何業(yè)蘭 梁樹甜 王孟蓮 呂 丹

（武漢理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1） 武漢 430063） （中國船舶重工集團公司第七一二研究所2） 武漢 430064）（武漢港迪電氣有限公司3） 武漢 430074）

0 引 言

船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估是指，根據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備的當(dāng)前運行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，采取適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)評估方法，對船舶電力推進系統(tǒng)當(dāng)前及未來運行狀態(tài)進行綜合評定［1－2］．電力推進系統(tǒng)的狀態(tài)評估是船舶電力推進系統(tǒng)高效性和安全性的保障．本文以船舶電力推進系統(tǒng)中的主要設(shè)備為檢測評估對象，研究動態(tài)在線監(jiān)測為主的狀態(tài)評估指標(biāo)體系，以及基于知識的智能評估方法，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計并實現(xiàn)了一個通用的船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估軟件．

1 評估系統(tǒng)總體設(shè)計

1．1 系統(tǒng)功能設(shè)計

通用船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估軟件是在線的狀態(tài)評估系統(tǒng)，軟件可以用在不同船上或仿真系統(tǒng)中，對電推設(shè)備進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、實時評估．其檢測對象主要是船舶電力推進系統(tǒng)的主要設(shè)備如推進電機、推進變頻器、推進變壓器等．軟件采用模塊化設(shè)計，支持參數(shù)化配置，該系統(tǒng)的主要功能包括：（1）以電推系統(tǒng)為單位，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理．（2）對狀態(tài)評估模型和預(yù)測模型進行參數(shù)配置、樣本選取、模型學(xué)習(xí)控制等．（3）通信控制．（4）在線評估與預(yù)測．接收下位機的實時檢測數(shù)據(jù)，運行評估模型進行在線評估；選擇預(yù)測算法．（5）進行信息的實時顯示．分級別顯示歷史數(shù)據(jù)及動態(tài)趨勢圖．

1．2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

實施評估需要大量描述電力推進系統(tǒng)及其演變過程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，評估軟件的核心是一系列的數(shù)據(jù)庫．本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由以下幾類數(shù)據(jù)組成：（1）工程數(shù)據(jù)庫，為每一個需要評估的電力推進系統(tǒng)建立一個工程，將系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)記錄到工程數(shù)據(jù)庫中，包括電力推進系統(tǒng)所屬船名、各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、銘牌信息、某些參數(shù)門限值等．（2）在線檢測數(shù)據(jù)庫，存儲電推系統(tǒng)中設(shè)備當(dāng)前的運行數(shù)據(jù)，參數(shù)當(dāng)前值每隔1s記錄一次．（3）歷史數(shù)據(jù)庫，與當(dāng)前日期相隔一個月之前的數(shù)據(jù)，自動從在線檢測數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到歷史數(shù)據(jù)庫．（4）樣本數(shù)據(jù)庫，存放評估模型需要的樣本數(shù)據(jù)．（5）預(yù)測數(shù)據(jù)庫，存儲預(yù)測模型各時刻的預(yù)測結(jié)果．（6）用戶數(shù)據(jù)庫．

1．3 分布式狀態(tài)評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估系統(tǒng)將采用分布式結(jié)構(gòu)，見圖1．圖中，設(shè)待評估的船舶電力推進系統(tǒng)的設(shè)備主要分布在m個機艙內(nèi)，則建立m個機艙工作站，每個工作站由本地計算機、數(shù)據(jù)采集器和若干傳感器組成，m個本地計算機通過通信與主控計算機連接，從而構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)．

圖1 船舶電力推進系統(tǒng)分布式狀態(tài)評估系統(tǒng)示意圖

2 電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估方法

2．1 系統(tǒng)狀態(tài)評估指標(biāo)體系構(gòu)建

本文以電壓型變頻器匹配交流異步電動機的驅(qū)動的船舶電力推進系統(tǒng)為評估對象，系統(tǒng)中主要設(shè)備包括發(fā)電機組、推進變壓器、推進變頻器、推進電動機等．對每一種設(shè)備，根據(jù)科學(xué)性、全面性、可測性、層次性、動靜指標(biāo)相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合等原則．并結(jié)合船用設(shè)備特性、典型故障對各設(shè)備指標(biāo)參數(shù)進行詳細分析后，得到各設(shè)備的狀態(tài)評估指標(biāo)．

