相對(duì)主元分析在船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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相對(duì)主元分析在船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

盧光松，甘輝兵，鄭恒持，史興晨

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

目前船員對(duì)于船舶狀況、航行狀態(tài)等的判斷主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)，難免會(huì)出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)臎Q策，造成不必要的人力、財(cái)力的損失；針對(duì)這一問題提出并開發(fā)了一套融入相對(duì)主元分析船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)除了具有常規(guī)機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)功能外，還能實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)功能；協(xié)助管理人員進(jìn)行系統(tǒng)故障的分析，從而更好地保證船舶航行的安全與效率，減少人為誤操作帶來的事故問題；增強(qiáng)了船舶監(jiān)控系統(tǒng)的功能，大大提高了人員的工作效率減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；其設(shè)計(jì)滿足船級(jí)社的定期無人機(jī)艙值守操作，為機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

船舶；機(jī)艙監(jiān)控；相對(duì)主元分析；故障分析

0 引言

船舶機(jī)艙監(jiān)視與報(bào)警系統(tǒng)的功能是準(zhǔn)確可靠地監(jiān)視機(jī)艙內(nèi)的機(jī)械設(shè)備與電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及其參數(shù)，一旦運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化的重要組成部分，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)成為主流[1]。因此網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)艦船自動(dòng)化的關(guān)鍵，機(jī)艙自動(dòng)化是船舶自動(dòng)化的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)智能船舶的基礎(chǔ)。船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)設(shè)備復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)復(fù)雜，面對(duì)機(jī)艙監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)，人們往往無所適從，難以從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其隱含的內(nèi)在關(guān)系和規(guī)律。船舶管理人員對(duì)于船舶的狀況判斷主要憑借相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，這樣難以避免做出一些不恰當(dāng)?shù)牟僮?，造成不必要的人力、?cái)力的損失。因此本文結(jié)合機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)復(fù)雜眾多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套融入相對(duì)主元分析方法(relative principal component analysis，RPCA)的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了具有常規(guī)的監(jiān)控功能外，還能對(duì)存儲(chǔ)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析，分析參數(shù)隱含的內(nèi)在關(guān)系，為船舶機(jī)艙監(jiān)控的設(shè)備提供有效的故障分析指導(dǎo)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)主要包括軟件和硬件兩個(gè)方面，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是：首先系統(tǒng)必須滿足行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)的船級(jí)社規(guī)范規(guī)則、滿足船東對(duì)系統(tǒng)的功能需求，然后明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方法，其次確定具體的實(shí)施步驟，最后完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)的驗(yàn)收。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)船機(jī)艙，對(duì)實(shí)船的主要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。為了保證系統(tǒng)能夠在船舶機(jī)艙惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，通過研究相關(guān)資料，最終決定硬件的主控模塊采用具有強(qiáng)大抗干擾能力、較高可靠性、能適應(yīng)惡劣環(huán)境的西門子S7-300產(chǎn)品作為核心控制器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖1是選用S7-300作為主控模塊的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖。

圖1 系統(tǒng)硬件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括上位機(jī)與下位機(jī)軟件。下位機(jī)程序采用STEP7來完成，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，模擬量數(shù)據(jù)的標(biāo)度化處理，數(shù)據(jù)的輸出來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)并接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)。上位機(jī)的主要功能是從下位機(jī)中的數(shù)據(jù)讀取與寫入，上位機(jī)對(duì)從下位機(jī)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后用豐富的表現(xiàn)形式展示給輪機(jī)管理工作人員[3]。以便輪機(jī)管理人員對(duì)機(jī)艙中的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控管理以及對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析。圖2是監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)艙中的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況，并通過豐富的表現(xiàn)形式展示給操作人員，本系統(tǒng)的上位機(jī)界面采用Visual Studio 2013開發(fā)，界面設(shè)計(jì)采用K-Chief 600界面風(fēng)格來設(shè)計(jì)。它的設(shè)計(jì)滿足船廠和船東具有挑戰(zhàn)性的需求，界面設(shè)計(jì)采用分設(shè)備分系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)滿足各項(xiàng)規(guī)范并符合海事部門和船級(jí)社的要求。其設(shè)計(jì)滿足船級(jí)社的定期無人機(jī)艙值守操作規(guī)范。監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面包括：監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，對(duì)機(jī)艙中的機(jī)電設(shè)備分系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視；主機(jī)監(jiān)測(cè)總覽界面，將主機(jī)的有關(guān)報(bào)警點(diǎn)參數(shù)分類在界面中進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示，有利于對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的分析；監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警匯總視圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)名稱以及數(shù)據(jù)報(bào)警上限與下限的顯示。

