趙浩洋，黃連忠，馬冉祺，王凱，王中一，黃忠璽

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

0 前言

為了應(yīng)對全球氣候變化，國際海事組織在2018年4月通過了減少船舶溫室氣體排放初步戰(zhàn)略[1]。如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排成為當(dāng)今航運(yùn)業(yè)的一個重要問題，而加強(qiáng)綠色技術(shù)研究、大力發(fā)展清潔能源技術(shù)則成為解決節(jié)能減排問題的關(guān)鍵[2]。風(fēng)能以其清潔、可再生、分布廣泛和能量豐富的特點(diǎn)得到世界各國航運(yùn)公司的青睞[3]。據(jù)各種來源估計，船舶風(fēng)力技術(shù)的減排潛力為10%～60%[4]，因此風(fēng)能的應(yīng)用對船舶節(jié)能減排具有重要意義。由于采用風(fēng)翼輔助船舶推進(jìn)能夠顯著地降低燃料消耗[5]，是實(shí)現(xiàn)綠色船舶、節(jié)能減排目標(biāo)的有效手段之一，因此采用風(fēng)翼輔助航行在降低船舶能耗、減少溫室氣體排放方面具有較高的可行性。

對于風(fēng)翼驅(qū)動控制來說，在小型船舶上可以使用電動驅(qū)動方式，而對于大型遠(yuǎn)洋船的風(fēng)翼機(jī)構(gòu)，則主要采用液壓的方式進(jìn)行驅(qū)動[6-7]。由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不如電力傳動和機(jī)械傳動那樣易于觀察[8]，使得風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的故障具有隱蔽性、多樣性、不確定性等特點(diǎn)。而液壓系統(tǒng)作為船舶風(fēng)翼裝置的主要組成部分，其穩(wěn)定性及可靠性都會對風(fēng)翼裝置的正常運(yùn)行造成極大的影響，因此快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)液壓故障診斷對確保風(fēng)翼船舶航行安全具有重要意義。

近年來，許多研究人員致力于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)狀態(tài)評估及故障診斷的研究，提出了許多不同的診斷方案，以期保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[9-11]，本文作者將對其進(jìn)行系統(tǒng)性歸納與總結(jié)。

1 風(fēng)翼液壓系統(tǒng)

對采用風(fēng)翼助航的大型遠(yuǎn)洋船舶，其翼型風(fēng)帆的起升、旋轉(zhuǎn)等動作均由液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，液壓系統(tǒng)根據(jù)其控制的動作類型可分為風(fēng)翼升降液壓系統(tǒng)與風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)。

1.1 風(fēng)翼升降液壓系統(tǒng)

船舶航行期間為獲得足夠的風(fēng)力資源，需要對風(fēng)翼高度進(jìn)行調(diào)整。升降液壓系統(tǒng)通過調(diào)整液壓缸各腔壓力控制風(fēng)翼起升或下降至對應(yīng)位置，確保風(fēng)翼工作的穩(wěn)定性。風(fēng)翼液壓升降系統(tǒng)與圖1所示的液壓起重機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，圖2為起重機(jī)等常規(guī)升降液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，主要由液壓泵、控制閥件、液壓缸及管路組成。該實(shí)驗(yàn)臺工作原理為由原動機(jī)帶動液壓泵，將工作油液泵送至液壓回路中，通過調(diào)整方向閥開度控制輸送到液壓缸的液壓油流量，推動機(jī)構(gòu)動作。但是不同于常規(guī)起重機(jī)系統(tǒng)，由于風(fēng)翼在工作時受到的負(fù)載是實(shí)時變化的，其工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，所以風(fēng)翼升降液壓系統(tǒng)較起重機(jī)系統(tǒng)仍存在許多差異。

圖1 船舶液壓起重機(jī)Fig.1 Hydraulic crane of ship

圖2 常規(guī)升降液壓系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺

1.2 風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

由于風(fēng)向和船舶航向的不斷變化，在航行時要適時調(diào)整風(fēng)翼的角度至最佳攻角，這樣船舶才能獲得較大的助推力，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)通過克服負(fù)載力矩驅(qū)動風(fēng)翼回轉(zhuǎn)平臺，使回轉(zhuǎn)平臺以合適的速度準(zhǔn)確回轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度，確保對風(fēng)能的利用效率。風(fēng)翼回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與液壓舵機(jī)系統(tǒng)工作原理較為類似，主要由液壓泵、控制閥件、液壓馬達(dá)、制動器及管路組成[12]。圖3為風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)布置圖，該實(shí)驗(yàn)臺用磁粉制動器模擬回轉(zhuǎn)負(fù)載，由電動機(jī)帶動液壓泵進(jìn)行供油，油液經(jīng)控制閥件流至液壓馬達(dá)，通過馬達(dá)齒輪帶動風(fēng)翼齒輪克服制動器模擬負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬風(fēng)翼回轉(zhuǎn)過程。由于風(fēng)翼在船舶航行過程中所承受負(fù)載的大小和方向都是實(shí)時無規(guī)則變化的，因此風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作情況復(fù)雜，需要能夠根據(jù)情況實(shí)時改變控制策略。

