船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的故障檢測與恢復(fù)研究

李磊峰 張炯 余士有

摘要：傳統(tǒng)化故障檢測辦法存在效率低、精度低的缺陷，為提升故障檢測效果，縮短故障恢復(fù)時(shí)間，可利用自動(dòng)化系統(tǒng)編寫故障檢測程序?；诖?，本文首先闡述了船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備傳統(tǒng)化故障排除方法，基于船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，展開故障檢測、故障恢復(fù)分析，旨在借助自動(dòng)化技術(shù)對船舶故障實(shí)現(xiàn)快速檢測與定位，有針對性地進(jìn)行故障恢復(fù)，降低故障對船舶的干擾。

Abstract： Traditional fault detection methods have defects with low efficiency and low accuracy. In order to improve the fault detection effect and shorten the fault recovery time， fault detection procedures can be written using the automatic system.Based on this， this paper first expounds the conventional troubleshooting method of ship electrical automation equipment， based on the ship electrical automation system， launch fault detection and fault recovery analysis， aiming to achieve rapid detection and positioning of ship faults with the help of automation technology， targeted fault recovery， and reduce the fault interference to the ship.

關(guān)鍵詞：船舶;電氣自動(dòng)化系統(tǒng);故障檢測;故障恢復(fù)

Key words： ship;electrical automation system;fault detection;fault recovery

中圖分類號：U66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0146-02

0? 引言

船舶行業(yè)在新時(shí)代背景下發(fā)展迅速，船舶各系統(tǒng)均趨向自動(dòng)化發(fā)展，為保障船舶穩(wěn)定運(yùn)行，需各系統(tǒng)相互協(xié)作，若某系統(tǒng)發(fā)生故障，船舶則無法穩(wěn)定航行，而電氣自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)乎船舶電力供應(yīng)情況，其故障影響程度更大，且可對船舶其他系統(tǒng)造成干擾，因此為降低故障問題的不利影響，需進(jìn)一步縮短電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測與恢復(fù)時(shí)間。

1? 船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備傳統(tǒng)化故障排除方法

1.1 直觀分析法

直觀分析法為最傳統(tǒng)的船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測排除辦法，通過觸感、嗅覺、聽覺、觀感四種直觀化手段判斷故障位置，該技術(shù)需故障檢測人員具有豐富經(jīng)驗(yàn)，因此采用該方法存在不穩(wěn)定性。直觀分析法的應(yīng)用方式如下：

①通過觸摸電氣自動(dòng)化設(shè)備，檢查該設(shè)備是否存在高溫情況;

②通過嗅覺，判斷船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備是否存在異味;

③運(yùn)行待檢測設(shè)備，通過觀察設(shè)備運(yùn)行聲音，判斷該設(shè)備是否運(yùn)行正常;

④通過觀察船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備是否存在異常顏色變化或松動(dòng)情況進(jìn)行故障判斷。

1.2 對比分析法

相較于直觀分析法，對比分析法的故障處理更為快速，要求故障檢測人員初步判斷故障源大致所在部位，將存在故障隱患的構(gòu)件均進(jìn)行替換，完成構(gòu)件更換后運(yùn)行設(shè)備，若此時(shí)船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備并未顯示出故障問題，則證明已替換的構(gòu)件為故障源，若已全部替換存在故障隱患的構(gòu)件仍未解決故障問題，則需由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)判定。

1.3 短路分析法

非專業(yè)技術(shù)人員可通過直觀分析法與對比分析法進(jìn)行故障診斷與恢復(fù)，但卻無法通過短路分析法完成故障處理。短路分析法需由專業(yè)技術(shù)人員判斷船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)可疑觸電位置，對該觸電位置進(jìn)行專項(xiàng)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否存在故障問題。

2? 船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)來看，短路故障、電路接觸故障為船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)最常見的問題，因此本次故障檢測與恢復(fù)分析，均以船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)電路故障為研究對象。

2.1 獲取數(shù)據(jù)源

船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依托于電路銜接與耦合，使不同電氣設(shè)備連接為整體，并在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能下深化各電氣設(shè)備間的聯(lián)系，確保數(shù)據(jù)接收傳輸效果，以此完成電氣系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[1]。圖1為船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測與定位流程圖，為保障故障檢測與定位準(zhǔn)確，為故障恢復(fù)提供依據(jù)，需獲得真實(shí)故障源信息。故障數(shù)據(jù)源信息是否真實(shí)完整關(guān)乎故障檢測質(zhì)量與恢復(fù)效率，本次提出仿真驗(yàn)算方式，獲得船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)故障原始數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)存儲為差分網(wǎng)格剖分算法（CSDF）文件，將CSDF文件內(nèi)有效數(shù)據(jù)整合提取，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化處理，以此得出故障源數(shù)據(jù)特征，將故障源數(shù)據(jù)特征運(yùn)用方式展開線性轉(zhuǎn)化，線性轉(zhuǎn)化公式如式（1）所示：

■（1）

式（1）中，Xnorm、X、Xmax、Xmin分別為標(biāo)準(zhǔn)化故障數(shù)據(jù)、原數(shù)據(jù)、原數(shù)據(jù)最大值、原數(shù)據(jù)最小值。完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，將獲得故障標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)集，此時(shí)可運(yùn)用“二分K均值聚類”方式合并標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)集，獲得類數(shù)據(jù)集[2]。

