趙磊磊

（江蘇科技大學(xué) 鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

隨著我國造船業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)越來越趨向于大型化和復(fù)雜化，船舶電網(wǎng)的發(fā)配電模塊和負(fù)載的復(fù)雜度也不斷提高，一旦某處發(fā)生故障，很大程度上會引起二次故障，這使得輪機(jī)員的工作量大大增加，往往很難快速準(zhǔn)確地定位到故障點并排除故障，嚴(yán)重影響了船舶作業(yè)的穩(wěn)定性［1～3］。并且，船舶電力設(shè)備隨著造船業(yè)的發(fā)展也在不斷更新?lián)Q代，而輪機(jī)員的原有知識量很難應(yīng)對新型設(shè)備的故障，因此，很有必要構(gòu)建出一套能夠集成該領(lǐng)域?qū)＜抑R并且能不斷更新知識庫的故障診斷專家系統(tǒng)［4～5］，以此提高輪機(jī)員的工作效率與準(zhǔn)確度，保障船舶作業(yè)的連續(xù)性。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障診斷是根據(jù)所研究電力系統(tǒng)的特點建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，再求出系統(tǒng)的拓展關(guān)聯(lián)矩陣，根據(jù)發(fā)生故障時的潮流變化來進(jìn)行故障的定位，這種基于數(shù)學(xué)計算的方法由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度和規(guī)模日趨擴(kuò)大，同時受到各方面不確定因素的影響很難達(dá)到一個理想的效果［6］?，F(xiàn)階段主要采用智能化的方法來對電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，包括基于信號處理的方法、基于解析模型的方法和基于知識的方法。其中，文獻(xiàn)［7］采用了基于解析模型的方法，先分析被診斷對象的特點，然后建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造出觀測器來估計系統(tǒng)的輸出，再將各傳感器的測量值與估計值進(jìn)行比較，從而提取出故障信息，這種方法由于建模的困難與發(fā)生故障時可能會引起模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)的變化，影響了其得出結(jié)論的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［8］采用了基于信號處理的方法，這種方法的優(yōu)點在于可以規(guī)避對復(fù)雜模型的建模，直接采用小波變換、相關(guān)函數(shù)、自回歸滑動平均和頻譜等模型，對方差、頻率、幅值等特征量進(jìn)行分析，以此來定位故障點，該種方法雖然實現(xiàn)起來比較簡單，但是對于微小故障的檢測不靈敏，只有當(dāng)故障發(fā)展到一定程度時才有較好的檢測效果。文獻(xiàn)［9］采用了基于知識的方法，該方法既繼承了信號處理不需要建立數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點，同時又避免了信號處理方法靈敏度不夠的缺點，該方法引入了專家特有的診斷知識，能夠充分發(fā)揮人類專家在診斷過程中的經(jīng)驗和主觀性，提高故障診斷的效率與精確度，現(xiàn)如今這種基于知識的診斷已經(jīng)成為眾多科研人員研究的熱點。

在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的特點，通過分析電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障及其產(chǎn)生的原因，對產(chǎn)生的故障進(jìn)行分類，采用框架式知識來表示電力系統(tǒng)整體的構(gòu)造，同時使用產(chǎn)生式規(guī)則對具體的故障知識進(jìn)行描述，運用模糊推理來解決推理過程中的不確定性，設(shè)計出故障診斷專家系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合了多位專家的推理知識以及診斷經(jīng)驗，某些故障的診斷能力甚至能夠超越單個專家，經(jīng)過試驗，該專家系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的診斷。

2 專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及船舶電力系統(tǒng)的故障分類

2.1 故障診斷專家系統(tǒng)的整體設(shè)計

圖1 專家系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

船舶電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)主要可分為5個部分，包括：綜合數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機(jī)、解釋機(jī)和人機(jī)交互界面，如圖1所示。其工作原理是：用戶使用人機(jī)交互界面將故障特征輸入專家系統(tǒng)，推理機(jī)載入規(guī)則并與知識庫中的知識相匹配，將完成配對的信息送入綜合數(shù)據(jù)庫，再通過解釋機(jī)反饋給用戶［10］。專家同樣可以通過人機(jī)交互界面對知識庫中的信息進(jìn)行升級和維護(hù)，使專家系統(tǒng)不斷適應(yīng)設(shè)備的更新?lián)Q代。通過以上操作能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入的故障進(jìn)行判斷，從而得出診斷結(jié)果。

2.2 船舶電力系統(tǒng)故障的分類

船舶電力系統(tǒng)由于其特殊的工作環(huán)境以及較為密集的布局，受到環(huán)境因素的影響較多，故障現(xiàn)象和故障原因具有一定的隨機(jī)性與干擾性，本文結(jié)合繼電保護(hù)知識和船舶電氣方面專家的經(jīng)驗，對船舶電力系統(tǒng)常見的故障進(jìn)行分類和總結(jié)。本文將所研究的船舶電力系統(tǒng)的故障分為四大類，分別是發(fā)電機(jī)故障、配電裝置故障、電網(wǎng)故障和用電負(fù)載故障。其中由于船舶電力系統(tǒng)電纜布線很緊密并且工作環(huán)境比較惡劣，電纜外部絕緣層易受腐蝕，所以電網(wǎng)故障是船舶電力系統(tǒng)故障發(fā)生最頻繁的地方，而電網(wǎng)故障往往又會導(dǎo)致其他部位受損產(chǎn)生二次故障［11～12］，因此在進(jìn)行故障診斷時優(yōu)先考慮電網(wǎng)故障。

