趙 軍 徐孫慶

（92493部隊(duì)60分隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

目前，船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在各類船舶上，它可以監(jiān)控船舶主機(jī)和輔機(jī)等重要設(shè)備的參數(shù)變化，實(shí)時(shí)掌握機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行故障，對(duì)船舶的安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用［1］。機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中誤報(bào)警的頻繁出現(xiàn)，加大了值班員的工作強(qiáng)度，并影響到了船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行［2］。下文以某船船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的誤報(bào)警故障為例，著重分析故障產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決方法。

2 報(bào)警的產(chǎn)生

通過對(duì)某船船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中自2020年11月1日至2021年8月1日共計(jì)9個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的滑油進(jìn)機(jī)壓力（出冷卻器）、高溫水進(jìn)機(jī)壓力、低溫水進(jìn)機(jī)壓力（進(jìn)滑油冷卻器）存在短時(shí)及多次報(bào)警現(xiàn)象且該現(xiàn)象在長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)中不斷出現(xiàn)，而柴油機(jī)并未出現(xiàn)明顯故障，應(yīng)當(dāng)判定為誤報(bào)警［3］。

在船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［4］的設(shè)置中滑油進(jìn)機(jī)壓力采用了三級(jí)報(bào)警：當(dāng)進(jìn)機(jī)壓力小于等于0.35MPa為一級(jí)報(bào)警；小于等于0.30MPa為二級(jí)報(bào)警；小于等于0.25MPa為三級(jí)報(bào)警。高溫水進(jìn)機(jī)采用一級(jí)報(bào)警，當(dāng)進(jìn)機(jī)壓力小于0.1MPa時(shí)一級(jí)報(bào)警。低溫水進(jìn)機(jī)壓力采用一級(jí)報(bào)警，當(dāng)進(jìn)機(jī)壓力小于等于0.1MPa時(shí)一級(jí)報(bào)警。所截取的報(bào)警界面如圖1所示，報(bào)警具有時(shí)間較短和較為頻繁等特點(diǎn)［5］，而且三項(xiàng)報(bào)警所出現(xiàn)的時(shí)間大致相同。

圖1 船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警界面圖

3 報(bào)警原因分析

由于上述三項(xiàng)壓力出現(xiàn)多次短時(shí)突降且柴油機(jī)未并發(fā)現(xiàn)明顯故障仍能夠正常運(yùn)行［6］。針對(duì)這種現(xiàn)象，現(xiàn)提出如下假設(shè)。

假設(shè)1：在對(duì)柴油機(jī)歷史數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)上述三項(xiàng)熱工參數(shù)與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷有很強(qiáng)的相關(guān)性，其數(shù)據(jù)的波動(dòng)規(guī)律亦具有極強(qiáng)的相似性。由于本船采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力，三種推進(jìn)模式切換時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷容易發(fā)生突變?cè)斐苫瓦M(jìn)機(jī)壓力、高溫水進(jìn)機(jī)壓力和低溫水進(jìn)機(jī)壓力突降。隨著驅(qū)動(dòng)模式切換完成，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，三項(xiàng)數(shù)值又恢復(fù)穩(wěn)定，從而造成上述三項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)短時(shí)報(bào)警現(xiàn)象［7］。

假設(shè)2：三項(xiàng)熱工參數(shù)壓力值與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速間存在極強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)前推進(jìn)模式僅能反應(yīng)當(dāng)前柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，不能很明確體現(xiàn)其相關(guān)性。所以提出假設(shè)三項(xiàng)熱工參數(shù)壓力值出現(xiàn)報(bào)警（壓力值過低）是因?yàn)楫?dāng)前柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低。三項(xiàng)熱工參數(shù)壓力值閾值不能設(shè)定為固定值，而應(yīng)該根據(jù)不同時(shí)間段工況設(shè)定為相對(duì)閾值［8］。

4 報(bào)警原因驗(yàn)證

通過調(diào)取船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［9］中的歷史數(shù)據(jù)來對(duì)兩種假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。

假設(shè)1驗(yàn)證：根據(jù)圖1報(bào)警故障表第一條報(bào)警時(shí)間選定2020年11月1日0時(shí)至3時(shí)的報(bào)警數(shù)據(jù)，如圖2所示。通過三項(xiàng)壓力參數(shù)與柴油機(jī)模式切換在報(bào)警時(shí)刻數(shù)據(jù)圖中的顯示可知，柴油機(jī)推進(jìn)模式與混合推進(jìn)模式切換時(shí)，三項(xiàng)壓力參數(shù)并未發(fā)生明顯變化且大多數(shù)時(shí)刻三項(xiàng)壓力值偏低；在處于混合推進(jìn)模式時(shí)，反而有部分時(shí)間報(bào)警恢復(fù)。結(jié)合其他報(bào)警時(shí)刻數(shù)據(jù)，判斷由于推進(jìn)模式切換導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不穩(wěn)定造成三項(xiàng)壓力值突降報(bào)警的假設(shè)1不成立。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)刻數(shù)據(jù)1