圖3 風(fēng)翼回轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)臺Fig.3 Simulation testbed of wing rotation

1.3 液壓系統(tǒng)故障及其影響

在風(fēng)翼船舶航行過程中，風(fēng)翼液壓系統(tǒng)常常會出現(xiàn)由各種因素引起的故障，表1是對風(fēng)翼液壓系統(tǒng)各部位主要故障的歸納分析。

表1 風(fēng)翼液壓系統(tǒng)常見故障Tab.1 Common faults of wing hydraulic system

在風(fēng)翼助航船舶營運(yùn)期間，若不能及時解決以上問題，風(fēng)翼的工作效率將會嚴(yán)重降低，航行成本會大大增加，因此及時發(fā)現(xiàn)并解決風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中的故障、對風(fēng)翼系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的健康管理是必要的。

2 故障診斷方法研究

目前適用于常規(guī)液壓系統(tǒng)的故障診斷方法主要可分為基于模型的診斷法、基于信號處理的診斷法和基于知識的診斷法。下文對目前應(yīng)用于常規(guī)液壓系統(tǒng)的各類診斷方法及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了整理，并對各類方法在風(fēng)翼液壓系統(tǒng)上的適用性與不足進(jìn)行了分析。

2.1 基于模型的診斷法

通過構(gòu)造適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)與物理模型，利用可測變量的比較生成殘差序列，從殘差序列中把故障檢測出來。錢超等人[13]針對液壓系統(tǒng)的狀態(tài)評估問題，通過比較傳感器采集信號與觀測模型理論輸出得到殘差向量，結(jié)合實(shí)例構(gòu)建具體模型、殘差與故障的映射關(guān)系，最終得到液壓系統(tǒng)的歸一化健康度指標(biāo)；由于液壓系統(tǒng)常表現(xiàn)為非線性特征，因此建立的觀測模型往往難以保證合理準(zhǔn)確，MA等[14]通過建立精確非線性數(shù)學(xué)模型，分析和處理觀測器產(chǎn)生的殘差來實(shí)現(xiàn)對特定故障類型的識別。為了實(shí)現(xiàn)基于觀測器的液壓閥故障檢測，RINGKOWSKI和SAWODNY等[15]基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)提出了3種不同的基于模型的檢測方法，并利用數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

由于風(fēng)翼負(fù)載變化無規(guī)則，使得風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)往往難以定性，狀態(tài)模型制定困難，這使得多數(shù)情況下基于模型的診斷法無法保證其準(zhǔn)確性，所以模型診斷法在風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中僅適用于某些特定工作狀態(tài)，適用范圍有限。

2.2 基于信號處理的診斷法

由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中許多故障現(xiàn)象并不明顯，此時通過研究壓力、振動等狀態(tài)信號中包含的特征信息，可以實(shí)現(xiàn)對部分隱藏故障的診斷。下面對目前主要的幾類信號處理診斷法的研究現(xiàn)狀及其在風(fēng)翼動力系統(tǒng)上的適用性進(jìn)行分析評估。

(1)參數(shù)比較法

通過檢測液壓系統(tǒng)的壓力、流量、溫度等主要工作參數(shù)，找出系統(tǒng)中工作參數(shù)值與設(shè)備正常工況值不符的液壓元件，判斷故障的所在。目前參數(shù)測量比較法在液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，房佳鵬、馮國會[16]通過對比液壓系統(tǒng)的工作壓力，對其異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對液壓故障的診斷及定位。但隨著液壓系統(tǒng)的集成化程度逐漸變高，常規(guī)的參數(shù)測量法難以快速實(shí)現(xiàn)故障診斷，此時便需更高識別精度的參數(shù)對比策略，方桂花等[17]將灰色理論與參數(shù)測量法相結(jié)合，通過對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量預(yù)測來制定參數(shù)的取值區(qū)間，利用參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)快速診斷。這種將信號預(yù)測技術(shù)與參數(shù)對比進(jìn)行結(jié)合的思路是此類診斷法的一個可行發(fā)展方向，但在其發(fā)展過程中應(yīng)當(dāng)均衡診斷系統(tǒng)復(fù)雜化程度。

參數(shù)比較法適用范圍廣泛，通過測量液壓部件前后壓力、流量等信號，根據(jù)系統(tǒng)正常狀態(tài)時的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行比較，能夠簡單快速地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的異常狀態(tài)，且故障表現(xiàn)較為直觀，因此該方法對于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)極為適用。

