 ?要】隨著經(jīng)濟(jì)全球化在不斷的深入，船舶運(yùn)輸已經(jīng)成為全球跨區(qū)域運(yùn)輸?shù)囊环N重要的運(yùn)輸方式。對(duì)于船舶而言，電力設(shè)備正常運(yùn)行是船舶正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵和前提，因此對(duì)船舶的電力故障及時(shí)的診斷和具有十分重要的意義。在傳統(tǒng)的船舶電力故障的張斷方法當(dāng)中，往往會(huì)采用相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算方法來進(jìn)行船舶的故障計(jì)算和診斷。這樣的計(jì)算方法不僅僅工作效率低下，需要消耗大量的時(shí)間，同時(shí)也大大的加大了船舶的故障發(fā)生概率。本文基于這一現(xiàn)狀，提出了一種新型的船舶電力設(shè)備故障并行計(jì)算方法。對(duì)船舶電力故障的并行計(jì)算的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出了并行計(jì)算應(yīng)用的具體五個(gè)步驟。實(shí)踐證明，故障并行計(jì)算具有工作量小，準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，能夠大大的提高船舶故障診斷準(zhǔn)確率，確保船舶安全的運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】并行計(jì)算;電力設(shè)備;故障診斷;船舶

引言：國際貿(mào)易規(guī)模在不斷的增大，目前船舶的發(fā)展也在越來越大。對(duì)于大型的船舶而言，其動(dòng)力系統(tǒng)一般都是采用自發(fā)電、自分配的獨(dú)立電力系統(tǒng)。隨著船舶結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，船舶的電力系統(tǒng)也越來越復(fù)雜 [1]。這也就不可避免的造成船舶電力系統(tǒng)故障越來越復(fù)雜，對(duì)船舶的航行安全提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，甚至?xí)斐蓢?yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。

在目前的眾多的船舶故障診斷系統(tǒng)中，目前最為常用的故障診斷系統(tǒng)最為常用的系統(tǒng)為專家系統(tǒng)以及人工智能系統(tǒng)。其中專家系統(tǒng)的主要故障診斷方法主要是通過根據(jù)專家自身的經(jīng)驗(yàn)來對(duì)船舶的電力設(shè)備故障信號(hào)診斷，這樣的故障診斷方法準(zhǔn)確性穩(wěn)定性不高，人為因素較高，很難快速的對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。另外，人工智能系統(tǒng)的計(jì)算方法主要是通過大數(shù)據(jù)計(jì)算方法，根據(jù)計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)中的大數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行故障診斷，這樣的診斷系統(tǒng)同樣也具有其局限性，系統(tǒng)往往會(huì)陷入到極小值的循環(huán)當(dāng)中，會(huì)造成系統(tǒng)的出現(xiàn)誤差，降低系統(tǒng)地故障診斷準(zhǔn)確率。

本文根據(jù)這兩種最為常用的計(jì)算方法，提出了一種全新的船舶電力故障計(jì)算方法。這種分布式計(jì)算方法，根據(jù)目前最為常用的故障并行計(jì)算原理提出的計(jì)算方法。這種技術(shù)將故障診斷分為多個(gè)并行的子項(xiàng)目，通過虛擬技術(shù)來對(duì)故障診斷系統(tǒng)當(dāng)中的資源進(jìn)行有效的組合。通過計(jì)算機(jī)將任務(wù)進(jìn)行分配，然后進(jìn)行眾多計(jì)算及的并行計(jì)算。這樣的計(jì)算方法可以有效的提高故障的診斷效率。

1.故障并行計(jì)算方法

1.1 故障并行計(jì)算方法求解工作過程

船舶故障計(jì)算的方法同樣是基于硬件設(shè)備的基礎(chǔ)之上。然后根據(jù)硬件環(huán)境建立相關(guān)的數(shù)學(xué)診斷模型，這個(gè)數(shù)學(xué)模型需要根據(jù)電力故障類型進(jìn)行匹配，能夠和電力故障相互對(duì)應(yīng)。然后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制相應(yīng)的船舶故障計(jì)算方法，并進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)船舶電力設(shè)備故障的并行計(jì)算，提高船舶電力設(shè)備故障信號(hào)診斷的計(jì)算的準(zhǔn)確和反應(yīng)速度。本文并行計(jì)算的計(jì)算方法和求解過程如下圖所示。

