基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統的開發(fā)與測試

王凱*，奚博文，王玉寶，顧鼎錫，劉英杰

（1.滬東重機有限公司，上海浦東，200129；2.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江，212003）

基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統的開發(fā)與測試

王凱1*，奚博文1，王玉寶1，顧鼎錫2，劉英杰2

（1.滬東重機有限公司，上海浦東，200129；2.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江，212003）

隨著國內海洋裝備的大力發(fā)展，大功率船舶柴油機故障診斷系統越來越受到重視，目前國內所研發(fā)的故障診斷軟件大部分還停留在仿真模擬階段，并未在船舶柴油機上進行聯調試驗，這使得國內的故障診斷技術停滯不前。本文所介紹的軟件是在前期故障診斷系統的基礎上，開發(fā)了所配套的故障診斷軟件，軟件采用故障樹理論，層層遞進，逐個分析，所有的故障報警點均基于柴油機各個工況下的實際值總結而來，具有較高的可靠性，且報警點的設置界面靈活，可使用戶隨時修改。實際試驗表明，本故障診斷軟件配合故障采集系統能處理各種不同的故障類型，適用性強。

船舶柴油；故障；診斷；軟件

引言

隨著我國“走向深藍”的提出，我國的海洋裝備正處于近海到遠海的轉型期，海洋裝備保障領域日益的受到重視。提高柴油機的維護保障問題，必須依托全新的故障診斷系統的開發(fā)建設，柴油機的保障需要故障診斷系統。PA6系列柴油機在我國船舶應用廣泛，開展PA6柴油機故障診斷系統的開發(fā)具有典型意義，可以為各類柴油機故障診斷系統提供基礎性參考。

研究柴油機故障診斷系統，可根據故障征兆信號作出預警，并給出檢查及維修建議，為形成柴油機維修技術，提高大功率柴油機維修技術能力，實現快速、精確的柴油機維修奠定技術基礎。

1 故障診斷系統的組成

在實現故障診斷之前，必須采集柴油機的各項實時數據，因此，系統由柴油機信號模擬器、現場信號采集柜、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷計算機三部分組成，結構如圖1所示。

圖1 柴油機故障診斷系統結構圖

信號采集系統包括柴油機信號模擬器、柴油機信號采集柜及柴油機故障檢測與診斷系統，在聯調試驗時，因集控臺本身帶有監(jiān)測系統，所以不能直接從柴油機本體上采集數據信號，只能通過柴油機模擬器將集控臺的信號進行轉發(fā)，從而將柴油機的實際信號輸入柴油機故障診斷系統中。

用于船用大功率柴油機故障診斷系統的故障診斷軟件基于故障樹分析方法，故障樹分析法是一種以尋找故障發(fā)生的可能原因為目的的由上至下的分析方法，不僅能夠進行系統的可靠性分析，而且還可以應用于系統發(fā)生故障或事故時的原因調查分析，或者作為排除故障的良好的工具。對于一個柴油機這樣復雜的系統來說，尋找某一故障發(fā)生的原因是相當困難的，借助故障樹所建立起來的邏輯圖進行故障分析，就可以非常好的解決這一問題。

2 船舶柴油機故障診斷軟件

2.1 故障分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA），在可靠性工程領域中是進行系統分析的一種重要而有效的方法，該方法于1961年由美國貝爾實驗室H.A.Watson首先提出，后作為可靠性和安全性分析工具在航天、核能等領域獲得廣泛應用。近幾年，故障樹分析法在我國也引起廣泛的重視，在化工、核能、電子工業(yè)等領域的應用已經取得顯著成果。

對于船舶柴油機系統所建立的故障樹一般均為單調關聯的，所謂單調關聯的故障樹意味著它僅由或門和與門組成，且所有的底事件可以包含重復事件，但是這些事件都是相互統計獨立的。用布爾代數可以表示事件之間的邏輯關系，直接由布爾代數表示的故障樹可以經過布爾運算化簡，從而得到故障樹的最后布爾表達式，它是基本事件（底事件）的乘積之和表達式。每一個基本事件的乘積項稱之為故障樹的最小割集（MCS），即系統的故障模式，故障樹的定性分析的任務就是求出故障樹的全部最小割集，由于全部最小割集反映了系統的全部故障模式，所以全部最小割集的集合又稱之為系統的故障譜。通過對故障譜的分析，可以找出系統的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統的可靠性與安全性。

