基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與測試

王凱*，奚博文，王玉寶，顧鼎錫，劉英杰

（1.滬東重機有限公司，上海浦東，200129；2.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江，212003）

基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與測試

王凱1*，奚博文1，王玉寶1，顧鼎錫2，劉英杰2

（1.滬東重機有限公司，上海浦東，200129；2.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江，212003）

隨著國內(nèi)海洋裝備的大力發(fā)展，大功率船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)越來越受到重視，目前國內(nèi)所研發(fā)的故障診斷軟件大部分還停留在仿真模擬階段，并未在船舶柴油機上進行聯(lián)調(diào)試驗，這使得國內(nèi)的故障診斷技術(shù)停滯不前。本文所介紹的軟件是在前期故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了所配套的故障診斷軟件，軟件采用故障樹理論，層層遞進，逐個分析，所有的故障報警點均基于柴油機各個工況下的實際值總結(jié)而來，具有較高的可靠性，且報警點的設(shè)置界面靈活，可使用戶隨時修改。實際試驗表明，本故障診斷軟件配合故障采集系統(tǒng)能處理各種不同的故障類型，適用性強。

船舶柴油；故障；診斷；軟件

引言

隨著我國“走向深藍”的提出，我國的海洋裝備正處于近海到遠海的轉(zhuǎn)型期，海洋裝備保障領(lǐng)域日益的受到重視。提高柴油機的維護保障問題，必須依托全新的故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)，柴油機的保障需要故障診斷系統(tǒng)。PA6系列柴油機在我國船舶應用廣泛，開展PA6柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)具有典型意義，可以為各類柴油機故障診斷系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性參考。

研究柴油機故障診斷系統(tǒng)，可根據(jù)故障征兆信號作出預警，并給出檢查及維修建議，為形成柴油機維修技術(shù)，提高大功率柴油機維修技術(shù)能力，實現(xiàn)快速、精確的柴油機維修奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 故障診斷系統(tǒng)的組成

在實現(xiàn)故障診斷之前，必須采集柴油機的各項實時數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)由柴油機信號模擬器、現(xiàn)場信號采集柜、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷計算機三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柴油機故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號采集系統(tǒng)包括柴油機信號模擬器、柴油機信號采集柜及柴油機故障檢測與診斷系統(tǒng)，在聯(lián)調(diào)試驗時，因集控臺本身帶有監(jiān)測系統(tǒng)，所以不能直接從柴油機本體上采集數(shù)據(jù)信號，只能通過柴油機模擬器將集控臺的信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而將柴油機的實際信號輸入柴油機故障診斷系統(tǒng)中。

用于船用大功率柴油機故障診斷系統(tǒng)的故障診斷軟件基于故障樹分析方法，故障樹分析法是一種以尋找故障發(fā)生的可能原因為目的的由上至下的分析方法，不僅能夠進行系統(tǒng)的可靠性分析，而且還可以應用于系統(tǒng)發(fā)生故障或事故時的原因調(diào)查分析，或者作為排除故障的良好的工具。對于一個柴油機這樣復雜的系統(tǒng)來說，尋找某一故障發(fā)生的原因是相當困難的，借助故障樹所建立起來的邏輯圖進行故障分析，就可以非常好的解決這一問題。

2 船舶柴油機故障診斷軟件

2.1 故障分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA），在可靠性工程領(lǐng)域中是進行系統(tǒng)分析的一種重要而有效的方法，該方法于1961年由美國貝爾實驗室H.A.Watson首先提出，后作為可靠性和安全性分析工具在航天、核能等領(lǐng)域獲得廣泛應用。近幾年，故障樹分析法在我國也引起廣泛的重視，在化工、核能、電子工業(yè)等領(lǐng)域的應用已經(jīng)取得顯著成果。

對于船舶柴油機系統(tǒng)所建立的故障樹一般均為單調(diào)關(guān)聯(lián)的，所謂單調(diào)關(guān)聯(lián)的故障樹意味著它僅由或門和與門組成，且所有的底事件可以包含重復事件，但是這些事件都是相互統(tǒng)計獨立的。用布爾代數(shù)可以表示事件之間的邏輯關(guān)系，直接由布爾代數(shù)表示的故障樹可以經(jīng)過布爾運算化簡，從而得到故障樹的最后布爾表達式，它是基本事件（底事件）的乘積之和表達式。每一個基本事件的乘積項稱之為故障樹的最小割集（MCS），即系統(tǒng)的故障模式，故障樹的定性分析的任務(wù)就是求出故障樹的全部最小割集，由于全部最小割集反映了系統(tǒng)的全部故障模式，所以全部最小割集的集合又稱之為系統(tǒng)的故障譜。通過對故障譜的分析，可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

