船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障報(bào)警技術(shù)的研究

張 政，王宇龍

(中船電子科技（三亞）有限公司，海南 三亞 572024)

0 引言

船舶故障是影響船舶安全的主要因素，且對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，核心控制機(jī)制都離不開(kāi)故障報(bào)警環(huán)節(jié)的支持和幫助。無(wú)論是早期的繼電器控制系統(tǒng)還是現(xiàn)階段的神經(jīng)元自動(dòng)控制系統(tǒng)，故障報(bào)警技術(shù)都是不可或缺的部分。優(yōu)秀的故障報(bào)警系統(tǒng)要遵循準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的原則，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)水平和軟件控制水平都應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的層次和標(biāo)準(zhǔn)。

1 故障報(bào)警的特征

1.1 準(zhǔn)確性

故障報(bào)警準(zhǔn)確性體現(xiàn)在直接通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面就可以了解到當(dāng)前控制系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)了哪些故障、故障的性質(zhì)和程度處于哪個(gè)水準(zhǔn)。對(duì)于一般規(guī)模的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備的故障點(diǎn)是可以直接進(jìn)行觀看和定位的，但是在船舶的自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)部，由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，故障點(diǎn)數(shù)眾多，報(bào)警軟件設(shè)計(jì)方面就應(yīng)該劃分出具體的層次，并且讓正在運(yùn)行的設(shè)備故障能夠在第一時(shí)間內(nèi)就體現(xiàn)出來(lái)[1]。

目前，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集手段變得更加先進(jìn)而有效，自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中的故障報(bào)警點(diǎn)要達(dá)到 I/O系統(tǒng)的70%甚至更多，在一些多流程的復(fù)雜系統(tǒng)當(dāng)中，流程選擇和流程運(yùn)行的環(huán)節(jié)還應(yīng)該及時(shí)地定位并且提示有關(guān)故障類型，再通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的方式來(lái)讓故障報(bào)警機(jī)制可以順利運(yùn)行[2]。因此，一個(gè)單機(jī)設(shè)備上可以包括上百個(gè)故障檢測(cè)點(diǎn)，在非運(yùn)行狀態(tài)下的設(shè)備故障信息不會(huì)影響到正常的信息查詢過(guò)程，相關(guān)工作人員只需要在了解設(shè)備報(bào)警表后就可以采用分級(jí)分層的多種方式定位報(bào)警并處理故障。

1.2 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性的核心內(nèi)容在于可靠的系統(tǒng)性能，并且在保障系統(tǒng)速度的前提下維持良好的系統(tǒng)質(zhì)量。在限定時(shí)間內(nèi)如果系統(tǒng)可以對(duì)外部的異步事件作出反應(yīng)，那么就可以從規(guī)定功能的角度來(lái)正確地衡量故障情況。目前故障的報(bào)警方式眾多，大型自動(dòng)化控制系統(tǒng)當(dāng)中所采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式差異會(huì)使得故障報(bào)警方式出現(xiàn)改變。

例如ProfiBus就是典型的控制網(wǎng)絡(luò)類型，作為一種較為常見(jiàn)的自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)復(fù)雜程度低，模塊化的設(shè)計(jì)能夠使其成本得到有效控制；組態(tài)、調(diào)試復(fù)雜程度低，相關(guān)故障數(shù)據(jù)能夠通過(guò)總線進(jìn)行匯報(bào)，提高了故障定位的準(zhǔn)確性和即時(shí)性；在系統(tǒng)維護(hù)方面，其支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程故障診斷，大大降低了系統(tǒng)維護(hù)壓力；由于該總線標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展性較強(qiáng)，對(duì)于未來(lái)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能拓展有著較強(qiáng)的適應(yīng)性。