由于故障樹分析方法發(fā)展歷史長，技術成熟，經驗數據豐富可靠，采用確定性推理能夠保證系統的診斷質量。所以本故障診斷系統采用了確定性推理方法和基于事例的推理方法。確定性推理是指由一個或一組前提必然地推導出某個結論的過程，這種方法診斷結果準確可靠。基于事例的推理就是將過去成功的事例存入數據庫中，遇到問題時，在數據庫中尋找類似的過去事例，利用類比推理的方法，得到最終的結論，這種方法更有利于知識的擴充。

考慮到故障樹是一種邏輯關系圖，本文中采用的是正向推理方式，試驗表明，該推理方式效率高，速度快。

該故障診斷系統開始的時候總是依據節(jié)點的入口條件進入某一個節(jié)點，用戶從已選的節(jié)點根據提示一步一步完成診斷。如果用戶沒有選擇某一入口條件時，系統就默認從第一個節(jié)點開始往下進行，用戶只能從第一個節(jié)點開始依據提示往下判斷，而在當前節(jié)點的節(jié)點事實（船舶柴油機顯現出來的故障征兆和一些必要的檢查、試驗、測試等）決定了下一個診斷節(jié)點，也就是決定了診斷的流向。當前節(jié)點的這個作用稱為當前節(jié)點擁有節(jié)點控制權，診斷節(jié)點的變化稱為節(jié)點控制權轉移。

圖2是該故障診斷系統的分析流程圖，圖中顯示了節(jié)點控制權轉移和診斷與推理結合的情況。

圖2 船舶柴油機故障診斷系統的分析流程圖

在故障診斷的過程中，首先要判斷入口條件，如果入口條件為真，即該條件被用戶選中時，則進入下一個環(huán)節(jié)，系統就會進入此節(jié)點（被用戶選中某一個入口條件所在的當前節(jié)點）；然后判斷該節(jié)點屬性，如果是提問節(jié)點，則依據提示判斷下一節(jié)點是肯定節(jié)點還是否定節(jié)點，并做出正確判斷，進入下一個節(jié)點。無論進入的是哪一個節(jié)點，系統重新判斷該節(jié)點的屬性，如果還是提問節(jié)點，則重復前一個過程，就這樣不斷的判斷下去，直到無記錄為止。如果系統判斷出某一節(jié)點是結論節(jié)點，則系統顯示該節(jié)點字段中的內容，此字段中的內容即為最終的結論，而不需要進行下一步的判斷。

2.2 故障診斷軟件的基本結構

故障診斷軟件，其核心思想是在測試診斷知識的引導下，根據發(fā)生的故障征兆和測試結果，對測試對象進行判斷，判斷出故障所在的部位。診斷過程的實質就是對診斷知識庫的搜索過程，對基于故障樹診斷來說就是對故障樹的搜索過程。

為此，本故障診斷系統采用基于規(guī)則的產生式系統，并在開發(fā)本系統時，主要用以數據庫為載體的構造模型，用Visual C++程序設計語言構造推理機。根據傳統專家系統的基本結構，并考慮到該故障診斷系統的實際應用環(huán)境，本文所開發(fā)的故障診斷系統的基本結構如圖3所示。

圖3 船舶柴油機故障診斷系統的基本結構

在本故障診斷系統中，故障數據庫用來存放輸入的原始事實、中間結論和最后結論。故障推理機則利用故障數據庫的知識進行推理。故障診斷結論則顯示最終系統的診斷結果，即給出系統故障的原因所在。

解釋數據庫則存放解釋信息，即向用戶解釋得到此結論的推理過程，用戶不僅能夠明白產生此故障的前因后果，而且還能學習很多的專業(yè)知識。

此外，本船舶柴油機故障診斷系統還能向故障數據庫中添加新的原始事實、中間結論和最后結論，即添加新的故障事實、產生該故障的原因、最后得出的正確結論及推理路徑，并在相應的解釋數據庫中添加新的解釋內容。也就是說，可以不斷豐富、補充原有故障樹。