由于故障樹分析方法發(fā)展歷史長，技術(shù)成熟，經(jīng)驗數(shù)據(jù)豐富可靠，采用確定性推理能夠保證系統(tǒng)的診斷質(zhì)量。所以本故障診斷系統(tǒng)采用了確定性推理方法和基于事例的推理方法。確定性推理是指由一個或一組前提必然地推導出某個結(jié)論的過程，這種方法診斷結(jié)果準確可靠。基于事例的推理就是將過去成功的事例存入數(shù)據(jù)庫中，遇到問題時，在數(shù)據(jù)庫中尋找類似的過去事例，利用類比推理的方法，得到最終的結(jié)論，這種方法更有利于知識的擴充。

考慮到故障樹是一種邏輯關(guān)系圖，本文中采用的是正向推理方式，試驗表明，該推理方式效率高，速度快。

該故障診斷系統(tǒng)開始的時候總是依據(jù)節(jié)點的入口條件進入某一個節(jié)點，用戶從已選的節(jié)點根據(jù)提示一步一步完成診斷。如果用戶沒有選擇某一入口條件時，系統(tǒng)就默認從第一個節(jié)點開始往下進行，用戶只能從第一個節(jié)點開始依據(jù)提示往下判斷，而在當前節(jié)點的節(jié)點事實（船舶柴油機顯現(xiàn)出來的故障征兆和一些必要的檢查、試驗、測試等）決定了下一個診斷節(jié)點，也就是決定了診斷的流向。當前節(jié)點的這個作用稱為當前節(jié)點擁有節(jié)點控制權(quán)，診斷節(jié)點的變化稱為節(jié)點控制權(quán)轉(zhuǎn)移。

圖2是該故障診斷系統(tǒng)的分析流程圖，圖中顯示了節(jié)點控制權(quán)轉(zhuǎn)移和診斷與推理結(jié)合的情況。

圖2 船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)的分析流程圖

在故障診斷的過程中，首先要判斷入口條件，如果入口條件為真，即該條件被用戶選中時，則進入下一個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)就會進入此節(jié)點（被用戶選中某一個入口條件所在的當前節(jié)點）；然后判斷該節(jié)點屬性，如果是提問節(jié)點，則依據(jù)提示判斷下一節(jié)點是肯定節(jié)點還是否定節(jié)點，并做出正確判斷，進入下一個節(jié)點。無論進入的是哪一個節(jié)點，系統(tǒng)重新判斷該節(jié)點的屬性，如果還是提問節(jié)點，則重復前一個過程，就這樣不斷的判斷下去，直到無記錄為止。如果系統(tǒng)判斷出某一節(jié)點是結(jié)論節(jié)點，則系統(tǒng)顯示該節(jié)點字段中的內(nèi)容，此字段中的內(nèi)容即為最終的結(jié)論，而不需要進行下一步的判斷。

2.2 故障診斷軟件的基本結(jié)構(gòu)

故障診斷軟件，其核心思想是在測試診斷知識的引導下，根據(jù)發(fā)生的故障征兆和測試結(jié)果，對測試對象進行判斷，判斷出故障所在的部位。診斷過程的實質(zhì)就是對診斷知識庫的搜索過程，對基于故障樹診斷來說就是對故障樹的搜索過程。

為此，本故障診斷系統(tǒng)采用基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)，并在開發(fā)本系統(tǒng)時，主要用以數(shù)據(jù)庫為載體的構(gòu)造模型，用Visual C++程序設(shè)計語言構(gòu)造推理機。根據(jù)傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并考慮到該故障診斷系統(tǒng)的實際應用環(huán)境，本文所開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在本故障診斷系統(tǒng)中，故障數(shù)據(jù)庫用來存放輸入的原始事實、中間結(jié)論和最后結(jié)論。故障推理機則利用故障數(shù)據(jù)庫的知識進行推理。故障診斷結(jié)論則顯示最終系統(tǒng)的診斷結(jié)果，即給出系統(tǒng)故障的原因所在。

解釋數(shù)據(jù)庫則存放解釋信息，即向用戶解釋得到此結(jié)論的推理過程，用戶不僅能夠明白產(chǎn)生此故障的前因后果，而且還能學習很多的專業(yè)知識。

此外，本船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)還能向故障數(shù)據(jù)庫中添加新的原始事實、中間結(jié)論和最后結(jié)論，即添加新的故障事實、產(chǎn)生該故障的原因、最后得出的正確結(jié)論及推理路徑，并在相應的解釋數(shù)據(jù)庫中添加新的解釋內(nèi)容。也就是說，可以不斷豐富、補充原有故障樹。

在人機接口界面中用到的知識庫和用于保存推理過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果數(shù)據(jù)庫以及讀取和存儲傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫等，都需要在SQL Server中設(shè)計相應的數(shù)據(jù)表。整個系統(tǒng)主要包括以下數(shù)據(jù)表：傳感器屬性庫、數(shù)據(jù)記錄庫、邏輯規(guī)則庫、對策庫、故障記錄等。圖4和表1-表6給出了整個故障診斷的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和用到的數(shù)據(jù)表。