評估指標(biāo)分為主要技術(shù)參數(shù)、試驗檢修數(shù)據(jù)、同類設(shè)備故障史、在線監(jiān)測參數(shù)4個部分．

圖2 電力推進系統(tǒng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評估模型

以推進變壓器為例，主要技術(shù)參數(shù)包括額定容量、初級電壓、次級電壓、效率、絕緣等級；實驗檢修數(shù)據(jù)包括各繞組直流電阻、各繞組絕緣電阻、鐵心絕緣電阻、變壓器老化情況、前期運行故障率；同類設(shè)備故障史包括同類設(shè)備故障率、同類設(shè)備常見故障．在線監(jiān)測參數(shù)分為5組：輸入?yún)?shù)包括原邊三相電壓、原邊三相電流、輸入功率；輸出參數(shù)包括副邊（△形連接）三相電壓、副邊（△形連接）三相電流、副邊（星形連接）三相電壓、副邊（星形連接）三相電流、輸出功率；內(nèi)部參數(shù)包括原邊各繞組溫度、副邊（△形連接）各繞組溫度、副邊（星形連接）各繞組溫度、實時效率、自身振動、局部放電監(jiān)測；冷卻系統(tǒng)參數(shù)包括風(fēng)機運行狀態(tài)、出風(fēng)口溫度、水泵運行狀態(tài)、冷卻水流量、冷卻水溫度、壓力；外部環(huán)境參數(shù)包括外部環(huán)境振動、環(huán)境溫度．

各設(shè)備的在線監(jiān)測參數(shù)劃分為四類．第一類為固定限值類；第二類為離散變量；第三類為跟負荷工況相耦合的變量；第四類為環(huán)境參數(shù)類．引入劣化程度指標(biāo)，每一類指標(biāo)用不同的數(shù)學(xué)形式表達．

評估指標(biāo)的權(quán)重是指在指標(biāo)評估體系中底層指標(biāo)對決策問題總目標(biāo)的影響，或決策中相對重要程度的一種主觀評價和客觀標(biāo)準(zhǔn)的定量表示［3］．采用層次分析法，確定各評估指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估的指標(biāo)體系．

2．2 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電推系統(tǒng)狀態(tài)評估模型

本文將模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，依據(jù)電力推進系統(tǒng)的實際，設(shè)計電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估的三級模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，見圖2．圖中，N1～N5為5個一級模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，稱為整個狀態(tài)評估模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)絡(luò)，表示電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估的5個部分：推進變壓器、推進變頻器、推進電動機、其他設(shè)備和外環(huán)境．其中每個子網(wǎng)絡(luò)由于評估設(shè)備的不同，輸入結(jié)點和輸出結(jié)點也不同，結(jié)點數(shù)由選定的訓(xùn)練樣本格式?jīng)Q定．網(wǎng)絡(luò)模型的第二層根據(jù)第一層判定的設(shè)備所處的狀態(tài)求出設(shè)備的狀態(tài)評估評分grade1～grade5，第三層根據(jù)grade1～grade5和各設(shè)備的權(quán)重求出電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估的最終評分grade．

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)評估的步驟如圖2所示．以有n個狀態(tài)評估指標(biāo)g1，g2，…，gn，p種故障f1，f2，…，fp，q種正常模式l1，l2，…，lq的設(shè)備為例：（1）確定評判集V、因素集U．它們由訓(xùn)練樣本決定，即V＝｛f1，f2，…，fp，l1，l2，…，lq｝，U＝｛g1，g2，…，gn｝；（2）確定隸屬函數(shù)，只有確定了模糊集V的隸屬度函數(shù)，才能建立模糊關(guān)系矩陣R，隸屬函數(shù)確定方法前最常用的是指派法中的升半梯分布法和降半梯分布法；（3）建立模糊關(guān)系矩陣R和初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定了隸屬函數(shù)后，就可以建立模糊關(guān)系矩陣R，然后用R初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各連接線的權(quán)值，在MATLAB中用initnw（）函數(shù)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值初始化；（4）樣本歸一化；（5）用歸一化后的訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練．MATLAB仿真軟件提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（neural netword toolbox），工具箱中包括各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算函數(shù)，其中train（）函數(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)，此函數(shù)可設(shè)置訓(xùn)練誤差和訓(xùn)練次數(shù)，且調(diào)用方便；（6）確定評分的權(quán)值和特性函數(shù)．此部分包括2個內(nèi)容，一是確定設(shè)備評判集V＝｛f1，f2，…，fp，l1，l2，…，lq｝中各評判級別與設(shè)備狀態(tài)評估評分的連線的權(quán)值和評分神經(jīng)元的特性函數(shù)，二是確定各設(shè)備的評分與電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估總評分的連線的權(quán)值和總評分神經(jīng)元的特性函數(shù)．具體的，要根據(jù)設(shè)備的實際情況和運行原理做具體分析；（7）完成上述步驟后，就可以根據(jù)評估數(shù)據(jù)對電力推進系統(tǒng)進行狀態(tài)評估，得出最終評分．這里的評估數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前運行數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)．

