摘要：為了使工程船舶達到一定水平的安全、高效作業(yè)能力，必須提高甲板機械設備的遠程控制能力。就現(xiàn)狀而言，各種甲板機械設備的維護和操作在很大程度上還是取決于技術人員對設備的經(jīng)驗。因此，加強自動化技術在工程船舶作業(yè)中的合理應用勢在必行。

關鍵詞：甲板機械設備；自動化；無線監(jiān)控；遠程管理；故障診斷

一、引言

在海洋資源開發(fā)的不斷深入以及全球經(jīng)濟科技迅速發(fā)展的背景下，對工程船舶上的甲板機械設備性能和效率提出了更高的要求。同時，在我國新型工業(yè)化的新發(fā)展理念推動下，使船舶甲板機械設備向安全化、精密化、自動化方向發(fā)展[1]。因此，加強自動化技術在工程船舶作業(yè)中的合理應用勢在必行。本文介紹了一種無線技術管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)允許用戶在使用互聯(lián)網(wǎng)的任何時間與地點，在終端同時對多個處在不同地點的甲板機械設備同時管理，且基于這個概念，操作人員可以同時操控和管理甲板機械設備。

在環(huán)保要求日益嚴格的今天，智能化設備的應用也有助于減少對環(huán)境的影響，促進可持續(xù)發(fā)展。因此，研究工程船舶甲板機械設備基于無線通信的遠程控制和故障診斷，不僅順應了科技進步和市場需求的雙重趨勢，還對提升海洋工程裝備水平、推動行業(yè)技術革新具有重要意義。

二、文獻回顧

目前，甲板機械設備自動化技術和機電自動化技術在自動化控制工作中應用最廣泛[2]，因為這類控制器工作效率穩(wěn)定，是甲板機械設備的關鍵。電氣自動化技術，是重點發(fā)展的組成部分，具有操作簡單的特點，可以從根本上提高甲板設施設備的整體質(zhì)量與使用的便利性。因此，加強對甲板機械設備自動化技術、機電自動化技術特點、操縱方法的研究，可以積極推動海洋資源開發(fā)建設向勘探化、規(guī)?；?、自動化方向發(fā)展，為海洋和市場經(jīng)濟的穩(wěn)中向好發(fā)展作出重要貢獻[3]。

由于甲板機械設備作業(yè)海況復雜，工程作業(yè)對象龐大，機件容易出現(xiàn)故障。目前，甲板機械設備的錯誤識別及分析方法包括基于數(shù)學統(tǒng)計和數(shù)據(jù)信號分析的方法[4]。本文在現(xiàn)有研究的基礎上，提出了一種基于無線通信技術的甲板機械設備遠程控制與故障診斷研究方法。本文首先分析了基于無線局域網(wǎng)的端口管理系統(tǒng)架構(gòu)方案，并介紹了相應的遠程監(jiān)控功能，在此基礎上分析了新算法的特點，將該算法引入到網(wǎng)絡中，建立了基于新算法的甲板機械設備故障診斷模型。通過仿真實驗驗證了該算法的成立，以及該模型在甲板機械設備錯誤分析中的便利性。

三、遠程監(jiān)控系統(tǒng)概述

（一）主要體系構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)中有多種監(jiān)控方式可以適應用戶的需要。通常選擇的系統(tǒng)是無線遠程控制系統(tǒng)（WLAN）。該系統(tǒng)采用普遍使用的無線技術，以服務于系統(tǒng)運行，工作原理是利用無線網(wǎng)絡技術將船舶站點的真實情況上傳至云端服務器，同時利用技術對數(shù)據(jù)進行加工處理，使信息以更方便、更簡單的方式發(fā)布給用戶，用戶則可以通過遠程控制終端處理數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)。目前，基于現(xiàn)有技術，云端服務器上的數(shù)據(jù)內(nèi)容和處理器所分析產(chǎn)生的結(jié)果可以在不同客戶端之間實現(xiàn)即時共享。