假設(shè)2驗(yàn)證：基于數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)問題的思想，通過查詢同一時(shí)間段的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將圖2與圖3中數(shù)據(jù)對(duì)比可以觀察到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與三項(xiàng)熱工壓力參數(shù)波動(dòng)規(guī)律基本相似，三項(xiàng)熱工壓力值小于設(shè)定閾值報(bào)警時(shí)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯偏低。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)刻數(shù)據(jù)2

通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合已有歷史數(shù)據(jù)中出現(xiàn)報(bào)警和正常時(shí)刻三項(xiàng)熱工壓力值和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，得出三項(xiàng)熱工壓力值隨柴油機(jī)壓力值波動(dòng)而波動(dòng)，其報(bào)警時(shí)刻柴油機(jī)轉(zhuǎn)速都較低且兩者之間波動(dòng)規(guī)律極為相似，判斷假設(shè)2成立。

5 報(bào)警解決方案

基于上述結(jié)論，當(dāng)前設(shè)定的滑油進(jìn)機(jī)壓力、高溫水進(jìn)機(jī)壓力和低溫水進(jìn)機(jī)壓力不適用于設(shè)定固定閾值報(bào)警。如果設(shè)定閾值過高，當(dāng)柴油機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量誤報(bào)警，影響故障預(yù)警判斷。如果閾值設(shè)定過低［10］，柴油機(jī)在高速運(yùn)行狀態(tài)下，如果出現(xiàn)故障將無法提前報(bào)警。

針對(duì)這種情況，提出長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）模型。LSTM模型是一種時(shí)間循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)多用來處理與時(shí)間有關(guān)的問題［11］。標(biāo)準(zhǔn)RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）模型中都有一個(gè)重復(fù)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但是在LSTM模型中這樣的結(jié)構(gòu)有四個(gè)并通過獨(dú)特的方式進(jìn)行交互，結(jié)構(gòu)如圖4所示。LSTM模型通過其特有的‘門’結(jié)構(gòu)選擇刪除或增加有益的信息放置到模型中，解決RNN中存在的長(zhǎng)期依賴問題，更加有效地保存時(shí)間序列中的重要信息。

圖4 LSTM模型結(jié)構(gòu)圖

由于柴油機(jī)數(shù)據(jù)是一個(gè)在時(shí)間軸上連續(xù)漸變的模型。選用LSTM模型可以有效地提取過去一段時(shí)間對(duì)當(dāng)前影響的信息。讀取約一個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，將時(shí)間序列設(shè)置為15s，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入，三項(xiàng)熱工壓力值作為輸出，劃分測(cè)試集和訓(xùn)練集。將訓(xùn)練集放入模型中訓(xùn)練，將測(cè)試集中的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入放入訓(xùn)練好的模型中得出的預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比如下所示。

圖5 滑油進(jìn)口壓力對(duì)比圖

圖6 低溫水進(jìn)口壓力對(duì)比圖

圖7 高溫水進(jìn)口壓力對(duì)比圖

通過觀察三張圖可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果與正式結(jié)果在數(shù)據(jù)值與變化趨勢(shì)上高度重合，說明LSTM模型可以運(yùn)用于三項(xiàng)熱工壓力值的報(bào)警檢測(cè)上。將已過去15s至當(dāng)前的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)作為輸入，輸入到模型中得出預(yù)測(cè)值，結(jié)合柴油機(jī)原有設(shè)置中故障閾值得到當(dāng)前柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下報(bào)警閾值，可以有效地避免因柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以及負(fù)荷較低造成的三項(xiàng)熱工參數(shù)誤報(bào)警［12］。

6 結(jié)語

船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能為船舶主機(jī)安全運(yùn)行提供重要的保障，對(duì)船舶主機(jī)重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)尤為重要。通過對(duì)柴油機(jī)的滑油進(jìn)機(jī)壓力、高溫水進(jìn)機(jī)壓力和低溫水進(jìn)機(jī)壓力誤報(bào)警情況的原因查找和分析，提出了全新的報(bào)警值設(shè)置方法，從而杜絕了此類現(xiàn)象的再次發(fā)生。