3 專家系統(tǒng)知識庫的構(gòu)建

知識庫和推理機(jī)的互相分離是專家系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)程序的顯著特點，知識庫用于存儲專家系統(tǒng)的各類診斷規(guī)則，而推理機(jī)用于將輸入的故障與知識庫中的知識進(jìn)行對比從而得出診斷結(jié)論，知識庫與推理機(jī)的分離使得在對專家系統(tǒng)進(jìn)行知識升級時只需修改知識庫中的內(nèi)容而無需修改推理機(jī)，這樣大大減少了專家系統(tǒng)升級的成本，本專家系統(tǒng)采用Microsoft Access 2008來進(jìn)行知識庫的構(gòu)建，以實現(xiàn)知識庫易于修改和錄入的特點［13］。

3.1 知識的表示

本專家系統(tǒng)知識的表示采用框架式和產(chǎn)生式相結(jié)合的方法，首先建立所研究電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再采用框架表示法來描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此發(fā)揮框架式易于表述事物屬性及內(nèi)在聯(lián)系的優(yōu)勢，同一類型的電力元件擁有相類似的槽包括：框架名、類型描述、繼承關(guān)系，故障描述、確定性和缺省值，如圖2所示。在通過故障現(xiàn)象來診斷故障原因的過程中，本系統(tǒng)使用產(chǎn)生式規(guī)則對故障診斷知識進(jìn)行描述，產(chǎn)生式規(guī)則通常可表示為IF P THEN Q＜CF＞，其中P和Q分別對應(yīng)規(guī)則的前提和結(jié)論，CF表示置信度，一條規(guī)則一般包括規(guī)則編號、規(guī)則前提、規(guī)則結(jié)論和置信度，例如：規(guī)則11 IF發(fā)電機(jī)啟動失敗，且勵磁電流接近于零THEN故障原因：勵磁電源消失置信度：0.7，其中置信度用于進(jìn)行不精確推理。

圖2 框架式規(guī)則

3.2 模糊化規(guī)則

根據(jù)以往的經(jīng)驗，船舶電力系統(tǒng)在電網(wǎng)部分故障發(fā)生地最為頻繁，因此對電網(wǎng)故障需要重點分析，通常當(dāng)輸電線路發(fā)生接地或者短路故障的時候，往往會出現(xiàn)電壓減小或者電流增大的情況，電壓電流值和負(fù)載特性及故障點與電源的距離密切相關(guān)，因而通常用某一閾值來判定電流增大和電壓減小的方法在這里并不適用，這里使用模糊規(guī)則用于診斷輸電線路的故障［14～16］。由于，輸電線路在發(fā)生故障時，一般不存在電壓增大而電流減小的情況，因此采用如圖3中的線性隸屬函數(shù)對電壓電流值進(jìn)行模糊處理，電流正常時的隸屬函數(shù)為電流為高時的隸例如當(dāng)電 流值為20A時，u（x）=0.75，即當(dāng)Ix=20A時，電流正常的可信度為0.75。當(dāng)電壓為低時的隸屬函數(shù)為當(dāng)電壓值為正常時的隸屬函數(shù)為即 當(dāng) Vx=360V時，電壓正常的可信度為0.75，求得的電壓電流可信度即為模糊規(guī)則的可信度，經(jīng)過預(yù)處理后的電壓電流值再與如表1所示的模糊規(guī)則相匹配可以得到診斷結(jié)果。

4 專家系統(tǒng)的推理機(jī)制

4.1 電網(wǎng)模塊的推理機(jī)制

推理機(jī)負(fù)責(zé)專家系統(tǒng)在故障診斷的過程中如何調(diào)用規(guī)則，推理機(jī)設(shè)計的是否完善將直接影響專家系統(tǒng)的推理精度和效率，選用合適的推理策略更能發(fā)揮專家系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點，相比較其他類型故障而言，電網(wǎng)模塊故障發(fā)生的頻率最高［17］，因此發(fā)生故障時，優(yōu)先對電網(wǎng)模塊進(jìn)行故障診斷將大大提高專家系統(tǒng)的工作效率，為了提高推理速度，對電網(wǎng)模塊故障的推理使用正向推理的方法，專家系統(tǒng)將已知的故障特征信息載入到綜合數(shù)據(jù)庫中，再與知識庫中的診斷規(guī)則進(jìn)行逐一配對［18～20］，將成功匹配的規(guī)則的結(jié)論作為新的事實添加到綜合數(shù)據(jù)庫中，運用更新后的數(shù)據(jù)庫再次進(jìn)行匹配，直到得出結(jié)論或者沒有新知識加入為止。

圖3 電壓和電流的隸屬函數(shù)

表1 模糊規(guī)則

4.2 其他模塊的推理機(jī)制

當(dāng)專家系統(tǒng)對電網(wǎng)模塊診斷完成后未找到故障點時，說明故障發(fā)生在其他模塊，由于此時剩余的設(shè)備級故障點已較少，能比較容易地找到故障點，此時可以同時使用正向推理和反向推理的方法，來進(jìn)一步提高推理的精度，首先運用正向推理來提出故障點的假設(shè)，然后通過反向推理證明假設(shè)的存在，以此來找到故障點［21］。

5 結(jié)語

本文運用專家系統(tǒng)的方法來對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，針對船舶電力系統(tǒng)的特點，將故障分成四個模塊，其中重點分析了電網(wǎng)模塊的故障診斷方法。采用框架式結(jié)構(gòu)來描述船舶電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)以及各模塊之間的聯(lián)系，具體的診斷知識通過產(chǎn)生式規(guī)則來描述。同時，對于電網(wǎng)模塊故障診斷過程中容易出現(xiàn)的不確定性問題，采用了模糊規(guī)則。經(jīng)過電力系統(tǒng)仿真，本文所設(shè)計的船舶電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地診斷出故障，并提出解決方案。