(2)時域分析法

目前常將時域分析法與信號處理技術(shù)結(jié)合進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究。鄭直、趙燕[18]將液壓馬達(dá)中多模態(tài)信號進(jìn)行局部均值分解，經(jīng)過分析確定時域參數(shù)對滑靴磨損的敏感性，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對液壓馬達(dá)滑靴磨損故障的診斷；張軒等人[19]提出基于時間特征分割和降維譜聚類的故障診斷方法，對提取的時域和小波域特征進(jìn)行主成分分析，使用譜聚類法診斷泄漏程度，進(jìn)一步完備了時域分析法在液壓故障診斷方面的實(shí)際應(yīng)用。宣元等人[20]對液壓泵出口脈動壓力信號進(jìn)行小波包分解，提取出包含故障信息的特征頻段進(jìn)行時域特征分析，以泵脈動壓力信號時域參數(shù)作為分類器輸入、泵運(yùn)行狀態(tài)作為輸出，該方法能夠有效識別液壓泵不同運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)部故障信息，并對故障程度作出評估。

(3)頻域分析法

提取風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中的噪聲及振動信號并進(jìn)行頻譜分析，通過頻譜分析找出振動的特征頻率進(jìn)行對比，可以為故障的處理提供依據(jù)。秦雙迎、黃宜堅(jiān)[21]運(yùn)用高階譜分析法對液壓閥閥體工作時振動信號的時間序列自回歸模型進(jìn)行分析，證實(shí)了高階譜法在液壓故障診斷方面的適用性。唐宏賓等[22]針對傳統(tǒng)包絡(luò)分析方法難以有效選擇共振頻帶的問題，將振動信號利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鉃橛邢迋€固有模式函數(shù)(IMF)之和，通過分析包絡(luò)譜判斷液壓元件的故障類型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對于液壓泵故障診斷的有效性；豐少偉等[23]基于奇異值差分譜降噪預(yù)處理，利用IMF能量熵增量的虛假分量剔除，準(zhǔn)確提取出了液壓故障信號的主要特征頻率。田再克等[24]基于多點(diǎn)最優(yōu)最小熵解卷積和雙譜熵進(jìn)行特征提取，降低了原始信號中干擾成分的影響，提高了對液壓泵退化狀態(tài)的反映能力，該方法能夠有效克服液壓泵振動信號非線性強(qiáng)和信噪比低的問題。鄭直等人[25]將雙源振動信號融合為一個復(fù)數(shù)信號，利用log-SAM對復(fù)數(shù)信號進(jìn)行包絡(luò)分析實(shí)現(xiàn)故障診斷分析，該方法較傳統(tǒng)全矢譜、基于單源信號分析方法和倒頻譜預(yù)白化方法更具有效性和優(yōu)越性。鄭直等人[26]還提出了一種基于SGMD-Autogram的方法，對實(shí)測液壓泵多模態(tài)故障振動信號進(jìn)行SGMD分解，基于最大無偏自相關(guān)譜峭度法來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)故障特征提取，實(shí)現(xiàn)了對液壓泵故障的診斷。此外一種基于改進(jìn)解析模態(tài)分解(AMD)、廣義形態(tài)分形維數(shù)(GMFD)和核模糊C均值聚類(KFCMC)相結(jié)合的新方法在近年來被提出[27]，在有效二分頻范圍內(nèi)對實(shí)測液壓泵多模態(tài)故障振動信號進(jìn)行AMD分解，將所提取故障分量特征信號作為數(shù)據(jù)源，利用KFCMC實(shí)現(xiàn)對液壓泵不同故障的診斷，該方法效果優(yōu)于傳統(tǒng)分解和診斷方法。宋旭等人[28]通過多元變分模態(tài)分解(MVMD)和瞬時相位特征與主頻幅值加權(quán)融合的方法，解決了對液壓管路中裂紋故障的識別與定位問題，并達(dá)到了較高的識別精度。孫兆丹等[29]用LMD分解液壓泵振動信號，采用基于峰度值、能量和均方差的評價方法組成一定向量，利用核模糊C均值聚類方法對所有樣本進(jìn)行聚類分析來診斷液壓泵故障，該方法在診斷精度上能達(dá)到較高水平。姜萬錄等[30]通過遞歸定量分析提取消噪后的振動信號遞歸圖所反映出的系統(tǒng)動力學(xué)特征，通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。ZHENG等[31]借助功率譜熵(PSE)的平方運(yùn)算將故障信號在時域中的幅值轉(zhuǎn)換為頻域中的功率譜密度，使故障特征信息的幅值更加突出，有效地抑制了噪聲特征信息的噪聲特征，為其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究的應(yīng)用推廣提供了重要依據(jù)。GOHARRIZI和SEPEHRI[32]基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，研究了希爾伯特-黃變換(HHT)在閥控液壓執(zhí)行器內(nèi)部泄漏檢測中的適用性，這首次檢驗(yàn)了HHT診斷液壓設(shè)備內(nèi)部泄漏故障的有效性。XIAO等[33]改進(jìn)了快速頻譜算法，使故障激勵脈沖更容易顯示，有助于快速有效地定位故障頻帶，最終實(shí)現(xiàn)液壓泵的故障診斷。GAO等[34]設(shè)計了一種結(jié)合L峰度和增強(qiáng)聚類算法的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠有效提取附加背景噪聲工況下軸向柱塞泵的微小故障特征信號，為部件故障診斷提供了新思路。