1.3 開(kāi)放化

開(kāi)放化是整個(gè)故障報(bào)警系統(tǒng)的主要標(biāo)志，同時(shí)也是自控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。開(kāi)放化指的是一個(gè)系統(tǒng)或是多個(gè)系統(tǒng)可以在不同的地理位置和要求下進(jìn)行報(bào)警信息的共享，按照不同類型的信息使用目的采取不同的處理方案，從而靈活組合以滿足實(shí)際的使用需求[3]。從這一角度來(lái)看，開(kāi)放化的技術(shù)應(yīng)用不僅可以讓操作人員精確地定位故障產(chǎn)生的區(qū)域和情況，還可以利用第三方軟件來(lái)記錄故障信息。

例如，有報(bào)警信息時(shí)可以自動(dòng)地彈出窗口顯示當(dāng)前的報(bào)警情況，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明顯，遵循故障報(bào)警的準(zhǔn)確性和開(kāi)放性原則，采取先進(jìn)的采集手段讓監(jiān)控系統(tǒng)和操作員的人機(jī)交互過(guò)程更加簡(jiǎn)便，便于對(duì)故障信息進(jìn)行分類和查詢，然后將數(shù)據(jù)歸檔之后強(qiáng)化快速響應(yīng)機(jī)制，能夠在促進(jìn)安全生產(chǎn)方面發(fā)揮重要的促進(jìn)和保障作用。然而，這里需要注意的是，基于系統(tǒng)安全的角度考慮，開(kāi)放化的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)增加抗干擾模塊，以及在自動(dòng)處理單元對(duì)控制信號(hào)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，從而避免因開(kāi)放化導(dǎo)致的自動(dòng)控制系統(tǒng)故障。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障報(bào)警技術(shù)

2.1 多源信息融合技術(shù)

多源信息融合技術(shù)的原理在于“同時(shí)獲得不同類型的系統(tǒng)數(shù)據(jù)”，并且這項(xiàng)技術(shù)在推出之后就得到了社會(huì)層面的廣泛關(guān)注。在該技術(shù)出現(xiàn)之前人們單純地通過(guò)傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)比較片面，即便采取多個(gè)傳感器也只是從不同的角度來(lái)孤立地反映出信息，從而產(chǎn)生出信息冗余問(wèn)題[4]。多傳感器信息融合理論的出現(xiàn)之后人們開(kāi)始將不同傳感器所獲取的信息進(jìn)行全方位支配以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，其中圖1就是多源信息融合技術(shù)的主要框架。

圖1 多源信息融合理論框架Fig.1 the theoretical framework of multi-source information fusion

具體而言，信息融合指的是多源信息的多層次融合，不同的層次所代表的內(nèi)容是原始數(shù)據(jù)的抽象化處理。我們可以將信息融合的層次劃分為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一是原始數(shù)據(jù)融合，二是特征集融合，三是決策級(jí)融合。我們所開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容也主要是為了確定在哪個(gè)層次上可以進(jìn)行融合，信息融合層次的差異會(huì)使得最終的結(jié)果產(chǎn)生差異。

數(shù)據(jù)源的融合是進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在對(duì)信息進(jìn)行檢索之后確保信息的一致性，而數(shù)據(jù)的同化過(guò)程則是對(duì)信息準(zhǔn)確性的判斷，對(duì)數(shù)據(jù)本身不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。特征層的融合則指的是每個(gè)傳感器在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行特征提取，對(duì)多數(shù)據(jù)源的特征信息展開(kāi)綜合分析[5]。而決策層融合會(huì)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)變換來(lái)得到最終的決策結(jié)果，并且各個(gè)決策結(jié)果可以具有“抗感染”能力，傳感器損壞也不會(huì)影響到故障分析和報(bào)警的結(jié)果。多源信息融合技術(shù)當(dāng)中的聚類算法等都屬于人工智能的范疇，應(yīng)用于故障探測(cè)環(huán)節(jié)需要考慮到算法的響應(yīng)速度以及可能出現(xiàn)的漏報(bào)、誤報(bào)問(wèn)題等。