在人機接口界面中用到的知識庫和用于保存推理過程中產生的中間結果數據庫以及讀取和存儲傳感器數據的數據庫等，都需要在SQL Server中設計相應的數據表。整個系統主要包括以下數據表：傳感器屬性庫、數據記錄庫、邏輯規(guī)則庫、對策庫、故障記錄等。圖4和表1-表6給出了整個故障診斷的數據庫結構和用到的數據表。

圖4 數據庫表

表1 故障邏輯庫表

表2 傳感器限值表

表3 故障對策庫

表4 故障記錄庫

fault_time 故障時間 nvChar 14 NO fault_state 故障是否確認 Char 1 NO fault_re_time 故障確認時間 nChar 14 YES fault_class 故障分類 Char 1 NO

表5 數據記錄表

總之，本故障診斷系統的基本結構能夠滿足故障分析軟件的各項功能要求，并能夠逐步完善其功能。

2.3 故障診斷軟件的界面

2.3.1 主界面

主界面左側可同時顯示4個量的變化曲線，并可以根據比對需要，通過下拉框選擇任意需要顯示的通道值。主界面右側顯示故障報警，并按照級別分色顯示。如圖5所示。鼠標點擊數據曲線，可顯示該光標處曲線數值及時間，如圖6所示。

圖5 故障診斷主界面

圖6 光標處曲線數值及時間

2.3.2 故障知識庫維護界面

圖7 故障知識庫維護界面

界面左邊為邏輯樹的顯示，右邊為邏輯數據的輸入。

新建測試點：用于建立“或”關系，點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“新建測試點”按鈕后輸入“測試點參數”，保存后，新的測試點將和樹上選擇的節(jié)點建立“或”關系。

增加測試點：用于建立“與”關系，點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“增加測試點”按鈕后輸入“測試點參數”，保存后，新的測試點將和樹上選擇的節(jié)點建立“與”關系。

刪除測試點：點擊選擇邏輯樹某一節(jié)點后，點擊“刪除測試點”按鈕后，和選擇節(jié)點后保持“與”關系的節(jié)點將同時被刪除，同時與被刪除節(jié)點有關系的故障也將被刪除。

故障確認：點擊故障確認后，樹根節(jié)點到選擇的節(jié)點所構成的“與”關系樹枝將被確認為故障的測試點集合（用于對故障的定義）。同時輸入故障的描述文本和說明文件，選擇相應的“故障分類”并保存，完成故障的設置。

2.3.3 數據采集點維護界面

數據采集點維護界面主要用來修改傳感器采集點的屬性。如名稱、數據類型、單位等。

圖8 數據采集點維護界面圖

選擇要修改的采集點點擊右鍵，可以進入修改頁面。

圖9 數據采集點修改界面圖

2.3.4 外部調用程序功能界面

圖10 外部調用程序功能界面圖

點擊菜單“調用外部文件”—“設置”可以對菜單中“調用維修手冊”、“調用備件清單”、“調用其他程序”的路徑進行設置，設置完畢后，診斷出故障結果的同時，可同時顯示維修視頻或備件清單等文件。

2.4 故障報警點

故障報警點是故障診斷系統中最為重要的數據，本系統的故障報警點均根據不同溫度，不同轉速下柴油機真實的數據，經過總結得到，例如。

主軸承溫度測量范圍為0～150℃，主軸承實際測量溫度在不同環(huán)境溫度下的數值由表7所示。

表7 主軸承溫度實際測量值

由表7可知，柴油機正常運行時，在不同環(huán)境溫度下，主軸承最高溫度均在94℃左右，因此，可設置報警溫度為110℃，自動降速溫度為115℃，自動停車溫度為120℃符合實際溫度規(guī)律。

2.5 故障診斷流程

軟件對上傳的數據進行讀取，對每個傳感器數據進行報警值比對，建立實時報警序號集合，由于每個故障是由若干個報警序號組成的，通過在實時報警序號集合中比對故障集合，實現故障報警。

