基于無(wú)線通信的甲板機(jī)械遠(yuǎn)程控制和故障診斷研究

摘要：為了使工程船舶達(dá)到一定水平的安全、高效作業(yè)能力，必須提高甲板機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程控制能力。就現(xiàn)狀而言，各種甲板機(jī)械設(shè)備的維護(hù)和操作在很大程度上還是取決于技術(shù)人員對(duì)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。因此，加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)在工程船舶作業(yè)中的合理應(yīng)用勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：甲板機(jī)械設(shè)備；自動(dòng)化；無(wú)線監(jiān)控；遠(yuǎn)程管理；故障診斷

一、引言

在海洋資源開發(fā)的不斷深入以及全球經(jīng)濟(jì)科技迅速發(fā)展的背景下，對(duì)工程船舶上的甲板機(jī)械設(shè)備性能和效率提出了更高的要求。同時(shí)，在我國(guó)新型工業(yè)化的新發(fā)展理念推動(dòng)下，使船舶甲板機(jī)械設(shè)備向安全化、精密化、自動(dòng)化方向發(fā)展[1]。因此，加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)在工程船舶作業(yè)中的合理應(yīng)用勢(shì)在必行。本文介紹了一種無(wú)線技術(shù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)允許用戶在使用互聯(lián)網(wǎng)的任何時(shí)間與地點(diǎn)，在終端同時(shí)對(duì)多個(gè)處在不同地點(diǎn)的甲板機(jī)械設(shè)備同時(shí)管理，且基于這個(gè)概念，操作人員可以同時(shí)操控和管理甲板機(jī)械設(shè)備。

在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，智能化設(shè)備的應(yīng)用也有助于減少對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。因此，研究工程船舶甲板機(jī)械設(shè)備基于無(wú)線通信的遠(yuǎn)程控制和故障診斷，不僅順應(yīng)了科技進(jìn)步和市場(chǎng)需求的雙重趨勢(shì)，還對(duì)提升海洋工程裝備水平、推動(dòng)行業(yè)技術(shù)革新具有重要意義。

二、文獻(xiàn)回顧

目前，甲板機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)在自動(dòng)化控制工作中應(yīng)用最廣泛[2]，因?yàn)檫@類控制器工作效率穩(wěn)定，是甲板機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵。電氣自動(dòng)化技術(shù)，是重點(diǎn)發(fā)展的組成部分，具有操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以從根本上提高甲板設(shè)施設(shè)備的整體質(zhì)量與使用的便利性。因此，加強(qiáng)對(duì)甲板機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)、操縱方法的研究，可以積極推動(dòng)海洋資源開發(fā)建設(shè)向勘探化、規(guī)模化、自動(dòng)化方向發(fā)展，為海洋和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)中向好發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)[3]。

由于甲板機(jī)械設(shè)備作業(yè)海況復(fù)雜，工程作業(yè)對(duì)象龐大，機(jī)件容易出現(xiàn)故障。目前，甲板機(jī)械設(shè)備的錯(cuò)誤識(shí)別及分析方法包括基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)信號(hào)分析的方法[4]。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的甲板機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制與故障診斷研究方法。本文首先分析了基于無(wú)線局域網(wǎng)的端口管理系統(tǒng)架構(gòu)方案，并介紹了相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在此基礎(chǔ)上分析了新算法的特點(diǎn)，將該算法引入到網(wǎng)絡(luò)中，建立了基于新算法的甲板機(jī)械設(shè)備故障診斷模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的成立，以及該模型在甲板機(jī)械設(shè)備錯(cuò)誤分析中的便利性。

三、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)概述

（一）主要體系構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)中有多種監(jiān)控方式可以適應(yīng)用戶的需要。通常選擇的系統(tǒng)是無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（WLAN）。該系統(tǒng)采用普遍使用的無(wú)線技術(shù)，以服務(wù)于系統(tǒng)運(yùn)行，工作原理是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將船舶站點(diǎn)的真實(shí)情況上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)利用技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，使信息以更方便、更簡(jiǎn)單的方式發(fā)布給用戶，用戶則可以通過遠(yuǎn)程控制終端處理數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)。目前，基于現(xiàn)有技術(shù)，云端服務(wù)器上的數(shù)據(jù)內(nèi)容和處理器所分析產(chǎn)生的結(jié)果可以在不同客戶端之間實(shí)現(xiàn)即時(shí)共享。

