船閘浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法研究

杭 震，彭 浩，曹文卓，王化明

（1.泰州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 泰州 225309；2.江蘇省周山河船閘管理所，江蘇 泰州 225300；3.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

內(nèi)河航運(yùn)在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著重要角色，是交通運(yùn)輸系統(tǒng)中不可或缺的部分。在內(nèi)河航運(yùn)中，船閘作為聯(lián)通不連續(xù)航道水域的通航建筑物，被廣泛用于溝通水系聯(lián)系、提高航道等級(jí)、改善水流條件等場(chǎng)景，極大地促進(jìn)了內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展。船舶在閘室內(nèi)停靠時(shí)主要依靠浮式系船柱，其導(dǎo)輪隨水位的升降沿導(dǎo)槽滾動(dòng)，因此系船柱在浮力作用下隨水位變化上下浮動(dòng)，滿足船舶在閘室內(nèi)安全系纜的要求[1]。

浮式系船柱作為一種常見(jiàn)的船舶過(guò)閘系纜設(shè)備，使用頻率高，在實(shí)際使用中可能會(huì)出現(xiàn)卡阻或升降遲緩等問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)吊船、拉船入水、船舶損傷甚至船員傷亡等安全事故，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，主要原因是[2]：

（1）系纜力增大和系纜不規(guī)范。船舶大型化的快速發(fā)展使過(guò)閘船舶的噸位和尺寸逐年增大，超過(guò)系船柱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系纜力隨之增大，對(duì)通航設(shè)施提出更高的要求。在系纜過(guò)程中存在船速過(guò)快、系纜不規(guī)范等現(xiàn)象，導(dǎo)致系船柱的橫向?qū)л喼Ъ墚a(chǎn)生較大的變形，造成系船柱運(yùn)動(dòng)卡阻。

（2）滾輪襯套密封措施差。水中泥沙等雜質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)輪襯套與轉(zhuǎn)軸的縫隙中，容易造成導(dǎo)輪襯套與轉(zhuǎn)軸間的磨損或卡死，影響其使用壽命。此外河水中的酸堿成分也會(huì)造成導(dǎo)輪及轉(zhuǎn)軸的銹蝕，影響其轉(zhuǎn)動(dòng)，增大了運(yùn)行阻力，導(dǎo)致系船柱升降遲緩。

為分析浮式系船柱的運(yùn)行狀態(tài)，近年來(lái)有學(xué)者開(kāi)展系船柱表面應(yīng)變、系纜力的分析與檢測(cè)等方面的研究[3-4]，將系船柱所受系纜力與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)系船柱的系纜安全評(píng)估。實(shí)際系船柱在工作過(guò)程中受力和應(yīng)變情況復(fù)雜，與系纜角度、方向及位置等因素都相關(guān)，系船柱的工作狀態(tài)還受到其導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的影響，因此，可通過(guò)直接檢測(cè)系船柱的高程及高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析判斷系船柱是否存在卡阻、升降遲緩等問(wèn)題。

為直接獲得浮式系船柱的工作高程并進(jìn)行其運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，構(gòu)建浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)激光測(cè)距技術(shù)獲取所有系船柱的高程[5]，融合機(jī)器學(xué)習(xí)算法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析數(shù)據(jù)中的離群點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系船柱運(yùn)行狀態(tài)的分析，保障船閘及系船柱的安全運(yùn)行。

1 系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光測(cè)距傳感器、數(shù)據(jù)采集器和工業(yè)計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）3個(gè)部分組成。

圖1 浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

激光測(cè)距傳感器用于獲取傳感器與每個(gè)系船柱浮筒之間的距離。根據(jù)船閘系船柱的實(shí)際工作范圍和工作環(huán)境，確定激光測(cè)距傳感器性能參數(shù)為：測(cè)量范圍為0～10 m，精度±1 mm，RS485串口輸出，IP67防護(hù)等級(jí)。

為防止現(xiàn)場(chǎng)干擾，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸，通過(guò)多種數(shù)據(jù)采集傳輸方案的實(shí)際測(cè)試對(duì)比，確定采用基于串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集方案，其具有將串口信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)網(wǎng)口信息的功能[6]，實(shí)現(xiàn)RS485串口與TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。所有激光測(cè)距傳感器通過(guò)485總線與串口服務(wù)器的輸入485串口連接，每個(gè)傳感器擁有唯一的Modbus地址，按編號(hào)進(jìn)行排列[7]。串口服務(wù)器通過(guò)Modbus RTU通信協(xié)議定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)放置在存儲(chǔ)區(qū)域，將串口信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信息。

工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)口，基于Modbus TCP通信協(xié)議從串口服務(wù)器的存儲(chǔ)區(qū)域獲取數(shù)據(jù)，計(jì)算得到浮式系船柱的高程，應(yīng)用離群點(diǎn)檢測(cè)算法判斷各系船柱的運(yùn)行狀態(tài)，將采集的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.2 浮式系船柱高程的計(jì)算