2.2 危險(xiǎn)度評(píng)估模型

危險(xiǎn)度評(píng)估模型是基于船舶結(jié)構(gòu)采取的技術(shù)方法，因?yàn)榇皟?nèi)部環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且對(duì)于故障的敏感程度不盡相同，如果出現(xiàn)火災(zāi)或電路風(fēng)險(xiǎn)等故障，就可能讓船舶受到嚴(yán)重的安全威脅。綜合來(lái)看故障的產(chǎn)生通常是多個(gè)方面因素共同導(dǎo)致的結(jié)果，某個(gè)因素產(chǎn)生偏離而失去控制之后就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的故障。針對(duì)故障的探測(cè)不僅要從單一層面進(jìn)行分析，還應(yīng)該綜合收集大量的信息展開(kāi)綜合判定，及時(shí)并有效地對(duì)火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行評(píng)估[6]。利用模糊邏輯控制系統(tǒng)就可以將控制算法加入到控制器當(dāng)中來(lái)對(duì)模型進(jìn)行控制，智能算法可以體現(xiàn)出非常直觀的因果關(guān)系。在已有的模糊控制系統(tǒng)原理之上，還可以針對(duì)船舶的故障危險(xiǎn)度進(jìn)行分析判斷。單一的故障探測(cè)結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)、漏報(bào)情況，利用多探測(cè)器獲取信息成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。前文也提到故障的發(fā)生是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，獲取全面的故障信息要基于模糊化處理的結(jié)果進(jìn)行推理，再通過(guò)反模糊化得到最終結(jié)果。例如I級(jí)等級(jí)的勁爆說(shuō)明故障的危險(xiǎn)程度比較低，只需要安排技術(shù)人員進(jìn)行處理即可；II級(jí)的故障則說(shuō)明故障可能會(huì)導(dǎo)致其它問(wèn)題等[7]。

2.3 智能評(píng)估策略

現(xiàn)階段故障報(bào)警系統(tǒng)得到了大規(guī)模發(fā)展，且系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性更加突出，但為了能夠解決長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的誤報(bào)漏報(bào)問(wèn)題，還應(yīng)該考慮關(guān)聯(lián)不同船舶艙室的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行有效的早期預(yù)警和控制，再使用現(xiàn)代理論算法來(lái)進(jìn)行故障判斷。我們可以將不同的艙室看作是統(tǒng)一類型的環(huán)境，避免因環(huán)境產(chǎn)生的嚴(yán)重影響。在這一方面可以通過(guò)建立歷史數(shù)據(jù)表格的方式來(lái)呈現(xiàn)出信息，幫助形成故障分析曲線確定工作流程。此時(shí)二次推理和智能評(píng)估策略的重要性更加突出，例如我們熟悉的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是一個(gè)大面積的網(wǎng)絡(luò)單元，每一個(gè)對(duì)應(yīng)的小單元都有著獨(dú)立的信息處理能力，且單元內(nèi)部可以包含多方面的輸入、輸出內(nèi)容，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也比較靈活，在非線性問(wèn)題的處理方面意義更加顯著。按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)劃分為不同的類型之后，就可以在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都展開(kāi)信息的存儲(chǔ)和分布[8]。另外 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還能夠按照環(huán)境差異進(jìn)行自我調(diào)整，以增加數(shù)據(jù)的方式來(lái)調(diào)整生成曲線，最終達(dá)到預(yù)期或者是理想的結(jié)果，突出算法的技術(shù)特征。

3 結(jié)論

現(xiàn)代船舶系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制器本身的發(fā)展，二是檢測(cè)手段和檢測(cè)儀器的技術(shù)發(fā)展。未來(lái)的優(yōu)秀故障報(bào)警系統(tǒng)將在功能上進(jìn)行完善和優(yōu)化，精確地利用數(shù)據(jù)庫(kù)信息完成故障修復(fù)、故障處理等，實(shí)現(xiàn)更加智能化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而讓自動(dòng)化系統(tǒng)朝著多樣化和多結(jié)構(gòu)層次的方向推進(jìn)。后續(xù)的工作環(huán)節(jié)也可以考慮利用模糊推理規(guī)則來(lái)采取多信息融合手段，對(duì)模型、參數(shù)等進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證之后得到推測(cè)結(jié)果，減少船舶自動(dòng)化系統(tǒng)故障的不利影響。