（二）系統(tǒng)控制邏輯分析

系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)必須按照一定的邏輯進(jìn)行。WLAN監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯主要包括本地實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、云端計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，兩者都是通過相關(guān)系統(tǒng)交流進(jìn)行信息的上傳與分析對(duì)遠(yuǎn)程甲板機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)構(gòu)架分析

甲板機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的框架有兩個(gè)方案。設(shè)備終端的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)和客戶的控制反饋均必須經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，所有采集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)讀取分析后才能根據(jù)權(quán)限發(fā)送給相對(duì)應(yīng)的客戶。優(yōu)點(diǎn)是遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的主機(jī)便于對(duì)云端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)私密性高。缺點(diǎn)是當(dāng)有多設(shè)備客戶端連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，多設(shè)備同時(shí)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行訪問，主機(jī)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁擠。將甲板機(jī)械設(shè)備終端數(shù)據(jù)更直接地傳送給對(duì)應(yīng)的操作員工端，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)必須監(jiān)測(cè)設(shè)備是否有新接入。

（二）系統(tǒng)功能介紹

甲板機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的作用分為兩類：云端甲板機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控（簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)程監(jiān)控）和云端數(shù)據(jù)管理（簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)管理）。

遠(yuǎn)程監(jiān)控包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)事件監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)監(jiān)控、實(shí)時(shí)告警等功能、設(shè)備狀態(tài)信息、保養(yǎng)預(yù)警、歷史信息查詢等。其中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制將終端設(shè)備的工作數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)；實(shí)時(shí)觀察將通過視頻進(jìn)行跟蹤監(jiān)控；包括故障預(yù)測(cè)在內(nèi)的實(shí)時(shí)錯(cuò)誤報(bào)警。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析功能包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)步驟；健康通知包括監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)信息和設(shè)備健康度評(píng)估項(xiàng)兩個(gè)步驟。

數(shù)據(jù)管理包括三個(gè)功能：信息管理、控制管理和用戶數(shù)據(jù)管理。其中，信息管理包括報(bào)表的列表、記錄和發(fā)現(xiàn)，該功能對(duì)報(bào)表進(jìn)行管理；控制管理側(cè)重于日常維護(hù)計(jì)劃和操作記錄；數(shù)據(jù)管理是指修改用戶訪問和控制權(quán)限。

五、研究方法

（一）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)甲板機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和在線數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、無(wú)線局域網(wǎng)、監(jiān)測(cè)站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)用戶五部分組成。

1.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

在海洋環(huán)境中工作的船舶，甲板機(jī)械設(shè)備通常會(huì)在海洋露天工作，經(jīng)常面對(duì)極其惡劣的環(huán)境影響，如風(fēng)、雨、雪、雷、電、鹽霧等空間電磁干擾。因此，基于無(wú)線技術(shù)的數(shù)據(jù)傳遞路徑應(yīng)具有一定的免外界因素打擾能力和優(yōu)質(zhì)完整的信息傳遞能力。本文闡述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)滿足海洋工程作業(yè)的需要。擴(kuò)頻技術(shù)可以將信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)更寬的帶寬程度上，并在接收端對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行一定的格式處理，即帶寬壓縮，并返回到窄信號(hào)[7-8]。

2.算法簡(jiǎn)介

本算法是基于現(xiàn)有AP聚類算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的聚類算法，它通過引入不完全相似性提高算法的聚類效果。實(shí)現(xiàn)過程如下：

第一步：計(jì)算樣本相似度矩陣S；

第二步：根據(jù)壓縮相似度矩陣算法計(jì)算壓縮相似度矩陣S；

第三步：對(duì)S'進(jìn)行稀釋，得到稀疏度的相似性矩陣S*；

第四步：迭代計(jì)算通用矩陣以及性能矩陣；

第五步：判斷算法是否達(dá)到迭代次數(shù)并判斷是否需要終止計(jì)算。

3.基于新算法的甲板機(jī)械錯(cuò)誤判斷模型

根據(jù)以上對(duì)新算法的分析，該算法組不需要預(yù)先設(shè)置，過程簡(jiǎn)單易用。因此，選擇該算法進(jìn)行甲板機(jī)械設(shè)備的錯(cuò)誤判斷，該模型包括三個(gè)模塊：錯(cuò)誤數(shù)據(jù)提取、聚類分析和故障診斷。