激光測(cè)距傳感器具有精度高、測(cè)距范圍大、響應(yīng)速度適中等優(yōu)點(diǎn)，采用激光測(cè)距技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取浮筒與傳感器的精確距離。為測(cè)得傳感器與系船柱浮筒之間的垂直距離，需要對(duì)傳感器的安裝姿態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖2所示為浮式系船柱的高程計(jì)算示意圖，激光測(cè)距傳感器安裝于系船柱浮筒的正上方，其中：閘室墻面的頂高程為H、傳感器與閘室頂面的高度差為h，得到傳感器的安裝高程H-h。由浮筒與傳感器的距離D得到浮筒的高程為H-h-D。

圖2 浮式系船柱高程計(jì)算示意圖

2 高程的離群點(diǎn)檢測(cè)算法

當(dāng)所有浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)正常時(shí)，其高程數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離較小。當(dāng)個(gè)別系船柱出現(xiàn)卡阻、運(yùn)動(dòng)遲緩時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的現(xiàn)象，即為離群點(diǎn)[8]。因此，可以采用離群點(diǎn)檢測(cè)的方法進(jìn)行浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)。

離群點(diǎn)檢測(cè)的方法主要有基于聚類的檢測(cè)方法、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的檢測(cè)方法、基于近鄰的檢測(cè)方法等，為提高離群點(diǎn)檢測(cè)的正確性，融合運(yùn)用基于聚類和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的檢測(cè)方法綜合判斷系船柱的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 基于K-means聚類算法的離群點(diǎn)檢測(cè)

聚類算法是數(shù)據(jù)挖掘的重要算法[9]，其中K-means聚類算法是基于距離的聚類算法[10-11]，該算法采用距離作為相似性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即認(rèn)為兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離越近，其相似度就越大。該算法認(rèn)為簇是由距離靠近的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，因此把得到緊湊且獨(dú)立的簇作為最終目標(biāo)。Kmeans聚類算法采用迭代求解的分析方法，其步驟是隨機(jī)選取k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為初始聚類中心，然后計(jì)算其它每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與各個(gè)聚類中心的距離，再把每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分配給距離最近的初始聚類中心。采用K-means聚類算法檢測(cè)系船柱高程離群點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)步驟如下所述。

步驟1：算法參數(shù)初始化，設(shè)置聚類簇?cái)?shù)k、系船柱浮筒高程數(shù)據(jù)集X={x1,x2,…,xn}。

步驟2：從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為初始聚類中心C={c1,c2,…,ck}。

步驟3：計(jì)算數(shù)據(jù)集X中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到各個(gè)聚類中心C的距離，即

式中：i=1,2,…,n且j=1,2,…,k。

對(duì)于任意數(shù)據(jù)點(diǎn)xi，如果d(xi,cj)為最小距離值，則將數(shù)據(jù)點(diǎn)xi歸入聚類中心cj所代表的簇Sj。

步驟4：根據(jù)每個(gè)簇中的數(shù)據(jù)，以它們的平均向量作為新的聚類中心。

步驟5：重復(fù)步驟3和步驟4，直至聚類中心不再移動(dòng)，即每個(gè)簇中的數(shù)據(jù)點(diǎn)不發(fā)生變化，得到最終聚類中心C′={c′1,c′2,…,c′k}和簇S′={S′1,S′2,…,S′k}。

步驟6：由聚類中心{c′1,c′2,…,c′k}計(jì)算距離矩陣，即

式中：dij= |ci′-c′j|，i,j=1,2,…,k。

步驟7：由距離矩陣計(jì)算離群因子，即

式中：i=1,2,…,k，δi表示第i個(gè)聚類中心對(duì)應(yīng)的離群因子，count(S′j)表示簇S′j中元素的個(gè)數(shù)。

步驟8：對(duì)離群因子進(jìn)行排序，計(jì)算中位值δmid和標(biāo)準(zhǔn)值δstd，即

步驟9：計(jì)算離群因子閾值thresh=δmid+1.5δstd。當(dāng)離群因子大于該閾值時(shí)，則該簇中的點(diǎn)為離群點(diǎn)。

設(shè)聚類中心數(shù)k=3，將系船柱浮筒高程數(shù)據(jù)分為偏大簇、正常簇和偏小簇，其具體算法流程如圖3所示。

圖3 基于K-means聚類算法的離群點(diǎn)檢測(cè)流程

2.2 基于四分位算法的離群點(diǎn)檢測(cè)

四分位算法（interquartile range，IQR）[12-13]是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的離群點(diǎn)分析方法，利用箱型圖的四分位距對(duì)離群點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，方法如下：

（1）數(shù)據(jù)排列。對(duì)于計(jì)算得到的一組系船柱浮筒高程，首先將數(shù)據(jù)從小到大排列，排列在前1 4位置上的數(shù)即為第一四分位數(shù)，記作Q1；排列在前1 2位置上的數(shù)即為中位數(shù)，記作Q2；排列在前3 4位置上的數(shù)即為第三四分位數(shù)，記作Q3。