（二）系統(tǒng)控制邏輯分析

系統(tǒng)控制的實現(xiàn)必須按照一定的邏輯進行。WLAN監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯主要包括本地實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、云端計算機信息處理系統(tǒng)，兩者都是通過相關系統(tǒng)交流進行信息的上傳與分析對遠程甲板機械設備進行管理。

四、系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)構(gòu)架分析

甲板機械結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)的框架有兩個方案。設備終端的數(shù)據(jù)傳導和客戶的控制反饋均必須經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)主機，所有采集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)讀取分析后才能根據(jù)權(quán)限發(fā)送給相對應的客戶。優(yōu)點是遠程管理系統(tǒng)的主機便于對云端網(wǎng)絡進行控制，數(shù)據(jù)私密性高。缺點是當有多設備客戶端連接到網(wǎng)絡時，多設備同時對監(jiān)控系統(tǒng)進行訪問，主機會產(chǎn)生網(wǎng)絡擁擠。將甲板機械設備終端數(shù)據(jù)更直接地傳送給對應的操作員工端，監(jiān)控系統(tǒng)主機必須監(jiān)測設備是否有新接入。

（二）系統(tǒng)功能介紹

甲板機械設備遠程無線自動化監(jiān)控系統(tǒng)的作用分為兩類：云端甲板機械設備遠程監(jiān)控（簡稱遠程監(jiān)控）和云端數(shù)據(jù)管理（簡稱數(shù)據(jù)管理）。

遠程監(jiān)控包括遠程數(shù)據(jù)傳輸、實時事件監(jiān)控、統(tǒng)計監(jiān)控、實時告警等功能、設備狀態(tài)信息、保養(yǎng)預警、歷史信息查詢等。其中，數(shù)據(jù)遠程控制將終端設備的工作數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控主機；實時觀察將通過視頻進行跟蹤監(jiān)控；包括故障預測在內(nèi)的實時錯誤報警。監(jiān)控數(shù)據(jù)分析功能包括監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計分析兩個步驟；健康通知包括監(jiān)測設備狀態(tài)信息和設備健康度評估項兩個步驟。

數(shù)據(jù)管理包括三個功能：信息管理、控制管理和用戶數(shù)據(jù)管理。其中，信息管理包括報表的列表、記錄和發(fā)現(xiàn)，該功能對報表進行管理；控制管理側(cè)重于日常維護計劃和操作記錄；數(shù)據(jù)管理是指修改用戶訪問和控制權(quán)限。

五、研究方法

（一）監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對甲板機械設備工作狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控、管理和在線數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、無線局域網(wǎng)、監(jiān)測站、網(wǎng)絡服務器和互聯(lián)網(wǎng)用戶五部分組成。

1.監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵技術

在海洋環(huán)境中工作的船舶，甲板機械設備通常會在海洋露天工作，經(jīng)常面對極其惡劣的環(huán)境影響，如風、雨、雪、雷、電、鹽霧等空間電磁干擾。因此，基于無線技術的數(shù)據(jù)傳遞路徑應具有一定的免外界因素打擾能力和優(yōu)質(zhì)完整的信息傳遞能力。本文闡述的監(jiān)測系統(tǒng)采用擴頻技術滿足海洋工程作業(yè)的需要。擴頻技術可以將信號擴展到一個更寬的帶寬程度上，并在接收端對傳輸信號進行一定的格式處理，即帶寬壓縮，并返回到窄信號[7-8]。

2.算法簡介

本算法是基于現(xiàn)有AP聚類算法基礎上改進的聚類算法，它通過引入不完全相似性提高算法的聚類效果。實現(xiàn)過程如下：

第一步：計算樣本相似度矩陣S；

第二步：根據(jù)壓縮相似度矩陣算法計算壓縮相似度矩陣S；

第三步：對S'進行稀釋，得到稀疏度的相似性矩陣S*；

第四步：迭代計算通用矩陣以及性能矩陣；

第五步：判斷算法是否達到迭代次數(shù)并判斷是否需要終止計算。

3.基于新算法的甲板機械錯誤判斷模型

根據(jù)以上對新算法的分析，該算法組不需要預先設置，過程簡單易用。因此，選擇該算法進行甲板機械設備的錯誤判斷，該模型包括三個模塊：錯誤數(shù)據(jù)提取、聚類分析和故障診斷。

