大數(shù)據(jù)分析在船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛光彩

（中船電子科技（三亞）有限公司北京分公司，北京 100076）

0 引言

我國很早就建立了船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)在早期運(yùn)作中運(yùn)作表現(xiàn)突出，有良好的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)，但隨著船舶機(jī)械的發(fā)展，其故障表現(xiàn)愈發(fā)復(fù)雜，所涉及到的因素也更多，這時(shí)傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)就顯得“力不從心”。對此，大數(shù)據(jù)技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)信息分析工具，其優(yōu)異的性能、強(qiáng)大的功能都能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)當(dāng)下缺陷，可以保障故障診斷的效率性、準(zhǔn)確性，還能提升診斷的全面性，因此在船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中有必要使用大數(shù)據(jù)分析工具來開展診斷工作，對此進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大數(shù)據(jù)分析原理概述

大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析功能流程大體可以分為5個(gè)步驟：數(shù)據(jù)導(dǎo)入→數(shù)據(jù)預(yù)處理→數(shù)據(jù)識別與定義→數(shù)據(jù)深度挖掘→結(jié)果導(dǎo)出。這一條件下，大數(shù)據(jù)的分析原理為（1）將與分析事物的所有數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)；（2）大數(shù)據(jù)系統(tǒng)針對導(dǎo)入的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可得各數(shù)據(jù)的信息特征；（3）根據(jù)預(yù)處理所得的信息特征，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將根據(jù)知識庫信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，并依照識別結(jié)果對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，例如大數(shù)據(jù)知識庫中有對船舶機(jī)械磨損故障的描述（如機(jī)械齒輪的間隙、表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)等），隨之根據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)的特征標(biāo)準(zhǔn)，可知數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在知識庫中的所屬類別（如數(shù)據(jù)特征中包含“機(jī)械齒輪間隙”關(guān)鍵詞，則說明該數(shù)據(jù)涉及機(jī)械齒輪的間隙），由此實(shí)現(xiàn)識別，隨后將信息特征下導(dǎo)入數(shù)據(jù)的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對比，可知導(dǎo)入數(shù)據(jù)是否正常，如果正常則說明無故障、如果異常則說明有 故障，由此完成定義；（4）將所有數(shù)據(jù)信息的識別、定義成果集成，形成數(shù)據(jù)集成體，根據(jù)大數(shù)據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)集成體進(jìn)行深度挖掘，可知各數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)系、關(guān)聯(lián)度等；（5）根據(jù)深度挖掘結(jié)果，可知某事物的涉及面、成因等，將這些內(nèi)容作為結(jié)果導(dǎo)出。

2 大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

事實(shí)上，雖然傳統(tǒng)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)面對各類機(jī)械故障“力不從心”，但傳統(tǒng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)還是比較完善的，因此無需做太大的調(diào)整，而該系統(tǒng)的主要缺陷就在于數(shù)據(jù)處理能力與性能方面。這一條件下，本文大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中，主要將大數(shù)據(jù)分析作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)引擎來使用，設(shè)計(jì)也是圍繞這一要點(diǎn)開展的，此舉可以將船舶機(jī)械故障數(shù)據(jù)分析工作單獨(dú)摘除，專門由大數(shù)據(jù)分析工具負(fù)責(zé)處理，這樣既可彌補(bǔ)傳統(tǒng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理能力、性能方面的缺陷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目的。

2.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)大數(shù)據(jù)分析原理流程可知，大數(shù)據(jù)分析工具需要在數(shù)據(jù)導(dǎo)入后才能運(yùn)作，說明大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的工作流程大體可以分為兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸、數(shù)據(jù)處理分析，因此設(shè)計(jì)方案也可以分為兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各部分具體內(nèi)容如下。

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在傳統(tǒng)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，保留傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障信息監(jiān)控功能，并在此基礎(chǔ)上增設(shè)信息傳輸通道，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。以船舶發(fā)動(dòng)機(jī)為例，針對發(fā)動(dòng)機(jī)的電力、供油、機(jī)械組件參數(shù)（如磨損率）、安裝位置等故障高發(fā)位置進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控功能采用傳感器實(shí)現(xiàn)：①針對發(fā)動(dòng)機(jī)電力系統(tǒng)，選用電壓、電負(fù)荷等傳感器；②針對發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)，選用油壓、流速、流量等傳感器；③針對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械組件參數(shù)，選用磨損率、頻率等傳感器（此部分傳感器種類較多，建議選擇綜合性傳感器）；④針對安裝位置，采用位移傳感器。在傳感器選擇完畢后進(jìn)行安裝，隨后針對各傳感器采用I/O信號發(fā)出端，用于將傳感器所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)以信號格式發(fā)出，同時(shí)在發(fā)出過程中設(shè)置換能器，目的在于將傳感器傳輸?shù)男盘柛袷剑▊鞲衅魉鶄鬏斝盘柧鶠殡娦盘枺┺D(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)讀取，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與導(dǎo)入功能。