2 故障監(jiān)測(cè)方法的選擇

相對(duì)主元分析方法與最小二乘法是工業(yè)過程常用的故障診斷方法[4]。RPCA方法的主要功能是去除數(shù)據(jù)的相關(guān)性，降低數(shù)據(jù)的維數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮[5]。機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模較大，監(jiān)測(cè)機(jī)艙全部機(jī)電設(shè)備的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不可避免地存在一定的關(guān)聯(lián)性。針對(duì)這種情況，本系統(tǒng)選擇利用RPCA的特點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮，幫助管理人員及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障源。下面簡(jiǎn)要介紹RPCA算法的步驟：

(1)假設(shè)X∈Rn×k其中n對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)樣本變量的個(gè)數(shù)，k代表對(duì)應(yīng)測(cè)量周期內(nèi)測(cè)得變量的次數(shù)。

(1)

公式(1)為系統(tǒng)變量序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)陣。

(2)定義相對(duì)變換為：

XR=X·M=

(2)

(3)

其中：

(4)

mi為相對(duì)應(yīng)變量的標(biāo)準(zhǔn)化因子：

(5)

式中,Mi為相對(duì)變化算子，Mi=μ·mi，ui是一種根據(jù)實(shí)際而定的先驗(yàn)信息，體現(xiàn)相應(yīng)分量在其中的重要程度，X經(jīng)相對(duì)變換后得到XR的矩陣。

(3)計(jì)算相對(duì)變換矩陣XR的協(xié)方差矩陣:

(6)

計(jì)算協(xié)方差矩陣φXR的特征值λ與相應(yīng)的特征向量Pi，是的第i個(gè)特征值，假設(shè)滿足Pi是其對(duì)應(yīng)的特征向量。

(7)

(4)根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率來選擇相對(duì)主元的個(gè)數(shù)m:

(8)

(5)計(jì)算得分矩陣:

(9)

(6)定義：

(10)

(7)計(jì)算RPCA方法處理后的T2統(tǒng)計(jì)量:

(11)

3 RPCA方法在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 RPCA方法故障診斷步驟

下面詳細(xì)敘述基于相對(duì)主元分析故障分析的步驟：

(1)歷史數(shù)據(jù)采集。

RPCA方法的首要任務(wù)是采集船舶主機(jī)正常工況下歷史數(shù)據(jù)[6]，選擇一個(gè)船舶主機(jī)的子系統(tǒng)，采集一個(gè)周期內(nèi)相應(yīng)子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2)相對(duì)主元分析。

(3)構(gòu)造控制限。

(12)

Fα(m,n-m)為自由度分別為m和(n-m)，置信度為α的F分布上限值。

(4)實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集。

采集監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)周期內(nèi)的參數(shù)Xnew，同步驟2進(jìn)行相對(duì)主元分析方法來進(jìn)行故障分析，然后計(jì)算Xnew的T2統(tǒng)計(jì)量。

(5)故障分析。

比較T2與Tucl的大小，如果T2小于Tucl則系統(tǒng)正常，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)采集周期。反之則系統(tǒng)發(fā)生故障，軟件提示系統(tǒng)故障，輪機(jī)管理人員采取相應(yīng)的動(dòng)作。圖3系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)的流程圖。

圖3 系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)流程圖

3.2 RPCA方法的具體應(yīng)用

船舶機(jī)艙是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)眾多[7]。如果直接將RPCA方法對(duì)所有的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析處理，不僅計(jì)算工作量大而且難以對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而且不利于管理人員的分析處理。將相對(duì)主元分析方法融入到機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)中，首先我們可以針對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后對(duì)設(shè)備的不同參數(shù)分系統(tǒng)來進(jìn)行分析。以船舶監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的船舶主機(jī)為例，我們可將船舶主機(jī)運(yùn)行相關(guān)的監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行一些細(xì)小的子系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。然后再對(duì)某一子系統(tǒng)采集監(jiān)控參數(shù)單獨(dú)利用RPCA方法對(duì)其進(jìn)行故障分析。