第一個模塊是錯誤數(shù)據(jù)提取。故障特征提取的目的是更具有針對性及精確地獲取甲板機械的錯誤特征，從而提高故障分組的準確性，進一步提高故障診斷的準確性。首先，對甲板機械設備閾值振動信號進行解構(gòu)得到模型分量，然后采用近似熵分析法計算模型分量的近似熵，從而轉(zhuǎn)化為錯誤數(shù)據(jù)向量。

第二個模塊是聚類分析。聚類分析結(jié)果直接影響甲板機械設備錯誤分析判斷的針對性。本研究通過計算上述算法的模型精度是否達到指定數(shù)據(jù)范圍來，以判斷算法的實際運用效果。

第三個模塊是故障診斷。故障診斷是為了識別故障樣本，是整個模型的核心目標。

（二）仿真實驗

為了測試算法的有效性，使用模擬數(shù)據(jù)集對新算法和標準AP算法進行模型構(gòu)建。在四個合成數(shù)據(jù)集中，標準AP算法與新算法的相似度和聚類準確率得分差異較小，但新算法聚類計算時間更短，聚類計算時間優(yōu)勢增大。與數(shù)據(jù)標準AP算法和新算法在四個真實數(shù)據(jù)集的非差異度指標之和方面的差異很?。辉诰垲惥确矫?，標準AP算法接近于新算法。

為了驗證模型分析效果，選取了某工程船甲板機械設備的曾經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)作為錯誤樣本進行錯誤分析，本研究提出的算法對一般狀況下的內(nèi)部元件故障的錯誤識別準確率極高；對外表面損壞故障的判斷準確率較低，對螺絲零件類問題的診斷準確率為0，原因是外表面損壞故障和螺絲零件累故障的數(shù)據(jù)來源較少，特別是螺絲零件故障的數(shù)據(jù)只有6個，使算法難以提取有效的數(shù)據(jù)進行擬合分析并生成錯誤報告，導致診斷準確率低。

綜上所述，基于新算法的故障診斷方法可以識別不同類型的機械故障。與標準AP算法和W-variance算法相比，本研究算法的綜合性與全面性表現(xiàn)更佳，在相似性之和、信息互通的標準化、聚類模擬準度、聚類分析用時等方面表現(xiàn)更好。與W-variance算法相比，本算法的故障分化程度更高，達到97%以上。該算法的操作可行性和數(shù)據(jù)精確性通過在甲板機械的錯誤分析診斷中的應用得到了驗證，它能準確診斷甲板機械設備未出現(xiàn)問題的狀態(tài)、內(nèi)部元件的故障情況，判斷精準度達到100%。

六、結(jié)束語

本文介紹了一種基于無線通信技術的甲板機械遠程控制和故障診斷方法。針對甲板機械設備的不同特征，甲板機械設備遠程控制系統(tǒng)得以開發(fā)，兩種不同的系統(tǒng)架構(gòu)方案應運而生，為數(shù)據(jù)遠程傳輸、狀態(tài)即時監(jiān)察、監(jiān)測信息收集、故障診斷、數(shù)據(jù)導出、歷史數(shù)據(jù)收集與查詢、故障報告、維護計劃形成、用戶信息收集與分析等功能，并且基于無線通信實現(xiàn)了甲板機械設備的故障診斷與遠程管理。根據(jù)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，錯誤診斷準確。同時，報告通過分析新算法的特點，將該算法引入甲板機械的誤差分析中，并提出了基于新算法的甲板機械錯誤分析診斷模型。通過數(shù)據(jù)模擬實驗，驗證了該算法及其在甲板機械故障診斷中的普適性。

作者單位：俞鈞杰 居曉俊 王順 張運 上海交通建設總承包有限公司

參考文獻

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