第一個(gè)模塊是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)提取。故障特征提取的目的是更具有針對(duì)性及精確地獲取甲板機(jī)械的錯(cuò)誤特征，從而提高故障分組的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。首先，對(duì)甲板機(jī)械設(shè)備閾值振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解構(gòu)得到模型分量，然后采用近似熵分析法計(jì)算模型分量的近似熵，從而轉(zhuǎn)化為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)向量。

第二個(gè)模塊是聚類分析。聚類分析結(jié)果直接影響甲板機(jī)械設(shè)備錯(cuò)誤分析判斷的針對(duì)性。本研究通過計(jì)算上述算法的模型精度是否達(dá)到指定數(shù)據(jù)范圍來(lái)，以判斷算法的實(shí)際運(yùn)用效果。

第三個(gè)模塊是故障診斷。故障診斷是為了識(shí)別故障樣本，是整個(gè)模型的核心目標(biāo)。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試算法的有效性，使用模擬數(shù)據(jù)集對(duì)新算法和標(biāo)準(zhǔn)AP算法進(jìn)行模型構(gòu)建。在四個(gè)合成數(shù)據(jù)集中，標(biāo)準(zhǔn)AP算法與新算法的相似度和聚類準(zhǔn)確率得分差異較小，但新算法聚類計(jì)算時(shí)間更短，聚類計(jì)算時(shí)間優(yōu)勢(shì)增大。與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AP算法和新算法在四個(gè)真實(shí)數(shù)據(jù)集的非差異度指標(biāo)之和方面的差異很小；在聚類精度方面，標(biāo)準(zhǔn)AP算法接近于新算法。

為了驗(yàn)證模型分析效果，選取了某工程船甲板機(jī)械設(shè)備的曾經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)作為錯(cuò)誤樣本進(jìn)行錯(cuò)誤分析，本研究提出的算法對(duì)一般狀況下的內(nèi)部元件故障的錯(cuò)誤識(shí)別準(zhǔn)確率極高；對(duì)外表面損壞故障的判斷準(zhǔn)確率較低，對(duì)螺絲零件類問題的診斷準(zhǔn)確率為0，原因是外表面損壞故障和螺絲零件累故障的數(shù)據(jù)來(lái)源較少，特別是螺絲零件故障的數(shù)據(jù)只有6個(gè)，使算法難以提取有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析并生成錯(cuò)誤報(bào)告，導(dǎo)致診斷準(zhǔn)確率低。

綜上所述，基于新算法的故障診斷方法可以識(shí)別不同類型的機(jī)械故障。與標(biāo)準(zhǔn)AP算法和W-variance算法相比，本研究算法的綜合性與全面性表現(xiàn)更佳，在相似性之和、信息互通的標(biāo)準(zhǔn)化、聚類模擬準(zhǔn)度、聚類分析用時(shí)等方面表現(xiàn)更好。與W-variance算法相比，本算法的故障分化程度更高，達(dá)到97%以上。該算法的操作可行性和數(shù)據(jù)精確性通過在甲板機(jī)械的錯(cuò)誤分析診斷中的應(yīng)用得到了驗(yàn)證，它能準(zhǔn)確診斷甲板機(jī)械設(shè)備未出現(xiàn)問題的狀態(tài)、內(nèi)部元件的故障情況，判斷精準(zhǔn)度達(dá)到100%。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的甲板機(jī)械遠(yuǎn)程控制和故障診斷方法。針對(duì)甲板機(jī)械設(shè)備的不同特征，甲板機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)得以開發(fā)，兩種不同的系統(tǒng)架構(gòu)方案應(yīng)運(yùn)而生，為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、狀態(tài)即時(shí)監(jiān)察、監(jiān)測(cè)信息收集、故障診斷、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)收集與查詢、故障報(bào)告、維護(hù)計(jì)劃形成、用戶信息收集與分析等功能，并且基于無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)了甲板機(jī)械設(shè)備的故障診斷與遠(yuǎn)程管理。根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，錯(cuò)誤診斷準(zhǔn)確。同時(shí)，報(bào)告通過分析新算法的特點(diǎn)，將該算法引入甲板機(jī)械的誤差分析中，并提出了基于新算法的甲板機(jī)械錯(cuò)誤分析診斷模型。通過數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法及其在甲板機(jī)械故障診斷中的普適性。

作者單位：俞鈞杰 居曉俊 王順 張運(yùn) 上海交通建設(shè)總承包有限公司

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