2．3 評估模型的仿真驗證

本文采用電力推進仿真實驗室的仿真平臺的數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評估模型的仿真，該軟件是自主研發(fā)的電力推進系統(tǒng)故障仿真平臺，能進行電力推進系統(tǒng)正常、典型故障情況下的參數(shù)仿真，仿真參數(shù)選取了狀態(tài)評估指標(biāo)體系中的主要參數(shù)，參數(shù)較全面，具有一定的代表性，能基本反映電力推進系統(tǒng)的運行狀況，可以作為電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估模型的樣本數(shù)據(jù)．在進行正常、典型故障下的仿真基礎(chǔ)上，得到仿真數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸一化后才能作為狀態(tài)評估模型的訓(xùn)練樣本，繼續(xù)進行軟件仿真，得到2個待評估模式的數(shù)據(jù)，見表1．

表1 待評估模式

如訓(xùn)練誤差取0．001，訓(xùn)練曲線見圖3．圖中縱坐標(biāo)為誤差，范圍從10－4～100，橫坐標(biāo)為訓(xùn)練次數(shù)．

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練曲線

把表1中模式1的數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得

V1＝ ［0．9695 0．0698 0 0 0 0 0．0004］

V2＝ ［0．9574 0 0 0．0468 0．0011 0 0］

V3＝ ［0．9738 0．0071 0．038 0．0264 0 0］

計算各設(shè)備評分，得grade1＝95．0；grade2＝94．1；grade3＝96．8．最后得電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估最終得分grade＝min（gradei）＝94．1．

評估狀態(tài)為“優(yōu)”，可以延期維修，這與仿真軟件設(shè)置的模式一致．

把表2中模式2的數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得

V1＝ ［0．9862 0．0373 0 0 0 0．0025］

V2＝ ［0．9657 0 0 0．0828 0．028 0．013 0］

V3＝ ［0．0136 0．0011 0．9651 0．0004 0 0］

計算各設(shè)備評分，得grade1＝97．4；grade2＝94．1；grade3＝2．4．得電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估最終得分grade＝min（gradei）＝2．4．

評估狀態(tài)為“劣”，應(yīng)該立即檢修，并由V3可知推進電動機發(fā)生了繞組短路故障，這與仿真軟件設(shè)置的模式一致．

將狀態(tài)評估模型訓(xùn)練前后的系統(tǒng)時間相減即為訓(xùn)練時間［4］，本例中，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時間在0．1～0．2s之間．仿真結(jié)果表明，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于船舶電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估，只要樣本數(shù)據(jù)足夠多，可以給出待評估模式在樣本模式上的置信度，評估精度較高［5－6］．

3 實現(xiàn)方案

3．1 評估流程

電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估，就是要對狀態(tài)評估指標(biāo)體系綜合考慮后進行評估．評估的目的是為了評估電力推進系統(tǒng)當(dāng)前運行狀況和潛在故障發(fā)生的可能性以便及時采取措施消除隱患，幫助決策者根據(jù)電力推進系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)制定相應(yīng)的檢修方案［7］．電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估流程見圖4．

圖4 電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估流程圖

3．2 開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

軟件構(gòu)建于B／S結(jié)構(gòu)的．NET平臺visual studio 2012，利用C?？梢暬⒔M件開發(fā)以及高效運行的特點進行系統(tǒng)的開發(fā)．采用SQL Server 2010作為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)．

3．2．1 數(shù)據(jù)庫實時訪問技術(shù)