圖11 診斷流程

故障診斷流程程序如下：

3 柴油機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置裝機聯調測試

聯調測試的主要目的在于測試柴油機信號監(jiān)測與故障診斷系統的數據采集準確性 ，包括熱電阻溫度信號、熱電偶溫度信號、4-20mA電流信號、高頻轉速信號等。同時測試柴油機信號故障診斷軟件對于故障診斷的準確性。在本次測試的故障診斷系統測試的同時，還測量了PA6型柴油機的在各個工況下的爆壓及振動數據，但因故障診斷軟件還未能判斷這兩項數據，因此并沒有進行對振動及爆壓的故障診斷。（爆壓和振動的測試是否要寫入文章）圖12為50%負荷下在線監(jiān)測與實際值的對比。

圖12 50%負荷下柴油機在線監(jiān)測與實際值的對比

在試車臺現場，通過現場采集數據及模擬器設置故障的方法，對以下22個故障進行了測試，測試結果表明，故障診斷準確率為100%。

故障測試的表有些長，可否選取典型的幾個。因為單列22個感覺有些沒有內容

故障項目：

1.滑油冷卻器出水溫度過高故障

2.滑油冷卻器出水溫度過低故障

3.主機海水泵出口壓力過低故障

4.主機淡水出口溫度過高故障

5.主機淡水出口溫度過低故障

6.主機淡水進口壓力過低故障

7.主機滑油進機溫度過高故障

8.滑油進機壓力過低故障

9.滑油進機壓力過高故障

10.主機燃油進機壓力過低故障

11.空冷器進口空氣溫度、空冷器進口空氣溫度過高故障

12.主機空冷器進口空氣壓力且增壓器轉速過高故障

13.增壓器轉速過低故障

14.單個氣缸排氣溫度過高故障

15.所有氣缸排氣溫度同時過高故障

16.氣缸排氣溫度升高故障

17.氣缸排氣溫度急速降低故障

18.氣缸排氣溫度過低故障

19.主軸承溫度過低故障

20.主軸承溫度過高故障

21.主軸承溫度過高導致停車故障

22.STC報警故障

故障測試如圖13所示。

圖13 柴油機故障測試軟件（這個圖不是很清晰，但是挺有用的，故障診斷的圖就這一張，其他都是實驗數據）

4 結束語

柴油機故障診斷系統所用傳感器可真實再現所測信號，數據傳輸的失真率控制在5%以內。知識庫中的量化指標可準確表示故障特征，便于形成可執(zhí)行語句，經試驗檢驗，整體正確率為100%。可以準確的診斷出輸入在數據庫內的故障。本系統使用實時監(jiān)測診斷系統的接口，很好的將現場的診斷系統擴展為故障診斷專家系統，并形成船維修子系統，可以進行3D維保、故障建議、故障分析等功能調用。對PA6型柴油機的測試結果表明，該系統能夠取得良好的診斷效果。

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Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing

WANG Kai1*,XI Bowen1,WANG Yubao1,GU Dingxi2,LIU Yingjie2
(1.Hudong Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai Pudong,200129,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang,212003,China)

With the development of marine equipment in China,more and more attention is paid to the fault diagnosis system of marine diesel engine.most of the fault diagnosis software currently developed in China is still in the simulation stage.it is not tested on the marine diesel engine,which makes the technology of fault diagnosis in China stagnant.The software introduced in this paper is based on the early fault diagnosis system,developed the fault diagnosis software,the software uses the fault tree theory,layer by layer progressive,one by one analysis,all the fault alarm points are based on the actual value of diesel engine under various operating conditions,has high reliability,and the setting interface of alarm point is flexible,can make users change at any time.The actual test shows that the fault diagnosis software cooperated with the fault acquisition system can deal with a variety of different fault types,and the applicability is strong.

marine diesel; fault; diagnosis; software

TH16，TK43

A

1672-9129(2017)04-0056-10

王凱,奚博文,王玉寶,等.基于故障樹理論的船舶柴油機故障診斷系統的開發(fā)與測試[J].數碼設計,2017,6(4):56-65.

Cite：WANG Ka,XI Bowen,WANG Yubao,et al.Ship Fault Diagnosis System for Marine Diesel Engine Based on Fault Tree Theory Development and Testing[J].Peak Data Science,2017,6(4):56-65.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.016

2017-01-10；

2017-02-13。

王凱（1980-）男，上海，本科，滬東重機有限公司，研究方向：柴油機開發(fā)。E-mail:wak@hhm.com.cn