圖4 數(shù)據(jù)庫表

表1 故障邏輯庫表

表2 傳感器限值表

表3 故障對策庫

表4 故障記錄庫

fault_time 故障時間 nvChar 14 NO fault_state 故障是否確認 Char 1 NO fault_re_time 故障確認時間 nChar 14 YES fault_class 故障分類 Char 1 NO

表5 數(shù)據(jù)記錄表

總之，本故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)能夠滿足故障分析軟件的各項功能要求，并能夠逐步完善其功能。

2.3 故障診斷軟件的界面

2.3.1 主界面

主界面左側(cè)可同時顯示4個量的變化曲線，并可以根據(jù)比對需要，通過下拉框選擇任意需要顯示的通道值。主界面右側(cè)顯示故障報警，并按照級別分色顯示。如圖5所示。鼠標點擊數(shù)據(jù)曲線，可顯示該光標處曲線數(shù)值及時間，如圖6所示。

圖5 故障診斷主界面

圖6 光標處曲線數(shù)值及時間

2.3.2 故障知識庫維護界面

圖7 故障知識庫維護界面

界面左邊為邏輯樹的顯示，右邊為邏輯數(shù)據(jù)的輸入。

新建測試點：用于建立“或”關(guān)系，點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“新建測試點”按鈕后輸入“測試點參數(shù)”，保存后，新的測試點將和樹上選擇的節(jié)點建立“或”關(guān)系。

增加測試點：用于建立“與”關(guān)系，點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“增加測試點”按鈕后輸入“測試點參數(shù)”，保存后，新的測試點將和樹上選擇的節(jié)點建立“與”關(guān)系。

刪除測試點：點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“刪除測試點”按鈕后，和選擇節(jié)點后保持“與”關(guān)系的節(jié)點將同時被刪除，同時與被刪除節(jié)點有關(guān)系的故障也將被刪除。

故障確認：點擊故障確認后，樹根節(jié)點到選擇的節(jié)點所構(gòu)成的“與”關(guān)系樹枝將被確認為故障的測試點集合（用于對故障的定義）。同時輸入故障的描述文本和說明文件，選擇相應的“故障分類”并保存，完成故障的設(shè)置。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集點維護界面

數(shù)據(jù)采集點維護界面主要用來修改傳感器采集點的屬性。如名稱、數(shù)據(jù)類型、單位等。

圖8 數(shù)據(jù)采集點維護界面圖

選擇要修改的采集點點擊右鍵，可以進入修改頁面。

圖9 數(shù)據(jù)采集點修改界面圖

2.3.4 外部調(diào)用程序功能界面

圖10 外部調(diào)用程序功能界面圖

點擊菜單“調(diào)用外部文件”—“設(shè)置”可以對菜單中“調(diào)用維修手冊”、“調(diào)用備件清單”、“調(diào)用其他程序”的路徑進行設(shè)置，設(shè)置完畢后，診斷出故障結(jié)果的同時，可同時顯示維修視頻或備件清單等文件。

2.4 故障報警點

故障報警點是故障診斷系統(tǒng)中最為重要的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的故障報警點均根據(jù)不同溫度，不同轉(zhuǎn)速下柴油機真實的數(shù)據(jù)，經(jīng)過總結(jié)得到，例如。

主軸承溫度測量范圍為0～150℃，主軸承實際測量溫度在不同環(huán)境溫度下的數(shù)值由表7所示。

表7 主軸承溫度實際測量值

由表7可知，柴油機正常運行時，在不同環(huán)境溫度下，主軸承最高溫度均在94℃左右，因此，可設(shè)置報警溫度為110℃，自動降速溫度為115℃，自動停車溫度為120℃符合實際溫度規(guī)律。

2.5 故障診斷流程

軟件對上傳的數(shù)據(jù)進行讀取，對每個傳感器數(shù)據(jù)進行報警值比對，建立實時報警序號集合，由于每個故障是由若干個報警序號組成的，通過在實時報警序號集合中比對故障集合，實現(xiàn)故障報警。

圖11 診斷流程

故障診斷流程程序如下：

3 柴油機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置裝機聯(lián)調(diào)測試

聯(lián)調(diào)測試的主要目的在于測試柴油機信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集準確性 ，包括熱電阻溫度信號、熱電偶溫度信號、4-20mA電流信號、高頻轉(zhuǎn)速信號等。同時測試柴油機信號故障診斷軟件對于故障診斷的準確性。在本次測試的故障診斷系統(tǒng)測試的同時，還測量了PA6型柴油機的在各個工況下的爆壓及振動數(shù)據(jù)，但因故障診斷軟件還未能判斷這兩項數(shù)據(jù)，因此并沒有進行對振動及爆壓的故障診斷。（爆壓和振動的測試是否要寫入文章）圖12為50%負荷下在線監(jiān)測與實際值的對比。

