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，且對于大規(guī)模的工業(yè)系統(tǒng)來說，核心控制機制都離不開故障報警環(huán)節(jié)的支持和幫助。無論是早期的繼電器控制系統(tǒng)還是現(xiàn)階段的神經(jīng)元自動控制系統(tǒng)，故障報警技術(shù)都是不可或缺的部分。優(yōu)秀的故障報警系統(tǒng)要遵循準(zhǔn)確和實時的原則，系統(tǒng)的硬件設(shè)計水平和軟件控制水平都應(yīng)達到相應(yīng)的層次和標(biāo)準(zhǔn)。

1 故障報警的特征

1.1 準(zhǔn)確性

故障報警準(zhǔn)確性體現(xiàn)在直接通過監(jiān)控畫面就可以了解到當(dāng)前控制系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)了哪些故障、故障的性質(zhì)和程度處于哪個水準(zhǔn)。對于一般規(guī)模的系統(tǒng)來說，設(shè)備的故障點是可以直接進行觀看和定位的，但是在船舶的自動化控制系統(tǒng)內(nèi)部，由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，故障點數(shù)眾多，報警軟件設(shè)計方面就應(yīng)該劃分出具體的層次，并且讓正在運行的設(shè)備故障能夠在第一時間內(nèi)就體現(xiàn)出來[1]。

目前，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集手段變得更加先進而有效，自動控制系統(tǒng)當(dāng)中的故障報警點要達到 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，流程選擇和流程運行的環(huán)節(jié)還應(yīng)該及時地定位并且提示有關(guān)故障類型，再通過軟件設(shè)計的方式來讓故障報警機制可以順利運行[2]。因此，一個單機設(shè)備上可以包括上百個故障檢測點，在非運行狀態(tài)下的設(shè)備故障信息不會影響到正常的信息查詢過程，相關(guān)工作人員只需要在了解設(shè)備報警表后就可以采用分級分層的多種方式定位報警并處理故障。

1.2 實時性

實時性的核心內(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。在限定時間內(nèi)如果系統(tǒng)可以對外部的異步事件作出反應(yīng)，那么就可以從規(guī)定功能的角度來正確地衡量故障情況。目前故障的報警方式眾多，大型自動化控制系統(tǒng)當(dāng)中所采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式差異會使得故障報警方式出現(xiàn)改變。

例如ProfiBus就是典型的控制網(wǎng)絡(luò)類型，作為一種較為常見的自動化技術(shù)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計復(fù)雜程度低，模塊化的設(shè)計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)能夠通過總線進行匯報，提高了故障定位的準(zhǔn)確性和即時性；在系統(tǒng)維護方面，其支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程故障診斷，大大降低了系統(tǒng)維護壓力；由于該總線標(biāo)準(zhǔn)的擴展性較強，對于未來自動控制系統(tǒng)的功能拓展有著較強的適應(yīng)性。

1.3 開放化

開放化是整個故障報警系統(tǒng)的主要標(biāo)志，同時也是自控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。開放化指的是一個系統(tǒng)或是多個系統(tǒng)可以在不同的地理位置和要求下進行報警信息的共享，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際的使用需求[3]。從這一角度來看，開放化的技術(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記錄故障信息。

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

2 自動化控制系統(tǒng)故障報警技術(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“同時獲得不同類型的系統(tǒng)數(shù)據(jù)”，并且這項技術(shù)在推出之后就得到了社會層面的廣泛關(guān)注。在該技術(shù)出現(xiàn)之前人們單純地通過傳感器來采集數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)比較片面，即便采取多個傳感器也只是從不同的角度來孤立地反映出信息，從而產(chǎn)生出信息冗余問題[4]。多傳感器信息融合理論的出現(xiàn)之后人們開始將不同傳感器所獲取的信息進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，三是決策級融合。我們所開展的研究內(nèi)容也主要是為了確定在哪個層次上可以進行融合，信息融合層次的差異會使得最終的結(jié)果產(chǎn)生差異。

數(shù)據(jù)源的融合是進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在對信息進行檢索之后確保信息的一致性，而數(shù)據(jù)的同化過程則是對信息準(zhǔn)確性的判斷，對數(shù)據(jù)本身不會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。特征層的融合則指的是每個傳感器在進行數(shù)據(jù)采集之后進行特征提取，對多數(shù)據(jù)源的特征信息展開綜合分析[5]。而決策層融合會將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過變換來得到最終的決策結(jié)果，并且各個決策結(jié)果可以具有“抗感染”能力，傳感器損壞也不會影響到故障分析和報警的結(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、誤報問題等。

2.2 危險度評估模型

危險度評估模型是基于船舶結(jié)構(gòu)采取的技術(shù)方法，因為船舶內(nèi)部環(huán)境相對復(fù)雜，且對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)險等故障，就可能讓船舶受到嚴(yán)重的安全威脅。綜合來看故障的產(chǎn)生通常是多個方面因素共同導(dǎo)致的結(jié)果，某個因素產(chǎn)生偏離而失去控制之后就會導(dǎo)致嚴(yán)重的故障。針對故障的探測不僅要從單一層面進行分析，還應(yīng)該綜合收集大量的信息展開綜合判定，及時并有效地對火災(zāi)的發(fā)生進行評估[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)中來對模型進行控制，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，還可以針對船舶的故障危險度進行分析判斷。單一的故障探測結(jié)果可能會導(dǎo)致誤報、漏報情況，利用多探測器獲取信息成為今后的發(fā)展趨勢。前文也提到故障的發(fā)生是一個相對復(fù)雜的過程，獲取全面的故障信息要基于模糊化處理的結(jié)果進行推理，再通過反模糊化得到最終結(jié)果。例如I級等級的勁爆說明故障的危險程度比較低，只需要安排技術(shù)人員進行處理即可；II級的故障則說明故障可能會導(dǎo)致其它問題等[7]。

2.3 智能評估策略

現(xiàn)階段故障報警系統(tǒng)得到了大規(guī)模發(fā)展，且系統(tǒng)的聯(lián)動性更加突出，但為了能夠解決長期以來一直存在的誤報漏報問題，還應(yīng)該考慮關(guān)聯(lián)不同船舶艙室的數(shù)據(jù)來進行有效的早期預(yù)警和控制，再使用現(xiàn)代理論算法來進行故障判斷。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建立歷史數(shù)據(jù)表格的方式來呈現(xiàn)出信息，幫助形成故障分析曲線確定工作流程。此時二次推理和智能評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)為是一個大面積的網(wǎng)絡(luò)單元，每一個對應(yīng)的小單元都有著獨立的信息處理能力，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，就可以在每一個節(jié)點上都展開信息的存儲和分布[8]。另外 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還能夠按照環(huán)境差異進行自我調(diào)整，以增加數(shù)據(jù)的方式來調(diào)整生成曲線，最終達到預(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)在兩個方面，一是控制器本身的發(fā)展，二是檢測手段和檢測儀器的技術(shù)發(fā)展。未來的優(yōu)秀故障報警系統(tǒng)將在功能上進行完善和優(yōu)化，精確地利用數(shù)據(jù)庫信息完成故障修復(fù)、故障處理等，實現(xiàn)更加智能化的系統(tǒng)設(shè)計，從而讓自動化系統(tǒng)朝著多樣化和多結(jié)構(gòu)層次的方向推進。后續(xù)的工作環(huán)節(jié)也可以考慮利用模糊推理規(guī)則來采取多信息融合手段，對模型、參數(shù)等進行實際驗證之后得到推測結(jié)果，減少船舶自動化系統(tǒng)故障的不利影響。