(4)時頻域分析法

近年來國內(nèi)外對時頻域分析法在液壓故障診斷上的應(yīng)用展開了大量研究，其主要應(yīng)用方式為利用小波分析和小波包分析等方法對相關(guān)狀態(tài)信號進(jìn)行特征分解，結(jié)合知識庫對提取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識別。

GOHARRIZI 和SEPEHRI[35]對液壓執(zhí)行器的壓力信號進(jìn)行小波分解，以小波細(xì)節(jié)信號特征為依據(jù)建立健康基線來實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的泄漏故障檢測，這是一種常見且可行的方案，但在實(shí)際應(yīng)用中往往難以確定合適的健康基線及其波動范圍，這為其實(shí)際應(yīng)用添加了難度；ZHAO等[36]用節(jié)流孔模擬液壓缸泄漏，通過對液壓缸活塞桿的壓力信號和位移信號進(jìn)行小波包分解來區(qū)分泄漏狀態(tài)，這為基于多信息融合的診斷方法研究提供了一條潛在的途徑。JIANG等[37]基于液壓泵的多尺度信號，通過改進(jìn)的自適應(yīng)多尺度形態(tài)分析和局部均值分解方法，有效地解調(diào)了故障特征。ZHAO等[38]提出了一種由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)和時頻方法組成的混合方法來實(shí)現(xiàn)特征提取。這些特征最終通過SVM中的訓(xùn)練和測試進(jìn)行分類。楊立志[39]利用小波分析法，通過比較正常情況與存在泄漏時液壓缸壓力上升的時間差及階躍信號來實(shí)現(xiàn)液壓缸的故障診斷，這一定程度上解決了小波分析在分析壓力信號時常出現(xiàn)分解精度不足的問題；張兆東等[40]對實(shí)時獲取到的液壓缸無桿腔壓力信號進(jìn)行小波分析來獲得泄漏狀態(tài)下的故障特征，證明了小波分析法能夠?qū)崟r進(jìn)行液壓泄漏診斷，但由于其分解層次的限制，提取精度較低。隨著小波分析法的發(fā)展，具有更高時頻精度的小波包法引起了學(xué)者們的注意。姜萬錄等[41]采用小波包法對液壓缸無桿腔壓力信號進(jìn)行高分辨率分解，得到了不同泄漏情況下的小波包子帶能量值特性，根據(jù)小波包子帶能量變化的特性實(shí)現(xiàn)了對故障的檢測；高英杰、孔祥東[42]對液壓泵出口壓力信號進(jìn)行小波包分解，建立了不同頻率范圍的特征信號與液壓泵不同故障因素的對應(yīng)關(guān)系，利用小波包能量殘差判別液壓泵的運(yùn)行健康狀態(tài)。ZHAO 等[43]設(shè)計了一套針對液壓缸的故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)由小波包分解及FMEA(失效模式及后果分析系統(tǒng))組成，由于該系統(tǒng)對壓力等特征信號未能實(shí)現(xiàn)高頻精細(xì)化分解，因此該系統(tǒng)的診斷精度難以得到保證。師沖等人[44]提出一種改進(jìn)MF-DFA方法實(shí)現(xiàn)故障特征提取，并結(jié)合隨機(jī)森林分類器來實(shí)現(xiàn)電液換向閥內(nèi)泄漏的故障診斷，提出的方法對非線性、非平穩(wěn)信號特征提取提供了一定的借鑒。高立龍等[45]運(yùn)用SVM延拓解決了EEMD方法的端點(diǎn)效應(yīng)，然后通過改進(jìn)的三次樣條插值方法及互相關(guān)分析與頻譜分析對特征模態(tài)分量進(jìn)行篩選，對液壓系統(tǒng)突然換向時的沖擊振動信號進(jìn)行分析，該方法為智能診斷故障特征提取的研究提供了依據(jù)。

得益于上面的大量研究，在能夠得到所需狀態(tài)參數(shù)信號的前提下，應(yīng)用時頻域特征分析法來完成風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的液壓缸內(nèi)泄故障診斷具有較高的可行性，且具有較高的診斷精度。

2.3 基于知識的診斷法

由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)故障原因復(fù)雜，僅憑故障現(xiàn)象難以準(zhǔn)確判斷實(shí)際故障情況，基于知識的智能診斷技術(shù)可以根據(jù)所得信息進(jìn)行邏輯推理，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜故障的準(zhǔn)確診斷。下面是目前主要的幾類智能診斷技術(shù)。

