洪四章

船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法研究

洪四章

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

常規(guī)船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)過(guò)程中，采用一般信號(hào)確定故障位置，造成故障檢測(cè)結(jié)果不確定性高降低了檢測(cè)效率。為此提出船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法。先確定電子電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用電子電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)信息和設(shè)計(jì)模型，提取設(shè)備故障信號(hào)的特征參數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)特征對(duì)故障位置信息進(jìn)行確認(rèn)，完成電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)。構(gòu)建對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明。上述方法摒棄常規(guī)檢測(cè)思路，有效的提高了檢測(cè)效率，上述方法的檢測(cè)效率為20個(gè)/min，比傳統(tǒng)檢測(cè)方法的檢測(cè)效率每分鐘至少高5個(gè)。

船舶甲板 電子電氣 設(shè)備故障 檢測(cè)方法

0 引言

在各個(gè)領(lǐng)域中，電子電氣設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在船舶甲板中也有電子電氣設(shè)備的應(yīng)用，但是電子電氣設(shè)備中的一個(gè)部分故障，就可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)船舶甲板的電子電氣設(shè)備都無(wú)法正常使用。所以就要對(duì)電子電氣設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)地檢測(cè)，以防使整個(gè)設(shè)備癱瘓。要準(zhǔn)確地檢測(cè)出電子電氣的故障位置，以確?？梢栽诠收习l(fā)生后，及時(shí)地進(jìn)行檢修，將各種損失降到最低，確保船舶甲板電子電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。而現(xiàn)有的傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法，其對(duì)船舶甲板電子電氣設(shè)備的檢測(cè)具有不準(zhǔn)確性，并且檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法檢測(cè)不出故障的具體位置，就導(dǎo)致了其故障檢測(cè)方法的檢測(cè)能力很低，不足以廣泛地應(yīng)用到船舶甲板電子電氣設(shè)備的故障檢測(cè)中。但是目前的船舶甲板電子電氣設(shè)備很容易受到損害導(dǎo)致設(shè)備故障，沒(méi)有一個(gè)可以準(zhǔn)確的檢測(cè)方法就不能及時(shí)地對(duì)船舶甲板電子電氣設(shè)備進(jìn)行檢修，運(yùn)用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法既浪費(fèi)了資源也浪費(fèi)了時(shí)間。為了提升對(duì)船舶甲板電子電氣設(shè)備的檢測(cè)能力，可以及時(shí)有效地檢測(cè)船舶甲板電子電氣設(shè)備故障問(wèn)題，提出了新的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法。

1 確定電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)

對(duì)船舶甲板電子電氣設(shè)備故障進(jìn)行檢測(cè)需要先確定電子電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在確定電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)之前要先設(shè)計(jì)采集故障信息的電路圖，打開(kāi)船舶甲板的電子電氣設(shè)備，將其進(jìn)行拆解，根據(jù)電路走線得到電子電氣設(shè)備電路，如圖1所示。

圖1 電子電氣設(shè)備電路圖

通過(guò)電路圖對(duì)故障信息進(jìn)行采集，來(lái)確定電子電氣設(shè)備的檢測(cè)結(jié)構(gòu)。選取CPU芯片，S3C2410X組件，采用WINCE進(jìn)行系統(tǒng)操作。對(duì)電子電氣設(shè)備的故障檢測(cè)進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述電路圖進(jìn)行系統(tǒng)操作，進(jìn)行采集得到電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)。

2 構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型

構(gòu)建船舶甲板電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型，在構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型時(shí)，采集器出現(xiàn)問(wèn)題，則電子電氣設(shè)備會(huì)有一個(gè)反饋流程，信號(hào)狀態(tài)（R）不直接進(jìn)入電子電氣設(shè)備中將會(huì)通過(guò)Z矩陣和K矩陣重新反饋到電子電氣設(shè)備狀態(tài)中。如圖3所示。

圖3 反饋流程圖

根據(jù)圖3進(jìn)行變量分析，檢測(cè)Z故障的矩陣，得到電子電氣設(shè)備狀態(tài)如下：

在公式中，當(dāng)a與b為固定值時(shí)，那么O為矩陣屬性值，有唯一值。根據(jù)公式（2）得到目標(biāo)型函數(shù)如下所示：

公式中W為狀態(tài)變量，Q為電子電氣設(shè)備狀態(tài)，U為勢(shì)能，R為信號(hào)狀態(tài)。R要滿足公式（2）得到電子電氣設(shè)備狀態(tài)公式如下所示：

當(dāng)電子電氣設(shè)備故障信號(hào)采集器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，Q為0，采集器正常時(shí)，Q不為0。根據(jù)反饋利用分布函數(shù)，建立電子電氣設(shè)備故障狀態(tài)的特征函數(shù)。根據(jù)公式（4）得到電子電氣設(shè)備故障狀態(tài)下的信號(hào)特征頻率，結(jié)合公式（2）和公式（3）與電子電氣設(shè)備故障信號(hào)構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型。

3 提取電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征參數(shù)

根據(jù)電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型對(duì)電子電氣設(shè)備的故障頻帶進(jìn)行分類，將這些頻帶分配給各電子電氣設(shè)備故障信號(hào)。進(jìn)行分析后，通過(guò)電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)將電子電氣設(shè)備故障初始信號(hào)閾值的收縮過(guò)程進(jìn)行描述。將電子電氣設(shè)備故障的初始信號(hào)分解，利用電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型重新構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征的矩陣。利用強(qiáng)大的抗噪音能力，清晰描繪出電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的幅度升降情況。將重新構(gòu)建的電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征的矩陣看作一個(gè)階級(jí)矩陣，對(duì)電子電氣設(shè)備故障信號(hào)進(jìn)行奇異值分解，利用奇異值的分解對(duì)重新構(gòu)建的電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征的矩陣進(jìn)行排列，選取出故障的奇異值不為0時(shí)，結(jié)合電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型構(gòu)造電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征集合。再根據(jù)分解之后的形狀以及其原理去發(fā)現(xiàn)電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征向量，體現(xiàn)其矩陣特征。根據(jù)矩陣特征可以得到電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征，進(jìn)而提取電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征參數(shù)，公式如下所示：