1.2 故障并行計(jì)算導(dǎo)納矩陣的形成

在整個(gè)船舶故障并行計(jì)算的方法當(dāng)中，故障的狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)方程求解無疑是整個(gè)計(jì)算過程的重要環(huán)節(jié)。并行計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)方程主要有節(jié)點(diǎn)阻抗型以及節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納型兩種。這兩種計(jì)算網(wǎng)絡(luò)方程在數(shù)學(xué)上是互為逆矩陣的矩陣方程。但是綜合而言，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納型矩陣具有更加優(yōu)秀的性能，例如節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣更加便于修改，同時(shí)具有對(duì)稱性和稀疏性的特點(diǎn)[2]。

2.電力故障并行計(jì)算診斷在船舶故障診斷中的具體應(yīng)用

眾所周知，現(xiàn)代船舶是由高度精細(xì)的機(jī)械設(shè)備構(gòu)成。因此，由于船舶的電力設(shè)備也是十分的復(fù)雜性。另外一個(gè)方面，電力設(shè)備對(duì)環(huán)境也是十分的敏感，很容易受到外界的影響，造成故障頻發(fā)。電力故障并行計(jì)算的具體應(yīng)用為以下三個(gè)方面的歷程：

1）當(dāng)船舶電力設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要及時(shí)的提取故障設(shè)備的電信號(hào)特征，并同時(shí)對(duì)設(shè)備的故障特征信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，剔除掉干擾數(shù)據(jù)的影響;

2）將提出的正確信號(hào)進(jìn)行故障計(jì)算，通過計(jì)算明確船舶的故障特征;

3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)其他的相關(guān)的設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行診斷，判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否合理健康。電力設(shè)備故障信號(hào)計(jì)算爭(zhēng)端，大致可以分為以下五個(gè)步驟進(jìn)行[3]：

2.1故障機(jī)理確定

在電力設(shè)備發(fā)生故障之后，應(yīng)當(dāng)首先根據(jù)并行計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的判斷出故障的類型和機(jī)理。這也是船舶電力設(shè)備故障的診斷的基礎(chǔ)和前提。通過計(jì)算尋找出故障的發(fā)生規(guī)律，根據(jù)狀態(tài)信號(hào)準(zhǔn)確的判斷研究出故障機(jī)理，對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究尋找規(guī)律有重要意義。

2.2船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是是船舶電力故障信息提出的關(guān)鍵，也是作為故障判斷的主要依據(jù)。這一環(huán)節(jié)主要是通過設(shè)備監(jiān)控同時(shí)輔以人工的感官外在觀察判斷出來的。

2.3故障征兆提取

對(duì)故障的征兆進(jìn)行提取，這一個(gè)過程需要對(duì)計(jì)算的動(dòng)態(tài)信號(hào)和靜態(tài)信號(hào)兩個(gè)方面進(jìn)行。首先是提取靜態(tài)特征信號(hào)時(shí)，根據(jù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、檢驗(yàn)做出相應(yīng)的故障判斷。其次進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)提取，通過提取的動(dòng)態(tài)信號(hào)，能夠準(zhǔn)確的反映出電力設(shè)備的運(yùn)行情況和指標(biāo)。然后基于提出的故障征兆信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的并行計(jì)算。

2.4船舶電力設(shè)備故障信號(hào)診斷推理

在計(jì)算的基礎(chǔ)之上，還需要對(duì)電力設(shè)備的故障信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的爭(zhēng)端推理，將專家系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行推理和驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5決策規(guī)劃

最后根據(jù)專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)計(jì)算系統(tǒng)得出的結(jié)論進(jìn)行綜合判斷船舶設(shè)備的故障特征狀態(tài)。同時(shí)進(jìn)一步的對(duì)船舶的故障有可能的進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)和走向進(jìn)行性預(yù)測(cè)，為故障的診斷和設(shè)備的維護(hù)提出依據(jù)。

結(jié)束語：本文提出的船舶電力設(shè)備故障的并行計(jì)算方法和原理，是基于目前最為常用的專家系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，提出的一種新型的故障診斷系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的計(jì)算方式為導(dǎo)納矩陣網(wǎng)絡(luò)方程，通過對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行提出和計(jì)算爭(zhēng)端?？梢杂行У奶岣叽霸O(shè)備的電力設(shè)備故障的計(jì)算效率，提高設(shè)備的整體穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉丹.復(fù)雜故障并行計(jì)算在船舶電力系統(tǒng)數(shù)字仿真中的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，16（6）：55–57.

[2] 李玉生，王家林，尹洋.基于監(jiān)控信息的船舶電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2017，16（12）：61–65.

[3] 薛鶴娟.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)在船舶控制系統(tǒng)故障診斷的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，28（7x）：170–172.

（作者單位：渤海造船廠集團(tuán)有限公司）