(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷法

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，能夠解決故障診斷系統(tǒng)中的知識表示、知識獲取和并行推理問題。李琳等人[46]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了分類器，通過分析液壓缸進(jìn)口壓力信號特征，實(shí)現(xiàn)了對液壓缸內(nèi)泄漏的智能識別，但該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷速度并不能令人滿意，還需要進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。唐宏賓等[47]將主元分析法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以壓力信號的時域參數(shù)作為初始特征，在不影響檢測精度的情況下顯著提高了檢測速度，這為液壓故障診斷提供了一種新方法。盡管如此，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍然難以避免過擬合問題，這嚴(yán)重制約了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。吉珊珊等[48]以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行液壓故障的診斷，經(jīng)過與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對比后發(fā)現(xiàn)在同樣的迭代次數(shù)下卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更高的檢測正確率，證明了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障診斷應(yīng)用上較常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)越性。YOU 等[49]通過構(gòu)造HPSO算法來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，將采集液壓信號的小波包特征向量作為故障樣本訓(xùn)練基于HPSO算法的故障神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改善了小波分解對于高頻特征處理不精細(xì)的問題，顯著提高了故障識別精度。針對傳統(tǒng)機(jī)械故障診斷依賴大量信號處理技術(shù)和專家診斷經(jīng)驗(yàn)，以及數(shù)據(jù)預(yù)處理耗時的局限性，ZHU等[50]借助粒子群優(yōu)化算法(PSO)對改進(jìn)的LeNet-5模型進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)造了精度高、魯棒性強(qiáng)的PSO改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，克服了人工調(diào)試模型帶來的不確定性問題。邱寒雨等[51]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與逐步疊加建模算法結(jié)合，構(gòu)造多分類BP-AdaBoost算法，該BP-AdaBoost算法與傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相比在分類性能上更加優(yōu)秀。莫明慧、黃玉森[52]利用蟻群算法進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練來建立故障診斷模型，通過實(shí)例驗(yàn)證了ACA-BP算法在液壓系統(tǒng)故障診斷中的有效性。杜振東等[53]將所提取的振動信號特征參數(shù)以向量的形式輸入概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)進(jìn)行訓(xùn)練和測試，該方法較傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠減少一定診斷時間。對于單參數(shù)診斷復(fù)雜系統(tǒng)中的信息不完整和不確定性問題，任鳳娟[54]利用兩并行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，再通過證據(jù)理論融合局部診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對不準(zhǔn)確信息的準(zhǔn)確判斷，該方法對于提高診斷系統(tǒng)有效性具有較大幫助。劉敏等人[55]運(yùn)用粗糙集理論去除輸入冗余信息來得到最小條件屬性集，根據(jù)最小條件屬性集確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效率及診斷準(zhǔn)確性更高，具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果。王立文等[56]構(gòu)建了PNN概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，利用測試樣本進(jìn)行了故障診斷。SUN等[57]進(jìn)行了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動態(tài)GRNN模型研究，通過將采集到的液壓設(shè)備實(shí)時參數(shù)信號輸入到GRNN模型來進(jìn)行故障閾值檢測。朱冠霖等[58]提出了一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法優(yōu)化的粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對液壓泵多源傳感器數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行故障診斷測試，驗(yàn)證了該方案在降低診斷模糊性方面存在優(yōu)勢。郭媛等人[59]通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的識別準(zhǔn)確率，并能夠有效降低在線診斷過程的復(fù)雜性,該研究對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用具有極大的促進(jìn)作用。杜名喆、王寶中[60]將經(jīng)驗(yàn)小波變換與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，利用二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對小波處理后的IMF分量進(jìn)行分類，該方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證準(zhǔn)確率顯著優(yōu)于SVM方案。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法的研究已經(jīng)逐漸成熟，但其初始訓(xùn)練樣本的獲取以及數(shù)據(jù)庫的更新維護(hù)至今仍是一個需要解決的問題。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法理論上較適用于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)，但由于在建立故障診斷系統(tǒng)時難以獲取初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此無法針對風(fēng)翼液壓系統(tǒng)進(jìn)行有效的訓(xùn)練，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法實(shí)際上并不適用于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)。

(2)基于專家系統(tǒng)的診斷法

液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)以先進(jìn)傳感技術(shù)與信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，由計算機(jī)根據(jù)輸入的故障現(xiàn)象及知識庫中的知識，按推理機(jī)中存放的推理方法推理出故障原因。

BIAN等[61]針對現(xiàn)有專家系統(tǒng)難以隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化即時更新診斷知識的問題，提出一種基于故障樹推理能力的液壓設(shè)備專家系統(tǒng)，通過建立故障樹生成動態(tài)故障診斷規(guī)則，大大提高了診斷效率。張衛(wèi)亮、李飛舟[62]將故障樹與專家系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，將所建立故障樹中的故障信息補(bǔ)充進(jìn)了專家系統(tǒng)的知識庫中，通過分析故障時的外在表現(xiàn)以及監(jiān)測參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對故障的快速定位與排除。由于專家系統(tǒng)極易出現(xiàn)邏輯和規(guī)則上的沖突，因此條理清晰、知識體系正確關(guān)聯(lián)是專家系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有的特性，蒼曉羽等[63]就G2專家系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，通過對事件、原因、故障類型間的因果關(guān)系進(jìn)行分類聚合，該系統(tǒng)以測點(diǎn)參數(shù)為對象實(shí)現(xiàn)對液壓故障的準(zhǔn)確預(yù)警。由上述針對專家系統(tǒng)的研究能夠看出，將專家系統(tǒng)與智能分類器進(jìn)行結(jié)合是目前專家系統(tǒng)的主要應(yīng)用方式。