本文以主機(jī)滑油系統(tǒng)為例利用RPCA方法來進(jìn)行故障分析，滑油系統(tǒng)的主要作用是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件提供足量的潤(rùn)滑油，減少運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、帶走部分熱量、密封等作用[8]。表1為監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的滑油系統(tǒng)部分參數(shù)。

對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的首要任務(wù)是采集主機(jī)正常工況一個(gè)周期內(nèi)滑油系統(tǒng)的6個(gè)參數(shù)。然后利用采集正常工況下的數(shù)據(jù)利用RPCA方法構(gòu)造故障診斷模型。根據(jù)以上的故障診

表1 滑油系統(tǒng)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)

斷步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先用RPCA方法對(duì)6個(gè)參數(shù)進(jìn)行降維，然后利用公式(8)將6個(gè)變量最終壓縮變成前兩個(gè)變量來代表滑油系統(tǒng)的參數(shù)。當(dāng)α取0.1時(shí)Tucl=12.24。當(dāng)在線采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過主元分析處理后得到的T2大于這個(gè)控制限時(shí)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出故障報(bào)警。

針對(duì)滑油系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一些故障，首先對(duì)滑油系統(tǒng)設(shè)置一些常見的故障，然后對(duì)于某一種故障出現(xiàn)后采集相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)，利用事先采集的正常工況下的數(shù)據(jù)對(duì)滑油系統(tǒng)利用RPCA方法按照其故障診斷的步驟對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行故障分析驗(yàn)證，結(jié)果表明利用RPCA方法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了RPCA方法融入到監(jiān)控系統(tǒng)的有效性。

利用故障前后采集的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證了相對(duì)主元方法對(duì)于滑油系統(tǒng)故障診斷的有效性。對(duì)于機(jī)艙中的其它子系統(tǒng)也可按照此方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)。將此方法成功應(yīng)用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)助輪機(jī)管理人員進(jìn)行系統(tǒng)故障的分析，增強(qiáng)了船舶監(jiān)控系統(tǒng)的功能，大大提高了人員的工作效率，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中含有大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)，輪機(jī)管理人員難以從中發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)背后隱藏的關(guān)系等問題，提出并設(shè)計(jì)了一套融入RPCA方法的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。協(xié)助輪機(jī)管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障的源頭。結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、界面人機(jī)交互友好、滿足實(shí)船對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。擴(kuò)展了船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的功能，提高了船舶航行的安全和船舶營(yíng)運(yùn)的效率、降低管理人員的疲勞強(qiáng)度。

[1] 甘輝兵,任 光,張均東. 基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 中國(guó)造船,2011,04:214-221.

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[3] 雍 強(qiáng). 船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué),2014.

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Application of Relative Principal Component Analysis in Monitoring Control System for Ship Engine Room

Lu Guangsong, Gan Huibing, Zheng Hengchi, Shi Xingchen

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

At present, the judgment of the crew on the condition of the ship and the condition of the ship is mainly depended on the experience. It is inevitable that there will be an inappropriate decision, resulting in the loss of human and financial resources. For this reason, A monitoring system of marine engine room is proposed and developed, which is integrated into the relative principal component analysis. Besides conventional monitor and control functions, the system can realize fault monitoring function. Assist the manager in the analysis of the system failure, to better ensure the safety and efficiency of navigation of ships, reduce artificial misoperation accident problem. Enhanced the function of the ship monitoring system, greatly improve the staff's work efficiency and reduce the labor intensity of the staff. It is designed to satisfy the regular operation of the class society, which provides a new way for the design of the engine room monitoring control system.

ship; engine room monitor and control; RPCA; fault analysis

2016-05-12；

2016-08-08。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132016015)。

盧光松(1990-)，男，貴州人，碩士研究生，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化與智能化、輪機(jī)控制與仿真方向的研究。

甘輝兵(1981-)，男，湖北人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化與智能化、輪機(jī)控制與仿真方向的研究。

1671-4598(2016)09-0140-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.038

U676.4

A