2.2 編寫檢測程序

通過“二分K均值聚類”方式獲得類數(shù)據(jù)集后，以類數(shù)據(jù)集為依據(jù)編寫船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測程序。在本次故障檢測研究中，運(yùn)用“聚類-重建”方式編寫故障檢測程序[3]。將故障檢測程序內(nèi)目標(biāo)類、非目標(biāo)類分別設(shè)為O0、O1，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為F。采用故障檢測程序進(jìn)行船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測的步驟如下：

①從目標(biāo)類O0中提取樣本，樣本數(shù)量為M1，從非目標(biāo)類O1中提取樣本，樣本數(shù)量為M2，其中有M1≥M2的關(guān)系;

②將M1、M2組成數(shù)據(jù)樣本集，樣本N維向量為■;

③對數(shù)據(jù)樣本集進(jìn)行分為A、B、C三類，其中A樣本集僅可覆蓋目標(biāo)類O0，B、C樣本集需同時(shí)覆蓋目標(biāo)類O0及非目標(biāo)類O1;

④將A樣本集聚類處理，此時(shí)有：

■（2）

其中D、m分別為故障類分布、類數(shù)目，將上述關(guān)系式再次聚類處理，得出：

■（3）

其中Dc代表故障分布中心，在此基礎(chǔ)上可計(jì)算出各樣本數(shù)據(jù)與故障分布中心間的距離，記作類距離d，計(jì)算公式如下：

■（4）

當(dāng)類距離d小于標(biāo)準(zhǔn)值F，則可判定，該樣本位置存在故障問題，若類距離d大于或等于標(biāo)準(zhǔn)值F，則說明該樣本位置無故障問題，可正確穩(wěn)定運(yùn)行。通過上述故障檢測程序及計(jì)算機(jī)算法運(yùn)行，可準(zhǔn)確高效地完成船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測，可為故障處理與恢復(fù)提供依據(jù)。

2.3 故障精準(zhǔn)定位

通過式（4）計(jì)算后得出了各樣本點(diǎn)位到故障分布中心的距離，此時(shí)可進(jìn)一步根據(jù)式（4）計(jì)算結(jié)果，對船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使故障恢復(fù)更為準(zhǔn)確，極大縮短故障恢復(fù)時(shí)間。故障定位為故障高效處理恢復(fù)的基礎(chǔ)，因此需在現(xiàn)有故障數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對故障問題進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確保故障問題可在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，使船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行。在故障精準(zhǔn)定位期間，需采用以下公式進(jìn)行故障位置的詳細(xì)計(jì)算：

■（5）

式（5）中，Xx為故障所在位置的橫坐標(biāo);Xy為故障所在位置的縱坐標(biāo);Dcx為故障分布中心的橫坐標(biāo)，Dcy為故障分布中心的縱坐標(biāo);dx為類距離橫坐標(biāo);dy為類距離縱坐標(biāo)。通過式（5）運(yùn)算即可準(zhǔn)確得出船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)，此時(shí)相關(guān)技術(shù)人員可通過建立的坐標(biāo)系完成故障定位，可為故障處理恢復(fù)提供依據(jù)，使故障恢復(fù)更具針對性。

3? 船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障恢復(fù)

通過上述步驟可完成船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障的快速檢測與定位工作，可極大縮短故障恢復(fù)時(shí)間，通過該方式進(jìn)行的故障處理更為科學(xué)合理。船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)存在諸多電氣設(shè)備及子系統(tǒng)，具有復(fù)雜化特征，因此，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障恢復(fù)同樣復(fù)雜，且故障恢復(fù)過程存在較多約束，系統(tǒng)內(nèi)各電路位置均與其他子系統(tǒng)或電路存在連接關(guān)系，同時(shí)各電路位置上分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的數(shù)量較多，若電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在船舶航行期間出現(xiàn)故障，故障求解空間將呈現(xiàn)出寬泛巨大的特征，為保障電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障處理效果，需在故障恢復(fù)期間注意電荷調(diào)控，由此不難看出，船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的故障恢復(fù)難度較高。

對本次船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障檢測與恢復(fù)過程進(jìn)行總結(jié)，具體如下：

①當(dāng)船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)故障隱患后，所編寫的故障檢測程序?qū)⒓皶r(shí)獲取故障源信息，并對故障問題展開全面檢測，獲得相關(guān)樣本數(shù)據(jù)集后，借助算法公式進(jìn)一步進(jìn)行樣本處理，在此基礎(chǔ)上計(jì)算故障源具體位置，以此完成故障定位。②獲得船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)故障信息后，該故障信息將自動(dòng)傳輸至基礎(chǔ)配置電氣配置器，完成信息數(shù)據(jù)接收后即可組織故障修復(fù)工作。③基礎(chǔ)配置電氣配置器下發(fā)故障修復(fù)指令，關(guān)閉故障周圍的分段開關(guān)及聯(lián)絡(luò)開關(guān)，起到隔絕故障源的效果。

4? 結(jié)束語

綜上所述，直觀分析法、對比分析法、短路分析法為傳統(tǒng)化故障排除辦法，在船舶運(yùn)行及故障處理中應(yīng)用廣泛。在當(dāng)前背景下，為提升故障檢測精度與效率，快速解決故障問題，可采用智能程序與算法精準(zhǔn)獲取故障源信息，并編寫故障檢測程序，在智能化程序幫助下進(jìn)行故障快速檢測與定位，以此為依據(jù)替換故障源，繼而實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的效果，降低故障問題的不利影響。

參考文獻(xiàn)：

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