（2）大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用計(jì)算機(jī)作為子系統(tǒng)載體，隨之考慮到傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)入中的接收要求，需要在計(jì)算機(jī)端設(shè)置I/O信號接收端，這樣傳感器傳輸而來，被換能器轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式的故障信息就可以成功導(dǎo)入大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)子系統(tǒng)的連接。在這一基礎(chǔ)上，對大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)的運(yùn)作邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，即主要采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建子系統(tǒng)的邏輯，邏輯主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)與處理、數(shù)據(jù)識別與定義部分，首先利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對導(dǎo)入的所有機(jī)械故障數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，獲取各數(shù)據(jù)信息特征，特征將會(huì)被記錄在子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫（即知識庫）內(nèi)，這一過程代表系統(tǒng)對機(jī)械故障信息進(jìn)行了“學(xué)習(xí)”，同時(shí)人工也可以將以往記錄到的機(jī)械故障數(shù)據(jù)信息傳入數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫，可起到加速學(xué)習(xí)的作用，其次在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用下，子系統(tǒng)知識庫內(nèi)數(shù)據(jù)信息充分，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸子系統(tǒng)向大數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)傳輸機(jī)械故障信息之后，大數(shù)據(jù)就可以根據(jù)知識庫對機(jī)械故障信息進(jìn)行識別定義，隨之根據(jù)定義完成數(shù)據(jù)深度挖掘、結(jié)果導(dǎo)出。

3 大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用測試

3.1 應(yīng)用測試方案

以船舶發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械電力故障為例進(jìn)行應(yīng)用測試方案設(shè)計(jì)：（1）在系統(tǒng)內(nèi)的知識庫中設(shè)置船舶發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械額定電壓標(biāo)準(zhǔn)，為440V；（2）采用傳感器、信號傳輸設(shè)計(jì)方法對發(fā)動(dòng)機(jī)額定電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中，同時(shí)對信號傳輸實(shí)時(shí)性進(jìn)行觀察；（3）在額定電壓正常的情況下，讓大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)自主運(yùn)作3h，觀察其是否會(huì)出現(xiàn)誤判；（4）人工在電源處刻意加大/減小額定電壓，觀察大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)是否會(huì)對額定電壓的變化進(jìn)行分析、分析結(jié)果是否準(zhǔn)確、分析耗時(shí)、分析結(jié)果全面性。

3.2 應(yīng)用測試結(jié)果

以上應(yīng)用測試方案中主要測試環(huán)節(jié)為（2）、（3）（4）步驟，各步驟測試結(jié)果為：（1）在測試信號傳輸實(shí)時(shí)性環(huán)節(jié)，對大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)長3h的測試，時(shí)間內(nèi)信號傳輸實(shí)時(shí)性良好，具體數(shù)據(jù)見表1；（2）在額定電壓正常狀態(tài)下，大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)自主運(yùn)作中一共進(jìn)行了500余次的判斷，其中并未出現(xiàn)誤判；（3）在刻意加大/減小額定電壓的條件下，大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)對額定電壓變化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為“當(dāng)前額定電壓過大/過小，發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致絕緣受損/電壓過小出現(xiàn)動(dòng)能不足的故障，故障成因是電源處電壓供給異常”，整個(gè)過程耗時(shí)較短，可見系統(tǒng)會(huì)對額定電壓的變化進(jìn)行分析、分析結(jié)果非常準(zhǔn)確，且分析耗時(shí)、分析結(jié)果全面性表現(xiàn)良好。表1為應(yīng)用測試結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)作用

根據(jù)以上測試，首先證明了大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)可以應(yīng)用于船舶機(jī)械故障診斷中，其次在作用上，該系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)子系統(tǒng)全面取代了傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程，且診斷效率遠(yuǎn)超以往，還能對診斷結(jié)果進(jìn)行定義，直觀的輸出，不需要人工根據(jù)診斷信息對故障進(jìn)行定義。因此大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)作用在于提高故障診斷效率、提高診斷結(jié)果綜合質(zhì)量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)。

表1 應(yīng)用測試結(jié)果

4 結(jié)論

綜上，本文對大數(shù)據(jù)分析在船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，闡述了大數(shù)據(jù)分析原理、大數(shù)據(jù)船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試，且論述了系統(tǒng)作用。通過分析可知，大數(shù)據(jù)在船舶機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用價(jià)值良好，能夠起到提高診斷效率及綜合質(zhì)量的作用，這有利于船舶故障維護(hù)。