（2）四分位距計(jì)算。計(jì)算第三四分位數(shù)與第一四分位數(shù)的差值，即IQR=Q3-Q1。

（3）離群點(diǎn)判斷。以四分位距的1.5倍為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定上限閾值Qu為第三四分位數(shù)加1.5倍的四分位距，下限閾值Qb為第一四分位數(shù)減1.5倍的四分位距。高于上限閾值Qu或低于下限閾值Qb的數(shù)據(jù)點(diǎn)認(rèn)為是離群點(diǎn)。

2.3 離群點(diǎn)檢測(cè)方法融合

使用單一的離群點(diǎn)檢測(cè)算法具有局限性，容易產(chǎn)生誤檢或漏檢，結(jié)合K-means聚類算法和IQR四分位算法得到的離群點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果[14]，融合兩種方法進(jìn)行系船柱高程離群點(diǎn)的判斷，方法如下：

（1）當(dāng)兩種方法的檢測(cè)結(jié)果一致時(shí)，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)正?；?yàn)殡x群點(diǎn)；

（2）當(dāng)IQR檢測(cè)為異常值而K-means檢測(cè)為正常值，說(shuō)明此時(shí)整體數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，設(shè)為警戒值；

（3）當(dāng)IQR檢測(cè)為正常值而K-means檢測(cè)為異常值，說(shuō)明此時(shí)數(shù)據(jù)分布在小范圍內(nèi)，且分布較為集中，設(shè)為正常值。

圖4所示為基于四分位法的離群點(diǎn)檢測(cè)示意圖

圖4 基于四分位法的離群點(diǎn)檢測(cè)示意圖

3 系統(tǒng)構(gòu)建與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建與數(shù)據(jù)采集

以國(guó)內(nèi)某船閘為研究對(duì)象構(gòu)建該檢測(cè)系統(tǒng)，該船閘共有20個(gè)浮式系船柱。在每個(gè)系船柱正上方固定安裝激光測(cè)距傳感器，所有傳感器通過(guò)485總線連接至串口服務(wù)器，串口服務(wù)器與工控機(jī)通過(guò)網(wǎng)口連接并安裝于閘首的機(jī)房?jī)?nèi)?；赒t平臺(tái)開(kāi)發(fā)集成有數(shù)據(jù)采集和離群點(diǎn)檢測(cè)功能的系統(tǒng)軟件[15]，軟件界面如圖5所示。

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，工業(yè)計(jì)算機(jī)從串口服務(wù)器讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為10 ms，輪詢20個(gè)地址總用時(shí)200 ms，離群點(diǎn)檢測(cè)算法推理用時(shí)1 ms，因此系統(tǒng)能夠在1 s內(nèi)采集浮式系船柱高程并完成分析，滿足浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。

3.2 離群點(diǎn)分析

表1所示為某時(shí)刻的一組浮式系船柱高程，可以看出此時(shí)數(shù)據(jù)分布較為集中，閘室內(nèi)處于高水位。使用Kmeans聚類算法初始化聚類簇?cái)?shù)k=3，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)n=20，得到如表2所示聚類結(jié)果。

表1 浮式系船柱高程m

表2 浮式系船柱高程聚類結(jié)果m

由式（2）、（3）計(jì)算距離矩陣和離群因子，得

對(duì)離群因子進(jìn)行排序后得中位值δmid=0.033 5，標(biāo)準(zhǔn)值δstd=0.010 7，計(jì)算得離群點(diǎn)判定閾值thresh=0.049 6。因此，由K-means算法得到所有數(shù)據(jù)點(diǎn)正常。

其次，使用IQR四分位算法進(jìn)行檢測(cè)，第一四分位數(shù)Q1=6.6315，第三四分位數(shù)Q3=6.668，則四分位距IQR=0.036 5，上 限 閾 值Qu=6.723，下 限 閾 值Qb=6.577。所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均處在上限閾值和下限閾值之間，因此由IQR四分位算法認(rèn)為所有數(shù)據(jù)點(diǎn)正常。

對(duì)兩種算法的結(jié)果進(jìn)行融合，因兩種方法均檢測(cè)為正常數(shù)據(jù)，最終確定此時(shí)所有浮式系船柱運(yùn)行正常。圖5所示為當(dāng)前時(shí)刻系船柱的狀態(tài)和高程，分別以高程和數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式顯示，所有系船柱均顯示為綠色，表明其均工作在正常狀態(tài)。

圖5 浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了船閘浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)串口服務(wù)器和激光測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)獲取系船柱的高程，融合K-means聚類算法和IQR四分位算法對(duì)所有系船柱高程進(jìn)行數(shù)據(jù)離群點(diǎn)檢測(cè)，得到系船柱的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能在1s內(nèi)完成船閘所有浮式系船柱高程的實(shí)時(shí)采集、離群點(diǎn)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足浮式系船柱運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求，也為系船柱的運(yùn)行狀態(tài)變化分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了客觀數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用系船柱高程離群點(diǎn)檢測(cè)的方法，包含浮式系船柱的受力狀況及導(dǎo)輪等裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，為系船柱運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)提供了新方法，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。