系統(tǒng)啟動后通過ADO技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫連接，在接下來的運行過程中會頻繁地進行數(shù)據(jù)庫訪問．尤其是實時在線檢測和算法處理過程都存在大量數(shù)據(jù)的存儲訪問，如果不采取適當(dāng)措施，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問卡死或界面反應(yīng)速度慢等問題．因此本文針對不同類型的操作和數(shù)據(jù)采用不同技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問．下位機上傳的檢測數(shù)據(jù)，需要實時更新到數(shù)據(jù)庫中，采用adapter控件來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的更新，并采用存儲過程來提高數(shù)據(jù)庫的訪問效率．對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的增刪改等操作，如果用傳統(tǒng)方法修改一個數(shù)據(jù)就訪問一次數(shù)據(jù)庫，會大大影響交互速度，采用dataset控件將當(dāng)前用戶和當(dāng)前工程的相關(guān)數(shù)據(jù)直接加載到內(nèi)存，用戶操作內(nèi)存數(shù)據(jù)，最后一次提交到數(shù)據(jù)庫．

3．2．2 模型算法實現(xiàn)

本文采用基于模糊網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)評估模型，其實現(xiàn)方式有多種．最常用的一類方法是 MATLAB與高級語言的混合編程，利用MATLAB中強大的函數(shù)庫，在程序中直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)算法．這類方法又有3種實現(xiàn)方式，一種是采用MATLAB自帶編譯器mcc，但待編譯的m文件不能涉及MATLAB的內(nèi)部類，生成代碼可讀性差；第二種方法是調(diào)用MATLAB引擎，缺點是不能脫離MATLAB運行環(huán)境；系統(tǒng)開發(fā)前期采取的是第三種方法，通過Matcom將m文件轉(zhuǎn)化為DLL動態(tài)鏈接庫來調(diào)用，可以實現(xiàn)模型算法．但系統(tǒng)最終的實現(xiàn)中，為了實現(xiàn)算法中的細節(jié)，不拘泥于MATLAB庫函數(shù)，沒有采用與 MATLAB混合編程方法，而是用C＃結(jié)合了一個第三方的DLL自己編寫函數(shù)來實現(xiàn)算法．預(yù)測模型也是自行編寫一個C＃類來實現(xiàn)．

3．2．3 基于多線程的通信技術(shù)

本系統(tǒng)運行時存在大量的數(shù)據(jù)通信、秒級的數(shù)據(jù)更新、運算，如果所有的功能完全由一個主線程實現(xiàn)，必然會引起系統(tǒng)反應(yīng)時間過長、無法達到1s的界面刷新頻率甚至導(dǎo)致系統(tǒng)卡死等問題．因此，本系統(tǒng)采用多線程技術(shù)．主控計算機上，主線程處理主界面顯示控制，處理人機交互，對數(shù)據(jù)庫記錄的新增、修改、刪除等操作，評估與預(yù)測結(jié)果的圖表化顯示．而每一臺本地計算機與主控計算機之間的數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)更新到在線檢測數(shù)據(jù)庫等功能由1個單獨的子線程來處理．如果有3臺本地計算機主線程會開辟3個子線程，分工完成系統(tǒng)各項功能．采用多線程技術(shù)，軟件運行達到實時性要求［8］．通信部分的功能采用socket技術(shù)實現(xiàn)．

軟件運行過程中，主界面實時顯示每個推進設(shè)備的評估分數(shù)，1s刷新一次，單擊某臺設(shè)備進入下一級界面，顯示在線檢測數(shù)據(jù)表和動態(tài)趨勢圖，見圖5．

圖5 電力推進系統(tǒng)狀態(tài)評估軟件界面

4 結(jié)束語

狀態(tài)評估是實現(xiàn)狀態(tài)檢修的前提基礎(chǔ)，十分重要．船舶電推系統(tǒng)狀態(tài)評估軟件采用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估方法，實現(xiàn)了在線狀態(tài)評估、評估結(jié)果及檢測數(shù)據(jù)實時顯示等功能．目前該系統(tǒng)已投入使用，運行效果良好．下一步還需要與其他相關(guān)技術(shù)和管理措施及其信息系統(tǒng)的相互配合，最終將實現(xiàn)傳統(tǒng)的定期檢修向狀態(tài)檢修的完全過渡．

［1］高海波．船舶電力推進系統(tǒng)的建模與仿真［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2008．

［2］黃文生．電氣設(shè)備故障診斷的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．中國電力教育，2010，31：67－71．

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［4］張東波，徐瑜，王耀南．主動差異學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成方法在變壓器DGA故障診斷中的應(yīng)用［J］．中國電機工程學(xué)報，2010，22：15－19．

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［8］吳文慶．船舶動力電力系統(tǒng)仿真訓(xùn)練服務(wù)器軟件的設(shè)計與實現(xiàn)［D］．大連：大連海事大學(xué)，2013．