由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)工作情況不同于常規(guī)液壓系統(tǒng)，因此許多適用于常規(guī)液壓系統(tǒng)的故障診斷經(jīng)驗(yàn)在風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中并不適用，需根據(jù)風(fēng)翼工作特性重新制定補(bǔ)充相關(guān)專家知識，這使得專家系統(tǒng)在風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中的適用性大大降低，但其專家經(jīng)驗(yàn)可作為故障診斷系統(tǒng)的知識邏輯基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用。

(3)基于模糊邏輯的診斷法

通過探討液壓系統(tǒng)故障的模糊性，有利于正確描述故障的真實(shí)狀態(tài)，揭示其本質(zhì)特征。HE[64]采用模糊聚類方法構(gòu)建故障分類器，基于模糊ARX模型實(shí)現(xiàn)了對非線性特征的提取與識別；高立龍等[65]提出了基于故障診斷優(yōu)先級的模糊Petri網(wǎng)反向推理診斷策略，并通過推理驗(yàn)證了模糊Petri網(wǎng)在系統(tǒng)復(fù)雜、模糊性強(qiáng)的液壓系統(tǒng)中的適用性；何義等人[66]根據(jù)診斷對象的特性建立各故障源對應(yīng)癥狀發(fā)生程度的隸屬度函數(shù)，通過比較不同故障的發(fā)生概率實(shí)現(xiàn)了對故障的正確診斷，但在其過程中帶有主觀色彩，對評判結(jié)果存在影響；鄧豐曼[67]利用模糊ARX模型得到液壓制動系統(tǒng)運(yùn)行故障信息，利用RBQ網(wǎng)絡(luò)分類器歸類各個故障特征向量，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)故障種類與狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，建立在該RBF-ARX模型基礎(chǔ)上的非線性預(yù)測控制算法在控制強(qiáng)非線性多變量系統(tǒng)方面優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法。

由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中許多故障原因并不唯一且故障現(xiàn)象復(fù)雜，存在著一定的模糊性，而模糊邏輯診斷法能夠較為客觀地對故障進(jìn)行模糊分析，因此該方法對于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)而言是適用的，有助于解決風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中的復(fù)雜故障。

(4)基于故障樹分析的診斷法

故障樹分析法作為一種應(yīng)用廣泛的圖形演繹方法[68]，當(dāng)前國內(nèi)外對于液壓系統(tǒng)故障樹的研究較多。金美華、王曉勇[69]對船舶起重機(jī)的故障權(quán)重及系統(tǒng)的不可靠度進(jìn)行了計算，利用MATLAB對基于故障樹的船舶起貨機(jī)故障分析進(jìn)行仿真，但該仿真模型的可靠性難以保證；王云龍、侯遠(yuǎn)龍[70]構(gòu)建基于專家知識庫的故障樹模型，并以液壓缸動作緩慢故障為例使用故障樹進(jìn)行了診斷；蘇欣平等[71]對故障樹模型中各類故障的重要度及故障概率進(jìn)行了研究，以升降無力故障為例進(jìn)行定性定量分析；陳東寧等[72]針對傳統(tǒng)故障樹不能表達(dá)的動態(tài)失效行為，研究了一種基于DTBN的動態(tài)故障樹分析方法；高立龍等[73]將T-S模糊理論應(yīng)用于故障樹分析中，建立的模糊故障樹模型不需要精確的零部件故障概率及對系統(tǒng)故障機(jī)制的精確掌握，能夠極大彌補(bǔ)傳統(tǒng)故障樹分析方法的不足。這些研究極大提高了故障樹法的實(shí)際應(yīng)用水平。

由于故障樹分析法的分析過程簡單清晰、直觀性強(qiáng)，對于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中的多數(shù)故障能夠根據(jù)邏輯進(jìn)行合理的診斷，但對于復(fù)雜故障則難以進(jìn)行準(zhǔn)確識別，因此在適用性方面弱于模糊邏輯診斷法。