圖12 50%負荷下柴油機在線監(jiān)測與實際值的對比

在試車臺現(xiàn)場，通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及模擬器設(shè)置故障的方法，對以下22個故障進行了測試，測試結(jié)果表明，故障診斷準確率為100%。

故障測試的表有些長，可否選取典型的幾個。因為單列22個感覺有些沒有內(nèi)容

故障項目：

1.滑油冷卻器出水溫度過高故障

2.滑油冷卻器出水溫度過低故障

3.主機海水泵出口壓力過低故障

4.主機淡水出口溫度過高故障

5.主機淡水出口溫度過低故障

6.主機淡水進口壓力過低故障

7.主機滑油進機溫度過高故障

8.滑油進機壓力過低故障

9.滑油進機壓力過高故障

10.主機燃油進機壓力過低故障

11.空冷器進口空氣溫度、空冷器進口空氣溫度過高故障

12.主機空冷器進口空氣壓力且增壓器轉(zhuǎn)速過高故障

13.增壓器轉(zhuǎn)速過低故障

14.單個氣缸排氣溫度過高故障

15.所有氣缸排氣溫度同時過高故障

16.氣缸排氣溫度升高故障

17.氣缸排氣溫度急速降低故障

18.氣缸排氣溫度過低故障

19.主軸承溫度過低故障

20.主軸承溫度過高故障

21.主軸承溫度過高導致停車故障

22.STC報警故障

故障測試如圖13所示。

圖13 柴油機故障測試軟件（這個圖不是很清晰，但是挺有用的，故障診斷的圖就這一張，其他都是實驗數(shù)據(jù)）

4 結(jié)束語

柴油機故障診斷系統(tǒng)所用傳感器可真實再現(xiàn)所測信號，數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖д媛士刂圃?%以內(nèi)。知識庫中的量化指標可準確表示故障特征，便于形成可執(zhí)行語句，經(jīng)試驗檢驗，整體正確率為100%?？梢詼蚀_的診斷出輸入在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的故障。本系統(tǒng)使用實時監(jiān)測診斷系統(tǒng)的接口，很好的將現(xiàn)場的診斷系統(tǒng)擴展為故障診斷專家系統(tǒng)，并形成船維修子系統(tǒng)，可以進行3D維保、故障建議、故障分析等功能調(diào)用。對PA6型柴油機的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠取得良好的診斷效果。

[1]冒天誠.故障樹與船舶自動控制系統(tǒng)的故障診斷[M].大連:大連海事大學出版社,2000:15-362.

[2]孫洲陽,陳景鋒,黃加亮.故障樹分析法在柴油機故障診斷中的應用[J].中國修船,2000(2):24-26.

[3]蓋強,馮杰,初健.艦船主機故障診斷系統(tǒng)[J].儀器儀表學報,2004,25(4):170-172.

[4]滿一新.船舶柴油機軸承故障的分析與預防[J].中國修船,1994(5):13-16.

[5]張愛民,紀麗偉,郁秀峰,等.柴油機潤滑油及消耗[J].柴油機設(shè)計與制造,2004(4):9-13.

Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing

WANG Kai1*,XI Bowen1,WANG Yubao1,GU Dingxi2,LIU Yingjie2
(1.Hudong Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai Pudong,200129,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang,212003,China)

With the development of marine equipment in China,more and more attention is paid to the fault diagnosis system of marine diesel engine.most of the fault diagnosis software currently developed in China is still in the simulation stage.it is not tested on the marine diesel engine,which makes the technology of fault diagnosis in China stagnant.The software introduced in this paper is based on the early fault diagnosis system,developed the fault diagnosis software,the software uses the fault tree theory,layer by layer progressive,one by one analysis,all the fault alarm points are based on the actual value of diesel engine under various operating conditions,has high reliability,and the setting interface of alarm point is flexible,can make users change at any time.The actual test shows that the fault diagnosis software cooperated with the fault acquisition system can deal with a variety of different fault types,and the applicability is strong.

marine diesel; fault; diagnosis; software

TH16，TK43

A

1672-9129(2017)04-0056-10

王凱,奚博文,王玉寶,等.基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與測試[J].數(shù)碼設(shè)計,2017,6(4):56-65.

Cite：WANG Ka,XI Bowen,WANG Yubao,et al.Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing[J].Peak Data Science,2017,6(4):56-65.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.016

2017-01-10；

2017-02-13。

王凱（1980-）男，上海，本科，滬東重機有限公司，研究方向：柴油機開發(fā)。E-mail:wak@hhm.com.cn