公式中，k1為最大特征，k2為最小特征，k3為平均后的最終特征參數(shù)。根據(jù)上述過(guò)程計(jì)算最大特征與最小特征進(jìn)行平均計(jì)算后得到最終的電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征參數(shù)。

4 獲取電子電氣設(shè)備故障位置信息

進(jìn)行船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)，依據(jù)上述提取的電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算電子電氣設(shè)備故障信號(hào)總和，根據(jù)電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)獲得電子電氣設(shè)備故障位置信息。為了獲得電子電氣設(shè)備故障位置信息先判斷電子電氣設(shè)備是否在正常運(yùn)行，有無(wú)不安全因素。利用電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征參數(shù)獲取故障位置信息后，將電子電氣設(shè)備故障位置信息與故障的位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，依據(jù)電子電氣設(shè)備在電子電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)運(yùn)行中是否發(fā)生了故障來(lái)判斷電子電氣設(shè)備發(fā)生故障的位置，檢測(cè)電子電氣設(shè)備故障位置的具體公式如下所示：

公式中，12為電子電氣設(shè)備故障的運(yùn)行情況，xi為發(fā)生故障位置，A為電子電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)對(duì)應(yīng)的故障信息編號(hào)，A為某一個(gè)編號(hào)，每一個(gè)編號(hào)都是不同的且不會(huì)重復(fù)。通過(guò)上述的計(jì)算利用電子電氣設(shè)備故障信號(hào)的特征參數(shù)與電子電氣設(shè)備的運(yùn)行情況可以檢測(cè)到電子電氣設(shè)備故障的位置，以達(dá)到檢測(cè)目的。

5 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了證明本文中的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間效率高，引入基于多尺度協(xié)作模型的檢測(cè)方法和基于小波分析的電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法作對(duì)比。

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，先選取100組電子電氣設(shè)備故障樣本，分別記錄故障位置，以便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要將本文的電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法與傳統(tǒng)的電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，所以兩種方法的實(shí)驗(yàn)要對(duì)應(yīng)相同的參數(shù)，就要設(shè)計(jì)相同參數(shù)再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

按照所設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置船舶甲板。將100組電子電氣設(shè)備故障樣本都選用同一種型號(hào)，同一種設(shè)備，減小因型號(hào)不同等因素帶來(lái)的故障誤差。

5.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將本文的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法與基于多尺度協(xié)作模型的檢測(cè)方法和基于小波分析的電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法分別對(duì)100組樣本進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)時(shí)間結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本文的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法在檢測(cè)時(shí)間上遠(yuǎn)低于基于多尺度協(xié)作模型的檢測(cè)方法和基于小波分析的電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法。為了進(jìn)一步證明實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，將時(shí)間設(shè)置在25 min內(nèi)，推斷選取600個(gè)樣本充足，觀察三種方法在相同的時(shí)間內(nèi)分別可以檢測(cè)出多少個(gè)船舶甲板電子電氣設(shè)備故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表2 檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由圖4可知，從檢測(cè)剛開(kāi)始本文的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法檢測(cè)數(shù)量一直穩(wěn)定上升。多尺度協(xié)作模型的檢測(cè)方法一開(kāi)始就非常落后，從10分鐘后檢測(cè)數(shù)量才開(kāi)始上升?；谛〔ǚ治龅碾姎庠O(shè)備故障檢測(cè)方法則是一開(kāi)始很快后來(lái)越來(lái)越慢。相同時(shí)間這兩種傳統(tǒng)方法的檢測(cè)數(shù)量都比本文的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法少。

5.3 結(jié)論

結(jié)合圖表可知，本文的檢測(cè)方法檢測(cè)效率是20個(gè)/min，多尺度協(xié)作模型的檢測(cè)方法檢測(cè)效率是15個(gè)/min，小波分析的電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法檢測(cè)效率是14個(gè)/min，所以本文的檢測(cè)方法比另外兩種檢測(cè)方法檢測(cè)效率高。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，電子電氣設(shè)備融入到了各個(gè)領(lǐng)域，船舶甲板電子電氣設(shè)備也被廣泛使用，但是傳統(tǒng)的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法不能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出電子電氣設(shè)備的故障位置，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法能力沒(méi)有得到優(yōu)化，已經(jīng)不足以檢測(cè)現(xiàn)在的電子電氣設(shè)備。所以提出了新的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，新的船舶甲板電子電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法利用電子電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)與電子電氣設(shè)備的反饋機(jī)制構(gòu)建電子電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)模型，獲取電子電氣設(shè)備故障信號(hào)特征參數(shù)，準(zhǔn)確找到船舶甲板電子電氣設(shè)備故障的準(zhǔn)確位置，及時(shí)進(jìn)行檢修。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)比新的檢測(cè)方法在時(shí)間效率上得到很大提升，可以及時(shí)檢測(cè)出故障問(wèn)題。

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Research on fault detection methods for electronic and electrical equipment on ship deck

Hong Sizhang

（School of Navigation, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China）

TM591

A

1003-4862（2023）11-0068-04

2023-05-15

洪四章（1982-）男，本科，船長(zhǎng)/講師，研究方向：航海科學(xué)技術(shù)，航海教育等。E-mail: 647626409@qq.com