(5)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷法

為了克服傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)故障診斷研究中忽略故障模式時序性的問題以及診斷對象單一化的缺點(diǎn)[74]，許多研究者展開了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷方法研究。PENG等[75]采用DTW重心平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用最近質(zhì)心法進(jìn)行特征選擇并將其放入隨機(jī)森林中進(jìn)行分類，該研究能夠?qū)ψR別精度及速度進(jìn)行一定程度的提高。ZHAO等[76]用1-NN方法從時間序列數(shù)據(jù)中提取時序特征，然后用小波變換進(jìn)行故障診斷并利用支持向量機(jī)訓(xùn)練變換后的特征，對多變量時間序列進(jìn)行分類，該方法具有較高的分類精度，且能夠完成多故障分類。WANG等[77]提出一種用于監(jiān)測液壓制動器狀況的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該方法利用支持向量機(jī)(SVM)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取描述性特征，并對所選特征進(jìn)行分類。JEGADEESHWARAN、SUGUMARAN[78]通過C4.5決策樹算法對振動信號進(jìn)行特征提取及選擇，并利用決策樹和支持向量機(jī)(SVM)研究了不同特征數(shù)在故障分類上的影響。之后該團(tuán)隊(duì)采用C4.5決策樹算法和最優(yōu)第一樹算法作為分類器，對所選液壓系統(tǒng)振動信號特征進(jìn)行分類，通過對比發(fā)現(xiàn)具有統(tǒng)計特征的最佳第一樹算法能夠達(dá)到更高的故障識別率[79]。JI等[80]將構(gòu)造的樣本集輸入到多種單一分類器中，通過DS理論在信息融合中的計算結(jié)果識別故障類型，為液壓閥故障檢測提供了有效途徑。DU等[81]提出一種基于分層聚類算法的液壓泵多故障診斷方法，該方法針對5種故障類型設(shè)計了3層診斷推理機(jī)來進(jìn)行分層次的聚合分類，通過檢驗(yàn)顯示了該方法對同時發(fā)生的多個故障的診斷優(yōu)勢。HUO、DONG[82]采用動態(tài)時域分析和ARX模型對故障信號進(jìn)行分析，通過引入合理的測度，采用數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行故障診斷，克服了單一診斷方法的局限性和不穩(wěn)定性。LU等[83]基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EEMD)，通過對液壓泵壓力信號的分解，建立了支持向量回歸模型，最終實(shí)現(xiàn)了液壓泵的早期故障識別。AZADEH等[84]將SVM與PSO和遺傳算法相結(jié)合，進(jìn)一步提高了SVM的分類性能，最終實(shí)現(xiàn)了離心泵的故障診斷。JI等[85]針對液壓閥混合性故障特征提取困難的問題，提出一種基于DSmT的3層多分類器檢測方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法較其他智能診斷方法明顯提高了診斷精度。李明駿等[86]使用自適應(yīng)噪聲完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)合模糊熵的方法進(jìn)行特征提取，利用粒子群算法優(yōu)化后的支持向量機(jī)進(jìn)行故障識別，顯著提高了SVM故障診斷模型的故障診斷準(zhǔn)確率及分類性能；李勝等人[87]將決策樹引入到 AdaBoost 算法中，利用多類 AdaBoost 算法對液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行分類，大大提高了對多類故障的判斷和識別水平。

上述方法在處理液壓系統(tǒng)多元時間序列故障的問題上具有優(yōu)良的表現(xiàn)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行故障分類處理將是液壓故障診斷技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，目前對于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)而言采用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行故障診斷具有一定的可行性，但其后續(xù)相關(guān)數(shù)據(jù)維護(hù)訓(xùn)練等問題仍不明確，鑒于其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ蓪⑵渥鳛橐粋溥x方案進(jìn)行研究。

3 風(fēng)翼液壓系統(tǒng)故障診斷方法的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

3.1 風(fēng)翼液壓故障診斷方法的應(yīng)用

在初期，受儀器及技術(shù)理論的限制，在風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的實(shí)際診斷過程中以傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)診斷法及借助儀器的分析診斷法為主，而具有多功能的診斷設(shè)備因會對風(fēng)翼液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)造成影響且成本高昂，難以得到應(yīng)用。隨著信號處理技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合多種診斷技術(shù)的多層次診斷方案開始應(yīng)用于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的故障診斷及健康評估過程中。通過研究風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的故障機(jī)制及工況特性，對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行分類列舉，利用小波分析法、高階譜法等多種技術(shù)處理風(fēng)翼液壓系統(tǒng)中傳感器采集到的信號，分析數(shù)據(jù)特征，提取出合適的狀態(tài)特征集，建立各故障與特征間的映射關(guān)系，利用邏輯判斷實(shí)現(xiàn)對常規(guī)故障的診斷。

由于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件間影響密切，因此多數(shù)故障特征表現(xiàn)不明顯，此時需應(yīng)用智能診斷技術(shù)來進(jìn)行故障推理。以模糊邏輯等智能診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合故障與特征間的對應(yīng)關(guān)系，利用智能診斷技術(shù)的學(xué)習(xí)功能及推理功能對故障情況進(jìn)行推理進(jìn)而建立故障數(shù)據(jù)庫。圖4這種將信號處理技術(shù)與智能診斷技術(shù)綜合應(yīng)用的多層次診斷方案能夠極大地克服常規(guī)智能診斷技術(shù)的冗雜性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，較傳統(tǒng)診斷方案能夠更加快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障定位，有助于風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的全生命周期健康管理與故障診斷。

圖4 多層次故障診斷方案Fig.4 Scheme of multi-level fault diagnosis

3.2 風(fēng)翼液壓故障診斷方法的不足

盡管經(jīng)過近些年的研究，風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的故障診斷水平得到了極大的提高，但由于受儀器及診斷技術(shù)某些特性的限制，在實(shí)際診斷過程中仍存在著許多問題。以下為風(fēng)翼液壓系統(tǒng)診斷方法在實(shí)際應(yīng)用時存在的問題：

(1)由于傳感器在安裝時受到海事組織相關(guān)規(guī)定以及風(fēng)翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，部分狀態(tài)參數(shù)難以獲得，因此無法根據(jù)傳感器參數(shù)對故障進(jìn)行有效的準(zhǔn)確診斷，這將會極大地降低診斷水平；

(2)如何從流量信號和壓力信號中進(jìn)行有效的特征提取仍是目前需要迫切解決的問題，也是多傳感器信息特征提取方法應(yīng)用于液壓系統(tǒng)狀態(tài)評估研究的關(guān)鍵[88]，若無法提取出與故障匹配的特征將會極大地增加診斷難度；

(3)在風(fēng)翼的不同工作狀態(tài)下，此時部分故障在狀態(tài)參數(shù)上的表現(xiàn)會發(fā)生一定程度的變化，部分故障與數(shù)據(jù)特征的對應(yīng)關(guān)系難以確定；

(4)受限于部分智能診斷技術(shù)的自學(xué)習(xí)能力及對專家經(jīng)驗(yàn)知識的依賴，在進(jìn)行故障推理時易推理時間較長且不能保證結(jié)果絕對收斂，難以實(shí)現(xiàn)及時準(zhǔn)確的故障診斷功能；

(5)由于故障數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新、維護(hù)較為困難，且在工作一段時間后風(fēng)翼液壓系統(tǒng)的工作性能會發(fā)生改變，因此經(jīng)過一段時間后故障診斷系統(tǒng)的診斷水平會有所下降。

如何解決上述問題，充分發(fā)揮各類診斷方法在風(fēng)翼上的診斷能力、提高診斷精度，是接下來應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研究的方向。

3.3 風(fēng)翼液壓故障診斷技術(shù)的未來發(fā)展

目前大型液壓系統(tǒng)的故障診斷主要朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，如圖5所示的根據(jù)故障類型分類，多種智能技術(shù)相互結(jié)合、取長補(bǔ)短進(jìn)行分層次診斷的多層次智能診斷系統(tǒng)能夠極大地解決上述診斷法在風(fēng)翼應(yīng)用上的不足，將是今后風(fēng)翼液壓系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1)運(yùn)用新型信號處理技術(shù)對風(fēng)翼系統(tǒng)中傳感器得到的信號進(jìn)行信號融合及清晰化處理，提取能夠反映故障信息的信號特征，以專家知識理論為基礎(chǔ)結(jié)合風(fēng)翼工作狀態(tài)及環(huán)境構(gòu)建信號特征與故障間的映射關(guān)系。

(2)運(yùn)用智能診斷技術(shù)，結(jié)合風(fēng)翼液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、工作狀態(tài)、系統(tǒng)性能等信息進(jìn)行分析，通過智能分類器實(shí)現(xiàn)對故障特征模糊的復(fù)雜故障的診斷識別，提高故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和診斷速度。

(3)對風(fēng)翼系統(tǒng)建立故障模型庫及健康數(shù)據(jù)庫，將其應(yīng)用于風(fēng)翼的健康管理過程中，幫助管理人員實(shí)時了解風(fēng)翼液壓系統(tǒng)健康情況，為工作人員的風(fēng)翼維護(hù)工作提供參考，為后續(xù)故障診斷策略調(diào)整提供數(shù)據(jù)積累。

(4)隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展[89]，能夠通過云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)健康管理的智能云診斷系統(tǒng)，也將成為風(fēng)翼液壓診斷系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢。

圖5 多層次故障診斷系統(tǒng)模型Fig.5 System model of multi-level fault diagnosis

4 結(jié)束語

面對結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大的風(fēng)翼液壓系統(tǒng)，如何在降低故障診斷系統(tǒng)復(fù)雜度的同時實(shí)現(xiàn)快速、高精度的故障診斷功能成為確保風(fēng)翼助航船舶節(jié)能減排功能正常的一項(xiàng)迫切任務(wù)。根據(jù)故障診斷難易程度進(jìn)行的多層次診斷方案，能夠提高診斷速度、降低診斷系統(tǒng)復(fù)雜性，是解決風(fēng)翼系統(tǒng)故障診斷問題的有效方案，這將是未來風(fēng)翼液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。